СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. Министерствообразованияинаукироссийскойфедерации
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
Раздел 4. ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ Совокупность различных сетей (подсетей, ЛВС), расположенных на значительных расстояниях друг от друга и объединенных в единую сеть с помощью телекоммуникационных средств, представляет собой территориально -распределенную сеть, которую можно рассматривать как совокупность различных сред передачи, коммуникационных протоколов и систем управления сетями. Примерами территориально- распределенных сетей являются корпоративные сети организаций, объединяющие офисные сети, расположенные в разных городах, регионах и даже на разных континентах, городские, региональные, государственные сети и т.п. Современные средства телекоммуникаций объединяют множество взаимосвязанных территориально-распределённых и локальных вычислительных сетей (представляющие собой подсети) различных организаций практически всего земного шара в единую сеть – глобальную вычислительную сеть Internet. Поскольку территориально-распределённые и глобальные сети используют одинаковые принципы, технологии и оборудование, то их принято называть единым термином – глобальные сети или Wide Area Network (WAN). Для корректной работы глобальных сетей необходимо все сетевые стандарты связать так, чтобы они могли сосуществовать друг с другом, включая сети не на ЛВС-стандартах, такие как сети Х.25 или IBM SNA. 4.1. Принципы организации глобальных сетей 4.1.1. Характерные особенности глобальных сетей В отличие от ЛВС характерными особенностями глобальных сетей являются следующие. 1. Неограниченный территориальный охват. 2. Сеть объединяет ЭВМ самых разных классов (от персональных до суперЭВМ), локальные и территориальные сети разных технологий. 3. Для объединения различных сетей и передачи данных на большие расстояния используется специальное оборудование, а именно: аппаратура передачи данных (модемы, приемопередатчики и т.п.) и активное сетевое оборудование (маршрутизаторы, коммутаторы, шлюзы). 4. Топология глобальных сетей, в общем случае, произвольная. 5. Одной из важнейших задач, решаемой при построении глобальной сети, является организация эффективной маршрутизации передаваемых данных. 6. Глобальная сеть может содержать каналы связи разных типов: кабельные оптические и электрические, в том числе телефонные, беспроводные радио и спутниковые каналы, имеющие различные пропускные способности (от нескольких кбит/с до сотен Гбит/с). Раздел 4. Глобальные сети 247 4.1.2. Достоинства глобальных сетей 1. Предоставление пользователям сети неограниченного доступа к любым вычислительным и информационным ресурсам, а также множества специфических услуг, таких как электронная почта, голосовая связь, конференцсвязь, телевидение по запросу, доступ к разнообразным информационным ресурсам и т.д. 2. Возможность доступа к ресурсам сети практически из любой точки Земного шара. 3. Возможность передачи по сети любых видов данных, в том числе таких специфических как аудио и видео. 4.2. Технические средства объединения сетей Классификация технических средств объединения сетей, представленная на рис.4.1, включает в себя: • пассивные технические средства, используемые для объединения отдельных сегментов и расширения ЛВС, к которым относятся: повторители (repeater); концентраторы (hub); • активные технические средства, используемые для построения территориально-распределённых и глобальных сетей путём объединения как ЛВС, так и сетей других не ЛВС-технологий: мосты (bridg); маршрутизаторы (router); коммутаторы (switch); шлюзы (gateway). Активные технические средства, в отличие от пассивных, основной функцией которых является усиление передаваемого сигнала, управляют трафиком на основе адресов назначения передаваемых данных, то есть работают на 2-м и более высоких уровнях OSI-модели. Пассивные технические средства работают, в основном, на 1-м физическом уровне. 