Реферат: Компьютерные сети понятие и сущность

На сегодняшний день в мире существует более 130 миллионов компьютеров и более 80 % из них объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, E - Mail писем и прочего) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм производителей, работающих под разным программным обеспечением.

Такие огромные потенциальные возможности, которые несет в себе вычислительная сеть и тот новый потенциальный подъем, который при этом испытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорение производственного процесса не дают нам право не принимать это к разработке и не применять их на практике.

Поэтому необходимо разработать принципиальное решение вопроса по организации ИВС (информационно-вычислительной сети) на базе уже существующего компьютерного парка и программного комплекса отвечающего современным научно-техническим требованиям с учетом возрастающих потребностей и возможностью дальнейшего постепенного развития сети в связи с появлением новых технических и программных решений.

1. Основные понятия

Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи, обеспечивающая пользователям сети потенциальную возможность совместного использования ресурсов всех компьютеров.

Прародителем компьютерной сети можно считать эру мейнфреймов. Когда к большому компьютеру, имеющему огромные вычислительные ресурсы подключалось некоторое количество терминалов. Таким образом обеспечивались как постоянная загрузка мейнфрейма, так и возможность обмена данными.

Эра персональных компьютеров принесла возможность пользоваться собственными вычислительными ресурсами. Однако обмен данными между пользователями мог производиться либо с помощью бумажных носителей информации, либо электронными носителями (дискета, кассеты стримера, магнитооптические накопители, CD диски). Одновременная обработка документа несколькими пользователями исключалась.

Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью - иметь возможность для совместного использования данных. Персональный компьютер - прекрасный инструмент для создания документа, подготовки таблиц, графических данных и других видов информации, но при этом нет возможности быстро поделиться своей информацией с другими.

Если бы пользователь подключил свой компьютер к другим, он смог бы работать с их данными и их принтерами. Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) -Local Area Networks (LAN) - это группа (коммуникационная система) относительно небольшого количества компьютеров, объединенных совместно используемой средой передачи данных, расположенных на ограниченной по размерам небольшой площади в пределах одного или нескольких близко находящихся зданий (обычно в радиусе не более 1-2 км) с целью совместного использования ресурсов всех компьютеров.

Концепция, то есть единый определяющий замысел, построения компьютерной сети состоит в соединении компьютеров для совместного использования ресурсов компьютеров сети, организации сетевого взаимодействия этих компьютеров.

Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно использовать:

- данные;

- принтеры;

- факсимильные аппараты;

- модемы;

- другие устройства.

Данный список постоянно пополняется, так как возникают новые способы совместного использования ресурсов.

Самые первые типы локальных сетей не могли соответствовать потребностям крупных предприятий, офисы которых обычно расположены в различных местах. Но как только преимущества компьютерных сетей стали неоспоримы и сетевые программные продукты начали заполнять рынок, перед корпорациями - для сохранения конкурентоспособности - встала задача расширения сетей. Так на основе локальных сетей возникли более крупные системы.

Сегодня, когда географические рамки сетей раздвигаются, чтобы соединить пользователей из разных городов и государств, ЛВС превращаются в глобальную вычислительную сеть [ГВС (WAN)], а количество компьютеров в сети уже может варьироваться от десятка до нескольких тысяч.

Глобальная вычислительная сеть (ГВС или WAN - World Area NetWork) - сеть, соединяющая компьютеры, удалённые географически на большие расстояния друг от друга. Отличается от локальной сети более протяженными коммуникациями (спутниковыми, кабельными и др.).

Глобальная сеть объединяет локальные сети.

Городская сеть (MAN - Metropolitan Area NetWork) - сеть, которая обслуживает информационные потребности большого города.

В настоящее время большинство организаций хранит и совместно использует в сетевой среде огромные объемы жизненно важных данных. Вот почему сети сейчас так же необходимы, как еще совсем недавно были необходимы пишущие машинки и картотеки.

1. Типы компьютерных сетей

Несмотря на стремительную эволюцию вычислительной техники, новых типов компьютерных сетей не появилось, и сегодня, как и много лет назад, существует только два их вида:

- одноранговые сети;

- сети на основе сервера (многоранговые).

Одноранговые сети более просты с точки зрения их организации, но имеют существенные ограничения в сравнении с сетями на основе сервера. Применение сети того или иного типа обусловлено рядом факторов, главные из которых: необходимый уровень защиты информации, удобство администрирования и количество подключенных к сети рабочих компьютеров.

Рассмотрим, чем отличаются сети разных типов, какие преимущества и недостатки для них характерны.

