Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

ском уровне используют одни и те же стандартизированные протоколы ло-

кальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI. Однако на верхних уровнях раз-

личные компьютерные сети применяют стеки своих протоколов. Следует

отметить, что эти протоколы часто не соответствуют уровням, рекомендуе-

мым моделью OSI. Это поясняется тем, что модель OSI появилась позже,

как результат обобщения используемых стеков.

Основным требованием к сетевому администратору являются доско-

нальное знание разнообразных протоколов. Он должен уметь анализировать

характерные поля передаваемых пакетов, обнаруживать причины отказа се-

ти или резкое снижение ее производительности, производить оптимизацию

сети и т.п.

Когда протокол настроен и функционирует оптимально, а взаимодей-

ствие его с другими протоколами осуществляется бесконфликтно, то вся

сеть обеспечивает бесперебойную и своевременную доставку сообщений.

Для контроля функционирования сети разработаны специальные ана-

лизаторы протоколов, с помощью которых можно контролировать установ-

ление сетевых соединений, последовательность открытия сеанса связи, ме-

ханизмы рассылки сообщений, межсетевую адресацию и маршрутизацию в

сети.

1.2.2. Стек протоколов эталонной сети

Стек протоколов OSI представляет собой набор конкретных специфи-

каций сетевых протоколов (таблица 1.1), в отличие от модели OSI, которая

является только концептуальной схемой взаимодействия открытых систем.

Стек полностью соответствует модели OSI и включает спецификации про-

токолов для всех семи уровней. На нижних уровнях стек OSI поддерживает

локальные сети Ethernet, Token Ring и FDDI, протоколы глобальных сетей

ISDN, X.25 и АТМ. Достаточно широко применяются протоколы приклад-

ного уровня OSI: протокол передачи файлов FTAM (File Transfer, Access,

and Management); справочной службы X.500; электронной почты X.400.

Протоколы же сетевого, транспортного и сеансового уровней распростране-

ны мало. Наиболее применимы из них протоколы маршрутизации ES-ES

(End System - End System) и IS-IS (Intermediate System - Intermediate System).

По причине большой сложности алгоритмов протоколов, которая объясня-

ется попыткой разработчиков сделать протоколы универсальными, на их

реализацию расходуются значительные вычислительные ресурсы процессо-

ра. В связи с этим они применимы преимущественно в сетях с мощными

компьютерами и суперкомпьютерами.

Компьютерные сети

Таблица 1.1 – Уровни и стеки протоколов

Уровни Стеки протоколов

Модель

OSI

OSI TCP/IP

Novell

IBM/

Microsoft

Прикладной X.400

X.500

FTAM

Представительный Представительный

OSI

Telnet

FTP

SNMP

WWW

SMB

Сеансовый Сеансовый

OSI

NCP

SAP

Транспортный Транспортный

OSI

TCP

UDP

SPX

NetBEUI

NetBIOS

Сетевой ES-ES

IS-IS

ICMP; IGMP

RIP; OSPF

IPX

RIP

NLSP

Канальный Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, X.25, ATM, SLIP,

PPP и др.

Физический Витые пары, коаксиальный кабель, волоконно-оптические

линии, инфракрасное и радиочастотное излучение

1.2.3. Стек протоколов TCP/IP

В настоящее время группа протоколов TCP/IP является наиболее рас-

пространенным стеком транспортных протоколов компьютерных сетей. На

этих протоколах построена всемирная сеть Интернет. Они были разработа-

ны в середине 70-х годов ХХ-го столетия для связи экспериментальной сети

Министерства обороны США ARPAnet с другими сетями. Протоколы по-

зволяют осуществлять обмен между разнородными сетями.

Основными протоколами стека являются протоколы сетевого IP

(Internet Protocol) и транспортного TCP (Transmission Control Protocol)

уровней. Протокол IP обеспечивает негарантированную доставку пакетов

между отдельными сетями составной сети, а ТСР гарантирует безошибоч-

ную передачу пакетов между узлами сети.

Стек TCP/IP содержит протоколы четырех уровней (таблица 1.1): при-

кладной, транспортный, сетевой и канальный. Каждый уровень выполняет

собственную функциональную нагрузку по решению основной задачи –

обеспечения высокопроизводительной и надежной работы составной сети,

части которой могут использовать различные сетевые технологии. Название

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

уровней по терминологии разработчиков TCP/IP несколько отличалось от

названия уровней модели OSI, так как стек TCP/IP появился раньше стан-

дарта OSI. В настоящее время для обозначения уровней стека TCP/IP пре-

имущественно используется терминология модели OSI.