4.2.1. Мосты Мост – простейшее сетевое устройство, объединяющее локальные или удаленные сегменты и регулирующее прохождение кадров между ними. Подсоединенные к мосту сегменты образуют логически единую Классификация технических средств Пассивные Активные Повторители Концентраторы Мосты Маршрутизаторы Коммутаторы Шлюзы 4.1 Раздел 4. Глобальные сети 248 сеть, в которой любая станция может использовать сетевые ресурсы, как своего сегмента, так и всех доступных через мост сегментов (рис.4.2). Мост работает на подуровне МАС второго канального уровня и прозрачен для протоколов более высоких уровней, то есть принимает решение о передаче кадра из одного сегмента в другой на основании физического адреса (МАС-адреса) станции назначения. Для этого мост формирует таблицу адресов (ТА), которая содержит (рис.4.2): • список МАС-адресов (адресов назначения, АН) станций, подключенных к мосту; • направление (порт), к которому станция подключена; • "возраст" с момента последнего обновления этой записи. Так как кадры, предназначенные для станции того же сегмента, не передаются через мост, трафик локализуется в пределах сегментов, что снижает нагрузку на сеть и повышает информационную безопасность. В отличие от повторителя, который действует на физическом уровне и всего лишь повторяет и восстанавливает сигналы, мост анализирует целостность кадров и фильтрует кадры, в том числе испорченные. Мосты не нагружают работой остальные сетевые устройства – они находятся в одной большой сети с единым сетевым адресом и разными MAC-адресами. Для получения информации о местоположении станций мосты изучают адреса станций, читая адреса всех проходящих через них кадров. При получении кадра мост сравнивает адрес назначения с адресами в ТА и, если такого адреса нет, то мост передает кадр по всем направлениям (кроме отправителя кадра). Такой процесс передачи называется "затоплением" (flooding). Если мост находит в ТА адрес назначения, то он сравнивает номер порта из ТА с номером порта, по которому пришёл кадр. Их совпадение означает, что адреса отправителя и получателя расположены в одном сегменте сети, следовательно, кадр не надо транслировать, и мост его игнорирует. Если же адреса отправителя и получателя расположены в разных сегментах, мост отправляет кадр в нужный сегмент сети. Достоинствами мостов являются: • относительная простота и дешевизна объединения ЛВС; М У 1 У 2 У 3 У 4 У 5 У 6 4.2 АН Порт Возр У 1 1 У 2 1 У 3 1 У 4 2 У 5 2 У 6 2 Таблица адресов моста М Сегме нт 1 Сегме нт 2 Раздел 4. Глобальные сети 249 • "местные" (локальные) кадры остаются в данном сегменте и не загружают дополнительно другие сегменты; • присутствие мостов прозрачно для пользователей; • мосты автоматически адаптируются к изменениям конфигурации сети; • мосты могут объединять сети, работающие с разными протоколами сетевого уровня; • ЛВС, объединенные мостами, образуют логически единую сеть, т.е. все сегменты имеют один и тот же сетевой адрес; поэтому перемещение компьютера из одного сегмента в другой не требует изменения его сетевого адреса; • мосты, благодаря простой архитектуре, являются недорогими устройствами. Недостатки состоят в следующем: • дополнительная задержка кадров в мостах; • не могут использовать альтернативные пути; из возможных путей всегда выбирается один, остальные – блокируются; • могут способствовать значительным всплескам трафика в сети, например, при передаче кадра, адрес которого еще не содержится в таблице моста; такие кадры передаются во все сегменты; • не могут предотвращать "широковещательные штормы"; • не имеют средств для изоляции ошибочно функционирующих сегментов. Существуют мосты четырех основных типов (рис.4.3): • прозрачные (transparent); • транслирующие (translating); • инкапсулирующие (encapsulating); • с маршрутизацией от источника (source routing). 