Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
|
□ г р у п п о в о й а д р е с (multicast) идентифицирует cpaafy несколько интерфейсов, поэтому данные, помеченные групповым адресом, доставляются каждому из узлов, входящих в группу; □ данные, направленные по ш и р о к о в е щ а т е л ь н о м у а д р е с у (broadcast), должны быть до ставлены всем узлам сети; □ а д р е с п р о и з в о л ь н о й р а с с ы л к и (anycast), определенный в новой версии протокола IPv 6 , так же, как и групповой адрес, задает группу адресов, однако данные, посланные по это му адресу, должны быть доставлены не всем адресам данной группы, а любому из них. Адреса могут быть ч и с л о в ы м и (например, 129.26.255.255 или 81.la.ff.fF) и с и м в о л ь н ы м и (site.domen.ru, willi-winki). Символьные адреса (имена) предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку. Для работы в больших сетях символьное имя может иметь иерархическую структуру, например ftp-arch1 .ucl.ac.uk. Этот адрес говорит о том, что данный компьютер поддерживает ftp-архив в сети одного из колледжей Лондонского универси тета (University College London — ucl) и эта сеть относится к академической ветви (ас) Интернета Великобритании (United Kingdom — uk). При работе в пределах сети Лондон ского университета такое длинное символьное имя явно избыточно и вместо него можно пользоваться кратким символьным именем ftp-arch 1. Хотя символьные имена удобны для людей, из-за переменного формата и потенциально большой длины их передача по сети не очень экономична. Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством. Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) организацию (рис. 2.12) или иерархическую организацию (рис. 2.13). При п л о с к о й о р г а н и з а ц и и множество адресов никак не структурировано. Примером пло ского числового адреса является М А С - а д р е с , предназначенный для однозначной иденти фикации сетевых инте{>фейсов в локальных сетях. Такой адрес обычно используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного числа, например 0081005е24а8. При задании 1 Иногда вместо точного выражения «адрес сетевого интерфейса» мы будем использовать упрощен ное — «адрес узла сети». 60 Глава 2. Общие принципы построения сетей МАС-адресов не требуется выполнение ручной работы, так как они обычно встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем, поэтому их называют также аппаратными адреса ми (hardware address). Использование плоских адресов является жестким решением — при замене аппаратуры, например сетевого адаптера, изменяется и адрес сетевого интерфейса компьютера. Плоское адресное пространство Рис. 2.12. Плоская организация адресного пространства Множество адресов подгрупп интерфейсов - {L} Иерархическое адресное пространство ____ Адрес сетевого ■ " ^ интерфейса-п Множество ) адресов групп интерфейсов - {К} Иерархический адрес - (К, L, п) Рис. 2.13. Иерархическая организация адресного пространства При иерархической организации адресное пространство структурируется в виде вложен ных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов, определяют отдельный сетевой интерфейс. В показанной на рис. 2.13 трехуровневой структуре адресного пространства адрес конечно го узла задается тремя составляющими: идентификатором группы (ІС), в которую входит данный узел, идентификатором подгруппы (L) и, наконец, идентификатором узла (я), однозначно определяющим его в подгруппе. Иерархическая адресация во многих случаях оказывается более рациональной, чем плоская. В больших сетях, состоящих из многих тысяч узлов, использование плоских адресов приводит к большим издержкам — конечным узлам и коммуникационному оборудованию приходится оперировать таблицами адре сов, состоящими из тысяч записей. В противоположность этому иерархическая система адресации позволяет при перемещении данных до определенного момента пользоваться Проблемы связи нескольких компьютеров 61 только старшей составляющей адреса (например, идентификатором группы /С), затем для дальнейшей локализации адресата задействовать следующую по старшинству часть (L) и в конечном счете — младшую часть (п). Типичными представителями иерархических числовых адресов являются сетевые IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть — номер сети и младшую — номер узла. Такое деление позволяет передавать сообще ния между сетями только на основании номера сети, а номер узла требуется уже после доставки сообщения в нужную сеть; точно так же, как название улицы используется по чтальоном только после того, как письмо доставлено в нужный город. На практике обычно применяют сразу несколько схем адресации, так что сетевой интер фейс компьютера может одновременно иметь несколько адресов-имен. Каждый адрес задействуется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. А для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспо могательные протоколы, которые называют п р о т о к о л а м и р а з р е ш е н и я а д р е с о в . Пользователи адресуют компьютеры иерархическими символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, передаваемых по сети, иерархическими число выми адресами. С помощью этих числовых адресов сообщения доставляются из одной сети в другую, а после доставки сообщения в сеть назначения вместо иерархического числового адреса используется плоский аппаратный адрес компьютера. Проблема установления со ответствия между адресами различных типов может решаться как централизованными, так и распределенными средствами. При централизованном подходе в сети выделяется один или несколько компьютеров (сер веров имен), в которых хранится таблица соответствия имен различных типов, например символьных имен и числовых адресов. