Повторение основных понятий сетевых технологий, классификация сетей

вертикальную  модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине. 

В горизонтальной модели двум программам требуется общий  протокол для обмена данными. В вертикальной - соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.

 

Модель  ВОС и реальные протоколы

 

Семиуровневая модель ВОС является теоретической, и содержит ряд недоработок. Были попытки строить сети в точном соответствии с моделью ВОС, но созданные  таким образом сети были дорогими, ненадёжными и неудобными в эксплуатации. Реальные сетевые протоколы, используемые в существующих сетях, вынуждены отклоняться от неё, обеспечивая непредусмотренные возможности, поэтому привязка некоторых из них к уровням ВОС является несколько условной: некоторые протоколы занимают несколько уровней модели ВОС, функции обеспечения надёжности реализованы на нескольких уровнях модели ВОС.

 

Основная недоработка  ВОС — непродуманный транспортный уровень. На нём ВОС позволяет  обмен данными между приложениями (вводя понятие порта — идентификатора приложения), однако, возможность обмена простыми датаграммами (по типу UDP) в ВОС не предусмотрена — транспортный уровень должен образовывать соединения, обеспечивать доставку, управлять потоком и т.п. (по типу TCP). Реальные же протоколы реализуют такую возможность.

 

Семейство TCP/IP

Семейство TCP/IP имеет два транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий ВОС, обеспечивающий проверку получения  данных, и UDP, отвечающий транспортному  уровню только наличием порта, обеспечивающий обмен датаграммами между приложениями, не гарантирующий получения данных. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является ICMP; но они служебные (используются для внутренних нужд обеспечения работы сети), а не транспортные.)

 

Семейство IPX/SPX

В семействе IPX/SPX порты (называемые «сокеты» или «гнёзда») появляются в протоколе сетевого уровня IPX, обеспечивая обмен датаграммами между приложениями (операционная система  резервирует часть сокетов для себя). Протокол SPX, в свою очередь, дополняет IPX всеми остальными возможностями транспортного уровня в полном соответствии с ВОС.

В качестве адреса хоста IPX использует идентификатор, образованный из четырёхбайтного номера сети (назначаемого маршрутизаторами) и MAC-адреса сетевого адаптера.

Введение  в сети с  коммутацией пакетов  и каналов, управление режимами коммутации.

 При наличии нескольких источников информации (отправителей) и нескольких получателей можно проложить между каждой парой отдельную линию связи. Однако, такой подход становится неэффективным уже при достаточно малом количестве источников и получателей. Вместо этого обычно организуется структура, в которой число линий связи гораздо меньше и на линиях организуются каналы (с помощью уплотнения), а обмен информацией между узлами обеспечивается с помощью технологий коммутации. Одними из характеристик сети являются надёжность и живучесть. Живучесть — способность выполнять сетью свои функции в условиях неблагоприятных внешних воздействий (структурные изменения и т. п.). Надёжность — то же, что и живучесть, но с сохранением качества обслуживания.

Основные  методы коммутации

Для обобщения  материала рассмотрим объяснение физической сущности описанных выше методов  переноса информации. Основные режимы переноса информации, используемые в сетях связи, следующие:

• коммутация каналов,
• многоскоростная коммутация каналов,
• быстрая коммутация каналов,
• быстрая коммутация пакетов,
• коммутация пакетов или кадров.

 

Передача голоса в телефонии - классический пример канала. Если объединить несколько каналов в один поток, то появится необходимость управлять, или коммутировать отдельные каналы. Делается это для транспортировки данных в аналоговых сетях телефонной связи (и узкополосных цифровых сетях) на основе временного разделения потока (например, Е1). Причем для передачи информации по каждому каналу используется один или несколько фиксированных временных интервалов (тайм-слотов).

Данный метод, по сути, лишен гибкости, так как  продолжительность временного интервала (количество тайм-слотов) однозначно определяет скорость передачи. Передаются в канале данные, или нет - место в потоке занято постоянно. Поэтому, коммутация каналов не лучший способ использовать магистральные сети.

