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

Подождите немного. Документ загружается.

Обобщенная задана коммутации

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 фи:

рой непосредственно подключено несколько передатчи

времени только один из передатчиков какого-либо у:

среде и использует ее для передачи данных приемни!

среде.

ческая среда передачи данных, к кото-

в узлов сети. Причем в каждый момент

сети получает доступ к разделяемой

другого узла, подключенному к этой же

Коммутатор S1

Коммутатор S2

Интерфейс Р1

Рис. 2.20. Дуплексный канал — разделяемая среда отсутствует

Коммутатор S1

Полудуплексный канал

Коммутатор S2

Приемник

Передатчик

Интерфейс Р1

Интерфейс Р2

Рис. 2.21. Полудуплексный канал — разделяемая среда

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 общей 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 рабо 'ы компьютера, то увидим, что доступ

системной шине компьютера, которую совместно используют внутренние блоки ком-

пьютера, управляется централизованно

—

либо процессором, либо специальным арбитром

шины.

Глава 2. Общие принципы построения сетей

Коммутатор S1

Коммутатор S2

Коммутатор S3

Рис. 2.22. Канал с множественными подключениями — разделяемая среда

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 локальных 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 проводных локальных сетях метод разделения среды практически перестал

применяться. Основной причиной отказа от разделяемой среды явилась ее низкая и плохо

предсказуемая производительность, а также плохая масштабируемость

. Низкая про-

Масштабируемостью называют свойство сети допускать наращивание количества узлов и протяжен-

ность линий связи в очень широких пределах без снижения производительности.

Обобщенная задана коммутации

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 оц анить долю пропускной способности,

приходящуюся на какой-либо компьютер сети, трудно, так как эта величина зависит от

многих случайных факторов, например активности дэугих компьютеров. Наверно, к этому

моменту читателю уже понятна причина плохой масштабируемости подобной сети

—

чем

больше мы добавляем компьютеров, тем меньшая доля 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

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.

Среди множества возможных подходов к решению 3afla

коммутации абонентов в сетях выделя-

ют два основополагающих, к которым относят коммутг цию 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 строиться 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 из телефонии (в форме интернет- или

IP-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.

Глава 2. Общие принципы построения сетей

ПРИМЕР-АНАЛОГИЯ

Поясним достаточно абстрактное описание обобщенной модели коммутации на примере работы

традиционной почтовой службы. Почта также работает с информационными потоками, которые

в данном случае составляют почтовые отправления. Основным признаком почтового потока является

адрес получателя. Для упрощения будем рассматривать в качестве адреса только страну, например

Индия, Норвегия, Россия, Бразилия и т. д. Дополнительным признаком потока может служить

особое требование к надежности или скорости доставки. Например, пометка «Avia» на почтовых

отправлениях в Бразилию выделит из общего потока почты в Бразилию подпоток, который будет

доставляться самолетом.

Для каждого потока почтовая служба должна определить маршрут, который будет проходить через

последовательность почтовых отделений, являющихся аналогами коммутаторов. В результате много-

летней работы почтовой службы уже определены маршруты для большинства адресов назначения.

Иногда возникают новые маршруты, связанные с пс явлением новых возможностей

—

политических,

транспортных, экономических. После выбора нового маршрута нужно оповестить о нем сеть по-

чтовых отделений. Как видно, эти действия очень н шоминают работу телекоммуникационной сети.

Информация о выбранных маршрутах следования почты представлена в каждом почтовом отделении

в виде таблицы, в которой задано соответствие между страной назначения и следующим почтовым

отделением. Например, в почтовом отделении горо ia Саратова все письма, адресованные в Индию,

направляются в почтовое отделение Ашхабада, а письма, адресованные в Норвегию,

—

в почтовое от-

деление Санкт-Петербурга. Такая таблица направлений доставки почты является прямой аналогией

таблицы коммутации коммуникационной сети.

Каждое почтовое отделение работает подобно комм;/татору. Все поступающие от абонентов и других

почтовых отделений почтовые отправления сортируются, то есть происходит распознавание потоков.