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен с запросами, чтобы по символьному имени найти числовой номер необходимого компьютера. При распределенном подходе каждый компьютер сам хранит все назначенные ему адреса разного типа. Тогда компьютер, которому необходимо определить по известному иерархи ческому числовому адресу некоторого компьютера его плоский аппаратный адрес, посы лает в сеть широковещательный запрос. Все компьютеры сети сравнивают содержащийся в запросе адрес с собственным. Тот компьютер, у которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий искомый аппаратный адрес. Такая схема использована в п р о т о к о л е р а з р е ш е н и я а д р е с о в (Address Resolution Protocol, ARP) стека TC P /IP Достоинство распределенного подхода состоит в том, что он позволяет отказаться от выде ления специального компьютера в качестве сервера имен, который, к тому же, часто требует ручного задания таблицы соответствия адресов. Недостатком его является необходимость широковещательных сообщений, перегружающих сеть. Именно поэтому распределенный подход используется в небольших сетях, а централизованный — в больших. До сих пор мы говорили об адресах сетевых интерфейсов, компьютеров и коммуникаци онных устройств, однако конечной целью данных, пересылаемых по сети, являются не сетевые интерфейс^ или компьютеры, а выполняемые на этих устройствах программы — процессы. Поэтому в адресе назначения наряду с информацией, идентифицирующей интерфейс устройства, должен указываться адрес процесса, которому предназначены посылаемые по сети данные. Очевидно, что достаточно обеспечить уникальность адреса процесса в пределах компьютера. Примером адресов процессов являются номера портов TCP и UDP, используемые в стеке TCP/IP. 62 Глава 2. Общие принципы построения сетей Коммутация Итак, пусть компьютеры физически связаны между собой в соответствии с некоторой топологией и выбрана система адресации. Остается нерешенной самая важная проблема: каким способом передавать данные между конечными узлами? Особую сложность при обретает эта задача для неполносвязной топологии сети, когда обмен данными между произвольной парой конечных узлов (пользователей) должен идти л общем случае через транзитные узлы. Соединение ■іШ м Ш і . - 4U 'У.&ІЛ коммутацией. Последова- ' царшрут. Например, в сети, показанной на рис. 2.14, узлы 2 и 4, непосредственно между собой не свя занные, 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 А и В, а узел 5 — между интерфейсами F и В. В данном случае маршрутом является последовательность: 2-1 -5-4, где 2 — узел-отправитель, 1 и 5 — транзитные узлы, 4 — узел-получатель. Рис. 2.14. Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов Обобщенная задача коммутации В самом общем виде задача коммутации может быть представлена в виде следующих взаимосвязанных частных задач. 1. Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать марш руты. Обобщенная задача коммутации 63 2. Маршрутизация потоков. 3. Продвижение потоков, то есть распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле. 4. Мультиплексирование и демультиплексирование потоков. Определение информационных потоков Понятно, что через один транзитный узел может проходить несколько маршрутов, на пример, через узел 5 (см. рис. 2.14) проходят, как минимум, все данные, направляемые узлом 4 каждому из остальных узлов, а также все данные, поступающие в узлы 3 ,4 и 10. Транзитный узел должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, для того чтобы обеспечивать передачу каждого из них именно на тот свой интерфейс, который ведет к нужному узлу. Информационно или потоком д анных, называют непрерывную последоват^ность і данных* о(К^д^иншйаб0ром общих признаков, выделяющих эти данные изобщвгбс^евот трафика. Г / Например, как поток можно определить все данные, поступающие от одного компьюте ра; объединяющим признаком в данном случае служит адрес источника. Эти же данные можно представить как совокупность нескольких п о д п о т о к о в , каждый из которых в ка честве дифференцирующего признака имеет адрес назначения. Наконец, каждый из этих подпотоков, в свою очередь, можно разделить на более мелкие подпотоки, порожденные разными сетевыми приложениями — электронной почтой, программой копирования фай лов, веб-сервером. Данные, образующие поток, могут быть представлены в виде различных информационных единиц данных — пакетов, кадров или ячеек. ПРИМЕЧАНИЕ--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- В англоязычной литературе для потоков данных, передающихся с равномерной и неравномерной ско ростью, обычно используют разные термины — соответственно «data stream» и «data flow». Например, при передаче веб-страницы через Интернет предложенная нагрузка представляет собой неравномер ный поток данных, а при вещании музыки интернет-станцией — равномерный. Для сетей передачи данных характерна неравномерная скорость