Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы

Подождите немного. Документ загружается.

Веб-сайт поддержки книги

чаниях телефонной сети) или кабельные модемы, опирающиеся на системы кабельного

телевидения. Альтернативным решением является беспроводной доступ, как мобильный,

так и фиксированный. Прикладные службы глобальных сетей рассматриваются в гла-

ве 23. Именно информационные службы, такие как электронная почта и WWW, сделали

в свое время Интернет столь популярным. И сегодня популярность Интернета растет

благодаря появлению новых сервисов, среди которых в первую очередь нужно отметить

IP-телефонию и видеоконференции. Часть, а вместе с ней и книга, завершается главой 24,

посвященной сетевой безопасности. Уязвимость Интернета является оборотной стороной

его открытости, так как в Интернете каждый может не только общаться с каждым, но

и атаковать каждого. Вирусы, черви, распределенные атаки и, наконец, спам

—

все это, к со-

жалению, ежедневно мешает «жителям» Интернета нормально жить и работать. В главе 24

анализируются основные типы угроз, присущих глобальным сетям, и изучаются базовые

механизмы и технологии защиты от этих угроз.

Авторы стремились сделать работу читателя с книгой максимально эффективной. Подроб-

ный индексный указатель позволяет быстро найти интересующий материал по одному из

многочисленных терминов, используемых в сетевой индустрии. Каждая глава завершается

выводами, которые призваны сконцентрировать внимание читателя на основных идеях,

темах и терминах главы, помогая ему не упустить из виду главное за обилием, хотя и по-

лезных, но частных фактов и деталей. В конце каждой главы помещены вопросы и упраж-

нения для проверки степени усвоения основных концепций, а в отдельных случаях и для

углубления понимания некоторых идей.

Веб-сайт поддержки книги

Дополнительную информацию по этой и другим книгам авторов читатели могут найти

на сайте www.olifer.co.uk. В данный момент на сайте размещены следующие материалы,

относящиеся к этому изданию книги:

• Дополнительные разделы, ссылки на которые помещены в тексте книги.

• Все иллюстрации из книги.

• Дополнительные вопросы и задания, а также ответы на них.

• Презентации в форматах Power Point и HTML последовательно по всем главам

книги.

• Путеводитель по книге (road шар) призван помочь преподавателю при создании учеб-

ных курсов на базе этой книги, таких, например, как «Беспроводные системы», «Введе-

ние в 1Р», «Качество обслуживания», «Удаленный доступ» и т. п. В этом путеводителе

авторы перечисляют последовательность глав (маршрут), в которых содержится соот-

ветствующий материал, и по мере необходимости дают методические советы.

• Дополнительные примеры (case studies) могут быть использованы как темы для кур-

совых проектов.

• Информационные ресурсы Интернета связаны с темами книги.

• И наконец, мнения, замечания и вопросы читателей, замеченные опечатки и ошибки.

Мы с благодарностью примем ваши отзывы по адресу victor@olifer.co.uk и natalia@olifer.co.uk.

От авторов

Благодарности

Мы благодарим наших читателей за их многочисленные пожелания, вопросы и заме-

чания.

Мы признательны также всем сотрудникам издательства «Питер», которые принимали

участие в создании этой книги. Особая благодарность президенту издательства «Питер»

Вадиму Усманову, руководителю проектной группы «Компьютерная литература» Андрею

Сандрыкину, ведущему специалисту этой группы Андрею Юрченко и нашему неизменному

литературному редактору Алексею Жданову.

Виктор Олифер, к.т.н., CCIP

Наталья Олифер, к.т.н., доцент

От издательства

Подробную информацию о наших книгах вы найдете на веб-сайте издательства www. piter.

com. Там же вы можете оставить ваши отзывы и пожелания.

Часть I

Основы сетей передачи

данных

Процесс познания всегда развивается по спирали. Мы не можем сразу понять и осознать сложное

явление, мы должны рассматривать его с разных точек зрения, в целом и по частям, изолирован-

но и во взаимодействии с другими явлениями, накапливая знания постепенно, время от времени

возвращаясь к уже, казалось бы, понятому и с каждым новым витком все больше проникая в суть

явления. Хорошим подходом является первоначальное изучение общих принципов некоторой об-

ласти знаний с последующим детальным рассмотрением реализации этих принципов в конкретных

методах, технологиях или конструкциях.

