Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

 Лекция 8. Принципы построения  компьютерных сетей

 

Концепция компьютерных сетей является логическим результатом эволюции компьютерных технологий. По мере совершенствования  компьютеров изменялись принципы построения вычислительных сетей и обработки  информации с их помощью.

Вначале это была пакетная обработка  на базе мэйнфрейма- мощного компьютера универсального назначения (операторы  вводили перфокарты в компьютер).

Затем появились многотерминальные  системы (Компьютер отдавался в  распоряжение многим пользователям, которые с помощью терминала могли вести диалог с компьютером).

 Затем был реализован удаленный  доступ к компьютерам (в составе  глобальных сетей).

В начале 70-х годов появились  мини-компьютеры, которые стали соединять  в локальные вычислительные сети.

В середине 80-х годов  положение в локальных сетях  кардинально изменилось. Утвердились  стандартные технологии объединения  компьютеров в сеть-Ethernet, Arcnet, Token Ring. Мощным стимулом для их развития послужили персональные компьютеры.

Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети в рутинную работу. В компьютер стало достаточно установить сетевую карту (сетевой адаптер) соответствующего стандарта, присоединить адаптер к сетевому кабелю и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем.

Отличительные признаки локальной сети:

• Высокая скорость передачи, большая пропускная способность
• Низкий уровень ошибок передачи (допустимая вероятность 10^-7 – 10^-8)
• Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом
• Ограниченное, точно определенное количество компьютеров, подключенных к сети.

 

Современные тенденции развития компьютерных сетей состоят в том, что

• появилось разнообразное коммуникационное оборудование (коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы)
• В корпоративные сети стали возвращаться мэйнфреймы, как полноправные узлы , поддерживающие Ethernet или Token Ring
• Сетевые протоколы глобальных сетей  становятся стандартами локальных (TCP/IP)
• В локальных сетях стала обрабатываться несвойственная вычислительным сетям информация- голос, видеоизображение, рисунки
• Появляются новые стандарты, позволяющие передавать мультисервисную информацию с высокой скоростью

Основные программные и аппаратные компоненты современной локальной  сети

Вычислительная сеть  - это сложный  комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов6

• компьютеров
• коммуникационного оборудования ( адаптеров, кабельных систем, мостов, повторителей, маршрутизаторов, концентраторов)
• операционных систем
• сетевых приложений (пользовательских программ)

Использование вычислительных сетей дает предприятию следующие  возможности:

• разделение дорогостоящих ресурсов
• Совершенствование коммуникаций
• Улучшение доступа к информации
• Быстрое и качественное принятие решений
• Свобода в территориальном размещении компьютеров

 

Принципы объединения  компьютеров в сеть.

1. Топология сети. В данном случае Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершины которого соответствуют компьютеры сети (или другое оборудование), а ребрам – физические связи между ними.

 Компьютеры, подключенные к  сети, называются станциями или узлами сети .

Сервером называется узел сети (абонент), который предоставляет свои ресурсы другим абонентам.

Выделенный сервер – это сервер, занимающийся сетевыми задачами

Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы не отдает.

Компьютер-клиент также называется рабочей станцией.

Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения

Типовые топологии.(рисунки, достоинства  и недостатки топологий.)

Полносвязная

Ячеистая

Общая шина

Звезда (активная и пассивная(с хабом))

Кольцо

Смешанная (звездно-шинная и звездно-кольцевая)

 

 Только в полносвязной сети для соединения между каждой парой  компьютеров имеется отдельная линия связи. В остальных случаях неизбежно возникает вопрос о том, как организовать совместное использование линий связи несколькими компьютерами. Главной целью является удешевление сети.

Чаще всего применяют  разделяемые среды (shared media), при этом возникают проблемы их совместного использования6

• как обеспечить нужное качество электрических сигналов при подключении по одному и тому же проводу нескольких приемников и передатчиков
• как логически разделить во времени доступ к этим линиям.

Классическим примером сети с  разделяемыми линиями являются топологии  типа «общая шина» (да и «кольцо» и  «звезда» используют эту же технологию).

 

Разделяемая

линия связи

 

 

 

Индивидуальные

    Линии связи

 

 

 

 

Передача информации в локальных сетях

В компьютерных сетях используется пакетная передача данных. Использование  пакетов связано со структурой сети, поскольку пакеты позволяют разделить  общую сеть во времени.  Чтобы  уравнять в правах всех абонентов, пакеты должны быть небольшими.( от десятков байт до нескольких килобайт).

Пакет чаще всего содержит следующие  части или поля. Контрольная

Преамбула Идентификатор передатчика  сумма

 

Идентификатор Управл. Стоповая

приемника инф-я Комбинация

 

Преамбула (стартовая комбинация) –обеспечивает настройку сетевого устройства на прием и обработку пакета.

Идентификатор (сетевой  адрес) – индивидуальный или групповой номер абонента принимающего или передающего

Управляющая (служебная) информация- указывает на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут доставки, на то, что с ним делать приемнику и т.д.