передачи, поэтому далее в большинстве ситуаций под термином «поток данных» мы будем понимать именно неравномерный поток данных и указывать на равномерный характер этого процесса только тогда, когда это нужно подчеркнуть. Очевидно, что при коммутации в качестве обязательного признака выступает а д р е с н а з н а ч е н и я данных. На основании этого признака весь поток входящих в транзитный узел данных разделяется на подпотоки, каждый из которых передается на интерфейс, соответ ствующий маршруту продвижения данных. Адреса источника и назначения определяют поток для пары соответствующих конечных узлов. Однако часто бывает полезно представить этот поток в виде нескольких подпотоков, причем для каждого из них может быть проложен свой особый маршрут. Рассмотрим при мер, когда на одной и той же паре конечных узлов выполняется несколько взаимодействую щих по сети приложений, каждое из которых предъявляет к сети свои особые требования. В таком случае выбор маршрута должен осуществляться с учетом характера передаваемых 64 Глава 2. Общие принципы построения сетей данных, например, для файлового сервера важно, чтобы передаваемые им большие объемы данных направлялись по каналам, обладающим высокой пропускной способностью, а для программной системы управления, которая посылает в сеть короткие сообщения, требую щие обязательной и немедленной отработки, при выборе маршрута более важна надеж ность линии связи и минимальный уровень задержек на маршруте. Кроме того, даже для данных, предъявляющих к сети одинаковые требования, может прокладываться несколько маршрутов, чтобы за счет распараллеливания ускорить передачу данных. Признаки потока могут иметь глобальное или локальное значение — в первом случае они однозначно определяют поток в пределах всей сети, а во втором — в пределах одного транзитного узла. Пара адресов конечных узлов для идентификации потока — это пример глобального признака. Примером признака, локально определяющего поток в пределах устройства, может служить номер (идентификатор) интерфейса данного устройства, на который поступили данные. Например, возвращаясь к рис. 2.14, узел 1 может быть настро ен так, чтобы передавать на интерфейс В все данные, поступившие с интерфейса А, а на интерфейс С — данные, поступившие с интерфейса D. Такое правило позволяет отделить поток данных узла 2 от потока данных узла 7 и направлять их для транзитной передачи через разные узлы сети, в данном случае поток узла 2 — через узел 5, а поток узла 7 — через узел 8. Метка потока — это особый тип признака. Она представляет собой некоторое число, ко торое несут все данные потока. Глобальная метка назначается данным потока и не меняет своего значения на всем протяжении его пути следования от узла источника до узла на значения, таким образом, она уникально определяет поток в пределах сети. В некоторых технологиях используются локальные метки потока, динамически меняющие свое значе ние при передаче данных от одного узла к другому. Таким образом, распознавание потоков во время коммутации происходит на основании при знаков, в качестве которых, помимо обязательного адреса назначения данных, могут выступать и другие признаки, такие, напрймер, как идентификаторы приложений. Маршрутизация Задача маршрутизации, в свою очередь, включает в себя две подзадачи: □ определение маршрута; □ оповещение сети о выбранном маршруте. Определить маршрут означает выбрать последовательность транзитных узлов и их интер фейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату. Определение маршрута — сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей. Чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном 1 по некоторому критерию маршруте. В качестве кри териев оптимальности могут выступать, например, номинальная пропускная способность и загруженность йаналов связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуточных транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов. 1 На практике для снижения объема вычислений ограничиваются поиском не оптимального в мате матическом смысле, а рационального'то есть близкого к оптимальному, маршрута. Обобщенная задача коммутации 65 Но даже в том случае, когда между конечными узлами существует только один путь, при сложной топологии сети его нахождение может представлять собой нетривиальную задачу. Маршрут может определяться эмпирически («вручную») администратором сети на основа нии различных часто не формализуемых соображений. Среди побудительных мотивов вы бора пути могут быть: особые требования к сети со стороны различных типов приложений, решение передавать трафик через сеть определенного поставщика услуг, предположения о пиковых нагрузках на некоторые каналы сети, соображения безопасности. Однако эмпирический подход к определению маршрутов мало пригоден для большой сети со сложной топологией. В этом случае используются автоматические методы определения маршрутов. Для этого конечные узлы и другие устройства сети оснащаются специальными программными средствами, которые организуют взаимный обмен служебными сообщения ми, позволяющий каждому узлу составить свое «представление» о сети. Затем на основе собранных данных программными методами определяются рациональные маршруты. При выборе маршрута часто ограничиваются только информацией о топологии сети. Этот подход иллюстрирует