1. Канальный уровень (link layer). Разработчики назвали

его уровнем сетевого интерфейса. Протоколы этого уровня должны обеспе-

чивать интеграцию в составную сеть других сетей, какую бы внутреннюю

технологию передачи эти сети не использовали. Он включает в себя драйвер

устройства, находящийся в операционной системе, и соответствующую се-

тевую интерфейсную плату компьютера. Вместе они обеспечивают аппа-

ратную поддержку физического соединения с сетью (с кабелем или с другой

используемой средой передачи). На этом уровне стек протоколов TCP/IP

поддерживает все широко используемые стандарты для локальных сетей

Ethernet, Token Ring и FDDI, для глобальных – протоколы работы на анало-

говых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, PPP, а также протоколы

цифровых сетей X.25 и ISDN.

2. Сетевой уровень (network layer), называемый ранее уровнем меж-

сетевого взаимодействия, отвечает за передачу пакетов по сети. Маршрути-

зация пакетов осуществляется на этом уровне. Сетевой уровень обеспечи-

вают: межсетевой протокол IP (Internet Protocol); протокол управления со-

общениями ICMP (Internet Control Message Protocol) и протокол управления

группами IGMP (Internet Group Management Protocol). На этом уровне

функционируют протоколы RIP и OSPF, обеспечивающие маршрутизацию

пакетов между узлами.

3. Транспортный уровень (transport layer) отвечает за передачу по-

тока данных между двумя компьютерами и обеспечивает работу прикладно-

го уровня, который находится выше. В семействе протоколов TCP/IP суще-

ствует два транспортных протокола: TCP (Transmission Control Protocol) и

UDP (User Datagram Protocol). TCP осуществляет надежную передачу дан-

ных между двумя компьютерами. Он выполняет деление данных, переда-

ваемых от одного приложения к другому, на пакеты подходящего для сете-

вого уровня размера, подтверждение принятых пакетов, установку тайм-

аутов, в течение которых должно прийти подтверждение на пакет, и так да-

лее. Так как надежность передачи данных гарантируется на транспортном

уровне, то на прикладном уровне эти функции не выполняются.

Протокол UDP предоставляет более простой сервис для прикладного

уровня. Он просто отсылает пакеты, которые называются дейтаграммами

(datagram) от одного компьютера к другому. При этом нет никакой гаран-

тии, что дейтаграмма дойдет до пункта назначения. За надежность передачи

данных, при использовании датаграмм, отвечает прикладной уровень. Для

Компьютерные сети

каждого транспортного протокола существуют различные приложения, ко-

торые их используют.

4. Прикладной уровень (application layer) определяет детали каждо-

го конкретного приложения. Существует несколько распространенных при-

ложений TCP/IP, которые присутствуют практически в каждой реализации.

В состав стека TCP/IP входят распространенные протоколы прикладного

уровня, в частности протокол передачи файлов FTP (File Transfer Protocol),

протокол эмуляции терминала Telnet, протокол пересылки почтовых сооб-

щений SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), гипертекстовые сервисы служ-

бы WWW и др.

Первоначально протоколы стека TCP/IP использовались только в се-

тях Internet. Для реализации мощных функциональных возможностей про-

токолов требуются значительные вычислительные ресурсы. Поэтому на на-

чальном этапе развития локальных сетей протоколы верхних уровней стека

TCP/IP не находили в них широкого применения. С увеличением произво-

дительности микропроцессоров персональных компьютеров появилась воз-

можность реализации стека TCP/IP и в локальных сетях. В настоящее вре-

мя стек TCP/IP повсеместно используется в локальных, корпоративных и

территориальных сетях. Широкое распространение стека протоколов TCP/IP

обусловлено рядом его преимуществ, в частности следующими:

1) способностью делить (фрагментировать) большие пакеты на бо-

лее мелкие части; это позволяет обеспечить совместимость функционирова-

ния разнородных сетей, имеющих различные максимальные длины пакетов.

2) гибкость адресации, дающую возможность относительно просто

включать в объединенную сеть сети других технологий.