Первая часть книги является таким «первым витком» изучения компьютерных сетей. В этой части,

состоящей из семи глав, описаны основные принципы и архитектурные решения, которые лежат

в основе всех современных сетевых технологий, рассматриваемых в последующих частях книги. Сле-

дуя процессу конвергенции сетей, мы рассматривали принципы коммутации, мультиплексирования,

маршрутизации, адресации и архитектуры сетей с наиболее общих позиций, сравнивая принципы

организации компьютерных сетей с аналогичными принципами других телекоммуникационных се-

тей — телефонных, первичных, радио и телевизионных.

Завершает часть глава, посвященная проблемам качества обслуживания в пакетных сетях. Новая

роль компьютерных сетей как основы для создания следующего поколения публичных сетей, предо-

ставляющих все виды информационных услуг и переносящих данные, а также аудио- и видеотрафик,

привела к проникновению методов обеспечения качества обслуживания практически во все комму-

никационные технологии. Таким образом, концепции качества обслуживания, которые достаточно

долго рассматривались как нетривиальное направление сетевой отрасли, вошли в число базовых

принципов построения компьютерных сетей.

• Глава 1. Эволюция компьютерных сетей

• Глава 2. Общие принципы построения сетей

• Глава 3. Коммутация каналов и пакетов

• Глава 4. Архитектура и стандартизация сетей

• Глава 5. Примеры сетей

• Глава 6. Сетевые характеристики

• Глава 7. Методы обеспечения качества обслуживания

ГЛАВА

Эволюция

компьютерных сетей

История любой отрасли науки и техники позволяет не только удовлетворить естественное любопыт-

ство, но и глубже понять сущность основных достижений в этой отрасли, осознать существующие

тенденции и правильно оценить перспективность тех или иных направлений развития. Компью-

терные сети появились сравнительно недавно, в конце 60-х годов прошлого столетия (правда,

уточнение «прошлого столетия» прибавляет им вес и даже делает старше своих «тридцати с чем-

то» лет). Естественно, что компьютерные сети унаследовали много полезных свойств от других,

более старых и распространенных телекоммуникационных сетей, а именно телефонных. В то же

время компьютерные сети привнесли в телекоммуникационный мир нечто совершенно новое — они

сделали общедоступными неисчерпаемые объемы информации, созданные цивилизацией за не-

сколько тысячелетий своего существования и продолжающие пополняться с растущей скоростью

в наши дни.

Результатом влияния компьютерных сетей на остальные типы телекоммуникационных сетей стал

процесс их конвергенции. Этот процесс начался достаточно давно, одним из первых признаков

сближения была передача телефонными сетями голоса в цифровой форме. Компьютерные сети

также активно идут навстречу телекоммуникационным сетям, разрабатывая новые сервисы, кото-

рые ранее были прерогативой телефонных, радио и телевизионных сетей — сервисы IP-телефонии,

радио- и видеовещания, ряд других. Процесс конвергенции продолжается, и о том, каким будет

его конечный результат, с уверенностью пока говорить рано. Однако понимание истории развития

сетей, описываемой в данной главе, делает более понятными основные проблемы, стоящие перед

разработчиками компьютерных сетей.

При написании этой главы авторы столкнулись с дилеммой: невозможно рассказывать об истории

отрасли, не называя конкретные технологии и концепции. Но в то же время невозможно давать по-

яснения этих технологий и концепций, так как читатель, перелистывающий первые страницы, еще

не готов к восприятию объяснений. Авторы пошли по пути компромисса, отложив на будущее ис-

черпывающие пояснения многих терминов ради того, чтобы в самом начале изучения компьютерных

сетей читатель имел возможность представить картину эволюции компьютерных сетей во всем ее

красочном многообразии. И, конечно, было бы очень полезно вернуться к этой главе, после того как

будет перевернута последняя страница книги, чтобы, вооружась новыми знаниями, сделать каче-

ственно новую попытку оценить прошлое и будущее компьютерных сетей.

Два корня компьютерных сетей

Вычислительная и телекоммуникационная

технологии

Компьютерные сети, которым посвящена данная книга, отнюдь не являются единствен-

ным видом сетей, созданным человеческой цивилизацией. Даже водопроводы Древнего

Рима можно рассматривать как один из наиболее древних примеров сетей, покрывающих

большие территории и обслуживающих многочисленных клиентов. Другой, менее экзо-

тический пример

—

электрические сети. В них легко можно найти аналоги компонентов

любой территориальной компьютерной сети: источникам информационных ресурсов

соответствуют электростанции, магистралям

—

высоковольтные линии электропередачи,

сетям доступа

—

трансформаторные подстанции, клиентским терминалам

—

осветительные

и бытовые электроприборы.

