8.8. Классификация компьютерных сетей

Все многообразие компьютерных сетей можно классифициро­вать по группе признаков:

- территориальной распространенности;

- ведомственной принадлежности;

- скорости передачи информации;

- типу среды передачи.

По территориальной распространенности сети могут быть ло­кальными, региональными и глобальными. Локальные сети - это сети, перекрывающие не более 10 км² территории. Региональные -это сети, расположенные на территории города или области. Глобальные - это сети, расположенные на территории государст­ва или группы государств.

По ведомственной принадлежности различают ведомствен­ные и государственные сети. Ведомственные сети принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Это мо­жет быть локальная сеть предприятия. Несколько отделений од­ной компании, расположенные на территории города, области, страны или государства, образуют корпоративную компьютерную сеть. Государственные сети - сети, используемые в государст­венных структурах.

По скорости передачи информации компьютерные сети де­лятся на низкоскоростные (до 10 Мбит/с), среднескоростные (до 100 Мбит/с), высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с).

По типу среды передачи сети разделяются на коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные, с передачей информации по ра­диоканалам, в инфракрасном диапазоне и т.д. Следует заметить, что основные отличия в принципах построения сетей определяют­ся средой передачи.

Компьютеры, включаемые в компьютерные сети, выполняют функции либо серверов, либо рабочих станций. Серверы - это до­статочно мощные ЭВМ, предоставляющие свои ресурсы менее мощным машинам, исполняющим роль рабочих станций. В качест­ве рабочих станций используются персональные компьютеры. Серверы различают по основным функциям, которые они выпол­няют: файловые серверы, серверы печати, серверы приложений и т.д. Файловый сервер служит для хранения файлов и предостав­ления их для использования рабочим станциям сети. Сервер печа­ти выполняет функции сетевой печати. На сервере приложений выполняются задачи, которые могут быть запущены с любой рабо­чей станции, имеющей доступ к данному серверу.

Если компьютеры находятся на территории одного предприя­тия (организации) и включены в одну локальную сеть, то рабочие станции подключаются к серверам через сетевое оборудование локальных сетей. Компьютеры, подключенные к разным локаль­ным сетям, удаленным друг от друга на существенное расстоя­ние, соединяются с использованием средств региональных или глобальных компьютерных сетей. Возможен доступ к серверам локальных сетей с использованием сетей связи общего пользо­вания, например, телефонной сети или региональных (глобальных) сетей передачи данных.

С труктуры перечисленных сетей могут быть разнообразными. Для локальных сетей более характерны регулярные структуры: «шина», «кольцо», «звезда» (рис. 8.14). Не исключены комбинации указанных структур сетей. Для региональных и глобальных сетей более характерны иерархические структуры.

В локальной сети с общей шиной все компьютеры подключены к одному общему кабелю («шине»). В структуре типа «звезда» име­ется специальное центральное устройство (хаб), от которого идут «лучи» к каждому компьютеру, т.е. каждый компьютер подключен к своему кабелю.

Структура типа «шина» проще и экономичнее, так как для нее не требуется дополнительное устройст­во и расходуется меньше кабеля. Но она очень чувст­вительна к неисправностям кабельной системы. Если кабель поврежден хотя бы в одном месте, то возника­ют проблемы для всей се­ти. Место неисправности трудно обнаружить.

В этом смысле «звез­да» более устойчива. По­врежденный кабель явля­ется проблемой для одно­го конкретного компьютера, на работе сети в целом это не сказывается. Не требуется осо­бых усилий по локализации неисправности.

В сети, имеющей структуру типа «кольцо», информация пере­дается между станциями по кольцу, с переприемом в каждом сете­вом контроллере. Переприем производится через буферные нако­пители, выполняемые на базе оперативных запоминающих устройств, поэтому при выходе из строя одного сетевого контрол­лера может нарушиться работа всего кольца.

Достоинством кольцевой структуры является простота реали­зации устройств, а недостатком - низкая надежность.

Все рассмотренные структуры - неиерархические. Однако благодаря использованию мостов, специальных устройств, объ­единяющих локальные сети с разной структурой, из вышепере­численных типов структур могут быть построены сети со слож­ной иерархической структурой. Последнее может быть продик­товано, например, целями модернизации уже существующих сетей (рис. 8.15).