рис. 2.15. Для передачи трафика между конечными узлами А и С существует два альтернативных маршрута: А-1-2-3-С и А-1-3-С. Если мы учитываем только топологию, то выбор очевиден — маршрут А-1-3-С, который имеет меньше тран зитных узлов. Решение было найдено путем минимизации критерия, в качестве которого в данном при мере выступала длина маршрута, измеренная количеством транзитных узлов. Однако, возможно, наш выбор был не самым лучшим. На рисунке показано, что каналы 1-2 и 2-3 обладают пропускной способностью 100 Мбит/с, а канал 1-3 — только 10 Мбит/с. Если мы хотим, чтобы наша информация передавалась по сети с максимально возможной скоро стью, то нам следовало бы выбрать маршрут А- 1-2-3-С, хотя он и проходит через большее количество промежуточных узлов. То есть можно сказать, что маршрут А- 1-2-3-С в данном случае оказывается «более коротким». Абстрактный способ измерения степени близости между двумя объектами называется метрикой. Так, для измерения длины маршрута могут быть использованы разные метри ки — количество транзитных узлов, как в предыдущем примере, линейная протяженность маршрута и даже его стоимость в денежном выражении. Для построения метрики, учиты вающей пропускную способность, часто используют следующий прием: длину каждого канала-участка характеризуют величиной, обратной его пропускной способности. Чтобы оперировать целыми числами, выбирают некоторую константу, заведомо большую, чем 66 Глава 2. Общие принципы построения сетей пропускные способности каналов в сети. Например, если мы в качестве такой константы выберем 100 Мбит/с, то метрика каждого из каналов 1-2 и 2-3 равна 1, а метрика канала 1-3 составляет 10. Метрика маршрута равна сумме метрик составляющих его каналов, поэтому часть пути 1-2-3 обладает метрикой 2, а альтернативная часть пути 1-3 — метрикой 10. Мы выбираем более «короткий» путь, то есть путь Л-1-2-3-С. Описанные подходы к выбору маршрутов не учитывают текущую степень загруженности каналов трафиком1. Используя аналогию с автомобильным трафиком, можно сказать, что мы выбирали маршрут по карте, учитывая количество промежуточных городов и ширину дороги (аналог пропускной способности канала), отдавая предпочтение скоростным маги стралям. Но мы не стали слушать радио или телевизионную программу, которая сообщает о текущих заторах на дорогах. Так что наше решение оказывается отнюдь не лучшим, когда по маршруту Л-1-2-3-С уже передается большое количество потоков, а маршрут Л-1-3-С практически свободен. После того как маршрут определен (вручную или автоматически), н&до оповестить о нем все устройства сети. Сообщение о маршруте должно нести каждому транзитному устрой ству примерно такую информацию: «каждый раз, когда в устройство поступят данные, от носящиеся к потоку п, их следует передать для дальнейшего продвижения на интерфейс І7». Каждое подобное сообщение о маршруте обрабатывается устройством, в результате соз дается новая запись в таблице коммутации. В этой таблице локальному или глобальному признаку (признакам) потока (например, метке, номеру входного интерфейса или адресу назначения) ставится в соответствие номер интерфейса, на который устройство должно передавать данные, относящиеся к этому потоку. Таблица 2.1 является фрагментом таблицы коммутации, содержащий запись, сделанную на основании сообщения о необходимости передачи потока п на интерфейс F. Таблица 2.1. Фрагмент таблицы коммутации Пр и знаки потока Направление передачи д а н н ы х (номер интерфейса и/или адрес с ле д ую щ е г о узла) п F Конечно, детальное описание структуры сообщения о маршруте и содержимого таблицы коммутации зависит от конкретной технологии, однако эти особенности не меняют сущ ности рассматриваемых процессов. Передача информации транзитным устройствам о выбранных маршрутах, так же как и определение маршрута, может осуществляться вручную или автоматически. Админи стратор сети может зафиксировать маршрут, выполнив в ручном режиме конфигуриро вание устройства, например, жестко скоммутировав на длительное время определенные пары входных и выходных интерфейсов (как работали «телефонные барышни» на первых 1 Такие методы, в кото рых используется и н ф о р м а ц и я о т е к ущей загруженности каналов связи, позво л я ю т определять более р а циональные м ар ш р у т ы , однако требуют интенсивного о б мена сл ужебной и н ф о р м а ц и е й м е ж д у узлами сети. Обобщенная задача коммутации 67 коммутаторах). Он может также по собственной инициативе внести запись о маршруте в таблицу коммутации. Однако поскольку топология и состав информационных потоков могут меняться (отказы узлов или появление новых промежуточных узлов, изменение адресов или определение новых потоков), гибкое решение задач определения и задания маршрутов предполагает постоянный анализ состояния сети и обновление маршрутов и таблиц коммутации. В таких случаях задачи прокладки маршрутов, как правило, не могут быть решены без достаточно сложных программных и аппаратных средств. Продвижение данных Итак, пусть маршруты определены, записи о них сделаны в таблицах всех транзитных узлов, все готово к выполнению основной операции — передаче данных между абонентами (коммутации абонентов). Для каждой пары абонентов эта операция может быть представлена несколькими (по числу транзитных узлов) локальными операциями