Метод многоскоростной коммутации каналов был разработан для устранения недостатков предыдущего решения. В этом случае использовалось несколько каналов с различными временными интервалами и, следовательно, скоростями передачи. Однако недостатки оставались - при занятости низкоскоростного канала ни одно низкоскоростное соединение не могло быть установлено, даже при наличии не занятых более высокоскоростных каналов.

Технология  быстрой коммутацией каналов, основана на тех же методах временного разделения, но соединение устанавливается только тогда, когда требуется передача данных. Хорошей иллюстрацией будет пример телефонного разговора. При коммутации и многоскоростной коммутации каналов будет установлено одно соединение на всю длительность разговора, а при быстрой коммутации будет установлено множество последовательных соединений, каждое из которых служит для передачи конкретного фрагмента речи.

Эффективность использования канала в последнем  случае достаточно высокая, но минусы метода то же велики. Уже нет гарантированной  задержки, так важной для передачи голоса. Да и сложность (а значит, и стоимость) программно-аппаратного комплекса увеличивается в разы. Все это приводит к тому, что на практике используется в основном простая коммутация каналов с синхронной иерархией Sonet/SDH.

Для передачи данных между компьютерными сетями, а с появлением коммутаторов и внутри локальных сетей, используются методы коммутации пакетов или кадров. И кадр, и пакет в общем случае могут иметь разную длину, и выделяются из общего массива информации только благодаря специальным последовательностям символов (флагам, заголовкам).

Классическим  примером коммутации кадров является протокол Frame Relay (ретрансляция кадров). При передаче информация разных пользователей  или служб передается по одному потоку (каналу), а коммутаторы выполняют функции определения маршрута данных и создания и хранения очередей пакетов/кадров при перегрузке транспортной системы.

Популярный  в настоящее время "классический" Ethernet построен еще проще. Механизмы  работы с очередями не предусмотрены, а вместо определения полного маршрута "заранее" используется более простая маршрутизация каждого пакета данных, причем только на пограничных узлах. Внутри сети пакеты передаются всем пользователям.

Но если рассматривать  проблему с точки зрения метода переноса информации Frame Relay и Ethernet близки. И обладают общим существенным недостатком - не могут гарантировать постоянной скорости.

Тут надо сделать  существенное дополнение. Современный Frame Relay имеет развитые механизмы  управления скоростью, позволяющие обойти этот недостаток. То же самое можно сказать и про коммутируемый Ethernet - новое оборудование вполне надежно использует механизмы очередей, приоритизации трафика, и другие атрибуты транспортных сетей.

Примером метода быстрой коммутации пакетов является АТМ. Для достижения временной прозрачности применен метод, при котором информация всех типов сначала разбивается на пакеты малой фиксированной длины (53 байта, из них - 5 байт заголовок), называемые ячейками. Которые затем мультиплексируются в едином цифровом тракте. При этом ячейки, в зависимости от принадлежности к типу службы, могут иметь разный приоритет.

Если подходить  строго, то АТМ нельзя назвать методом  быстрой коммутации пакетов. Ячейка хоть и мала, но имеет вполне конечную длину, и даже один байт информации вызовет передачу всего пакета. По той же причине, нельзя сказать, что в полной мере обеспечивается гарантированная постоянная скорость. Разумеется, при реальном использовании смело можно не обращать внимания на сделанные допущения. Но для понимания сути процессов желательно про них помнить.

Материал по основам сетей передачи данных, на мой взгляд, достаточно сложен для  восприятия. Но, не определившись с  основами, трудно будет составить  целостное понимание места и  роли той или иной технологии в современном мире телекоммуникаций.

Перед переходом  к следующему "тяжелому" блоку  попробуем немного расслабиться, и отвлечься от технических деталей.