Одноранговая сеть, скорее всего, придется по душе пользователям, которые хотят сначала попробовать сеть “в деле” или могут позволить только малые затраты на построение и обслуживание сети. Сеть на основе сервера применяется там, где важен полный контроль над всеми рабочими местами. Это может быть и небольшая домашняя сеть, и объемная корпоративная система сетей, объединенных в одну общую.

Эти два разных типа сетей имеют общие корни и принципы функционирования, что в случае необходимой модернизации позволяет перейти от более простого варианта – одноранговой сети – к более сложному – сети на основе сервера.

Одноранговая сеть

Одноранговую сеть построить очень просто. Самая главная характеристика такой сети – все входящие в ее состав компьютеры работают сами по себе, то есть ими никто не управляет.

Фактически одноранговая сеть выглядит как некоторое количество компьютеров, объединенных с помощью одного из типов связи. Именно отсутствие управляющего компьютера – сервера – делает ее построение дешевым и достаточно эффективным. Однако сами компьютеры, входящие в одноранговую сеть, должны быть достаточно мощными, чтобы справляться со всеми основными и дополнительными задачами (административными, защитой от вирусов и т. д.).

Любой компьютер в такой сети можно назвать как рабочим, так и сервером, поскольку нет какого-либо конкретного выделенного компьютера, который осуществлял бы административный или другой контроль. За компьютером такой сети следит сам пользователь (или пользователи), который работает на нем. В этом кроется главный недостаток одноранговой сети – ее пользователь должен не просто уметь работать на компьютере, но и иметь представление об администрировании. Кроме того, ему приходится самому справляться с внештатными ситуациями, возникающими при работе компьютера, и защищать его от разнообразных неприятностей, начиная с вирусов и заканчивая возможными программными и аппаратными неполадками.

Как и полагается, в одноранговой сети используются общие ресурсы, файлы, принтеры, модемы и т. п. Однако из-за отсутствия управляющего компьютера каждый пользователь разделяемого ресурса должен самостоятельно устанавливать правила и методы его использования.

Для работы с одноранговыми сетями можно использовать любую операционную систему. Поддержка одноранговой сети реализована в Microsoft Windows, начиная с Windows 95, поэтому никакого дополнительного программного обеспечения не требуется.

Одноранговая сеть обычно применяется, когда в сеть нужно объединить несколько (как правило, до 10) компьютеров с помощью самой простой кабельной системы соединения и не нужно использовать строгую защиту данных. Большее количество компьютеров подключать не рекомендуется, так как отсутствие “контролирующих органов” рано или поздно приводит к возникновению различных проблем. Ведь из-за одного необразованного или ленивого пользователя под угрозу ставится защита и работа всей сети!

Если вы заинтересованы в более защищенной и контролируемой сети, то создавайте сеть, построенную на основе сервера.

Сеть на основе сервера

Сеть на основе сервера – наиболее часто встречающийся тип сети, который используется как в полноценных домашних сетях и в офисах, так и на крупных предприятиях.

Как ясно из названия, данная сеть использует один или несколько серверов, осуществляющих контроль за всеми рабочими местами. Как правило, сервер характеризуется большой мощностью и быстродействием, необходимыми для выполнения поставленных задач, будь то работа с базой данных или обслуживание других запросов пользователей. Сервер оптимизирован для быстрой обработки запросов от пользователей, обладает специальными механизмами программной защиты и контроля. Достаточная мощность серверов позволяет снизить требование к мощности клиентской машины. За работой сети на основе сервера обычно следит специальный человек – системный администратор. Он отвечает за регулярное обновление антивирусных баз, устраняет возникшие неполадки, добавляет и контролирует общие ресурсы и т.п.

Количество рабочих мест в такой сети может быть разным – от нескольких до сотен или тысяч компьютеров. С целью поддержки производительности сети на необходимом уровне при возрастании количества подключенных пользователей устанавливаются дополнительные серверы. Это позволяет оптимально распределить вычислительную мощь.

Не все серверы выполняют одинаковую работу. Существуют специализированные серверы, которые позволяют автоматизировать или просто облегчить выполнение тех или иных задач.

Файл-сервер. Предназначен, в основном, для хранения разнообразных данных, начиная с офисных документов и заканчивая музыкой и видео. Обычно на таком сервере создаются личные папки пользователей, доступ к которым имеют только они (или другие пользователи, получившие право на доступ к документам этой папки). Для управления таким сервером используется любая сетевая операционная система.

Принт-сервер. Главная задача данного сервера – обслуживание сетевых принтеров и обеспечение доступа к ним. Очень часто, с целью экономии средств, файл-сервер и принт-сервер совмещают в один сервер.