коммутации. Прежде всего, отправитель должен выставить данные на тот свой интерфейс, с которого начинается найденный марш рут, а все транзитные узлы должны соответствующим образом выполнить «переброску» данных с одного своего интерфейса на другой, другими словами, выполнить коммутацию интерфейсов. Устройство, функциональным назначением которого является коммутация, называется коммутатором. На рис. 2.16 показан коммутатор, который переключает инфор мационные потоки между четырьмя своими интерфейсами. \ t # Однако прежде чем выполнить коммутацию, коммутатор должен распознать поток. Для этого поступившие данные анализируются на предмет наличия в них признаков какого- либо из потоков, заданных в таблице коммутации. Если произошло совпадение, то эти данные направляются на интерфейс, определенный для них в маршруте. 68 Глава 2. Общие принципы построения сетей О ТЕРМИНАХ -------------------------------------------------------------------------------------------------- Т е р м и н ы «коммутация», «таблица к о м м у т а ц и и » и «коммутатор» в т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х сетях могут трактоваться неоднозначно. М ы у ж е определили к о м м у т а ц и ю как процесс соединения або нентов сети через транзитные узлы. Э т и м ж е т е р м и н о м м ы обозначаем и соединение интерфейсов в пределах отдельного транзитного узла. К о м м у т а т о р о м в ш и р о к о м с м ы с л е называется устройство л ю б о г о типа, способное в ы п о л н я т ь операции перекл ю ч е н и я потока д а н н ы х с одного интерфейса на другой. О п е р а ц и я к о м м у т а ц и и м о ж е т выполняться в соответствии с р а з л и ч н ы м и п р а в и л а м и и алго ритмами. Н е к о т о р ы е способы к о м м у т а ц и и и соответствующие и м т а б л и ц ы и устройства пол у ч и л и специальные названия. Например, в технологиях сетевого уровня, таких как IP и IPX, для обозна чения аналогичных поня т и й используются т е р м и н ы «маршрутизация», «таблица маршрутизации», «маршрутизатор». В то ж е время за другими с п е ц и а л ь н ы м и тип а м и к о м м у т а ц и и и соответствующими устройствами закрепились те ж е с а м ы е названия «коммутация», «таблица к о м м у т а ц и и » и « к о м м у татор», п р и м е н я е м ы е в узком смысле, например, как к о м м у т а ц и я и коммутатор локальной сети. Д л я т е л е ф о н н ы х сетей, которые появились намного рань ш е компьютерных, также характерна аналогичная терминология, коммутатор является здесь с и н о н и м о м телефонной станции. Из-за солидного возраста и гораздо б о л ь ш е й (пока) распространенности т е л е ф о н н ы х сетей ч а щ е всего в телекомм у н и к а ц и я х под т е р м и н о м «коммутатор» п о н и м а ю т и м е н н о т е л е ф о н н ы й коммутатор. Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае ком мутатор называется программным. Компьютер может совмещать функции коммутации данных с выполнением своих обычных функций как конечного узла. Однако во многих случаях более рациональным является решение, в соответствии с которым некоторые узлы в сети выделяются специально для коммутации. Эти узлы образуют коммутацион ную сеть, к которой подключаются все остальные. На рис. 2.17 показана коммутацион ная сеть, образованная из узлов 1, 5, 6 и 8, к которой подключаются конечные узлы 2,3, 4, 7, 9 и 10, 11. Обобщенная задача коммутации 69 Мультиплексирование и демультиплексирование Чтобы определить, на какой интерфейс следует передать поступившие данные, коммутатор должен выяснить, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает на вход коммутатора только один «чистый» поток или «смешанный» поток, являющийся результатом агрегирования нескольких потоков. В последнем случае к задаче распознавания потоков добавляется задача демультиплексирования. Демультиплексирование — разделение суммарного ^агрегированного потока на несколько составляющих его потоков. Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция мультиплек сирования. Мультиплексирование — образование из вебкояьких отдельных потоков общего агрегирован ного потока, который передается по одному физическому каналу Другими словами, мультиплексирование — это способ разделения одного имеющегося физического канала между несколькими одновременно протекающими сеансами связи между абонентами сети. Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы для каждого потока предусматривать отдельный канал, что привело бы к большому количеству парал лельных связей в сети и свело бы «на нет» все преимущества неполносвязной сети. На рис. 2.18 показан фрагмент сети, состоящий из трех коммутаторов. Коммутатор 1 имеет четыре сетевых интерфейса. На интерфейс 1 поступают данные с двух интерфейсов — З и 4 . Их надо передать в общий физический канал, то есть выполнить операцию мультиплек сирования. Мультиплексирование Рис. 2.18. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации 70 Глава 2. Общие принципы построения сетей Одним из основных способов мультиплексирования потоков является разделение време ни. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает физический канал в полное свое распоряжение и передает по нему свои данные. Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотное диапазоне. Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммарного по тока выполнять обратную операцию — разделение (демультиплексирование) данных на слагаемые потоки. На интерфейсе 3 коммутатор выполняет демультиплексирование потока на три составляющих его подпотока. Один из них он передает на интерфейс 1, другой — на интерфейс 2, третий — на интерфейс 4. Вообще говоря, на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе функции — мультиплексирование и демультиплексирование. Частный случай коммутатора, у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где они мультиплексируются в один агрегированный поток, на зывается мультиплексором. Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором (рис. 2.19). Мультиплексор Демультиплексор Разделяемая среда передачи данных Во всех рассмотренных ранее примерах мультиплексирования потоков к каждой линии связи подключались только два интерфейса. В том случае, когда линия связи является дуплексным каналом связи, как это показане» на рис. 2 20 , каждый из интерфейсов моно польно использует канал связи в направлении «от себя». Это объясняется тем, что ду плексный канал состоит из двух независимых сред передачи данных (подканалов), и так как только передатчик интерфейса является активным устройством, а приемник пассивно ожидает поступления сигналов от приемника, то конкуренции подканалов не возникает. Такой режим использования среды передачи данных является в настоящее время основным в компьютерных локальных и глобальных се гях. Однако если^в глобальных сетях такой режим использовался всегда, то в локальных се тях до середины 90-х годов преобладал другой режим, основанный на разделяемой среде передачи данных. В наиболее простом случае эффект разделе ния среды возникает при соединении двух интерфейсов с помощью полудуплексного канала связи, то есть такого канала, который может передавать данных в любом направлении, но только попеременно (рис. 2.21). В этом Обобщенная задача коммутации 71 случае к одной и той же среде передачи данных (например, к коаксиальному кабелю или общей радиосреде) подключены два приемника двух независимых узлов сети. Разделяемой средой (shared medium) называется физическая среда передачи данных, к кото рой непосредственно подключено несколько передатчиков узлов сети. Причем в каждый момент времени только один из передатчиков какого-либо узла сети получает доступ к разделяемой среде и использует ее для передачи данных приемнику другого узла, подключенному к этой же среде. Коммутатор S1 Коммутатор S2 Коммутатор S1 Коммутатор S2 При таком применении среды передачи данных возникает новая задача совместного ис пользования среды независимыми передатчиками таким образом, чтобы в каждый отдель ный момент времени по среде передавались данные только одного передатчика. Другими словами, возникает необходимость в механизме синхронизации доступа интерфейсов к разделяемой среде. Обобщением разделяемой среды является случай, показанный на рис. 2.22, когда к каналу связи подключаются более двух интерфейсов (в приведенным примере — три), при этом применяется топология ббщей шины. Существуют различные способы решения задачи организации совместного доступа к раз деляемым линиям «связи. Одни из них подразумевают централизованный подход, когда доступом к каналу управляет специальное устройство — арбитр, другие — децентрали зованный. Если мы обратимся к организации работы компьютера, то увидим, что доступ к системной шине компьютера, которую совместно используют внутренние блоки ком пьютера, управляется централизованно — либо процессором, либо специальным арбитром шины. 72 Глава 2. Общие принципы построения сетей Коммутатор S1 Коммутатор S2 В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи. Здесь проце дуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком большой промежуток времени и приводить к значительным потерям производительности сети. Именно по этой причине механизм разделения среды в глобальных сетях практически не используется. На первый взгляд может показаться, что механизм разделения среды очень похож на меха низм мультиплексирования потоков — в том и другом случаях по линии связи передаются несколько потоков данных. Однако здесь есть принципиальное различие, касающееся того, как контролируется (управляется) линия связи. При мультиплексировании дуплексная линия связи в каждом направлении находится под полным контролем одного коммутатора, который решает, какие потоки разделяют общий канал связи. Для локальных сетей разделяемая среда сравнительно долго была основным механизмом использования каналов связи, который применялся во всех технологиях локальных се тей — Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI. При этом в технологиях локальных сетей при менялись децентрализованные методы доступа к среде, не требующие наличия арбитра в сети. Популярность техники разделения среды в токальных сетях объяснялась простотой и экономичностью аппаратных решений. Например, для создания сети Ethernet на коакси альном кабеле никакого другого сетевого оборудования кроме сетевых адаптеров компью теров и самого кабеля не требуется. Наращивание количества компьютеров в локальной сети Ethernet на коаксиальном кабеле выполняется также достаточно просто — путем присоединения нового отрезка кабеля к существующему. Сегодня в проворных локальных сетях метод р.