4.2.1.1. Прозрачные мосты Прозрачные мосты (transparent bridges) предназначены для объединения сетей с идентичными протоколами на канальном и физическом уровнях, например, Ethernet-Ethernet, Token Ring-Token Ring. Прозрачный мост является самообучающимся устройством: в процессе работы для каждого подключенного сегмента автоматически строит таблицу адресов с адресами станций, находящихся в сегменте. Классификация мостов прозрачные (transparent) транслирующие (translating) инкапсулирующие (encapsulating) с маршрутизацией от источника (source routing) 4.3 Раздел 4. Глобальные сети 250 Алгоритм функционирования моста: 1) прием поступающего кадра в буфер моста; 2) анализ адреса отправителя (АО) и его поиск в таблице адресов (ТА); 3) если АО отсутствует в ТА, то этот адрес и номер порта, по которому поступил кадр, заносятся в ТА; 4) анализ адреса получателя (АП) и его поиск в ТА; 5) если АП найден в ТА, и он принадлежит тому же сегменту, что и АО (т.е. номер выходного порта совпадает с номером входного порта), кадр удаляется из буфера; 6) если АП найден в ТА, и он принадлежит другому сегменту, кадр передается в этот сегмент (на соответствующий порт); 7) если АП отсутствует в ТА, то кадр передается во все сегменты, кроме того сегмента, из которого он поступил. 4.2.1.2. Транслирующие мосты Транслирующие мосты (translating bridges) предназначены для объединения сетей с разными протоколами на канальном и физическом уровнях, например, Ethernet и Token Ring (рис.4.4). Транслирующие мосты объединяют сети путем манипулирования "конвертами": при передаче кадра из сети Ethernet в сеть TokenRing осуществляется замена заголовка (З ETh) и концевика (К Eth) Ethernet- кадра на заголовок (З TR) и концевик (К TR) TokenRing-кадра и наоборот. Поскольку в разных сетях используются кадры разной длины, а транслирующий мост не может разбивать кадры на части, то каждое сетевое устройство должно быть сконфигурировано для передачи кадров одинаковой длины. 4.2.1.3. Инкапсулирующие мосты Инкапсулирующие мосты предназначены для объединения сетей с одинаковыми протоколами канального и физического уровня через высокоскоростную магистральную сеть с другими протоколами, например 10-мегабитные сети Ethernet, объединяемые сетью FDDI (рис.4.5). У 1 М У 3 У 2 У 4 У 5 У 6 У 8 У 7 Ethernet T oken Ring 4.4 Данные З Eth К Eth Данные З TR К TR Раздел 4. Глобальные сети 251 М1 М2 М4 М3 … … … FDDI … З FDDI К FDDI Ethernet-кадр FDDI-кадр 4.5 В отличие от транслирую- щих мостов, которые преобразуют "конверты" одного типа в другой, инкапсулирующие мосты вклады- вают полученные кадры вместе с заголовком и концевиком в другой "конверт" (см. рис.4.5), который используется в магистральной сети (отсюда термин "инкапсуля- ция") и передает его по этой магистрали другим мостам для доставки к узлу назначения. Конечный мост извлекает Ethernet-кадр из FDDI-кадра и передаёт его в сегмент, в котором находится адресат. Длина поля данных FDDI-кадра достаточна для размещения Ethernet-кадра максимальной длины. 4.2.1.4. Мосты с маршрутизацией от источника Мосты с маршрутизацией от источника (source routing bridges) функционируют на основе информации, формируемой станцией, посылающей кадр, и хранимой в конверте кадра. В этом случае мостам не требуется иметь базу данных с адресами. Каждое сетевое устройство определяет путь к адресату через процесс, называемый "обнаружение маршрута" (route discovery). Упрощенно принцип обнаружения маршрута можно проиллюстрировать на следующем примере (рис.4.6). Устройство-источник инициализирует обнаружение маршрута, посылая специальный кадр (рис.4.6,б), называемый "исследовательским" (explorer). Исследовательские кадры используют специальный конверт, распознаваемый мостами с маршрутизацией от источника. При получении такого кадра каждый мост в специально отведенное в кадре место – поле записи о маршруте (routing information field), заносит следующие данные: номер входного