1.2.1. Персональные сети
Персональные сети (PAN) позволяют общаться устройствам в близи человека. Типичный пример — беспроводная сеть, которая соединяет компьютер с его периферийными устройствами. Почти у каждого компьютера есть присоединенный монитор, клавиатура, мышь и принтер. При отсутствии беспроводной сети они должны быть присоединены кабелями. Очень многие новые пользователи испытывают трудности с поиском нужных кабелей и включением их в нужные отверстия (даже при том, что они обычно обозначены соответствующим цветом), поэтому большинство продавцов компьютеров предлагают опцию визита специалиста. Чтобы помочь этим пользователям, несколько компаний собрались для разработки беспроводной сети малой дальности, названной Bluetooth, чтобы соединять компоненты без проводов. Идея состоит в том, что если у ваших устройств есть Bluetooth, то вы не нуждаетесь ни в каких кабелях. Вы только ставите их, включаете, и они взаимодействуют. Для многих людей эта непринужденность работы — большой плюс.
В самой простой форме сети Bluetooth используют парадигму ведущий—ведомые (Master—Slave). Системный модуль (PC) обычно является ведущим устройством и общается с мышью, клавиатурой и т. д., как с ведомыми устройствами. Ведущее устройство говорит ведомым устройствам, какие адреса использовать, когда они могут осуществлять широковещательную передачу, сколько времени они могут передавать, какие частоты могут использовать и т. д.
Bluetooth может использоваться также и в других устройствах. Он часто используется, чтобы соединить наушники с мобильным телефоном без шнуров, и может позволить вашему цифровому музыкальному проигрывателю соединяться с вашим автомобилем, как только он находится в пределах диапазона. Абсолютно другой вид PAN возникает, когда встроенное медицинское устройство, такое как кардиостимулятор, насос инсулина или слуховой аппарат, говорит с управляемым пользователем дистанционным управлением. PAN могут также быть созданы с другими технологиями, которые общаются на малые расстояния, такие как RFID на смарт-картах и библиотечных книгах.
1.2.2. Локальные сети
Локальными сетями называют частные сети, размещающиеся, как правило, в одном здании или на территории какой-либо организации. Их часто используют для объединения компьютеров и рабочих станций в офисах компании или предприятия бытовой электроники для предоставления совместного доступа к ресурсам (например, принтерам) и обмена информацией. Когда локальные сети используются предприятиями, их называют сеть предприятия (enterprise networks).
Беспроводные ЛВС сейчас очень популярны, особенно в домах, более старых офисных зданиях, кафетериях и других местах, где слишком сложно провести кабели. В этих системах у каждого компьютера есть радиомодем и антенна, которую он использует, чтобы общаться с другими компьютерами. В большинстве случаев каждый компьютер говорит с устройством в потолке, как показано на рис. 1.6, a. Это устройство, названное AP (Точка доступа), беспроводный маршрутизатор, или базовая станция, передает пакеты между беспроводными компьютерами, а также между ними и Интернетом. Точка доступа похожа на популярного ребенка в школе, потому что все хотят говорить с ним. Однако, если другие компьютеры достаточно близки, они могут общаться непосредственно друг с другом в конфигурации соединения равноправных узлов ЛВС.
Стандарт для беспроводных ЛВС, названный IEEE 802.11, более известный как WiFi, стал очень широко распространенным. Он работает на скоростях от 11 до сотни мегабит в секунду. (мы будем придерживаться традиции и измерять скорости линии в мегабитах в секунду, где 1 Мбит/с составляет 1 000 000 битов в секунду, и гигабитах в секунду, где 1 Гбит/с составляет 1 000 000 000 битов в секунду.)