После этого почтовые отправления, принадлежащие одному «потоку», упаковываются в мешок, для

которого в соответствии с таблицей направлений определяется следующее по маршруту 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 передечи данных в линию связи выполняют совместно

аппаратный модуль, называемый сетевым адаптером или сетевой интерфейсной картой, и управляю-

щая программа — драйвер. Задачи более высокого /ровня — 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 передачей 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 (полно-

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

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; i) 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

пр

иложения;

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 некоторое 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 даг ные, 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

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.

ГЛАВА 3 Коммутация каналов

и пакетов

В этой главе продолжается исследование общих принципов коммутации в телекоммуникационных

сетях. Мы детально изучим и сравним два основных типа коммутации — коммутацию каналов и ком-

мутацию пакетов.

Исторически коммутация каналов появилась намного раньше коммутации пакетов и ведет свое

происхождение от первых телефонных сетей. Невозможность динамического перераспределения

пропускной способности физического канала является принципиальным ограничением сети

с коммутацией каналов.

Принцип коммутации пакетов был изобретен разработчиками компьютерных сетей. При коммутации

пакетов учитываются особенности компьютерного трафика, поэтому данный способ коммутации

является более эффективным для компьютерных сетей по сравнению с традиционным методом

коммутации каналов, применяющимся в телефонных сетях.

Однако достоинства и недостатки любой сетевой технологии — относительны. Наличие буферной

памяти в коммутаторах пакетных сетей позволяет эффективно использовать пропускную способность

каналов при передаче пульсирующего трафика, но приводит к случайным задержкам в доставке

пакетов, что является недостатком для трафика реального времени, который традиционно передается

с помощью техники коммутации каналов.

В этой главе рассматриваются три метода продвижения пакетов, используемые в сетях с коммутацией

пакетов: дейтаграммная передача, передача с установлением логического соединения и техника

виртуальных каналов.

В заключение главы рассматривается пример сети, построенной на стандартной технологии

коммутации пакетов Ethernet.

78 Глава 3. Коммутация каналов и пакетов

Коммутация каналов

Сети, построенные на принципе коммутации каналов, имеют богатую историю, они и се-

годня нашли широкое применение в мире телекоммуникаций, являясь основой создания

высокоскоростных магистральных каналов связи. Первые сеансы связи между компью-

терами были осуществлены через телефонную сегь, то есть также с применением техники

коммутации каналов, а пользователи, которые получают доступ в Интернет по модему,

продолжают обслуживаться этими сетями, так как их данные доходят до оборудования

провайдера по местной телефонной сети.

В сетях с коммутацией каналов решаются все те частные задачи коммутации, которые были

сформулированы ранее. Так, в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией

каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов

. Соответственно

глобальным признаком потока является пара адресов (телефонных номеров) абонентов,

связывающихся между собой. Для всех возможных потоков заранее определяются марш-

руты. Маршруты в сетях с коммутацией каналов задаются либо «вручную» администра-

тором сети, либо находятся автоматически с привлечением специальных программных

и аппаратных средств. Маршруты фиксируются в таблицах, в которых признакам потока

ставятся в соответствие идентификаторы выходных интерфейсов коммутаторов. На осно-

вании этих таблиц происходит продвижение и мультиплексирование данных. Однако,

как уже было сказано, в сетях с коммутацией кан;шов решение всех этих задач имеет свои

особенности.

Элементарный канал

Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является понятие элементарного

канала.

Элементарный канал (или просто канал) — это базозая техническая характеристика сети с ком-

мутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа

сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет

пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.

В предыдущих разделах мы использовали термин «канал» как синоним термина «линия

связи». Говоря же о сетях с коммутацией каналов, мы придаем термину «канал» значение

единицы пропускной способности.

Значение элементарного канала, или, другими словами, минимальная единица пропускной

способности линии связи, выбирается с учетом разных факторов. Очевидно, однако, что

элементарный канал не стоит выбирать меньше минимально необходимой пропускной

способности для передачи ожидаемой предложенной нагрузки. Например, в традиционных

телефонных сетях наиболее распространенным значением элементарного канала сегодня

является скорость 64 Кбит/с

—

это минимально достаточная скорость для качественной

цифровой передачи голоса.