Задача локальных сетей заключается в обеспечении макси­мальной производительности при заданной надежности.

К лючевым звеном, определяющим производительность, на­дежность и эффективность использования пропускной способно­сти физической среды передачи, является применяемый в сети метод доступа. Среда передачи является общим ресурсом в ло­кальной сети. Этот ресурс разделяется множеством сетевых объ­ектов, подключенных к нему. Для корректного разделения решается задача множествен­ного доступа.

Множественный до­ступ - это механизм разде­ления во времени общего канала между коллективом рабочих станций и серве­ров, включенных в компью­терную сеть.

Цель использования одного высокоскоростного канала - достижение высо­ких технико-экономиче­ских показателей сети при минимизации затрат на средства связи и обеспечение требуемых характеристик по про­изводительности сети и задержке передачи информации в ней.

Основная проблема систем с множественным доступом - это возникновение одновременной передачи от двух и более станций, такое явление называется конфликтом. На сегодняшний день раз­работано множество алгоритмов, снижающих или вообще устра­няющих возможность возникновения конфликтов в локальных се­тях. Алгоритмы, защищающие пользователей при работе в сети от конфликтов, называются методами доступа. Случайные методы доступа допускают возможность возникновения конфликтов. Про­порциональные методы, в которых заранее заложен бесконфликт­ный алгоритм доступа станции в канал, не допускают конфликтов.

Достоинства бесконфликтных методов:

• дают возможность гарантированной доставки сообщения в условиях высокой загрузки каналов;

• время задержки передачи пакетов в таких сетях имеет верх­ний предел.

Гибридные методы являются комбинацией двух первых.

8.9. МЕЖДУНАРОДНЫЕ СТАНДАРТЫ НА АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Для организации эффективного взаимодействия между разно­типными компьютерами в компьютерных сетях был разработан международный стандарт.

Вычислительная система, отвечающая стандартам, принятым в концепции взаимодействия открытых систем, будет открыта для взаимосвязи с любой другой системой, отвечающей этим же стан­дартам. Стандарт по взаимодействию вычислительных систем был принят международной организацией по стандартизации (МОС, английская аббревиатура ISO) под номером №7498, а позд­нее этот стандарт был принят Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ)* под номером Х.200. В нем предусматривается разбиение функций сложной сис­темы, реализующей организацию взаимодействия абонентских систем (терминального оборудования), на N простых функций, т.е. разбиение сложной системы на подсистемы.

Подсистемы одной системы связаны друг с другом через межуровневые интерфейсы, а подсистемы разных систем - через протоколы Л/-го уровня.

Согласно международным стандартам модель взаимодействия открытых систем (OSI - Open System International) состоит из семи уровней (рис. 8.16). Первые четыре уровня называются протоко­лами нижнего уровня, а пятый, шестой и седьмой - протоколами верхнего уровня. К основным протоколам нижнего уровня относят­ся протоколы Х.25, Frame Relay, TCP/IP.

Уровень с местным номером представляет услуги смежному с ним верхнему уровню и пользуется для этого услугами смежного с ним нижнего уровня.

Не всегда в стандартах рассматривается протокол, соответст­вующий какому-то определенному уровню. Часто в одном стан­дарте описываются протоколы, соответствующие нескольким уровням модели ISO. К таким стандартам относится, например, стандарт Х.25.

Задачей всех семи уровней является обеспечение надежного взаимодействия прикладных процессов. При этом под прикладны­ми процессами понимают процессы ввода, хранения, обработки и выдачи информации для нужд пользователя. Каждый уровень вы­полняет свою задачу, при этом подстраховывая и проверяя работу

друг друга.

к протоколам верхнего уровня (5-7) относятся следующие.

Прикладной (пользовательский) уровень (седьмой) является основным, именно ради него существуют все остальные уровни. Он называется прикладным, поскольку с ним взаимодействуют прикладные процессы системы, которые должны решить некото­рую задачу совместно с прикладными процессами, размещенны­ми в других открытых системах. Прикладной уровень эталонной модели ISO определяет смысловое содержание информации, ко­торой обмениваются открытые системы в процессе совместного решения некоторой заранее известной задачи.