В проводных ЛВС используются различные технологии передачи. Большинство из них использует медные провода, а некоторые — оптоволокно. ЛВС ограничены в размере, это означает, что максимальное время передачи ограничено и известно заранее. Знание этих границ помогает с задачей разработки сетевых протоколов. Как правило, проводные ЛВС работают на скоростях от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с, имеют низкую задержку (микросекунды или наносекунды) и делают очень немного ошибок. Более новые ЛВС могут работать со скоростью 10 Гбит/с. По сравнению с беспроводными сетями проводные ЛВС превышают их по всем параметрам работы. Послать сигналы по проводу или через волокно проще, чем по воздуху.
Топология многих проводных ЛВС создана из магистральных линий. Стандарт IEEE 802.3, обычно называемый Ethernet, является, безусловно, наиболее распространенным типом проводной ЛВС. Рисунок 1.6, б показывает типовую топологию коммутируемого Ethernet. Каждый компьютер говорит на протоколе Ethernet и соединяется с устройством, названным коммутатором с магистральной линией. Отсюда и название. У коммутатора есть несколько портов, каждый из которых может соединиться с одним компьютером. Работа коммутатора — передать пакеты между компьютерами, которые к нему присоединены; для определения нужного компьютера используется адрес в каждом пакете.
Чтобы создать большие ЛВС, коммутаторы могут быть подключены друг в друга с помощью портов. Что происходит, если вы включаете их вместе в цикл? Будет ли сеть работать? К счастью, проектировщики подумали об этом варианте. Протокол определяет пути для пакетов так, чтобы они достигли нужного компьютера.
Также возможно разделить одну большую физическую ЛВС на две меньших логических ЛВС. Вы могли бы задаться вопросом, чем это будет полезно. Иногда расположение сетевого оборудования не соответствует структуре организации. Например, у инженерного и финансового отделов компании могли бы быть компьютеры в одной физической ЛВС, потому что они находятся в одном крыле здания, но было бы легче управлять системой, если бы у каждого отдела была своя виртуальная ЛВС (VLAN). В этой конструкции каждый порт отмечен «цветом», скажем, зеленый для инженерного отдела и красный для финансового. Коммутатор направляет пакеты так, чтобы компьютеры, присоединенные к зеленым портам, были отделены от компьютеров, присоединенных к красным портам. Широковещательные пакеты, посланные красным портом, например, не будут получены зеленым портом, как если бы это были две различных ЛВС.
Существуют и другие топологии проводной ЛВС. Фактически, коммутируемый Ethernet — современная версия оригинального проекта Ethernet, который передавал все пакеты по единственному линейному кабелю. В один момент времени передачу могла вести только одна машина, а конфликты решал распределенный арбитражный механизм. Использовался простой алгоритм: компьютеры могли передать всякий раз, когда кабель был неактивен. Если два или несколько пакетов столкнулись, каждый компьютер ждал в течение случайного промежутка времени и делал еще одну попытку. Мы будем называть этот вариант классический Ethernet.
И проводные, и беспроводные широковещательные сети в зависимости от способа назначения канала подразделяются на статические и динамические. При статическом назначении используется циклический алгоритм, и все время делится между всеми машинами на равные интервалы, так что машина может передавать данные только в течение выделенного ей интервала времени. При этом емкость канала расходуется неэкономно, так как временной интервал предоставляется машинам независимо от того, есть им что сказать или нет. Поэтому чаще используется динамическое (то есть по требованию) предоставление доступа к каналу.
Методы динамического предоставления доступа к каналу также могут быть централизованными либо децентрализованными. При централизованном методе предоставления доступа к каналу должно существовать одно устройство, такое как базовая станция в сотовой сети, определяющее машину, получающую право на передачу. Оно должно получать множество пакетов и принимать решение о приоритетах на основании некоего внутреннего алгоритма. При децентрализованном методе каждая машина должна сама решать, передавать ей что-нибудь или нет. Можно подумать, что подобный метод обязательно приводит к беспорядку, однако это не так
Стоит дополнительно обсудить домашние ЛВС. В будущем, вероятно, каждое устройство в доме будет способно к общению с любым другим устройством, и все они будут доступны по Интернету. Это развитие, вероятно, будет одним из тех новшеств, которых никто не ожидает (как телевизионные дистанционные пульты управления или мобильные телефоны), но когда они появились никто уже не может представить жизнь без них.
