Курс лекций информатика

эта сеть относится к академической ветви (ас) Internet Великобритании (United Kingdom — uk). При работе в пределах сети Лондонского университета такое длинное символьное имя явно избыточно и вместо него удобно пользоваться кратким символьным именем, на роль которого хорошо подходит самая младшая составляющего полного имени, то есть имя ftp-archl.

Числовые составные адреса. Символьные имена удобны для людей, но из-за переменного формата и потенциально большой длины их передача по сети не очень экономична. Поэтому во многих случаях для работы в больших сетях в качестве адресов узлов используют числовые составные адреса фиксированного и компактного форматов. Типичным представителями адресов этого типа являются IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть

— номер сети и младшую — номер узла. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла используется только после доставки сообщения в нужную сеть; точно так же, как название улицы используется почтальоном только после того, как письмо доставлено в нужный город. В последнее время, чтобы сделать маршрутизацию в крупных сетях более эффективной, предлагаются более сложные варианты числовой адресации, в соответствии с которыми адрес имеет три и более составляющих. Такой подход, в частности, реализован в новой версии протокола IPv6, предназначенного для работы в сети Internet. В современных сетях для адресации узлов применяются, как правило, одновременно все три приведенные выше схемы. Пользователи адресуют компьютеры символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, передаваемых по сети, на числовые номера. С помощью этих числовых номеров сообщения передаются из одной сети в другую, а после доставки сообщения в сеть назначения вместо числового номера используется аппаратный адрес компьютера. Сегодня такая схема характерна даже для небольших автономных сетей, где, казалось бы, она явно избыточна — это

322

делается для того, чтобы при включении этой сети в большую сеть не нужно менять состав операционной системы.

Проблема установления соответствия между адресами различных типов, которой занимается служба разрешения имен, может решаться как полностью централизованными, так и распределенными средствами. В случае централизованного подхода в сети выделяется один компьютер (сервер имен), в котором хранится таблица соответствия друг другу имен различных типов, например символьных имен и числовых номеров. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен, чтобы по символьному имени найти числовой номер компьютера, с которым необходимо обменяться данными.

При другом, распределенном подходе, каждый компьютер сам решает задачу установления соответствия между именами. Например, если пользователь указал для узла назначения числовой номер, то перед началом передачи данных компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети сообщение (такое сообщение называется широковещательным) с просьбой опознать это числовое имя. Все компьютеры, получив это сообщение, сравнивают заданный номер со своим собственным. Тот компьютер, у которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий его аппаратный адрес, после чего становится возможным отправка сообщений по локальной сети.

Распределенный подход хорош тем, что не предполагает выделения специального компьютера, который к тому же часто требует ручного задания таблицы соответствия имен. Недостатком распределенного подхода является необходимость широковещательных сообщений — такие сообщения перегружают сеть, так как они требуют обязательной обработки всеми узлами, а не только узлом назначения, поэтому распределенный подход используется только в небольших локальных сетях. В крупных сетях распространение широковещательных сообщений по всем ее сегментам становится практически нереальным, поэтому для них характерен централизованный подход. Наиболее известной службой

323

централизованного разрешения имен является служба Domain Name System (DNS) сети Интернет.

12.2.Аппаратные компоненты сети

12.2.1.Каналы передачи данных компьютерных сетей

Для того чтобы компьютеры могли связаться между собой в сеть, они должны быть соединены между собой с помощью некоторой физической передающей среды. Основными типами передающих сред, используемых в компьютерных сетях, являются:

-аналоговые телефонные каналы общего пользования;

-цифровые каналы;

-узкополосные и широкополосные кабельные каналы;

-радиоканалы и спутниковые каналы связи;

-оптоволоконные каналы связи.

Аналоговые каналы связи первыми начали применяться для передачи данных в компьютерных сетях и позволили использовать уже существовавшие тогда развитые телефонные сети общего пользования. Передача данных по аналоговым каналам может выполняться двумя способами. При первом способе телефонные каналы (одна или две пары проводов) через телефонные станции физически соединяют два устройства, реализующие коммуникационные функции с подключенными к ним компьютерами. Такие соединения называют выделенными линиями или непосредственными соединениями. Второй способ - это установление соединения с помощью набора телефонного номера (с использованием

коммутируемых линий).

Качество передачи данных по выделенным каналам, как правило, выше и соединение устанавливается быстрее. Кроме того, на каждый выделенный канал необходимо свое коммуникационное устройство (хотя есть и многоканальные коммуникационные устройства), а при коммутируемой связи можно использовать для связи с другими узлами одно коммуникационное устройство.

324

Параллельно с использованием аналоговых телефонных сетей для межкомпьютерного взаимодействия начали развиваться и методы передачи данных в дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телефонным каналам (т.е. телефонным каналам, к которым не подведено электрическое напряжение, используемое в телефонной сети) - цифровым каналам.