Данные – информационные пакеты. Могут выполнять функцию начала связи, конца связи, подтверждения приема и т.д.

Контрольная сумма пакета- числовой код, формируемый передатчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом виде информацию о всем пакете. Приемник повторяет вычисления передатчика, сравнивает их с контрольной суммой и делает вывод о правильности или ошибочности передачи пакета

Стоповая комбинация- служит для информирования приемника об окончании пакета. Это поле может отсутствовать, если используется самосинхронизирующий код

В процессе сеанса обмена информационными  данными по сети между передатчиком и приемником происходит обмен данными  по установленным  правилам, называемым протоколом обмена.

(Запрос - Готовность- Данные 1- Подтверждение 1-…… Данные N- Подтверждение N-Конец)

 

Существует множество  стандартных протоколов, которые  используют как передачу с подтверждением (с гарантированной доставкой), так и передачу без подтверждения (без гарантии доставки пакета).

При реальном обмене по сети используются многоуровневые протоколы, каждый из которых  предполагает свою структуру кадра. Кадры более высоких уровней  последовательно вкладываются в  передаваемый пакет, точнее в его поле данных. Каждый следующий вкладываемый кадр может содержать свою собственную служебную информацию, располагающуюся как до данных (заголовок), так и после данных (трейлер).

 

 Кадр 3-го уровня

 

 Кадр 2-го уровня

 

 Кадр 1-го уровня

 

Адресация пакетов

При объединении трех и более  компьютеров  каждый абонент (узел) должен иметь свой уникальный адрес.

• 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, т.е. он должен иметь символьное обозначение
• Адрес должен быть по возможности компактен

Все эти требования противоречивы, поэтому на практике используют несколько  имен.

Наибольшее распространение получили 3 схемы адресации узлов

• Аппаратные (hardware) адреса. Типичным представителем такого адреса является адрес сетевого адаптера.- это аппаратный адрес- (МАС –адрес) обычно он встраивается в аппаратуру предприятием –изготовителем. Такой тип адреса был предложен  межд. Корпорацией IEEE. Адрес содержит 48 бит (6 байт), что соответствует 280 триллионам различных адресов. 24 разряда кода адреса  присваивает производитель сетевого адаптера (16 млн.) еще 22 бита (4млн.) используются для кодирования компании производителя . 2 старших бита адреса являются управляющими.

Недостаток аппаратного адреса в том, что при замене адаптера меняется и адрес компьютера.

• Символьные адреса и имена.

Эти адреса предназначены для запоминания  людьми и поэтому обычно несут  смысловую нагрузку. Например, admin.teleross.ru

• Числовые составные адреса. Типичными являются IP адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия.- адрес делится на старшую часть –номер сети и младшую часть –номер узла/ IP адрес состоит из 4-х байт, например, 128.10.2.30 или в двоичной форме 10000000 00001010 0000001000011110

В современных сетях применяется, как правило, все 3 приведенные выше схемы. Пользователи используют символьные имена, которые автоматически  заменяются на числовые номера. ( в службе разрешения имен –DNS -сервере). 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. Есть и распределенный подход к адресации, использующий широковещательные сообщения  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 сообщения по локальной сети.

 

Общие подходы к построению локальных сетей рассмотри на примере наиболее популярной сетевой технологии -Ethernet 

 Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети.

Существуют некоторые базовые технологии, имея ввиду, что на их основе строится базис любой сети. К ним относятся кроме Ethernet, еще Token Ring,  FDDI, 100VGAny-Lan.

Стандарт был принят в 1980 г.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet – Случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных

В качестве такой среды может  использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно  или радиоволны (сеть Aloha Гавайского университета).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей – «общая шина».

Управление доступом к линии  выполняется специальными контроллерами- сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый адаптер имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с.

 

Коаксиальный кабель

 

 

 

 

 

Компьютер  Сетевой адаптер

 

 

Суть случайного метода состоит в следующем. Компьютер может передать данные по сети, если она свободна. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

После того, как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывая» среду. Время монопольного владения разделяемой средой ограничивается временем передачи 1 кадра. Кадр – это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и содержит помимо данных и различную служебную информацию. При попадании кадра в разделяемую среду все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Они анализируют адрес назначения , и если этот адрес совпадает сих собственным, кадр принимается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Иногда может возникать ситуация, когда одновременно 2 или более  компьютеров решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация называется коллизией.

Переданная информация при этом искажается за счет наложения.

В стандарте предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки  коллизий. Вероятность обнаружения  коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика. Этот метод управления обменом называется CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

После обнаружения коллизии сетевые  адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после  паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде, чтобы передать тот кадр, который вызвал коллизию.

При случайном методе управления обменом  возникает вопрос о том, какой  должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Поскольку сигнал распространяется по сети с определенной скоростью, то при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд, и информацию об одновременно происходящих событиях  разные абоненты получают не одновременно.

 L