Шестой уровень называется уровнем представления. Он определяет в основном процедуру представления передаваемой информации в нужную сетевую форму. Это связано с тем, что сеть объединяет разные оконечные пункты (например, разные компьютеры). Если бы все оконечные пункты в сети были одного типа, то не понадобилось бы введение уровня представления. Так, в сети, объединяющей разнотипные компьютеры, информа­ция, передаваемая по сети, должна иметь определенную единую форму представления. Именно эту форму и определяет протокол шестого уровня.

Следующий пятый уровень протоколов называют уровнем сес­сии, или сеансовым. Его основным назначением является органи­зация способов взаимодействия между прикладными процесса­ми - соединение прикладных процессов для их взаимодействия, организация передачи информации между процессами во время взаимодействия и «рассоединения» процесса.

Далее идут четыре протокола нижнего макроуровня. Основная их задача сводится к быстрому и надежному перемещению ин­формации. Поэтому протоколы нижнего уровня иногда называют протоколами транспортной сети. Выход в транспортную сеть осу­ществляется через так называемый порт. Каждый процесс имеет свой порт. Перед входом в транспортную сеть информация поль­зователя получает заголовок того процесса, который ее породил. Транспортная сеть обеспечивает передачу информации пользова­теля с заголовком процесса (сообщения) адресату, используя для этого протоколы нижнего уровня.

Четвертый транспортный уровень в модели ВОС служит для обеспечения пересылки сообщений между двумя взаимодейству­ющими системами с использованием нижележащих уровней. Этот уровень принимает от вышестоящего уровня некоторый блок дан­ных и должен обеспечить его транспортировку через сеть связи к

удаленной системе. Уровни, лежащие выше транспортного, не учитывают специфику сети, через которую передаются данные, они «знают» лишь удаленные системы, с которыми взаимодейст­вуют. Транспортный же уровень должен «знать», как работает сеть, какие размеры блоков данных она принимает и т.п.

Следующие три нижних уровня определяют функционирова­ние узла сети. Протоколы этих уровней обслуживают так называе­мую транспортную сеть. Как любая транспортная система, эта сеть транспортирует информацию, не интересуясь ее содержани­ем. Главной задачей сети является быстрая и надежная доставка

информации.

Основной задачей сетевого (третьего) уровня является марш­рутизация сообщений, кроме этого он обеспечивает управление информационными потоками, организацию и поддержание транс­портных каналов, а также учитывает предоставленные услуги.

Уровень управления каналом (второй уровень), или канальный, представляет собой комплекс процедур и методов управления ка­налом передачи данных (установление соединения, его поддержа­ние и разъединение); он организован на основе физического сое­динения и обеспечивает обнаружение и исправление ошибок.

Физический (первый) уровень обеспечивает непосредственную взаимосвязь со средой передачи. Он определяет механические и электрические характеристики, требуемые для подключения, под­держания соединения и отключения физической цепи (канала). Краткая характеристика уровней приведена в табл. 8.1. Как уже отмечалось выше, к наиболее распространенным про­токолам сетевого уровня относятся протоколы: Х.25; Frame Relay; TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Все эти протоколы являются трехуровневыми (см. рис. 8.16), т.е. включа­ют в себя физический, канальный и сетевой уровни модели OSI.

П ри рассмотрении сетевого уровня данных протоколов разли­чают понятия дейтаграммное и виртуальное соединения:

• при дейтаграммном соединении каждый пакет, имея адрес получателя и отправителя, проходит через сеть от отправителя до получателя по своему произвольному маршруту и, путешествуя от узла к узлу, доходит до получателя;

• виртуальное соединение представляет собой несколько по­следовательно соединенных логических каналов. Логический ка­нал - это канал, который обеспечивается путем мультиплексиро­вания физической линии, соединяющей пакетное ООД с центром

•коммутации пакетов (ЦКП) или два ЦКП между собой. То есть вир­туальное соединение - это сконфигурированная определенным образом среда между двумя или более конечными устройствами для передачи информации.

Различают два вида виртуальных соединений: РVС - постоянный виртуальный канал и SVС - коммутируемый виртуальный канал. РVС представля­ет собой соединение между конечными точками, которое сущест­вует постоянно и может устанавливаться или разрываться опера­тором сети вручную. SVС - это тоже соединение между конечными точками, но устанавливаемое динамически специальными проце­дурами в устройствах, участвующих в соединении. Коммутируемые виртуальные соединения динамически устанавливаются и разрыва­ются по требованию программного обеспечения сетевых устройств.