3) уменьшенным количеством широковещательных рассылок, при ко-

торых сетевой узел рассылает сообщение всем узлам подсети; это свойство

особенно важно при передаче данных по низкоскоростным каналам связи,

характерным для многих глобальных сетей.

1.2.4. Стеки протоколов Novell и IBM/Microsoft

Фирмой Novell для сетевой операционной системы NetWare в 80-х го-

дах прошлого века был разработан стек протоколов IPX/SPX. Популярность

стека связана с возможностью эффективной работы его в локальных сетях

небольшого размера. Важным преимуществом протоколов было малое по-

требление сетевых ресурсов компьютера, что позволяло им реализовывать

сети, построенные на компьютерах, управляемых операционной системой

DOS. Стек протоколов реализован не только в операционной системе

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

NetWare, но и в ряде широко используемых сетевых ОС (Sun Solaris,

Microsoft Windows NT и др.)

Протокол IPX (Internetwork Packet Exchange) обеспечивает возмож-

ность обмена пакетами данных (на уровне дейтаграмм) программам, запу-

щенным на рабочих станциях. Относится к протоколам сетевого уровня.

SPX (Sequence Packet eXchange) и его усовершенствованная модифи-

кация SPX II выполняет функции, относящиеся к транспортному уровню

эталонной 7-уровневой модели. Это протокол гарантирует доставку пакета и

в случае потери или ошибки пакет пересылается повторно. Пакеты SPX

вкладываются в пакеты IPX. SPX-протокол не посылает следующий пакет

до тех пор, пока не получит подтверждение получения предшествующего.

Прикладной уровень стека IPX/SPX реализуют протоколы NCP и SAP. Про-

токол NCP (NetWare Core Protocol) поддерживает все основные службы

операционной системы Novell NetWare – службу обмена файлами, службу

печати и т.д. Протокол SAP (Service Advertising Protocol) выполняет вспомо-

гательную роль, позволяя резко сократить административные затраты по

конфигурации клиентского программного обеспечения.

На сетевом уровне стек IPX/SPX использует протоколы маршрутиза-

ции RIP и NLSP (NetWare Link Servis Protocol), а на физическом и канальном

уровнях – протоколы сетей Ethernet, Token Ring, FDDI и др.

В продуктах компаний IBM и Microsoft широко используется стек

протоколов NetBIOS/SMB. Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output

System) был создан для работы в локальных сетях для персональных ЭВМ

типа IBM/PC в качестве интерфейса, независящего от фирмы-

производителя. Протокол предназначен для использования группой ЭВМ,

потребляет минимум системных ресурсов и реализует функции сеансового

и транспортного уровней.

Через некоторое время была разработана улучшенная версия протоко-

ла NETBIOS - NetBEUI (NetBios Extended User Interface). Протокол выпол-

няет много сетевых задач, относящихся к сетевому, транспортному и сеан-

совому уровням. Среди ограничений NetBEUI следует назвать отсутствие

внутренней маршрутизации. По этой причине NetBEUI рекомендуется для

локальных сетей. Некоторые ограничения NetBEUI устранены в последую-

щей модификации этого протокола NBF (NetBEUI Frame). Протокол SMB

(Server Message Block) выполняет функции сеансового, представительского

и прикладного уровней. На его основе реализуется файловая служба, а так-

же служба печати и передачи сообщений между приложениями.

На физическом и канальном уровнях стек NetBIOS/SMB использует

протоколы сетей Ethernet, Token Ring, FDDI и др.

Компьютерные сети

1.3. Способы коммутации в компьютерных сетях

В традиционных телефонных сетях, в которых передача ведется в ана-

логовой форме, коммутация состоит в физическом соединении в узлах ком-

мутации необходимых участков линий и каналов связи и образовании

сквозного тракта передачи сигналов от источника до получателя. В цифро-

вых системах передачи, кроме прямого физического соединения, которое

также может использоваться в узлах, возможно применение коммутации без

организации физических соединений путем записи и считывания данных,

относящихся к некоторому каналу, через определенную зону памяти.