порта, с которого был получен кадр, идентификатор моста (Мi) и номер выходного порта, например: 1,М1,3 (см. рис.4.6,б). Далее мост передает этот кадр по всем направлениям, исключая то, по которому кадр был получен. В итоге, станция назначения получает несколько исследовательских кадров, число которых определяется числом возможных маршрутов. Станция назначения выбирает один из маршрутов (самый быстрый, самый короткий или другой) и посылает ответ станции-источнику. В ответе содержится информация о маршруте, по которому должны посылаться все кадры. Станция-отправитель запоминает маршрут и использует его всегда Раздел 4. Глобальные сети 252 для отправки кадров в станцию назначения. Эти кадры при отправке вкладываются в специальные конверты, понятные для мостов с маршрутизацией от источника. Мосты, получая эти конверты, находят соответствующую запись в списке маршрутов и передают кадр по нужному направлению. Маршрутизация от источника используется мостами в сетях Token Ring для передачи кадров между разными кольцами. 4.2.2. Маршрутизаторы Маршрутизаторы , как и мосты, позволяют эффективно объединять сети и увеличивать их размеры, но, в отличие от последних, работают на сетевом уровне OSI-модели, то есть оперируют сетевыми адресами, и предоставляют более интеллектуальный сервис, заключающийся в определении наиболее подходящего пути и способа передачи пакетов. В отличие от моста, работа которого прозрачна для сетевых устройств, работа маршрутизатора должна быть явно запрошена устройством. Для этого каждый порт (интерфейс) маршрутизатора имеет свой сетевой адрес: S1, S2, … (рис.4.7.,а). На рис.4.7,б показана каноническая структура маршрутизатора. М1 М2 М4 М5 М8 М6 М3 М7 А В 1 2 3 4 1 2 1 3 Исследовательский пакет АН АИ … 1,М1,3 1,М5,2 1,М8,3 … раздел записи о маршруте а) б) 4.6 … Мш S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 ЦП МТ ВыхБ ВхБ КС 1 КС N а) б) 4.7 Раздел 4. Глобальные сети 253 Поступающие пакеты заносятся во входной буфер ВхБ. Центральный процессор ПМ маршрутизатора последовательно анализирует заголовки пакетов и в соответствии с выбранной стратегией маршрутизации и заданной таблицей маршрутизации ТМ определяет выходной канал связи КС, в выходной буфер (ВыхБ) которого должен быть направлен пакет. На рис.4.8 показан пример упрощённой маршрутной таблицы (МТ) узла (маршрутизатора) 4, находящегося в семиузловой сети. В первом столбце указаны доступные (известные) этому маршрутизатору сетевые адреса назначения (АН). Для каждого АН во втором столбце указывается адрес шлюза (АШ) – следующего маршрутизатора, к которому должны направляться пакеты, а в третьем – сетевой адрес выходного интерфейса (АВИ) данного маршрутизатора: S1, S2, S3, S4. При наличии альтернативных путей для одного и того же АН может быть назначено несколько возможных путей передачи пакета. Так, например, пакеты с АН=3 могут быть направлены к маршрутизатору 2 или 6 через выходные интерфейсы S2 и S3 соответственно, что отображено в таблице в виде двух строк с одним адресом назначения. В этом случае выбор маршрута осуществляется на основе метрики (М), указанной в 4-м столбце. Метрика может формироваться с учётом следующих факторов: • расстояние между источником и приемником пакета, которое обычно измеряется "счетчиками хопов" (hop – количество маршрутизаторов, пройденных пакетом от источника до приемника); • пропускная способность канала связи; • время доставки разными путями; • загрузка канала связи и т.д. В нашем примере в качестве метрики используется расстояние до адреса назначения, измеряемое в хопах. В больших сетях для уменьшения размера таблицы маршрутизации и, соответственно, времени поиска маршрута, используется ограниченный набор адресов назначения, указанных в таблице явно. Для всех других Таблица Маршрутизации (ТМ) узла 4 АН АШ АВИ М 1 1 S1 0 2 2 S2 0 3 2 S2 2 3 6 S3 1 5 5 S4 0 6 6 S3 0 7 2 S2 1 default 6 S3 - S1 S2 S4 S3 4.8 |