Назначение и классификация сетей
Коммуникационная сеть – система узлов и соединений между ними. В узлах осуществляются функции создания, преобразования, хранения и потребления продукта коммуникаций. Соединения (каналы передачи, линии связи) служат для передачи продукта между узлами. В зависимости от вида продукта различают вещественные, энергетические, информационные сети. Примеры вещественных сетей: автотранспортное и железнодорожное сообщения; водо- и газоснабжение.
Информационная сеть – коммуникационная сеть, в которой продуктом коммуникаций является информация. Примеры: телефонные сети, телевидение, радиовещание.
Вычислительная, или компьютерная сеть – информационная сеть, узлами которой являются компьютеры и другое вычислительное оборудование. Помимо специального сетевого оборудования, необходимо также сетевое программное обеспечение. Благодаря взаимодействию компьютеров в сети, становится доступным ряд новых возможностей.
Первое – совместное использование аппаратных и программных ресурсов. Так, при общем доступе к дорогостоящему периферийному устройству (принтеру, плоттеру, сканеру, факсу и др.) снижаются затраты на каждого отдельного пользователя. Аналогично используются сетевые версии прикладного программного обеспечения.
Второе – совместный доступ к ресурсам данных. При централизованном хранении информации значительно упрощаются процессы обеспечения ее целостности, а также резервного копирования, что обеспечивает высокую надёжность. Наличие альтернативных копий на двух машинах одновременно позволяет продолжать работу при недоступности одной из них.
Третье – ускорение передачи данных и обеспечение новых форм взаимодействия пользователей в одном коллективе при работе над общим проектом.
Четвертое – использование общих средств связи между различными прикладными системами (коммуникационные услуги, передача данных, видео, речи и т.д.).
Одним из важных классификационных признаков сетей является их размер. Размеры сети влияют на выбор используемого оборудования и применяемых технологий передачи.
Локальная вычислительная сеть (ЛВС, или LAN – Local Area Network) объединяет близкорасположенные компьютеры в пределах ограниченной территории, помещения, здания. Отличительные особенности ЛВС – минимальное время задержки и низкий уровень ошибок. ЛВС могут являться элементами более крупномасштабных образований: кампусная, или корпоративная сеть (CAN – Campus Area Network), объединяющая локальные сети близко расположенных зданий; муниципальная сеть, или сеть городского масштаба (MAN – Metropolitan Area Network); региональная, или широкомасштабная сеть (WAN – Wide Area Network), охватывающая значительную территорию; глобальная вычислительная сеть (ГВС, или GAN – Global Area Network), имеющая размеры страны и континента.
По способу управления сети делятся на одноранговые и с выделенным сервером (централизованным управлением). В одноранговых сетях все узлы равноправны – каждый узел может выступать в роли и клиента, и сервера. Под клиентом понимается программно-аппаратный объект, запрашивающий некоторые услуги. А под сервером – комбинация аппаратных и программных средств, которая эти услуги предоставляет. Компьютер, подключенный к локальной сети, в зависимости от задач, решаемых на нем, называют рабочей станцией (workstation) или сервером (server).
Одноранговые ЛВС достаточно просты в обслуживании, однако не могут обеспечить должной защиты информации при большом размере сети. Затраты на организацию одноранговых вычислительных сетей относительно небольшие. Однако при увеличении числа рабочих станций эффективность использования сети резко уменьшается. Поэтому одноранговые ЛВС используются только для небольших рабочих групп – не более 20 компьютеров.
Выделенный сервер реализует функции управления сетью (администрирования) в соответствии с заданными политиками – совокупностями правил разделения и ограничения прав участников сети. ЛВС с выделенным сервером имеют хорошие средства обеспечения безопасности данных, способны поддерживать тысячи пользователей, однако требуют постоянного квалифицированного обслуживания системным администратором.
В зависимости от используемой технологии передачи данных различают широковещательные сети и сети с передачей от узла к узлу. Широковещательная передача применяется в основном в небольших сетях, а в крупных – передача от узла к узлу.
В широковещательных сетях всеми узлами сети совместно используется единый канал связи. Посылаемые одним компьютером сообщения, называемые пакетами, принимаются всеми остальными машинами. В каждом пакете имеется адрес получателя сообщения. Если пакет адресован другому компьютеру, то он игнорируется. Таким образом, после проверки адреса получатель обрабатывает только те пакеты, которые ему предназначены.
Сети с передачей от узла к узлу состоят из попарно соединённых машин. В такой сети, чтобы попасть в пункт назначения, пакет проходит через ряд промежуточных машин. При этом часто существуют альтернативные пути от источника к получателю.