Различают следующие способы коммутации в компьютерных сетях:

 коммутация каналов – создается сквозной тракт передачи путем по-

следовательного соединения физических линий или каналов на время сеанса

связи; после разъединения тракт распадается на отдельные составные части,

которые могут использоваться для образования других каналов;

 коммутация сообщений – передача данных выполняется без установ-

ления сквозного соединения между взаимодействующими абонентами. Дан-

ные от абонента вначале передаются на ближайший узел коммутации, к ко-

торому он подсоединен и заносятся в запоминающее устройство узла. По

мере освобождения каналов в направлении передачи и наличии свободной

памяти в соседнем узле коммутации сообщение передается на следующий

узел, занимая канал только на период времени передачи данных между

смежными узлами;

 коммутация пакетов – осуществляется аналогично процедуре комму-

тации сообщений, но сообщение разделяется на более короткие фрагменты –

пакеты. Пакет является самостоятельной адресуемой частью сообщения, пе-

редаваемой по сети независимо от других пакетов.

В цифровых системах с коммутацией каналов возможно комбиниро-

вание методов коммутации, использующих физические соединения (про-

странственная коммутация), с методами, базирующимися на применении

памяти (временная коммутация). Задачей пространственной коммутации

является перенос данных из одной электрической цепи (канала) в другую, а

задачей временной – изменение временной позиции расположения битов

или байтов данных в кадрах (пакетах).

1.3.1. Пространственная коммутация

В компьютерных сетях с коммутацией каналов (КК) при установлении

соединения образуется сквозное физическое соединение между взаимодей-

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

ствующими абонентами сети. При этом сквозной канал составляется узлом

коммутации каналов из отдельных участков сети и, как правило, устанавли-

вается только на время сеанса связи. После завершения обмена данными ка-

нал разбирается и его составные части могут быть предоставлены другим

пользователям. Типичным примером сети с коммутацией каналов является

городская коммутируемая телефонная сеть общего пользования (рисунок

1.6), которая в настоящее время все еще используется для передачи данных

в компьютерных сетях. Телефонный аппарат ТА подсоединяется к узлу

коммутации каналов (УКК) посредством индивидуальной абонентской ли-

нии связи (АЛ). Узлы коммутации соединены между собой пучками соеди-

нительных линий (СЛ), которые применяются для коллективного использо-

вания. На рисунке 1.6 показан пример упрощенной схемы соединения TA

, проложенного через четыре УКК.

В телефонной сети с КК установление соединения осуществляется

следующим образом. Абонент, инициирующий процесс обмена данными,

посылает на свой узел коммутации запрос на установление соединения.

Узел коммутации, при наличии свободных ресурсов (коммутирующих эле-

ментов и линий связи), выдает в ответ сигнал приглашения к набору номера

посылкой непрерывного сигнала частотой 800 Гц. После чего на узел ком-

мутации передается адрес (номер) вызываемого абонента.

По полученному адресу аппаратура коммутации узла производит со-

единение одного или нескольких участков сети в единый коммутируемый

канал и извещает посылкой сигнала вызова удаленного абонента (периоди-

ческие посылки частотой 425 Гц длительностью 1 с и интервалом 4 с). По-

сле подключения абонента к каналу узел коммутации предоставляет канал

связи абонентам для обмена информацией. В случае отсутствия канала в

нужном направлении или занятости вызываемого абонента узел коммутации

извещает об отказе вызывающего абонента посылкой коротких периодиче-

ских сигналов частотой 425 Гц длительностью 0,3…0,4 с.

Рисунок 1.6 – Схема городской телефонной сети с коммутацией каналов

Компьютерные сети

Схема узла коммутации каналов показана на рисунке 1.7. Окончания

цепей каналов связи, подходящих к узлу коммутации, через устройства со-

пряжения с каналами (УСК) подключаются к кроссовому устройству (со-

кращенно – кросс).

Кросс конструктивно представляет собой панель (либо щит с несколь-

кими панелями или целые стойки с группой панелей) с контактами. На этих

контактах с помощью пайки, подключения "под винт" или специальными

перемычками (дужками, шнурами со штепселями и т.п.) осуществляется

долговременное соединение (кроссирование) между отдельными частями

канала, блоками каналообразующей аппаратуры либо каналов и каналообра-

зующей аппаратуры с коммутационной системой. До недавнего времени

кроссирование осуществлялось только вручную. Сейчас появились устрой-

ства автоматического кроссирования с дистанционным управлением.