Сервер базы данных. Основная задача такого сервера – обеспечить максимальную скорость поиска и записи нужных данных в базу данных или получения данных из нее с последующей передачей их пользователю сети. Это самые мощные из всех серверов. Они обладают максимальной производительностью, так как от этого зависит комфортность работы всех пользователей.

Сервер приложений. Это промежуточный сервер между пользователем и сервером базы данных. Как правило, на нем выполняются те из запросов, которые требуют максимальной производительности и должны быть переданы пользователю, не затрагивая ни сервер базы данных, ни пользовательский компьютер. Это могут быть как часто запрашиваемые из базы данные, так и любые программные модули.

Другие серверы. Кроме перечисленных выше, существуют другие серверы, например почтовые, коммуникационные, серверы-шлюзы и т. д.

Сеть на основе сервера предоставляет широкий спектр услуг и возможностей, которых трудно или невозможно добиться от одноранговой сети. Кроме того, одноранговая уступает такой сети в плане защищенности и администрирования. Имея выделенный сервер или серверы, легко обеспечить резервное копирование, что является первоочередной задачей, если в сети присутствует сервер базы данных.

2. Топология сетей. Методы доступа

Элементы топологии сети.

Локальные сети состоят из конечных устройств и промежуточных устройств, соединенных кабельной системой. Определим некоторые основные понятия.

Узлы сети (nodes) — конечные устройства и промежуточные устройства, наделенные сетевыми адресами. К узлам сети относятся компьютеры с сетевым интерфейсом, выступающие в роли рабочих станций, серверов или в обеих ролях; сетевые периферийные устройства (принтеры, плоттеры, сканеры); сетевые телекоммуникационные устройства (модемные пулы, модемы коллективного использования); маршрутизаторы.

Кабельный сегмент — отрезок кабеля или цепочка отрезков кабелей, электрически (оптически) соединенных друг с другом, обеспечивающие соединение двух или более узлов сети. Иногда применительно к коаксиальному кабелю так называют и отрезок кабеля, оконцованный разъемами, но мы будем пользоваться более широким вышеприведенным толкованием.

Сегмент сети (или просто сегмент) — совокупность узлов сети, использующих общую (разделяемую) среду передачи. Применительно к технологии Ethernet это совокупность узлов, подключенных к одному коаксиальному кабельному сегменту, одному хабу (повторителю), а также к нескольким кабельным сегментам и/или хабам, связанным между собой повторителями. Применительно к Token Ring это одно кольцо.

Сеть (логическая) — совокупность узлов сети, имеющих единую систему адресации третьего уровня модели OSI. Примерами могут быть IPX-сеть, IP-сеть. Каждая сеть имеет свой собственный адрес, этими адресами оперируют маршрутизаторы для передачи пакетов между сетями. Сеть может быть разбита на подсети (subnet), но это чисто организационное разделение с адресацией на том же третьем уровне. Сеть может состоять из множества сегментов, причем один и тот же сегмент может входить в несколько разных сетей.

Облако (cloud) — коммуникационная инфраструктура с однородными внешними интерфейсами, подробностями организации которой не интересуются. Примером облака может быть городская-междугородная-между-народная телефонная сеть: в любом ее месте можно подключить телефонный аппарат и связаться с любым абонентом. С точки зрения 3-го уровня OSI сеть Internet является облаком.

Типы подключений (кабельных сегментов)

По способу использования кабельных сегментов различают:

Двухточечные соединения (point-to-point connection) — между двумя (и только двумя!) узлами. Для таких соединений в основном используются симметричные электрические (витая пара) и оптические кабели.

Многоточечные соединения (multi point connection) — к одному кабельному сегменту подключается более двух узлов. Типичная среда передачи — несимметричный электрический кабель (коаксиальный кабель), возможно применение и других кабелей, в том числе и оптических. Соединение устройств отрезками кабеля друг за другом называется цепочечным (daisy chaining). Возможно подключение множества устройств и к одному отрезку кабеля — методом прокола (tap).

Промежуточные системы — активные коммуникационные устройства.

Связь между конечными узлами, подключенными к различным кабельным и логическим сегментам, обеспечивается промежуточными системами — активными коммуникационными устройствами. Эти устройства имеют не менее двух портов (интерфейсов).

По уровням модели OSI, которыми они пользуются, эти устройства классифицируются следующим образом:

повторитель (repeater) - устройство работающее на первом уровне OSI;

мост (bridge) - устройство работающее на втором уровне OSI и объединяющее различные сегменты одной сети;

маршрутизатор (router) - устройство работающее на третьем уровне OSI и предназначенное для передачи информации (пакетов) между сетями.