Протокол Х.25 может использовать и дейтаграммное, и виртуаль­ное соединение (РУС). Однако этот протокол имеет существенные недостатки, которые ограничивают его широкое использование:

- во-первых, для выявления ошибок (повышения надежности) Х.25 предусматривает повторную передачу сообщения, что резко снижает использование полосы пропускания канала для передачи полезной информации (по разным источникам от 5 до 40%);

- во-вторых, технология Х.25 замыкается в основном только на данном протоколе;

- в-третьих, большие временные задержки не позволяют пе­редавать по сети речевые пакеты.

Все эти недостатки отсутствуют при использовании протокола Ргате Яе1ау (РВ). Обычно на русский язык термин Ргате Яе1ау пе­реводится или как коммутация кадров, или как трансляция кадров. Иногда в отечественной литературе этот термин используется без перевода, что подразумевает интернациональный характер дан­ного термина.

Технология РП создавалась в первую очередь для обеспечения взаимодействия удаленных локальных вычислительных сетей (ЛВС). В качестве средства передачи трафика ЛВС она стала аль­тернативой сетям Х.25 и арендованным линиям.

С тенденцией к использованию в ЛВС приложений, для кото­рых требуется все большая полоса пропускания и/или небольшая временная задержка, сети Х.25 становятся все менее подходящи­ми для организации межсетевого обмена. Сравнивая протоколы Х.25 и Ргате Ре1ау, по-видимому, уместно сопоставить коэффици­енты использования ими полосы пропускания каналов связи. Для передачи полезной информации РР, может задействовать 90% по­лосы пропускания, а Х.25, как уже указывалось, - не более 40%.

Такое эффективное использование полосы пропускания по­зволяет передавать по сети и речевой сигнал, и данные.

Однако протокол РР имеет и недостатки. Он «не различает» протоколы вышележащих уровней. Поэтому даже в сети, где ис­пользуется только один протокол сетевого уровня, скажем 1Р, Рга­те Ве1ау не «отличит» трафик жизненно важного для работы пред­приятия от достаточно второстепенного трафика. Один из спосо­бов «отделить» эти трафики друг от друга - использовать для каждого из них свое виртуальное соединение, что, впрочем, по­требует дополнительных расходов, поскольку операторы берут плату за каждое виртуальное соединение.

Кроме того, Ргате Пе1ау не может гарантировать качество об­служивания на том уровне, который способна предоставить техно­логия АТМ (асинхронный способ передачи), и не имеет механиз­мов управления пропускной способностью, свойственных АТМ.

Передача данных в соответствии с протоколами ТСР/1Р осно­вана на использовании дейтаграммного метода коммутации, в основу которого заложена независимая маршрутизация пакетов. Протоколы Тгапзптззюп Соптго! Рго1осо1/1пт.егпе1 Рго1осо1 - Прото­кол управления передачей (данных)/Межсетевой протокол - обслуживают Internet - сеть сетей. На сегодняшний день в одной только Германии из имеющихся там 19 млн. компьютеров к Internet подключены 6,5 млн. Количество клиентов Internet ежегодно уве­личивается в мире на 42%, в 2001 г. к сети было подключено около 100 млн. компьютеров.

Важной особенностью Internet-технологии является то, что по­мимо реализации сетевых протоколов нижнего уровня, являющих­ся аналогами шести уровней семиуровневой модели протокола Х.25, для сети Internet разработаны, реализованы и широко исполь­зуются протоколы прикладного уровня, обеспечивающие предо­ставление пользователям сети разнообразных телекоммуника­ционных и информационных услуг.

Таким образом, протокол TCP/IP является наиболее предпоч­тительным кандидатом на роль единого протокола по предостав­лению всего спектра телекоммуникационных услуг (голос, видео, данные). Необходимым в данном случае будет использование тех­нологии ATM.

ATM позволяет преобразовать данные, звук и видеосигнал в так называемые ячейки длиной 53 байта для передачи по обычной сетевой инфраструктуре без дополнительных преобразований. Сеть на основе ATM позволяет передавать любой тип информации практически каждому устройству-адресату посредством единой сети, причем по своим качественным и количественным характе­ристикам данная технология превосходит все доступные для прак­тического применения на сегодняшний день сетевые технологии.