Способ объединения компьютеров между собой в сети называют топологией. Различают три наиболее распространенные топологии, которые используют в ЛВС. Это так называемые шинная, кольцевая и звездообразная структуры.
В случае реализации шинной (линейной) структуры все компьютеры связываются в цепочку с помощью одного общего коаксиального кабеля. Если же хотя бы один из участков сети с шинной структурой оказывается нарушенным, вся сеть в целом становится неработоспособной. Дело в том, что тогда происходит разрыв единственного физического канала, необходимого для движения сигнала.
Кольцевая структура используется в основном в сетях Token Ring и отличается от шинной тем, что все компьютеры попарно соединяются друг с другом, образуя замкнутый контур. Также в случае неисправности одного из сегментов сети вся сеть выходит из строя.
В сети с звездообразной структурой центральным узлом, к которому подключаются все остальные, является концентратор (Hub – «хаб»). Его основная функция – обеспечение связи между компьютерами, входящими в сеть. Данная структура предпочтительнее, поскольку в случае выхода из строя одной из рабочих станций или кабеля, связывающего её с концентратором, все остальные сохраняют работоспособность.
При построении сетей находит применение ячеистая (полносвязная) топология, при которой каждый узел соединяется со всеми другими отдельными каналами. Затраты на создание избыточных каналов компенсируются высокой надёжностью – практически всегда существует несколько путей для прохождения сигналов от отправителя к получателю, поэтому при отключении одних каналов сигналы могут передаваться по другим.
Различают следующие способы коммутации данных в информационных сетях: коммутацию каналов, коммутацию пакетов и коммутацию сообщений.
При коммутации каналов сначала устанавливается весь путь соединения – от отправителя до получателя. Этот путь состоит из нескольких участков, соединённых коммутаторами и(или) мультиплексорами. Все данные передаются по установленному маршруту. По завершении передачи соединение разрывается. Пример – телефонный разговор: канал занят всё время разговора, даже если абоненты молчат. Скорость передачи по такому каналу ограничена участком с наименьшей пропускной способностью.
При втором методе сообщения разбиваются на пакеты фиксированной длины, которые могут доставляться по сети независимыми маршрутами, обеспечивая равномерную загрузку сети. При этом по одному каналу могут передаваться пакеты разных сообщений. В качестве примера приведём аналогию: в час «пик» группа студентов добирается из общежития в университет на разном транспорте, каждый по-своему.
Коммутация сообщений напоминает коммутацию пакетов, но на более высоком уровне (при этом узлы коммутации сообщений могут соединяться как сетью с коммутацией каналов, так и сетью с коммутацией пакетов). Основное отличие заключается в том, что размер блока данных определяется не технологическими ограничениями, а содержанием информации в сообщении. Это может быть текстовый документ, электронное письмо, файл. Пример – группа туристов следует по маршруту, в каждом пункте проверяется состав группы. По такой схеме передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, например, сообщения электронной почты.
Сетевая модель OSI/ISO
Функционирование сетевого оборудования невозможно без взаимоувязанных стандартов. Согласование стандартов достигается как за счет непротиворечивых технических решений, так и за счет группирования стандартов. Каждой конкретной сети присуща своя базовая совокупность протоколов – «языка» передачи данных. Протокол – формализованные правила взаимодействия нескольких компьютеров, которые могут быть описаны в виде набора процедур, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах.
Международной организацией по стандартизации ISO (International Standards Organization) была предложена модель архитектуры вычислительной сети OSI (Open System Interconnection – связь открытых сетей). Эта модель, которой стараются придерживаться большинство пользователей, разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней. Обмен данными происходит путём их перемещения на компьютере отправителя с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки по каналу связи и обратным преобразованием на компьютере получателя с нижнего уровня на верхний.
Самый высокий уровень – уровень приложений (Application Layer – прикладной) является интерфейсом между прикладными программами и процессами модели OSI.
Уровень представления (Presentation Layer) определяет формат для обмена данными, служит для шифрования, сжатия и кодового преобразования данных.
Сеансовый уровень (Session Layer) выполняет функции координации связи между рабочими станциями. Уровень обеспечивает создание сеанса связи, управление передачей и приемом пакетов сообщений и завершение сеанса.
Транспортный уровень (Transport Layer) осуществляет разделение или сборку сообщений на пакеты в том случае, когда в процессе передачи или приема находится более одного пакета, а также контроль очередности прохождения компонент сообщения. Кроме того, на этом уровне через шлюзы выполняется согласование сетевых уровней различных несовместимых сетей. Гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования с подтверждением приема.
