Барасюк Я. М
 Скачать 3.63 Mb.
|
|
Основні проблеми побудови мереж. Навіть при розгляді найпростішої мережі, що складається з двох комп’ютерів, можна побачити багато проблем, притаманних будь-якій обчислювальній мережі, до яких в першу чергу відносяться проблеми, пов’язані з фізичною передачею сигналів лініями зв’язку, без розв’язання яких неможливий будь-який вид зв’язку. Представлення даних у вигляді електричних чи оптичних сигналів називається кодуванням. В обчислювальних мережах для представлення даних використовується двійковий код. Існують різні способи кодування двійкових чисел, наприклад, потенціальний спосіб, при якому одиниці відповідає один рівень напруги, а нулю – інший, чи імпульсний спосіб, коли для представлення цифр використовуються імпульси різної чи однієї полярності [Error: Reference source not found]. Аналогічні підходи можуть бути використані для кодування даних при їх передачі між двома комп’ютерами лініями зв’язку. Однак такі лінії суттєво відрізняються від тих, що використовуються всередині комп’ютера. Головна відмінність полягає в значно більшій їх довжині а також у тому, що вони проходять за межами екранованого корпусу комп’ютера, де на них можуть впливати різноманітні електромагнітні поля. Все це приводить до значного спотворення сигналів, у зв’язку з чим для такої передачі даних неможливо використовувати ті ж швидкості та способи кодування, що використовуються всередині комп’ютера. В обчислювальних мережах застосовують як потенціальне, так і імпульсне кодування дискретних даних, а також специфічний спосіб представлення даних, який ніколи не використовується всередині комп’ютера – модуляцію, рис. 4.1. При модуляції дискретна інформація представляється синусоїдальним сигналом тієї частоти, яку добре передає наявна лінія зв’язку. Потенціальне та імпульсне кодування застосовується у високоякісних лініях зв’язку, тоді як модуляція застосовується у випадках, коли канал вносить значні спотворення в сигнали, що передаються. Зазвичай модуляцію застосовують в глобальних мережах при передачі сигналів через аналогові телефонні канали зв’язку.  Рис. 4.1. Приклади представлення дискретної інформації в лініях зв’язку На спосіб передачі сигналів впливає і кількість проводів в лініях зв’язку між комп’ютерами. Для зменшення вартості лінії зв’язку в мережах прагнуть до зменшення кількості проводів, у зв’язку з чим часто використовується послідовна побітна передача інформації, яка вимагає всього однієї пари проводів. Іще однією проблемою, яку потрібно розв’язати при передачі сигналів, є проблема взаємної синхронізації передавача одного комп’ютера з приймачем іншого комп’ютера. Така проблема розв’язується або шляхом обміну спеціальними тактовими синхроімпульсами по окремій лінії, або періодичної синхронізації заздалегідь обумовленими кодами чи імпульсами характерної форми, що відрізняються від форми імпульсів даних. Незважаючи на усі заходи, що застосовуються для якісного передавання даних, все ж таки існує ймовірність спотворення деяких біт даних, що передаються. Для підвищення надійності передавання даних між комп’ютерами часто використовують стандартний прийом – підрахунок контрольної суми та її передача по лінії зв’язку після кожного байту чи деякого блоку байт [Error: Reference source not found]. Часто в протокол обміну даними включається як обов’язковий елемент сигнал-квитанція, який підтверджує правильність прийому даних та посилається від отримувача відправнику. Задачі надійного обміну двійковими даними, представленими відповідними електромагнітними сигналами, в комп’ютерних мережах вирішуються за допомогою спеціального обладнання. В локальних мережах це мережні адаптери, а в глобальних мережах – апаратура передачі даних, до якої відносяться, наприклад, модеми. Це обладнання кодує та декодує кожний інформаційний біт, синхронізує передачу електромагнітних сигналів лініями зв’язку, перевіряє правильність передачі за контрольною сумою та може виконувати деякі інші операції. Мережні адаптери розраховані, як правило, на роботу з певною лінією зв’язку – коаксіальним кабелем, витою парою, оптоволокном тощо. Проблеми об’єднання кількох комп’ютерів. При об’єднанні в мережу більше ніж двох комп’ютерів виникає цілий ряд нових проблем, основними з яких є методи фізичного об’єднання комп’ютерів лініями зв’язку (топологія), способи спільного використання ліній зв’язку та адресація комп’ютерів в мережі. Топологія фізичних зв’язків. Під топологією комп’ютерної мережі розуміється конфігурація графа, вершинам якого відповідають комп’ютери мережі (іноді інше обладнання, наприклад концентратори), а ребрам – фізичні зв’язки між ними. Комп’ютери, підключені до мережі, часто називають станціями чи вузлами мережі. Зазначимо, що конфігурація фізичних зв’язків визначається електричними з’єднаннями комп’ютерів між собою і може відрізнятися від конфігурації логічних зв’язків між вузлами мережі. Логічні зв’язки представляють собою маршрути передачі даних між вузлами мережі та утворюються шляхом відповідного налаштування