Компьютерные сети, называемые также сетями передачи данных, являются логическим

результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилиза-

ции — компьютерных и телекоммуникационных технологий.

С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислитель-

ных систем, в которых группа компьютеров согласованно решает набор взаимосвязанных

задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные

сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния,

для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, полу-

чившие развитие в различных телекоммуникационных системах (рис. 1.1).

сетей

Рис. 1.1. Эволюция компьютерных сетей на стыке вычислительной техники

и телекоммуникационных технологий

Системы пакетной обработки

Обратимся сначала к компьютерному корню вычислительных сетей. Первые компьютеры

50-х годов

—

большие, громоздкие и дорогие

—

предназначались для очень небольшого

числа избранных пользователей. Часто эти монстры занимали целые здания. Такие ком-

Глава 1. Эволюция компьютерных сетей

пьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а применялись

в режиме пакетной обработки.

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма

—

мощного

и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали пер-

фокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный

центр (рис. 1.2). Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты

пользователи получали обычно только на следующий день. Таким образом, одна неверно

набитая карта означала как минимум суточную задержку. Конечно, для пользователей

интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить

процессом обработки своих данных, был бы удобней. Но интересами пользователей на

первых этапах развития вычислительных систем в значительной степени пренебрегали.

Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычисли-

тельной машины

—

процессора, даже в ущерб эффективности работы использующих его

специалистов.

Мэйнфрейм

Дисковый массив

Пакет заданий

Устройство

ввода

Пользователи с заданиями

на выполнение вычислительной работы

Рис. 1.2. Централизованная система на базе мэйнфрейма

Многотерминальные системы — прообраз сети

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы орга-

низации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей.

Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени

(рис. 1.3). В таких системах каждый пользователь получал собственный терминал, с помо-

щью которого он мог вести диалог с компьютером. Количество одновременно работающих

с компьютером пользователей определялось его мощностью: время реакции вычислитель-

ной системы должно было быть достаточно мало, чтобы пользователю была не слишком

заметна параллельная работа с компьютером других пользователей.

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему пред-

приятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной,

Два корня компьютерных сетей

некоторые функции, такие как ввод и вывод данных, стали распределенными. Подобные

многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на ло-

кальные вычислительные сети. Действительно, рядовой пользователь работу за терми-

налом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за

подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ

к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная

иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему

программу в любой момент и почти сразу же получить результат. (Некоторые далекие от

вычислительной техники пользователи даже были уверены, что все вычисления выпол-

няются внутри их дисплея.)

Мэйнфрейм

Многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом

на пути создания локальных вычислительных сетей.

Однако до появления локальных сетей нужно было пройти еще большой путь, так как

многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределенных систем, все

еще поддерживали централизованную обработку данных.

Глава 1. Эволюция компьютерных сетей

К тому же потребность предприятий в создании локальных сетей в это время еще не созре-

ла—в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимо-

сти вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения

нескольких компьютеров. В этот период был справедлив так называемый закон Гроша,

который эмпирически отражал уровень технологии того времени. В соответствии с этим

законом производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости,

отсюда следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину,

чем две менее мощных

—

их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности

дорогой машины.

Первые компьютерные сети

Первые глобальные сети

А вот потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг

от друга, к этому времени уже вполне назрела. Началось все с решения более простой зада-

чи

—

доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи

километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью

модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный до-

ступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных суперкомпьютеров. Затем появились

системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были

реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер.

Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что,

собственно, и является базовым признаком любой вычислительной сети.

На основе подобного механизма в первых сетях были реализованы службы обмена фай-

лами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие ставшие теперь традици-

онными сетевые службы.

Итак, хронологически первыми появились глобальные сети (Wide Area Network, WAN),

то есть сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно

находящиеся в различных городах и странах.

Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие

основные идеи, лежащие в основе современных вычислительных сетей. Такие, например,

как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, концепции коммутации

и маршрутизации пакетов.

Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от других, гораздо более

старых и распространенных глобальных сетей

—

телефонных. Главное технологическое

новшество, которое привнесли с собой первые глобальные компьютерные сети, состояло

в отказе от принципа коммутации каналов, на протяжении многих десятков лет успешно

использовавшегося в телефонных сетях.

Выделяемый на все время сеанса связи составной телефонный канал, передающий информа-

цию с постоянной скоростью, не мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком

компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с продолжи-

тельными паузами. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что

Первые компьютерные сети

пульсирующий и в значительной степени не чувствительный к задержкам компьютерный

трафик гораздо эффективней передается сетями, работающими по принципу коммутации

пакетов, когда данные разделяются на небольшие порции

—

пакеты,

—

которые самостоя-

тельно перемещаются по сети благодаря наличию адреса конечного узла в заголовке пакета.

Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится

очень дорого, то в первых глобальных сетях часто использовались уже существующие ка-

налы связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, в течение

многих лет глобальные сети строились на основе телефонных каналов тональной частоты,

способных в каждый момент времени вести передачу только одного разговора в аналоговой

форме. Поскольку скорость передачи дискретных компьютерных данных по таким каналам

была очень низкой (десятки килобитов в секунду), набор предоставляемых услуг в глобаль-

ных сетях такого типа обычно ограничивался передачей файлов (преимущественно в фоно-

вом режиме) и электронной почтой. Помимо низкой скорости такие каналы имеют и другой

недостаток

—

они вносят значительные искажения в передаваемые сигналы. Поэтому про-

токолы глобальных сетей, построенных с использованием каналов связи низкого качества,

отличаются сложными процедурами контроля и восстановления данных. Типичным приме-

ром таких сетей являются сети Х.25, разработанные еще в начале 70-х, когда низкоскорост-

ные аналоговые каналы, арендуемые у телефонных компаний, были преобладающим типом

каналов, соединяющих компьютеры и коммутаторы глобальной вычислительной сети.

В 1969 году министерство обороны США инициировало работы по объединению в еди-

ную сеть суперкомпьютеров оборонных и научно-исследовательских центров. Эта сеть,

получившая название ARPANET, стала отправной точкой для создания первой и самой

известной ныне глобальной сети

—

Интернет.

Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением

различных операционных систем (ОС) с дополнительными модулями, реализующими

коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети. ОС этих компьютеров

можно считать первыми сетевыми операционными системами.

Истинно сетевые ОС в отличие от многотерминальных ОС позволяли не только рассре-

доточить пользователей, но и организовать распределенные хранение и обработку данных

между несколькими компьютерами, связанными электрическими связями. Любая сетевая

операционная система, с одной стороны, выполняет все функции локальной операционной

системы, а с другой стороны, обладает некоторыми дополнительными средствами, позво-

ляющими ей взаимодействовать через сеть с операционными системами других компью-

теров. Программные модули, реализующие сетевые функции, появлялись в операционных

системах постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров

и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки.

Прогресс глобальных компьютерных сетей во многом определялся прогрессом телефонных

сетей.

С конца 60-х годов в телефонных сетях все чаще стала применяться передача голоса

в цифровой форме.

Это привело к появлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих автома-

тические телефонные станции (АТС) и позволяющих одновременно передавать десятки

и сотни разговоров.

К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и качеству предоставляемых

услуг догнали локальные сети, которые долгое время лидировали в этом отношении, хотя

и появились на свет значительно позже.

30 Глава 1. Эволюция компьютерных сетей

Первые локальные сети

Важное событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных сетей, произошло в начале 70-х

годов. В результате технологического прорыва в области производства компьютерных

компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невы-

сокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию мини-

компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Эмпирический закон

Гроша перестал соответствовать действительности, так как десяток мини-компьютеров,

имея ту же стоимость, что и мэйнфрейм, решали некоторые задачи (как правило, хорошо

распараллеливаемые) быстрее.

Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь собственные

компьютеры. Мини-компьютеры решали задачи управления технологическим оборудо-

ванием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия. Таким образом, появилась

концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при

этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно

(рис. 1.4).

предприятие

Терминалы

Отдел 1 предприятия

Терминалы

Отдел 3 предприятия

Мини-ЭВМ

\ 'lijjiil' Терминал

Отдел 2 предприятия

Мини-ЭВМ

Терминалы

Отдел 4 предприятия

Рис. 1.4. Автономное использование нескольких мини-компьютеров на одном предприятии