ізделения среды практически перестал применяться. Основной причиной отказа от разделяемой среды явилась ее низкая и плохо предсказуемая производительность, а также плохая масштабируемость1. Низкая про 1 Масштабируемостью называют свойство сети допускать наращивание количества узлов и протяжен ность линий связи в очень широких пределах без снижения производительности. Обобщенная задача коммутации 73 изводительность объясняется тем, что пропускная способность канала связи делится между всеми компьютерами сети. Например, если локальная сеть Ethernet состоит из 100 компьютеров, а для их связи используются коаксиальный кабель и сетевые адаптеры, работающие на скорости 10 Мбит/с, то в среднем на каждый компьютер приходится только 0,1 Мбит/с пропускной способности. Более точно оценить долю пропускной способности, приходящуюся на какой-либо компьютер сети, трудно, так как эта величина зависит от многих случайных факторов, например активности других компьютеров. Наверно, к этому моменту читателю уже понятна причина плохой масштабируемости подобной сети — чем больше мы добавляем компьютеров, тем меньшая до.ія пропускной способности достается каждому компьютеру сети. Описанные недостатки являются следствием самого принципа разделения среды, поэтому преодолеть их полностью невозможно. Появление в начале 90-х недорогих коммутаторов локальных сетей привело к настоящей революции в этой области, и постепенно коммута торы вытеснили разделяемую среду полностью. Сегодня механизм разделения среды используется только в беспроводных локальных сетях, где среда — радиоэфир — естественным образом соединяет все конечные узлы, на ходящиеся в зоне распространения сигнала. Типы коммутации Комплекс технических решений обобщенной задач и коммутации в своей совокупности составляет основу любой сетевой технологии. Как уже отмечалось, к этим частным за дачам относятся: □ определение потоков и соответствующих маршрутов; □ фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых ус тройств; □ распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства; □ мультиплексирование/демультиплексирование потоков; □ разделение среды передачи. і Среди множества возможных подходов к решению задали коммутации абонентов в сетях выделя ют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов и коммутацию пакетов. Каждый из этих двух подходов имеет свои достоинства и недостатки. Существуют тра диционные области применения каждой из техник коммутации, например, телефонные сети строились и продолжают строитьсл с использованием техники коммутации каналов, а компьютерные сети в подавляющем большинстве основаны на технике коммутации пакетов. Техника коммутации пакетов гораздо моложе своей конкурентки и пытается вытеснить ее из некоторых областей, например и:* телефонии (в форме интернет- или ІР-телефонии), но этот спор пока не решен, и, скорее всего, две техники коммутации будут сосуществовать еще долгое время, дополняя друг друга. Тем не менее по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технике коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной. 74 Глава 2. Общие принципы построения сетей ПРИМЕР-АНАЛОГИЯ----------------------------------------------------------------------------------------- П о я с н и м достаточно абстрактное опи с а ни е о б о б щ е н н о й м о д е л и к о м м у т а ц и и на п р и м е р е р а б от ы т р а д и ц и о н н о й почтовой служ б ы . П о ч т а т а к ж е работает с и н ф о р м а ц и о н н ы м и потоками, ко т о р ы е в д а н н о м случае составляют почтовые отправления. О с н о в н ы м признаком почтового потока является адрес получателя. Д л я у п р о щ е н и я бу д е м рассматривать в качестве адреса только страну, н а п р и м е р И н д и я , Норвегия, Россия, Б р а з и л и я и т. д. Д о п о л н и т е л ь н ы м п р и з н а к о м потока м о ж е т с л у ж и т ь особое требование к н а д е ж н о с т и и л и скорости доотавки. Н а п р и м е р , пометка «Avia» на п о ч т о в ы х отправлениях в Б р а з и л и ю вы д е л и т из о б щ е г о потока п о ч т ы в Б р а з и л и ю подпоток, к о т о р ы й будет доставляться самолетом. Д л я каждого потока почтовая с л у ж б а д о л ж н а определить маршрут, к о т о р ы й будет проходить через последовательность п очтовых отделений, я в л я ю щ и х с я аналогами коммутаторов. В результате мн ог о летней работы почтовой с л у ж б ы у ж е опреде л ен ы м а р ш р у т ы д л я б о л ь ш и н с т в а адресов назначения. И н о г д а возникают н о в ы е мар ш р у т ы , связанные с появ ле н и е м н о в ы х возможностей — политических, транспортных, экономических. П о с л е в ы б о р а нового м а р ш р у т а н у ж н о оповестить о н е м сеть п о ч т о вых отделений. К а к видно, эти действия очень н ш о м и н а ю т работу т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ой сети. И н ф о р м а ц и я о в ы б р а н н ы х м а р ш р у т а х следования п о ч т ы представлена в к а ж д о м почтовом отделении в виде таблицы, в которой задано соответствие м е а д у страной назначения и с л е д у ю щ и м п о ч т о в ы м отделением. Например, в почтовом отделении города Саратова все письма, адресованные в И н д и ю , направляются в почтовое отделение Ашхабада, а письма* адресованные в Норвегию, — в почтовое от деление Санкт-Петербурга. Такая таблица направлений доставки п о ч т ы является п р я м о