комунікаційного обладнання. Розглянемо деякі найуживаніші топології. Повнозв’язна топологія (рис. 4.2, а) відповідає мережі, в якій кожний комп’ютер мережі зв’язаний з усіма іншими. Незважаючи на фізичну простоту, цей варіант є громіздким і малоефективним. Дійсно, кожний комп’ютер мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів, достатню для зв’язку з усіма іншими комп’ютерами мережі. Для кожної пари комп’ютерів повинна бути виділена окрема електрична лінія зв’язку. Повнозв’язні топології застосовуються рідко. Частіше цей вид топології використовується в багатокомп’ютерних комплексах чи глобальних мережах при невеликій кількості комп’ютерів. Усі інші варіанти базуються на неповнозв’язних топологіях, коли для обміну даними між двома комп’ютерами може знадобитися проміжна передача даних через інші вузли мережі.  Рис. 4.2. Типові топології мереж Вічкова (коміркова) топологія (mesh) отримується із повнозв’язної шляхом вилучення деяких можливих зв’язків (рис. 4.2, б). В мережі з вічковою структурою безпосередньо зв’язуються тільки ті комп’ютери, між якими відбувається інтенсивний обмін даними, а для обміну даними між комп’ютерами, не з’єднаними прямими зв’язками, використовуються транзитні передачі через проміжні вузли. Вічкова структура допускає з’єднання більшої кількості комп’ютерів та характерна, як правило, для глобальних мереж. Спільна шина (рис. 4.2, в) є дуже розповсюдженою (а до недавного часу найрозповсюдженішою) топологією для локальних мереж. В цьому випадку комп’ютери підключаються до одного коаксіального кабелю за схемою „монтажного АБО“. Застосування спільної шини знижує вартість лінії зв’язку, уніфікує підключення різних модулів, забезпечує можливість практично миттєвого звертання до усіх станцій мережі. Основними перевагами такої схеми є дешевизна та простота розведення кабелю по приміщенню. Найвагомішим недоліком спільної шини є її низька надійність: будь-який дефект кабеля чи одного з численних роз’ємів повністю паралізує всю мережу. Другим недоліком спільної шини є її невисока продуктивність, оскільки при такому способі підключення в кожний момент часу тільки один комп’ютер може передавати дані в мережу. Тому пропускна здатність каналу зв’язку завжди ділиться між усіма вузлами мережі. Зіркова топологія (рис. 4.2, г) передбачає підключення кожного комп’ютера окремим кабелем до спільного пристрою (концентратора), розміщеного в центрі мережі. До функцій концентратора відноситься направлення інформації, що передається комп’ютером, одному чи усім комп’ютерам мережі. Головною перевагою цієї топології перед спільною шиною є значно більша надійність. Будь-які неприємності з кабелем стосуються тільки того комп’ютера, до якого цей кабель приєднано, і тільки несправність концентратора може вивести усю мережу з ладу. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуального фільтру інформації, що поступає від вузлів в мережу, і за необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі. До недоліків зіркової топології відноситься більш висока вартість мережного обладнання із-за необхідності придбання концентратора. Крім того, можливості з нарощування кількості вузлів в мережі обмежується кількістю портів концентратора. Іноді є зміст будувати мережі з використанням кількох концентраторів, що ієрархічно з’єднані між собою зв’язками типу „зірка“ (рис. 4.2, д). В даний час ієрархічна зіркова схема є найрозповсюдженішим типом топології зв’язків як в локальних, так і в глобальних мережах. В мережах з кільцевою конфігурацією (рис. 4.2, е) дані передаються по кільцю від одного комп’ютера до іншого, як правило, в одному напрямку. Якщо комп’ютер розпізнає дані як „свої“, то він копіює їх у свій внутрішній буфер. В мережі з кільцевою топологією необхідно приймати спеціальні міри, щоб у випадку виходу з ладу чи відключення якоїсь із станцій, не перервався канал зв’язку між іншими станціями. Кільце представляє собою дуже зручну конфігурацію для організації оберненого зв’язку – дані, зробивши повний оберт, повертаються до вузла-джерела. Тому цей вузол може контролювати процес доставки даних адресату. Тоді як невеликі мережі, як правило, мають одну з типових топологій (в наш час найчастіше зіркову), для великих мереж характерним є наявність довільних зв’язків між комп’ютерами. В таких мережах можна виділити окремі довільно зв’язані фрагменти (підмережі), що мають типову топологію, у зв’язку з чим їх називають мережами зі змішаною топологією. Організація спільного використання каналів зв’язку. Тільки в мережі з повнозв’язною топологією для з’єднання кожної пари комп’ютерів є окрема лінія зв’язку. В усіх інших випадках неодмінно виникає задача організації спільного використання каналів зв’язку кількома робочими станціями. В комп’ютерних мережах використовують як індивідуальні лінії зв’язку між комп’ютерами, так і розділені (shared), коли одна лінія зв’язку поперемінно використовується кількома комп’ютерами. У випадку використання розділених ліній зв’язку виникає комплекс проблем, пов’язаних з їх спільним використанням, який