Следует отметить, что наряду с дискретными данными по цифровому каналу можно передавать и аналоговые информацию (голосовую, видео, факсимильную и т.д.), преобразованную в цифровую форму.

Наиболее высокие скорости на небольших расстояниях могут быть получены при использовании особым образом скрученной пары проводов (для того, чтобы избежать взаимодействия между соседними проводами), так называемой витой паре (ТР - Twisted Pair).

Коаксиальные кабельные каналы представляют собой два цилиндрических соосных проводника, разделенные диэлектрическим покрытием. Один тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 Ом), используется главным образом, для передачи узкополосных цифровых сигналов, другой тип кабеля (с сопротивлением 75 Ом) - для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узкополосные и широкополосные кабели, непосредственно связывающие между собой коммуникационные оборудования, позволяют обмениваться данными на высоких скоростях (до нескольких мегабит/c) в аналоговой или цифровой форме. Следует отметить, что на небольших расстояниях (особенно в локальных сетях) кабельные каналы все больше вытесняются каналами на витых парах, а на больших расстояниях - оптововолоконными каналами связи.

Использование в компьютерных сетях в качестве передающей среды радиоволн различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и сверхбольших расстояниях (с использованием

325

спутников), либо для связи с труднодоступными, подвижными или временно используемыми объектами.

Частоты, на которых функционируют радиосети за рубежом, обычно используют диапазон 2-40 ГГц (в особенности диапазон 4-6 ГГц). Узлы в радиосети могут быть расположены (в зависимости от используемой аппаратуры) на расстоянии до 100 км друг от друга.

Спутники обычно содержат несколько усилителей (или транспондеров), каждый из которых принимает сигналы в заданном диапазоне частот (обычно 6 или 14 ГГЦ) и регенерирует их в другом частотном диапазоне (например, 4 или 12 ГГц). Для передачи данных обычно используются геостационарные спутники, размещенные на высокой экваториальной орбите. Такое расстояние дает существенную задержку сигнала (в среднем 270 мс) для компенсации которой используют специальные методы.

Обмен данными по радиоканалам может вестись как с помощью аналоговых, так и цифровых методов передачи. Цифровые методы получают в последнее время преимущественное развитие, т.к. позволяют объединить наземные участки цифровых сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единой сети. Новым импульсом в развитии радиосетей стало появление сотовой телефонной связи, позволяющей осуществлять голосовую связь и обмен данными с помощью радиотелефонов или специальных устройств обмена данными.

Помимо обмена данными в радиодиапазоне последнее время для связи на небольшие расстояния (обычно в пределах комнаты) используется

иинфракрасное излучение.

Воптоволоконных каналах связи используется известное из физики явления полного внутреннего отражения света, что позволяет передавать потоки света внутри оптоволоконного кабеля на большие расстояния практически без потерь. В качестве источников света в оптоволоконном кабеле используются светоиспускающие диоды (LED - light-emitting diode) или лазерные диоды, а в качестве приемников - фотоэлементы.

326

Оптоволоконные каналы связи, несмотря на более высокую стоимость по сравнению с другими видами связи, получают все большее распространение, причем не только для связи на небольшие расстояния, но

ина внутригородских и междугородных участках.

Вкомпьютерных сетях для передачи данных между узлами сети можно использовать три технологии: коммутацию каналов, коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

Коммутация каналов, обеспечиваемая телефонной сетью общего пользования, позволяет, с помощью коммутаторов, установить прямое соединение между узлами сети.

При коммутации сообщений устройства, называемые коммутаторами

ивыполненные на базе универсальных или специализированных компьютеров, позволяют накапливать (буферизировать) сообщения и посылать их в соответствии с заданной системой приоритетности и принципами маршрутизации другим узлам сети. Использование коммутации сообщений может увеличить время доставки сообщений по сравнению с коммутацией каналов, однако при этом сглаживаются пиковые нагрузки в сети и повышается живучесть сети.

При пакетной коммутации данные пользователя разбиваются на более мелкие порции - пакеты, причем каждый пакет содержит служебные поля и поле данных. Существуют два основных способа передачи данных при пакетной коммутации: виртуальный канал, когда между узлами устанавливается и поддерживается соединение как бы по выделенному каналу (хотя на самом деле физический канал передачи данных разделен между несколькими пользователями) и дейтаграммный режим, когда каждый пакет из набора пакетов, содержащего данные пользователя, передается между узлами независимо друг от друга. Первый способ соединения называют также контактным режимом (connection mode),

второй - бесконтактным (connectionless mode).

327

12.2.2. Сетевое оборудование

Технические средства коммуникаций составляют кабели (экранированная и неэкранированная витая пара, коаксиальный, оптоволоконный), коннекторы и терминаторы, сетевые адаптеры, повторители, разветвители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы, а также модемы, позволяющие использовать различные протоколы и топологии в единой неоднородной системе.