Существуют устройства не входящие в описание стандартной модели OSI (были разработаны позже), но тем не менее широко применяющиеся:

коммутатор (switch) - по сути многопортовый мост;

коммутаторы третьего уровня - помесь маршрутизатора с коммутатором (см. Коммутация третьего уровня (Layer 3 Switch))

Каждая сетевая технология имеет характерную для нее топологию соединения узлов сети и методы доступа к среде передачи (media access method). Эти категории связаны с двумя нижними уровнями модели OSI. Различают физическую топологию, определяющую правила физических соединений узлов (прокладку реальных кабелей), и логическую топологию, определяющую направления потоков данных между узлами сети. Логическая и физическая топологии относительно независимы друг от друга. Например Ethernet на витой паре и повторителях, физически представляет собой звезду, а логически - шину. WiMax (WiFi), физически - шина (общая среда передачи), а логически - звезда (используется поллинг).

Физическая топология

Физические топологии — шина (bus), звезда (star), кольцо (ring), дерево (tree), сеть (mesh) — иллюстрирует рис. 1.

Виды физической топологии: а - шина, б - звезда, в - кольцо, г - дерево, д - сеть

Логическая топология.

В логической шине информация (кадр), передаваемая одним узлом, одновременно доступна для всех узлов, подключенных к одному сегменту. Логическая шина реализуется на физической топологии шины, звезды, дерева, сетки. Метод доступа к среде передачи, разделяемой между всеми узлами сегмента, — вероятностный, основанный на прослушивании сигнала в шине (Ethernet), или детерминированный, основанный на определенной дисциплине передачи права доступа (ARCnet).

В логическом кольце информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает кадры только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу. Узел транслирует дальше по сети все кадры, а обрабатывает только адресуемые ему. Реализуется на физической топологии кольца или звезды с внутренним кольцом в концентраторе. Метод доступа — детерминированный. На логическом кольце строятся сети Token Ring и FDDI.

Современный подход к построению высокопроизводительных сетей переносит большую часть функций МАС-уровня (управление доступом к среде) на центральные сетевые устройства — коммутаторы. При этом можно говорить о логической звезде, хотя это название широко не используется.

Ethernet и IEEE 802.3

Система организация сети Ethernet была совместно разработана в 1980 г. фирмами DEC, Intel и Xerox. По именам фирм-разработчиков, этот стандарт стал называться DIX Ethernet. Ethernet имеет метод скорость передачи 10 Мбит/сек и использует метод доступа к кабелю CSMA/CD. IEEE 802.3 определяет аналогичных, но несколько другой стандарт, который использует другой формат кадра (кадр это структура и кодирование пакета). Поскольку 802.3 - это стандарт, используемый в NetWare по умолчанию, и распространен он шире, в этом разделе мы будем говорить именно о нем. Однако при необходимости NetWare обеспечивает также метод применения стандарта DIX Ethernet.

Кроме 1BASE-5, все адаптации стандарта IEEE 802.3 обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/сек. 1BASE-5 обеспечивает передачу 1Мбит/сек, но имеет удлиненные сегменты с кабелем типа "витая пара". Поскольку более популярной технологией является 10BASE-5, 10BASE-2 и 10BASE-T, мы будем говорить о них, но упомянем и другие. Заметим, что первой число в этих обозначениях указывает скорость передачи (Мбит/сек), а последнее - число метров на сегмент х100.

Название Описание

10BASE-5 Коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 500 м.

10BASE-2 Коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 185 м.

1BASE-5 Кабель типа "витая пара" с максимальной длиной сегмента 500 м. и скоростью передачи 1 Мбит/сек.

10BASE-T Кабель типа "витая пара" с максимальной длиной сегмента 200 м. и скоростью передачи 10 Мбит/сек.

10BROAD-36 Коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 3600 м. и широкополосными методами передачи.

10BASE-F Оптоволоконные кабельные сегменты со скоростью передачи 10 Мбит/сек.

Сети Ethernet 802.3 имеют топологию линейной шины с методом доступа CSMA/CD. Рабочие станции подключаются по методу цепочки кластеров. Сегменты формируют кабельную систему, называемую магистралью. Вы можете также использовать звездообразную конфигурацию с кабелем типа "витая пара", где кабель каждой станции подключается к центральному концентратору.

Беспроводные локальные вычислительные сети

При рассмотрении такого вопроса, как прокладка по зданию кабелей, вам следует принять во внимание возможности беспроводной технологии. Сегодня беспроводные локальные сети представляют собой разумную альтернативу обычным сетям. Они избавляют вас от необходимости беспокоиться об обрыве кабеля. Хотя достигнутая в них скорость передачи не может сравниться с пропускной способностью кабеля, в последние годы она значительно возрасла, достигая порядка 54 Мбит/сек. Цены на беспроводные сети LAN снижаются, и с учетом стоимости прокладки кабеля беспроводная сеть может оказаться дешевле кабельной. Внедрению таких сетей может способствовать и требования к мобильности некоторых подразделений фирмы: временных творческих коллективов, использование переносных ПК и др.