Многие устройства уже способны стать сетевыми. Это компьютеры, устройства развлечения, такие как телевизоры и DVD, телефоны и другая бытовая электроника, такая как камеры, радиочасы и оборудование, такое как счетчики и термостаты. Эта тенденция только продолжится. Например, в обычном доме, вероятно, есть дюжина часов (например, в приборах), если бы они были подключены к Интернету, они все могли бы переходить на летнее время автоматически. Дистанционный мониторинг дома — вероятный лидер в этом направлении, так многие выросшие дети были бы готовы потратить некоторые деньги, чтобы помочь своим стареющим родителям жить безопасно в их собственных домах.
Хотя мы могли бы думать о домашней сети просто как о еще одной ЛВС, она, вероятно, будет отличаться от других сетей. Во-первых, сетевые устройства должно быть очень легко установить. Беспроводные маршрутизаторы — наиболее возвращаемые покупателями электронные устройства. Люди покупают их, потому что они хотят иметь дома беспроводную сеть, обнаруживают, что он не работает «из коробки», и затем возвращает его, вместо того чтобы слушать музыку в ожидания ответа на линии технической помощи.
Во-вторых, сеть и устройства должны быть надежными в работе. Кондиционеры обычно имеют один переключатель — кнопку с четырьмя вариантами: выкл, низкий, средний и высокий. К ним прилагаются руководства из 30 страниц. Когда они объединены в сеть, только одна глава по безопасности составит 30 страниц. Это — проблема, потому что только пользователи компьютеров приучены к установке продуктов, которые не работают; покупатели автомобилей и телевизоров намного менее терпеливы. Они ожидают, что продукты будут работать 100 % без потребности привлекать компьютерного специалиста.
В-третьих, для успеха важна низкая цена. Люди не будут платить дополнительные $50 за интернет-термостат, потому что мало кто считает важным возможность контролировать температуру дома, находясь на работе. А за дополнительные $5 они могли бы это купить.
В-четвертых, нужна возможность начать с одного или двух устройств и постепенно расширять сеть. Это означает — отсутствие войн форматов. Если предлагать по-требителям купить периферийные устройства с интерфейсом IEEE 1394 (FireWire), а несколько лет спустя отрекаться от этого и предлагать USB 2.0 как «интерфейс месяца», а затем переключиться на 802.11g, или нет, 802.11n, а лучше 802.16 (все это различные беспроводные сети), пользователи станут весьма сдержанны. Сетевой интерфейс должен оставаться постоянным в течение многих десятилетий, как стандарты телевещания.
В-пятых, будут очень важны безопасность и надежность. Потеря нескольких файлов из-за вируса в электронной почте — это одно; преступник, который разоружает вашу систему обеспечения безопасности со своего мобильного компьютера и затем грабит ваш дом — совсем другое. Интересный вопрос состоит в том, будут ли домашние сети проводными или беспроводными. Удобство и стоимость говорят в пользу беспроводной сети, потому что не надо заботиться о соответствии или, еще хуже, модификации проводов. Проводные сети безопаснее, потому что радиоволны, которые используют беспроводные сети, довольно хорошо проходят сквозь стены. Вы не будете рады соседям, которые пользуются вашим интернет-соединением и читают вашу электронную почту.
Третий вариант сети — использовать то, что уже есть у вас дома. Очевидный кандидат — электрические провода. Сети линии электропередачи позволяют устройствам, которые в них включены, посылать информацию всюду по дому. Вы должны в любом случае включить телевизор и тем самым можете сразу получить связь с Интернетом. Трудность состоит в том, как одновременно перенести и электроэнергию, и сигналы данных. Часть ответа — они используют различные диапазоны частот.
Короче говоря, домашние ЛВС предлагают много возможностей и проблем. Большинство проблем относится к необходимости в простоте, надежности и безопасности, особенно в руках не разбирающихся в технике пользователей, а так же в низкой цене.