Сетевой уровень (Network Layer) обеспечивает перевод логических имен адресов в физические. На основании конкретных сетевых условий, приоритета услуги осуществляется маршрутизация, то есть выбор маршрута передачи пакета данных в сети, и управление потоком данных в сети (буферизация данных, контроль ошибок при установлении соединения).
Канальный уровень (Data Link) определяет правила использования физического уровня узлами сети. Этот уровень подразделяется на два подуровня: Контроль доступа к среде (Media Access Control), связанный с доступом к сети и ее управлением, и Логический контроль связи (Logical Link Control), связанный с передачей и приемом пользовательских сообщений. Именно на уровне Data Link обеспечивается передача данных кадрами, которые представляют собой блоки данных, содержащие дополнительную управляющую информацию. Исправление ошибок осуществляется автоматически путем повторной посылки кадра. Кроме того, на этом уровне обеспечивается и правильная последовательность передаваемых и принимаемых кадров.
Самый низкий – физический уровень (Physical Layer) определяет физические, механические и электрические характеристики линий связи. На этом уровне выполняется преобразование данных, поступающих от канального уровня, в сигналы, которые затем передаются по линиям связи. В локальных сетях это преобразование осуществляется с помощью сетевых адаптеров, в глобальных сетях для этой цели используются модемы.
Каждый уровень реально взаимодействует только с соседними уровнями (верхним и нижним), виртуально – только с аналогичным уровнем на конце линии. Реальное взаимодействие – непосредственная передача информации, при которой данные остаются неизменными. Виртуальное взаимодействие – опосредованное взаимодействие и передача данных, причем данные в процессе передачи могут видоизменяться.
Физическая связь реально имеет место только на самом нижнем уровне. Горизонтальные связи между всеми остальными уровнями являются виртуальными, реально они осуществляются передачей и преобразованием информации сначала вниз, последовательно до самого нижнего уровня, где происходит реальная передача, а потом на другом конце – обратная передача вверх последовательно до соответствующего уровня.
Сетевое оборудование
Минимальный набор оборудования, необходимый для организации сети между двумя компьютерами, включает в себя адаптеры (сетевые карты, контроллеры) и соединительный кабель (линию передачи данных). С увеличением числа компьютеров, расстояний между ними, в зависимости от применяемой топологии и типа сети расширяется и номенклатура необходимого оборудования.
Сетевой контроллер или карта, адаптер (Network Interface Card – NIC) – устройство сопряжения компьютера со средой передачи данных. В современных моделях компьютеров адаптер обычно интегрирован на материнской плате.
В качестве физической среды передачи данных в ЛВС используют коаксиальный кабель, витую (скрученную) пару проводов, волоконно-оптический кабель. Альтернативой кабелю в беспроводных сетях является связь с помощью инфракрасного излучения и радиосвязь.
Концентраторы предназначены для объединения в сеть многих узлов. Такие концентраторы создают общую среду передачи данных без разделения трафика. Другое название концентратора – многопортовый повторитель.
Коммутаторы в отличие от концентраторов предназначены для объединения в сеть многих узлов или подсетей с возможностью создания одновременно нескольких соединений. Они называются также переключателями (свитчами – switch). Коммутаторы используются также для связи нескольких ЛВС с территориальной сетью. Коммутатор может объединять несколько как однотипных, так и разнотипных ЛВС.
Использование коммутаторов вместо маршрутизаторов (там, где это возможно) позволяет существенно повысить пропускную способность сети. Коммутатор работает с локальными MAC-адресами, в нем имеется таблица соответствия MAC-адресов и портов. Корме того, между разными портами коммутатора образуется несколько соединений, по которым пакеты могут передаваться одновременно. MAC-адрес – уникальный серийный номер, присваиваемый каждому сетевому устройству Ethernet для идентификации его в сети. MAC-адрес присваивается адаптеру его производителем.
Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами и шлюзами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Маршрутизатор оперирует IР-адресами и таблицами маршрутизации и выполняет сложные алгоритмы маршрутизации.
Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту, оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.
Шлюзы – устройства, оперирующие на верхних уровнях модели OSI (сеансовом, представления и приложений). Это компьютеры, объединяющие несколько сетей. Необходимость в применении шлюзов появляется, когда объединяют две системы с совершенно различной архитектурой, работающих по разным протоколам для преобразования потока данных, проходящих между этими системами