Методы передачи

Существуют следующие методы передачи:

Симплексный, полудуплексный и полнодуплексный (или просто дуплексный) режимы передачи.

Параллельная и последовательная передачи.

Асинхронная и синхронная передачи.

При симплексном режиме данные передаются только в одном направлении. Используя транспортную аналогию, симплексную передачу можно представить как однонаправленную однополосную дорогу (транспорт движется только в одну сторону и в один ряд). Сейчас она редко используется на практике.

Полудуплексный режим является самым распространенным. Он похож на однополосную дорогу, по которой движение может осуществляться в обоих направлениях, но не одновременно, а последовательно.

Режим полного дуплекса похож на двухполосную, двунаправленную дорогу. Данные могут передаваться в оба направления одновременно.

Параллельная передача характеризуется тем, что группа битов передается одновременно по нескольким проводникам. Каждый бит передается по собственному проводу. Например, все внутренние коммуникации компьютера с его устройствами осуществляются через параллельную передачу. Это быстрый способ передачи. Однако при больших расстояниях он становится экономически невыгодным не только из-за того, что требует значительно больше кабеля, но и по причине взаимных помех этих проводников.

При последовательной передаче группа битов передается последовательно, один за другим по одному проводнику. Она медленнее, но экономически более выгодна при передаче на большие расстояния.

Асинхронная передача часто называется старт-стопной передачей. Данные передаются как последовательность нулей и единиц, поэтому приемник должен уметь выделять байты в этом потоке данных. При асинхронной передаче каждый байт обрамляется стартовым и стоповым битом, с помощью которых приемник может их разделить. В некоторых случаях на низко надежных линиях связи разрешается использовать несколько таких битов. Однако эти дополнительные биты создают и дополнительные накладные расходы, что снижает эффективную скорость передачи.

Синхронная передача , более быстрая чем асинхронная, передает информацию большими блоками и она не разделена старт-стопными битами. Эти блоки данных обрамляются специальными управляющими символами, которыми манипулируют сложные модемы. Другие символы несут дополнительную информацию о данных и обеспечивают функции обнаружения ошибок.

Синхронная передача более быстрая и почти безошибочная. Но она требует более дорогостоящего оборудования.

3. Технологии коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях

Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring), основанных на разделяемых средах передачи данных

Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базовые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных. Классическим представителем такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры разделяют во времени единственный канал связи, образованный сегментом коаксиального кабеля (рисунок 2.1).

Рис. 2.1. Разделяемый канал передачи данных в сети Ethernet

При передаче каким-нибудь компьютером кадра данных все остальные компьютеры принимают его по общему коаксиальному кабелю, находясь с передатчиком в постоянном побитном синхронизме. На время передачи этого кадра никакие другие обмены информации в сети не разрешаются. Способ доступа к общему кабелю управляется несложным распределенным механизмом арбитража - каждый компьютер имеет право начать передачу кадра, если на кабеле отсутствуют информационные сигналы, а при одновременной передаче кадров несколькими компьютерами схемы приемников умеют распознавать и обрабатывать эту ситуацию, называемую коллизией. Обработка коллизии также несложна - все передающие узлы прекращают выставлять биты своих кадров на кабель и повторяют попытку передачи кадра через случайный промежуток времени.

Работа всех узлов сети Ethernet в режиме большой распределенной электронной схемы с общим тактовым генератором приводит к нескольким ограничениям, накладываемым на сеть. Основными ограничениями являются:

Максимально допустимая длина сегмента. Она зависит от типа используемого кабеля: для витой пары это 100 м, для тонкого коаксиала - 185 м, для толстого коаксиала - 500 м, а для оптоволокна - 2000 м. Для наиболее дешевых и распространенных типов кабеля - витой пары и тонкого коаксиала - это ограничение часто становится весьма нежелательным. Технология Ethernet предлагает использовать для преодоления этого ограничения повторители и концентраторы, выполняющие функции усиления сигнала, улучшения формы фронтов импульсов и исправления погрешностей синхронизации. Однако возможности этих устройств по увеличению максимально допустимого расстояния между двумя любыми узлами сети (которое называется диаметром сети) не очень велики - число повторителей между узлами не может превышать 4-х (так называемое правило четырех хабов). Для витой пары это дает увеличение до 500 м (рисунок 2.2). Кроме того, существует общее ограничение на диаметр сети Ethernet - не более 2500 м для любых типов кабеля и любого количества установленных концентраторов. Это ограничение нужно соблюдать для четкого распознавания коллизий всеми узлами сети, как бы далеко (в заданных пределах) они друг от друга не находились, иначе кадр может быть передан с искажениями.