Коммутация  пакетов на примере Frame Relay

Первой технологией, соединяющей глобальные и локальные сети, была Х.25, которая сегодня постепенно отмирает. Более прогрессивными стали появившиеся в 1984 году сети Frame Relay. При их использовании данные разделяются на кадры (фреймы) разной длины передающим устройством, причем каждый кадр содержит заголовок с адресом получателя. После передачи они собираются на приемном конце. Максимальная скорость передачи данных в ранних версиях составляла 2 Мбита. Позже у некоторых вендоров появились варианты, поддерживающие скорости до 44,725 Мбит/с, но широкого распространения, в связи с появлением ATM, они не успели получить.

 

 

Рис. 1.3. Схема  сети Frame Relay

Для каждого  типа трафика может задаваться свой виртуальный канал (PVC), и соответственно может быть организована своя топология  соединений. Скорость регулируется параметрами CIR (минимальная информационная скорость) и AR (скорость физического канала). Для соединения узлов Frame Relay обычно используется сеть SDH, а для организации каналов менее чем Е1 - мультиплексоры TDM. На практике скорости более 128 кбит используются редко - более быстрое оборудование для соединения на "последней миле" появилось совсем недавно и успело устареть до своего широкого внедрения.

 

К достоинствам технологии можно отнести высокий  уровень защиты данных, что в совокупности с прозрачность FR для протоколов более высокого уровня снискало ему популярность в кругах распределенных банковских и корпоративных сетей. 
Лекция 4. Основные принципы, проектирование и технологии коммутации ЛВС.

На сегодня  практически все организации, имеющие локальные сети, остановили свой выбор на сетях типа Ethernet. Данный выбор оправдан тем, что начало внедрения такой сети сопряжено с низкой стоимостью и простотой реализации, а развитие - с хорошей масштабируемостью и экономичностью.

Бросив взгляд назад - увидим, что развитие активного оборудования сетей шло в соответствии с требованиями к полосе пропускания и надежности. Требования, предъявляемые к большей надежности, привели к отказу от применения в качестве среды передачи коаксиального кабеля и перевода сетей на витую пару. В результате такого перехода отказ работы соединения между одной из рабочих станций и концентратором перестал сказываться на работе других рабочих станций сети. Но увеличения производительности данный переход не принес, так как концентраторы используют разделяемую (на всех пользователей в сегменте) полосу пропускания. По сути, изменилась только физическая топология сети - с общей шины на звезду, а логическая топология по-прежнему осталась - общей шиной.

Дальнейшее  развитие сетей шло по нескольким путям:

• увеличение скорости,
• внедрение сегментирования на основе коммутации,
• объединение сетей при помощи маршрутизации.

Вариант 1, именуемый связью "многие со многими" – это одноранговые сети, когда одновременно существуют потоки данных между парами рабочих станций. При этом предпочтительнее иметь коммутатор, у которого все порты имеют одинаковую скорость, (см. Рисунок 1).

Вариант 2, именуемый связью "один со многими" – это сети клиент-сервер, когда все рабочие станции работают с файлами или базой данных сервера. В данном случае предпочтительнее иметь коммутатор, у которого порты для подключения рабочих станций имеют одинаковую небольшую скорость, а порт, к которому подключается сервер, имеет большую скорость,(см. Рисунок 2).

Когда компании начали связывать разрозненные системы друг с другом, маршрутизация обеспечивала максимально возможную целостность и надежность передачи трафика из одной сети в другую. Но с ростом размера и сложности сети, а также в связи со все более широким применением коммутаторов в локальных сетях, базовые маршрутизаторы (зачастую они получали все данные, посылаемые коммутаторами) стали с трудом справляться со своими задачами.

Проблемы с трафиком, связанные  с маршрутизацией, проявляются наиболее остро в средних и крупных компаниях, а также в деятельности операторов Internet, так как они вынуждены иметь дело с большими объемами IP-трафика, причем этот трафик должен передаваться своевременно и эффективно.

С подключением настольных систем непосредственно к коммутаторам на 10/100 Мбит/с между ними и магистралью оказывается все меньше промежуточных устройств. Чем выше скорость подключения настольных систем, тем более скоростной должна быть магистраль. Кроме того, на каждом уровне устройства должны справляться с приходящим трафиком, иначе возникновения заторов не избежать.