Термин «абонент» принят в телефонии для обозначения конечного узла. Так как все мы — много-

летние пользователи телефонной сети, то далее мы будем сопровождать наше объяснение принципа

работы сетей с коммутацией каналов примерами из области телефонии.

Коммутация каналов

ОЦИФРОВЫВАНИЕ ГОЛОСА

Задача оцифровывания голоса является частным случаем более общей проблемы

—

передачи анало-

говой информации в дискретной форме. Она была решена в 60-е годы, когда голос начал передаваться

по телефонным сетям в виде последовательности единиц и нулей. Такое преобразование основано на

дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени (рис. 3.1).

Амплитуда сигнала

Дискретизация по времени

Рис. 3.1. Дискретная модуляция непэерывного процесса

Период

дискретизации

по времени

Время

Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом

—

за счет этого про-

исходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа

определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям — непрерывное множество

возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений.

Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний

в 8000 Гц (дискретизация по времени с интервалом 125 мкс). Для представления амплитуды одного

замера чаще всего используется 8 бит кода, что дает 256 фадаций звукового сигнала (дискретиза-

ция по значениям). В этом случае для передачи одного голосового канала необходима пропускная

способность 64 Кбит/с: 8000 х 8 - 64 000 бит/с или 64 Кбит/с. Такой голосовой канал называют

элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Линии связи в сетях с коммутацией пакетов (как, впрочем, и в остальных типах компьютер-

ных сетей) имеют разную пропускную способность, одни

—

большую, другие

—

меньшую.

Выбирая линии связи с разными скоростными качествами, специалисты, проектирующие

сеть, стараются учесть разную интенсивность информационных потоков, которые могут

возникнуть в разных фрагментах сети

—

чем ближе к центру сети, тем выше пропускная

способность линии связи, так как магистральные линии агрегируют трафик большого

количества периферийных линий связи.

Особенностью сетей с коммутацией каналов является го, что пропускная способность каждой

линии связи должна быть равна целому числу элемента эных каналов.

Глава 3. Коммутация каналов и пакетов

Линия связи

2 эл. канала

Составной канал

между абонентами Лив

«толщиной» 2 элементарных канала

|Линия связи

2 эл.канала

Линия связи

5 эл.канала

Линия связи

4 эл.канала

Линия связи

3 эл. канала

Так, линии связи, подключающие абонентов к телефонной сети, могут содержать 2,24 или

30 элементарных каналов, а линии, соединяющие коммутаторы,

—

480 или 1920 каналов.

Обратимся к фрагменту сети, изображенному на рис. 3.2. Предположим, что эта сеть

характеризуется элементарным каналом Рбиг/с. В сети существуют линии связи разной

пропускной способности, состоящие из 2, 3, 4 и 5 элементарных каналов. На рисунке по-

казаны два абонента, А и В, генерирующие во фемя сеанса связи (телефонного разговора)

информационный поток, для которого в сети был предусмотрен маршрут, проходящий

через четыре коммутатора 51,52,53 и 54. Предположим также, что интенсивность инфор-

мационного потока между абонентами не превосходит 2Р бит/с. Тогда для обмена данны-

ми этим двум абонентам достаточно иметь в своем распоряжении по паре элементарных

каналов, «выделенных» из каждой линии связи, лежащей на маршруте следования данных

от пункта А к пункту В. На рисунке эти элементарные каналы, необходимые абонентам А

и В, обозначены толстыми линиями.

Абонент В

Абонент А

Рис. 3.2. Составной канал в сети с коммутацией каналов

Составной канал

Связь, построенную путем коммутации (соединен ия) элементарных каналов, называют состав-

ным каналом.

В рассматриваемом примере для соединения абонентов АиВ был создан составной канал

«толщиной» в два элементарных канала. Если изменить наше предположение и считать,