Сетевые адаптеры (контроллеры, карты) - устройство для

подключения компьютера к сетевому кабелю.

Сетевая карта

Рис. 49

Это самая главная часть аппаратуры локальной сети. Минимальный набор аппаратуры, которой надо оснастить компьютеры для объединения их в сеть, должен включать в себя адаптеры (по одному на каждый компьютер) и соединительные кабели с соответствующими разъемами и оконечными согласователями. Все остальное оборудование сети служит для улучшения ее характеристик, а также для повышения удобства ее использования.

В задачу сетевых адаптеров входит сопряжение компьютера и среды передачи информации с учетом принятых в данной сети правил обмена информацией. При этом адаптеру приходится выполнять ряд функций, количество и суть которых во многом зависят от конкретной сети.

Все функции сетевого адаптера можно разделить на две большие группы. Первая включает в себя функции сопряжения адаптера с компьютером (магистральные функции), а вторая - функции по

328

организации обмена в сети (сетевые функции). Если функции первой группы определяются устройством компьютера, подключаемого к сети, и не отличаются большим разнообразием, то функции второй группы определяются типом сети и могут быть самыми различными в зависимости от типа сетевого кабеля, принятого протокола управления, топологии сети и т. д.

Для решения проблемы межсетевого взаимодействия изготовителями оборудования предлагаются различные устройства - повторители (repeater), мосты (bridge), маршрутизаторы (router), мосты/маршрутизаторы (bridge/ router) и шлюзы (gateway).

Основное различие между этими устройствами состоит в том, что повторители действуют на 1-м (физическом) уровне в соответствии с моделью OSI/ISO, мосты - на 2-м уровне, маршрутизаторы - это устройства, которые действуют на 3-м (сетевом) уровне, а шлюзы - на 4-7 уровнях, как показано на рисунке 51.

Маршрутизаторы — устройства для соединения сегментов сети, действующие на сетевом уровне модели OSI/ISO и использующие маршрутную информацию сетевого уровня. Маршрутизаторы обмениваются между собой информацией о топологии, состоянии сети, работоспособности каналов и доступности узлов в целях выбора оптимального пути для передачи пакета. Такой процесс выбора маршрута по адресу абонентской системы, которая принимает пакет, называют маршрутизацией.

Различают однопротокольные и многопротокольные маршрутизаторы, которые могут поддерживать одновременно несколько протоколов, например IPX/SPX, TCP/IP и другие.

Сетевое оборудование различных уровней

329

Рис. 50

Среди достоинств маршрутизаторов следует отметить возможность выбора маршрута, разбиение длинных сообщений на несколько коротких и использование альтернативных путей для их передач, приводящее к выравниванию трафиков по параллельным путям, тем самым позволяющее соединять сети с пакетами разной длины и облегчающее объединение сетей.

Мосты представляют собой устройства для соединения сегментов сети, функционирующие на подуровне контроля доступа к среде (Media Access Control). Мосты обладают свойством прозрачности для протоколов более высоких уровней, то есть осуществляют передачу кадра из одного сегмента в другой по физическому адресу станции получателя, который выделяется из заголовка канального уровня, анализируют целостность кадров и отфильтровывают испорченные. Эти устройства могут обладать свойством самообучения, то есть по мере прохождения через мост кадров

330

он заполняет две таблицы адресами станций, отправляющих сообщения, физически располагая их по разные стороны от моста и записывая в разные таблицы.

Сегменты сети, которые соединяются мостом, могут использовать как одинаковые, так и разные канальные протоколы. В последнем случае мост переводит кадр одного формата в кадр другого формата.

Мосты автоматически адаптируются к изменению конфигурации сети и могут соединять сети с различными протоколами сетевого уровня. К сожалению, эти устройства не могут распределять нагрузку, используя альтернативные пути в сети, что приводит иногда к перегрузке трафика (потока информационного обмена в линии связи).

Во всех современных технологиях локальных сетей определено устройство, которое имеет несколько равноправных названий - концентратор (consentrator), хаб (hub). Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду. Основная функция хаба - повторение кадра на всех портах. Концентраторы можно условно разделить на пассивные (с точки зрения обработки информации) и активные. Пассивные (репитерные) концентраторы выполняют функцию собранных в одном месте в единый конструктив нескольких повторителей (репитеров) или трансиверов. Никакой обработки информации они не производят, а только восстанавливают и усиливают сигналы, могут также преобразовывать электрические сигналы в оптические и наоборот. К пассивному концентратору могут подключаться только части (сегменты) или отдельные абоненты одной и той же сети. Активные концентраторы выполняют более сложные функции. В частности, они могут преобразовывать информацию и протоколы обмена, правда, это преобразование обычно очень простое.

Вотдельный тип нередко выделяют коммутирующие

концентраторы или коммутаторы (switch). Они не передают информацию, которая адресована абоненту, расположенному в том же сегменте сети, что и передатчик. То есть они распознают в реальном

331