Лекция 4.Объединение нескольких компьютеров в сеть
При объединении в сеть большего числа компьютеров возникает целый комплекс новых проблем:
1) выбор конфигурации связей (топологии);
2) проблема адресации узлов;
3) способ коммутации (коммутация пакетов, сообщений, каналов);
4) способ разделения линий связи в неполносвязных системах.
Топология физических связей
В первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, то есть топологию.
Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети.
Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети.
Полносвязная топология (рис. 4.1 а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.
Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.
Ячеистая топология (mesh) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей (рис. 4.1 б). В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.
Общая шина (рис. 4.1 в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю. Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.
Топология звезда (рис. 4.1 г). В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной — существенно большая надежность. Концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.
К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 4.1 д). В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях.
В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 4.1 е) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями.
Рисунок 4.1- Типовые топологии сетей
В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 4.2).
Рис.4. 2- Смешанная топология
Адресация компьютеров
Существенным компонентом любой системы сети является определение местонахождения компьютерных систем. Существуют различные схемы адресации, используемые для этой цели, которые зависят от используемого семейства протоколов.
Двумя важными типами адресов являются адреса канального уровня и адреса сетевого уровня. Адреса канального уровня (называемые также физическими или аппаратными адресами), как правило, уникальны для каждого сетевого соединения. У большинства локальных сетей (LAN) адреса канального уровня размещены в схеме интерфейса; они назначаются той организацией, которая определяет стандарт протокола, представленный этим интерфейсом.
Aдреса сетевого уровня в отличие от адресов канального уровня, которые обычно существуют в пределах плоского адресного пространства, обычно иерархические.
Иерархические адреса делают сортировку адресов и повторный вызов более легкими путем исключения крупных блоков логически схожих адресов в процессе последовательности операций сравнения.
Адреса сетевого уровня различаются в зависимости от используемого семейства протоколов, однако они, как правило, используют соответствующие логические разделы для нахождения компьютерных систем в объединенной сети.
К адресу узла сети и схеме его назначения можно предъявить несколько требований:
— адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба;
— схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов;
— адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей;
— адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен иметь символьное представление например, Servers;
— адрес должен иметь по возможности компактное представление.
При плоской организации множество адресов никак не структурировано. Примером плоского числового адреса является MAC-адрес, предназначенный для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях.
По количеству адресуемых интерфейсов адреса можно классифицировать следующим образом:
— уникальный адрес (unicast);
— групповой адрес (multicast;
— широковещательный адрес (broadcast);
— адрес произвольной рассылки (anycast) в новой версии протокола IPv6.
После того, как по адресам установили местоположение компьютерных систем, может быть произведен обмен информацией между двумя или более системами.
Термин «блок данных» (frame) обозначает блок информации, источником и пунктом назначения которого являются объекты канального уровня. Термин «пакет» (packet) обозначает блок информации, у которого источник и пункт назначения — объекты сетевого уровня. И наконец, термин «сообщение» (message) oбoзначает информационный блок, у которого объекты источника и места назначения находятся выше сетевого уровня. Термин «сообщение» используется также для обозначения отдельных информационных блоков низших уровней, которые имеют специальное, хорошо сформулированное назначение.
Коммутация
Обобщенная задача коммутации.В самом общем виде задача коммутации может быть представлена в виде следующих взаимосвязанных частных задач:
— определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать маршруты;
— маршрутизация потоков;
— продвижение потоков, то есть распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле;
— мультиплексирование и демультиплексирование потоков.
Итак, пусть компьютеры физически связаны между собой в соответствии с некоторой топологией и выбрана система адресации. Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией. Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут.
Основы маршрутизации.В общедоступном значении слова маршрутизация означает передвижение информации от источника к пункту назначения через объединенную сеть. Маршрутизация часто противопоставляется объединению сетей с помощью моста, которое, в популярном понимании этого способа, выполняет точно такие же функции.
Маршрутизация включает в себя два основных компонента: определение оптимальных трактов маршрутизации и транспортировка информационных групп (обычно называемых пакетами) через объединенную сеть.
Определение маршрута.Определение маршрута может базироваться на различных показателях (величинах, результирующих из алгоритмических вычислений по отдельной переменной — например, длина маршрута) или комбинациях показателей. Программные реализации алгоритмов маршрутизации высчитывают показатели маршрута для определения оптимальных маршрутов к пункту назначения.
Для облегчения процесса определения маршрута, алгоритмы маршрутизации инициализируют и поддерживают таблицы маршрутизации, в которых содержится маршрутная информация. Маршрутная информация изменяется в зависимости от используемого алгоритма маршрутизации.
Алгоритмы маршрутизации заполняют маршрутные таблицы неким множеством информации.
На рис. 4.3 приведен пример маршрутной таблицы «место назначения/следующая пересылка».
Рис. 4.3- Маршрутная таблица
В маршрутных таблицах может содержаться также и другая информация. «Показатели» обеспечивают информацию о желательности какого-либо канала или тракта. Роутеры сообщаются друг с другом (и поддерживают свои маршрутные таблицы) путем передачи различных сообщений
Алгоритмы коммутации сравнительно просты и в основном одинаковы для большинства протоколов маршрутизации. После проверки адреса протокола пункта назначения пакета роутер определяет, знает он или нет, как передать этот пакет к следующему роутеру.
Например, в сети, показанной на рис. 4.4, узлы 2 и 4, непосредственно между собой не связанные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут выступить, например, узлы 1 и 5. Узел 1 должен выполнить передачу данных между своими интерфейсами A и B, а узел 5 – между интерфейсами F и B. В данном случае маршрутом является последовательность: 2-1-5-4, где 2 – узел-отправитель, 1 и 5 – транзитные узлы, 4 – узел-получатель.
Рисунок 4.4 — Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов.