й аналогией т а б л и ц ы к о м м у т а ц и и к о м м у н и к а ц и о н н о й сети. К а ж д о е почтовое отделение работает подобно коммутатору. Все п о с т у п а ю щ и е от абонентов и других п очтовых отделений почтовые отправления сортируются, то есть происходит распознавание потоков. П о с л е этого почтовые отправления, п р и н а д л е ж а щ и е о д н о м у «потоку», у п а к о в ы в а ю тс я в мешок, для которого в соответствии с таблицей н ап р авлений определяется с л е д у ю щ е е по м а р ш р у т у почтовое отделение. Выводы Для того чтобы пользователь сети получил возможность доступа к ресурсам «чужих» компьютеров, таких как диски, принтеры, плоттеры, необходимо дополнить все компьютеры сети специальными средствами. В каждом компьютере функции передачи данных в линию связи выполняют совместно аппаратный модуль, называемый сетевым адаптером или сетевой интерфейсной картой, и управляю щая программа — драйвер. Задачи более высокого уровня — формирование запросов к ресурсам и их выполнение — решают соответственно клиентские и серверные модули ОС. Даже в простейшей сети, состоящей из двух компьютеров, возникают проблемы физической пере дачи сигналов по линиям связи: кодирование и модуляция, синхронизация передающего и прини мающего устройств, контроль корректности переданных данных. Важными характеристиками, связанными с п е р е д а ч е й трафика через физические каналы, являются: предложенная нагрузка, скорость передачи данных, пропускная способность, емкость канала связи, полоса пропускания. При связывании в сеть более двух компьютеров возникают проблемы выбора топологии (полнр- связной, звезды, кольца, общей шины, иерархического дерева, произвольной); способа адресации (плоского или иерархического, числового или символьного); способа разделения линий связи и механизма коммутации. В неполносвязных сетях соединение пользователей осуществляется путем коммутации через сеть транзитных узлов. При этом должны быть решены следующие задачи: определение потоков данных и маршрутов для них, продвижение данных в каждом транзитном узле, мультиплексирование и де мультиплексирование потоков. Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации выделяют два основопола гающих — коммутацию каналов и пакетов. Вопросы и задания 75 Вопросы и задания 1. С какими ресурсами компьютера могут совместно работать несколько пользователей сети? Приведите примеры, когда у пользователей возникает необходимость разделять процессор? 2. Какие из перечисленных понятий могут быть определены как «набор информационных сообщений определенного формата, которыми обмениваются два устройства или две программы, а также алгоритм обмена этими сообщениями»: а) порт; б) протокол; в) логический интерфейс; і) физический интерфейс. 3. Опишите роль буферизации данных в процедуре доступа приложения, выполняемого на одном компьютере сети, к периферийному устройству другого компьютера. Сколько раз данные буферизуются при этом? Какой размер должен иметь буфер в каждом из таких случаев? 4. Что из перечисленного можно считать одним из возможных определений понятия «веб-сервер»: а) распределенная программа; б) часть веб-службы; в) клиентская часть распределенного сетевого приложения; г) браузер; д) локальное приложение; е) клиентская часть централизованного сетевого приложения; ж) серверная часть распределенного сетевого приложения; з) компьютер. 5. Приведите примеры сетевых служб. Какие из них ориентированы на администратора сети? Какие из них обычно входят в состав сетевой ОС? 6 . Какие из перечисленных терминов в некотором контексте могут использоваться как синонимы: а) емкость канала связи; б) скорость передачи данных; в) полоса пропускания канала связи; г) пропускная способность канала связи. 7. Какие соображения следует учитывать при выборе топологии сети? Приведите до стоинства и недостатки каждой из типовых топологий. 8 . К какому типу относится каждый из восьми вариантов топологии на рис. 2.9. Для определенности рассматривайте приведенные варианты топологии построчно сверху вниз, слева направо. 9. Каким типом адреса снабжают посылаемые данные, когда хотят, чтобы они были до ставлены всем узлам сети: a) multicast; б) anycast; в) broadcast; г) unicast. 10. В соответствии с классификацией адресов, используемых в компьютерных сетях, существуют символьные, числовые адреса, плос кие, иерархические, индивидуальные, групповые и широковещательные адреса, а также адреса групповой рассылки. Как 76 Глава 2. Общие принципы построения сетей бы вы классифицировали в приведенных терминах обычный почтовый адрес? Какой тип сетевого протокола соответствует процедуре определения адреса по почтовому индексу? 11. В чем состоит и как решается задача маршрутизации? 12. Работа почтового отделения во многом аналогична работе коммутатора компьютерной сети. Какие процедуры обработки почтовых отправлений соответствуют мультиплек сированию? Демультиплексированию? Как создается и какую информацию содержит «таблица маршрутизации» почтового отделения? Какой атрибут информационного потока может служить аналогом пометки «АВИА» на почтовом конверте? 13. Опишите два основных подхода к организации совместного использования передаю щей среды несколькими передатчиками. 14. Приведите аргументы за и против использования разделяемой среды в LAN и WAN. |