В коммутационной системе осуществляется кратковременное соеди-

нение отдельных участков каналов между собой для организации сквозного

тракта передачи сигналов. Коммутационная система строится на базе уст-

ройств переключения с механическими контактами (электромагнитные реле,

декадно-шаговые искатели, многократные координатные соединители, гер-

метизированные контакты – герконы) либо на основе бесконтактных клю-

чей (КМОП транзисторы). В настоящее время коммутационные системы

выпускаются только на основе герконов ("квазиэлектронные" коммутацион-

ные станции) или бесконтактных ключей (электронные станции). Управле-

ние замыканием и размыканием отдельных цепей и всем узлом коммутации

в целом осуществляется устройством управления, функции которого выпол-

няет специализированная ЭВМ.

Рисунок 1.7 – Схема узла коммутации каналов

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

Устройства переключения коммутационной системы конструктивно

объединены в унифицированные модули – блоки переключателей имеющие

M входов и N выходов. Унифицированный модуль сокращенно называют

коммутатором. Такое решение позволяет легко наращивать емкость узла

коммутации без существенного изменения его схемы.

Коммутатор размера M×N представляет собой матрицу, в которой M

канальных входов подключены к горизонтальным шинам, а N выходов –к

вертикальным (рисунок 1.8,а). В узлах матрицы располагаются коммути-

рующие ключи (рисунок 1.8,б), которые под действием управляющих сиг-

налов соединяют горизонтальную и вертикальную шины. Причем, в каждом

столбце матрицы разрешается замыкать только один ключевой элемент.

Точка соединения линий матрицы называется точкой коммутации. Если

M<N , то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа с не ме-

нее чем одним выходом; в противном случае коммутатор называется блоки-

рующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из вы-

ходов. В реальных системах обычно применяются коммутаторы с равным

числом входов и выходов, т.е. матрицы размером N×N. На рисунке 1.8,в по-

казано условное обозначение коммутатора размером M×N.

Основной недостаток такого типа коммутаторов – квадратичный рост

сложности схемы, т.е. число коммутирующих элементов для квадратной

коммутационной матрицы равно N

. Для устранения этого недостатка при-

меняют многоступенчатые коммутаторы. Принцип построения многосту-

пенчатого коммутатора заключается в том, что матричный коммутатор раз-

бивают на части, которые соединяют промежуточным дополнительным

коммутатором.

Рассмотрим пример построения трехступенчатого коммутатора для

коммутации N линий. На первой ступени используется N/n групп коммута-

торов с числом входов n, размером n×k. На второй ступени применяются k

Рисунок 1.8

–

Матрица пространственного комм

татора

Компьютерные сети

коммутаторов размером (N/n)×(N/n) каждый. Выходы i-го коммутатора

первой ступени соединяются соответственно с i-ми входами каждого из

коммутаторов второй ступени. Третья ступень содержит такое же количест-

во коммутаторов, как и первая ступень, однако, их размерность обратная

размерности первой ступени, т.е. k × n. Выходы i-го коммутатора второй

ступени соединяются с i-ми входами соответствующих коммутаторов

третьей ступени. Схема трехкаскадного коммутатора при N=12 и n=4 и k=2

показана на рисунке 1.9.

Сравним сложности одно- и трехступенчатого коммутаторов. Первый

каскад содержит (N/n)× nk = kN точек коммутации. Второй каскад имеет

k(N/n)

точек коммутации. Третий каскад по сложности такой же, как и пер-

вый. Таким образом, необходимое количество коммутационных элементов

составит 2kN+k(N/n)

Так при N =1000, n =50 и k =10 для реализации трехступенчатого ком-

мутатора потребуется всего 24000 коммутационных элементов, вместо

1000000 для одноступенчатого. Для коммутатора, изображенного на рисун-

ке 1.9, выигрыш составит 78 коммутирующих элемента. Очевидно, что чем

больше размерность коммутатора, тем выше выигрыш.

Конечно, многоступенчатые коммутаторы нуждаются в более слож-

ной схеме управления, так как для установления одного соединения требу-

ется замкнуть несколько коммутирующих элементов. Другим недостатком

многоступенчатых коммутаторов является возможность блокировки некото-

рых линий, при которой не возможно установить необходимые соединения,

если требуемые коммутирующие элементы промежуточной ступени уже ис-

пользованы для других соединений. В однокаскадных коммутаторах блоки-

ровка отсутствует. Для исключения блокировок в многокаскадных коммута-

торах следует соблюдать соотношение k=2n-1.

Рисунок 1.9 – Схема трехступенчатого пространственного коммутатора