Рис. 2.2. Максимальный диаметр сети Ethernet на витой паре

Максимальное число узлов в сети. Стандарты Ethernet ограничивают число узлов в сети предельным значением в 1024 компьютера вне зависимости от типа кабеля и количества сегментов, а каждая спецификация для конкретного типа кабельной системы устанавливает еще и свое, более жесткое ограничение. Так, к сегменту кабеля на тонком коаксиале нельзя подключить более 30 узлов, а для толстого коаксиала это число увеличивается до 100 узлов. В сетях Ethernet на витой паре и оптоволокне каждый отрезок кабеля соединяет всего два узла, но так как количество таких отрезков спецификация не оговаривает, то здесь действует общее ограничение в 1024 узла.

Существуют также и другие причины, кроме наличия указанных в стандартах ограничений, по которым число узлов в сети Ethernet обычно не превосходит нескольких десятков. Эти причины лежат в самом принципе разделения во времени одного канала передачи данных между всеми узлами сети. При подключении к такому каналу каждый узел пользуется его пропускной способностью - 10 Мб/с - в течение только некоторой доли общего времени работы сети. Соответственно, на узел приходится эта же доля пропускной способности канала. Даже если упрощенно считать, что все узлы получают равные доли времени работы канала и непроизводительные потери времени отсутствуют, то при наличии в сети N узлов на один узел приходится только 10/N Мб/с пропускной способности. Очевидно, что при больших значениях N пропускная способность, выделяемая каждому узлу, оказывается настолько малой величиной, что нормальная работа приложений и пользователей становится невозможной - задержки доступа к сетевым ресурсам превышают тайм-ауты приложений, а пользователи просто отказываются так долго ждать отклика сети.

Случайный характер алгоритма доступа к среде передачи данных, принятый в технологии Ethernet, усугубляет ситуацию. Если запросы на доступ к среде генерируются узлами в случайные моменты времени, то при большой их интенсивности вероятность возникновения коллизий также возрастает и приводит к неэффективному использованию канала: время обнаружения коллизии и время ее обработки составляют непроизводительные затраты. Доля времени, в течение которого канал предоставляется в распоряжение конкретному узлу, становится еще меньше.

На рисунке 2.3 показана зависимость задержек доступа к среде передачи данных в сети Ethernet от количества узлов сети. Экспоненциальный рост задержек при увеличении числа узлов очень характерен как для технологии Ethernet, так и для других технологий локальных сетей, основанных на разделении каналов во времени - Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Рис. 2.3. Зависимость задержек доступа к среде передачи данных сети Ethernet от числа узлов сети

До недавнего времени в локальных сетях редко использовались мультимедийные приложения, перекачивающие большие файлы данных, нередко состоящие из нескольких десятков мегабайт. Приложения же, работающие с алфавитно-цифровой информацией, не создавали значительного трафика. Поэтому долгое время для сегментов Ethernet было действительным эмпирическое правило - в разделяемом сегменте не должно быть больше 30 узлов. Теперь ситуация изменилась и нередко 3-4 компьютера полностью загружают сегмент Ethernet с его максимальной пропускной способностью в 10 Мб/с или же 14880 кадров в секунду.

Более универсальным критерием загруженности сегмента Ethernet по сравнению с общим количеством узлов является суммарная нагрузка на сегмент, создаваемая его узлами. Если каждый узел генерирует в среднем mi кадров в секунду для передачи по сети, то средняя суммарная нагрузка на сеть будет составлять Si mi кадров в секунду. Известно, что при отсутствии коллизий, то есть при самом благоприятном разбросе запросов на передачу кадров во времени, сегмент Ethernet может передать не больше 14880 кадров в секунду (для самых коротких по стандарту кадров в 64 байта). Поэтому, если принять эту величину за единицу, то отношение Si mi/14880 будет характеризовать степень использования канала, называемый также коэффициентом загрузки.

Зависимость времени ожидания доступа к сети от коэффициента загрузки гораздо меньше зависит от интенсивности трафика каждого узла, поэтому эту величину удобно использовать для оценки пропускной способности сети, состоящей из произвольного числа узлов. Имитационное моделирование сети Ethernet и исследование ее работы с помощью анализаторов протоколов показали, что при коэффициенте загрузки в районе 0.3 - 0.5 начинается быстрый рост числа коллизий и соответственно времени ожидания доступа. Поэтому во многих системах управления сетями пороговая граница для индикатора коэффициента загрузки по умолчанию устанавливается на величину 0.3.

Ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяемого сегмента, чаще всего оказываются более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображений устойчивой передачи электрических сигналов в кабелях.

Технология Ethernet была выбрана в качестве примера при демонстрации ограничений, присущих технологиям локальных сетей, так как в этой технологии ограничения проявляются наиболее ярко, а их причины достаточно очевидны. Однако подобные ограничения присущи и всем остальным технологиям локальных сетей, так как они опираются на использование среды передачи данных как одного разделяемого ресурса. Кольца Token Ring и FDDI также могут использоваться узлами сети только в режиме разделяемого ресурса. Отличие от канала Ethernet здесь состоит только в том, что маркерный метод доступа определяет детерминированную очередность предоставления доступа к кольцу, но по-прежнему при предоставлении доступа одного узла к кольцу все остальные узлы не могут передавать свои кадры и должны ждать, пока владеющий правом доступа узел не завершит свою передачу.

Как и в технологии Ethernet, в технологиях Token Ring, FDDI, Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN также определены максимальные длины отдельных физических сегментов кабеля и ограничения на максимальный диаметр сети и максимальное количество в ней узлов. Эти ограничения несколько менее стеснительны, чем у технологии Ethernet, но также могут быть серьезным препятствием при создании крупной сети.

Особенно же быстро может проявиться ограничение, связанное с коэффициентом загрузки общей среды передачи данных. Хотя метод маркерного доступа, используемый в технологиях Token Ring и FDDI, или метод приоритетных требований технологии 100VG-AnyLAN позволяют работать с более загруженными средами, все равно отличия эти только количественные - резкий рост времени ожидания начинается в таких сетях при больших коэффициентах загрузки, где-то в районе 60% - 70%. Качественный характер нарастания времени ожидания доступа и в этих технологиях тот же, и он не может быть принципиально иным, когда общая среда передачи данных разделяется во времени между компьютерами сети.

Общее ограничение локальных сетей, построенных только с использованием повторителей и концентраторов, состоит в том, что общая производительность такой сети всегда фиксирована и равна максимальной производительности используемого протокола. И эту производительность можно повысить только перейдя к другой технологии, что связано с дорогостоящей заменой всего оборудования.

Рассмотренные ограничения являются платой за преимущества, которые дает использование разделяемых каналов в локальных сетях. Эти преимущества существенны, недаром технологии такого типа существуют уже около 20 лет.

К преимуществам нужно отнести в первую очередь:

простоту топологии сети;

гарантию доставки кадра адресату при соблюдении ограничений стандарта и корректно работающей аппаратуре;

простоту протоколов, обеспечившую низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов;

Однако начавшийся процесс вытеснения повторителей и концентраторов коммутаторами говорит о том, что приоритеты изменились, и за повышение общей пропускной способности сети пользователи готовы пойти на издержки, связанные с приобретением коммутаторов вместо концентраторов.

Принципы коммутации сегментов и узлов локальных сетей, использующих традиционные технологии

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. Эта технология основана на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента и использовании коммутаторов, позволяющих одновременно передавать пакеты между всеми его парами портов.

Функционально многопортовый коммутатор работает как многопортовый мост, то есть работает на канальном уровне, анализирует заголовки кадров, автоматически строит адресную таблицу и на основании этой таблицы перенаправляет кадр в один из своих выходных портов или фильтрует его, удаляя из буфера. Новшество заключалось в параллельной обработке поступающих кадров, в то время как мост обрабатывает кадр за кадром. Коммутатор же обычно имеет несколько внутренних процессоров обработки кадров, каждый из которых может выполнять алгоритм моста. Таким образом, можно считать, что коммутатор - это мультипроцессорный мост, имеющий за счет внутреннего параллелизма высокую производительность.

Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рисунке 2.9.

Каждый порт обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - EPP (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров EPP. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.

Рис. 2.9. Структура коммутатора Kalpana

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор EPP буферизует несколько первых байт кадра, для того, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, то обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров EPP. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.

После нахождения адреса назначения в адресной таблице, процессор EPP знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байт кадра). Если кадр нужно отфильтровать, то процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра и ждет поступления нового кадра.

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом адреса назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом. Если же порт занят, то кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того, как нужный путь установился, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта, а после получения им доступа к среде передаются в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рисунок 2.10).

Рис. 2.10. Передача кадра через коммутационную матрицу

При свободном, в момент приема кадра, состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации "на лету" ( "on-the-fly") или "навылет" ("cut-through"). Этот способ представляет по сути конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи (рисунок 2.11):

Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.

Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).

Коммутация матрицы.

Прием остальных байт кадра процессором входного порта.

Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

Получение доступа к среде процессором выходного порта.

Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.

По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также приведенном на рисунке 2.11, экономия от конвейеризации получается ощутимой.

Однако, главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Рис. 2.11. Экономия времени при конвейерной обработке кадра

а) конвейерная обработка; б) обычная обработка с полной буферизацией

Рисунок 2.12 иллюстрирует этот эффект. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда два порта из 4-х, подключенных к коммутатору, передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные два порта коммутатора не конфликтуя - у каждого входного порта свой выходной порт. Если коммутатор обладает способностью успевать обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 2(10 Мб/с, а при обобщении примера на N портов - (N/2)(10 Мб/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

Рис. 2.12. Повышение производительности сети за счет одновременной

обработки нескольких кадров

Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина - эта технология больше других страдает от повышения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, и этим средством стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.

Некоторые компании стали развивать технологию коммутации и для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Так как в основе технологии коммутации лежит алгоритм работы прозрачного моста, то принцип коммутации не зависит от метода доступа, формата пакета и других деталей каждой технологии. Коммутатор изучает на основании проходящего через него трафика адреса конечных узлов сети, строит адресную таблицу сети и затем на ее основании производит межкольцевые передачи в сетях Token Ring или FDDI (рисунок 2.13). Принцип работы коммутатора в сетях любых технологий оставался неизменным, хотя внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch.

Рис. 2.13. Коммутация колец FDDI

Широкому применению коммутаторов безусловно способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации требовало замены только концентраторов или просто добавления коммутаторов для разделения сегментов, образованных с помощью коммутаторов на более мелкие сегменты. Вся огромная установленная база оборудования конечных узлов - сетевых адаптеров, а также кабельной системы, повторителей и концентраторов - оставалась нетронутой, что давало огромную экономию капиталовложений по сравнению с переходом на какую-нибудь совершенно новую технологию, например, АТМ.

Так как коммутаторы, как и мосты, прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети оставило в неизменном виде не только оборудование и программное обеспечение конечных узлов, но и маршрутизаторы сети, если они там использовались.

Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство, и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, то конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и стараться эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.

Безусловно, повышение производительности сети при установке коммутатора в общем случае не будет такой значительной, как в примере. На эффективность работы коммутатора влияет много факторов, и в некоторых случаях, как это будет показано ниже, коммутатор может совсем не дать никаких преимуществ по сравнению с концентратором. Примером такого фактора может служить несбалансированность трафика в сети - если порт 1 и порт 2 коммутатора чаще всего обращаются к порту 3 коммутатора, то порт 3 будет периодически занят и недоступен для одного из двух этих портов и входящий в них трафик будет простаивать, ожидая освобождения порта 3.

Заключение

Благодаря возникновению и развитию сетей передачи данных появился новый, высокоэффективный способ взаимодействия между людьми. Компьютерные сети стали проникать буквально во все области человеческой деятельности. При этом большинство сетей существуют независимо друг от друга, решая конкретные задачи для конкретных групп пользователей. В соответствии с этими задачами выбираются те или иные сетевые технологии и аппаратное обеспечение. Построить универсальную физическую сеть мирового масштаба из однотипной аппаратуры просто невозможно, поскольку такая сеть не может удовлетворять потребности всех ее потенциальных пользователей. Одним нужна высокоскоростная сеть для соединения машин в пределах здания, а другим - надежные коммуникации между компьютерами, разнесенными на сотни километров. Возникла идея объединить множество физических сетей в единую глобальную сеть, в которой использовались соединения на физическом уровне и новый набор специальных "соглашений" или протоколов. Эта технология получила название internet, она позволила компьютерам "общаться" друг с другом независимо от того, к какой сети и каким образом они подсоединены.

Сеть Internet - это одна из реализаций технологии internet, которая объединяет около 10 млн. компьютеров по всему миру, которые взаимодействуют друг с другом с помощью стека протоколов TCP/IP. Серия протоколов TCP/IP является ярким примером открытой системы в том смысле, что, в отличие от других протоколов, используемых в коммуникационных системах разных поставщиков, все спецификации этого стека протоколов и многие из его реализаций общедоступны. Что позволяет любому разработчику создавать свое программное обеспечение, необходимое для взаимодействия по Internet.

Список литературы

1. http://fio.ifmo.ru/

2. http://sapr.mgsu.ru/biblio/metstud1/oglavl.htm

3. http://lessons-tva.info/edu/telecom.html

4. лекции из 4-го курса техникума по дисциплине «КС»