включає як суто електричні проблеми забезпечення потрібної якості сигналів при підключенні до одного і того ж проводу кількох приймачів та передавачів, так і логічні проблеми розподілу в часі доступу до цих ліній. Класичним прикладом мережі зі спільними лініями зв’язку є мережі з топологією „спільна шина“, в яких один кабель спільно використовується усіма комп’ютерами мережі. В топологіях „кільце“ чи „зірка“ індивідуальне використання ліній зв’язку принципово можливе, однак частіше за все ці кабелі фактично також поділяються між усіма комп’ютерами мережі. Підхід з використанням розділяємих ліній, зокрема, реалізований в широко розповсюджених класичних технологіях Ethernet та TokenRing [118]. Проте в останні роки намітилася тенденція до відмови від використання спільних середовищ передачі даних і в локальних мережах. Мережа з розподіленим середовищем за наявності великої кількості вузлів завжди працюватиме повільніше, ніж аналогічна мережа з індивідуальними лініями зв’язку, оскільки пропускна здатність індивідуальної лінії повністю дістається одному комп’ютеру, а при її спільному використанні – ділиться на усі комп’ютери мережі. Часто з таким недоліком приходиться миритися задля здешевлення мережі. Не тільки в класичних, а і в новітніх технологіях, розроблених для локальних мереж, зберігається режим спільних ліній зв’язку (наприклад в технології GigabitEthernet). В глобальних мережах відмова від спільних ліній зв’язку пояснюється технічними причинами. Тут великі часові затримки розповсюдження сигналів принципово обмежують застосовність техніки розділення лінії зв’язку. Комп’ютери можуть затратити більше часу на перемовини про те, кому зараз можна використовувати лінію зв’язку, ніж безпосередньо на передавання даних по цій лінії. Адресація комп’ютерів. Іще однією проблемою, яку потрібно враховувати при об’єднанні трьох та більше комп’ютерів, є проблема їх адресації. До адреси вузла мережі та схеми його призначення можна висунути кілька вимог [119]:
Нескладно побачити наявність протиріч в цих вимогах – наприклад, адреса, що має ієрархічну структуру, швидше за все буде менш компактною, ніж неієрархічна; символьна адреса потребує більше пам’яті, ніж числова і т.д. Оскільки усі перелічені вимоги складно сумістити в рамках якоїсь однієї схеми адресації, то на практиці зазвичай використовується одразу кілька схем, у зв’язку з чим комп’ютер одночасно має кілька адрес-імен. Кожна адреса використовується в тій ситуації, коли відповідний тип адресації є найзручнішим. А для того, щоб не виникало плутанини і комп’ютер завжди однозначно визначався своєю адресою, використовуються спеціальні допоміжні протоколи, які за адресою одного типу можуть визначити адреси інших типів. Найрозповсюдженішими є такі три схеми адресації [Error: Reference source not found]:
В сучасних мережах для адресації вузлів, як правило, застосовуються одночасно усі три описані схеми. Користувачі адресують комп’ютери символьними іменами, які автоматично заміняються в повідомленнях, що передаються по мережі, на числові імена. За допомогою цих числових адрес повідомлення передаються з однієї мережі в іншу, а після доставки повідомлення в мережу призначення, замість числового номера використовується апаратна адреса комп’ютера. Проблема встановлення відповідності між адресами різних типів, якою займається служба визначення імен, може розв’язуватися як повністю централізованими, так і розподіленими засобами. У випадку централізованого підходу, в мережі виділяється один комп’ютер (сервер імен), в якому зберігається таблиця відповідності одна одній адрес різних типів. Усі інші комп’ютери звертаються до сервера імен, щоб за символьним іменем знайти числовий номер комп’ютера, з яким необхідно обмінятися даними. При іншому, розподіленому підході, кожний комп’ютер сам розв’язує задачу встановлення відповідності між іменами. В цьому випадку перед початком передачі даних комп’ютер-відправник посилає усім комп’ютерам мережі повідомлення з проханням опізнати вказане числове ім’я. Усі комп’ютери, отримавши таке повідомлення, порівнюють заданий номер зі своїм власним. Той комп’ютер, у якого виявилося співпадання, посилає відповідь, яка містить його апаратну адресу, після чого стає можливою відправка повідомлення по локальній мережі. Розподілений підхід зручний тим, що не передбачає виділення спеціального комп’ютера, який до того ж часто вимагає ручного задання таблиці відповідності імен. Недоліком розподіленого підходу є необхідність загальнодоступних повідомлень – такі повідомлення перевантажують мережу, оскільки вони вимагають обов’язкової обробки усіма вузлами, а не тільки вузлом призначення. Тому розподілений підхід використовується тільки в невеликих локальних мережах. В великих мережах розповсюдження загальнодоступних повідомлень по всіх її сегментах стає практично неможливим, тому для них характерний централізований підхід. Найвідомішою службою централізованого розв’язання імен є служба Domain Name Service (DNS) мережі Інтернет [Error: Reference source not found]. |