Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

131

потребоваться промежуточная передача данных через другие уз-

лы сети.

Ячеистая топология получается из полносвязной путем уда-

ления некоторых возможных связей (рис. 4.4, б). Ячеистая топо-

логия допускает соединение большого количества компьютеров и

характерна, как правило, для крупных сетей.

В топологии общая шина (рис. 4.5, а) в качестве центрального

элемента выступает пассивный кабель, к

которому по схеме

«монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров (та-

кую же топологию имеют многие сети, использующие беспро-

водную связь – роль общей шины здесь играет общая радиосре-

да). Передаваемая информация распространяется по кабелю и

доступна одновременно всем компьютерам, присоединенным к

этому кабелю. Основными преимуществами такой схемы явля-

ются ее дешевизна и

простота наращивания – то есть присоеди-

нения новых узлов к сети. Самый серьезный недостаток общей

шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля

или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью па-

рализует всю сеть. Другим недостатком общей шины является ее

невысокая производительность, так как при таком способе под-

ключения в

каждый момент времени только один компьютер мо-

жет передавать данные по сети, поэтому пропускная способность

канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети. До

недавнего времени общая шина являлась одной из самых попу-

лярных топологий для локальных сетей и поддерживается техно-

логиями ARCNET и ETHERNET.

Топология звезда (рис. 4.5, б) образуется в случае

, когда каж-

дый компьютер подключается отдельным кабелем к общему цен-

тральному устройству, называемому концентратором. В функ-

ции концентратора входит направление передаваемой компьюте-

ром информации одному или всем остальным компьютерам сети.

В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и

специализированное устройство, такое как многовходовый по-

вторитель, коммутатор или маршрутизатор. К

недостаткам топо-

логии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого

оборудования из-за необходимости приобретения специализиро-

ванного центрального устройства. Кроме того, возможности по

наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количест-

132

вом портов концентратора. Топология звезда поддерживается

технологией Ethernet.

В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 4.5, в) данные пере-

даются по кольцу от одного компьютера к другому. Главным

достоинством кольца является то; что оно по своей природе об-

ладает свойством резервирования связей. Действительно, любая

пара узлов соединена здесь двумя путями – по часовой стрелке и

против нее. Кольцо представляет собой очень удобную конфигу-

рацию и для организации обратной связи – данные, сделав пол-

ный оборот, возвращаются к источнику. Кольцевую топологию

поддерживают технологии Token Ring и FDDI.

Рис. 4.5. Топологии: а – общая шина, б – звезда, в – кольцо,

г – дерево, д – сетка

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием несколь-

ких концентраторов, иерархически соединенных между собой

связями типа звезда (рис. 4.5, г). Получаемую в результате струк-

133

туру называют также деревом. В настоящее время дерево являет-

ся самым распространенным типом топологии связей, как в ло-

кальных, так и глобальных сетях. Добавлением некоторых связей

в топологию типа дерево получается топология сетка (рис.4.5, д).

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую

топологию – звезда, кольцо или общая шина

, для крупных сетей

характерно наличие произвольных связей между компьютерами.

В таких сетях можно выделить отдельные, произвольно свя-

занные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, по-

этому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 4.6).

На практике различают физическую топологию, определяю-

щую правила физических соединений узлов (прокладку кабелей),

и логическую топологию, определяющую направление

потоков

данных между узлами сети. Логические связи представляют со-

бой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются

путем соответствующей настройки коммуникационного оборудо-

вания. Логическая и физическая топологии сети относительно не-

зависимы друг от друга и в общем случае не совпадают. Крупные

сети практически никогда не строятся без логической структури-

зации

. Логическая структуризация сети направлена на повыше-

ние производительности и безопасности сети. Средствами логи-

ческой структуризации служат такие коммуникационные устрой-

ства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы.

Рис. 4.6. Смешанная топология

134

4.3. Классификация топологических

элементов сетей

Информационные сети состоят из конечных устройств и про-

межуточных устройств, соединенных кабельной системой. Опре-

делим некоторые основные понятия.

Узлы сети – конечные и промежуточные устройства, наде-

ленные сетевыми адресами. К узлам сети относятся компьютеры

с сетевым интерфейсом, выступающие в роли рабочих станций,

серверов или в обеих ролях; сетевые периферийные устройства

(принтеры,

плоттеры, сканеры); сетевые телекоммуникационные

устройства (модемные пулы, модемы коллективного использова-

ния); маршрутизаторы.

Кабельный сегмент – отрезок кабеля или цепочка отрезков

кабелей, электрически (оптически) соединенных друг с другом,

обеспечивающие соединение двух или более узлов сети.

Сегмент сети (или просто сегмент) – совокупность узлов се-

ти, использующих общую (разделяемую) среду передачи. Приме-

нительно к

технологии Ethernet это совокупность узлов, подклю-

ченных к одному коаксиальному кабельному сегменту, примени-

тельно к Token Ring это одно кольцо.

Сеть – совокупность узлов сети, имеющих единую систему

адресации. Примерами могут быть IPX-сеть, IP-сеть. Каждая сеть

имеет свой собственный адрес, этими адресами оперируют мар-

шрутизаторы для передачи пакетов между сетями. Сеть может

быть разбита на

подсети. Сеть может состоять из множества сег-

ментов, причем один и тот же сегмент может входить в несколько

разных сетей.

По способу использования кабельных сегментов различают:

Двухточечные соединения (point-to-point connection) – между

двумя узлами. Для таких соединений в основном используются

симметричные электрические (витая пара) и оптические кабели.

Многоточечные соединения (multi point connection) – к одному

кабельному сегменту

подключается более двух узлов. Типичная

среда передачи – несимметричный электрический кабель (коак-

сиальный кабель), возможно применение и других кабелей, в том

135

числе и оптических. Соединение устройств отрезками кабеля

друг за другом называется цепочечным.

Связь между конечными узлами, подключенными к различ-

ным кабельным и логическим сегментам, обеспечивается проме-

жуточными системами – активными коммуникационными уст-

ройствами. Эти устройства имеют не менее двух портов (интер-

фейсов). Эти устройства классифицируются следующим образом:

Повторитель (repeater) – устройство, позволяющее преодоле-

вать

топологические ограничения (длины) кабельных сегментов.

Информация из одного кабельного сегмента в другой передается

побитно, анализ информации не производится.

Мост (bridge) – средство объединения сегментов сетей, обес-

печивающее передачу информации из одного сегмента в другой

(другие). Информация, пришедшая из одного сегмента, может

быть передана в другой или отфильтрована.

Мост МАС-подуровня (МАС Bridge)

позволяет объединять

сегменты сети в пределах одной технологии.

Мост LLC-подуровня (LLC Bridge), он же транслирующий

мост, позволяет объединять сегменты сетей и с разными техноло-

гиями (например, Ethernet – Fast Ethernet, Ethernet – Token Ring,

Ethernet – FDDI).

Коммутатор (switch) выполняет функции, аналогичные

функциям мостов, но используется для сегментации – разбиения

сетей на мелкие сегменты с целью повышения пропускной спо-

собности.

Маршрутизатор (router) используется для передачи паке-

тов между сетями. В отличие от повторителей и мос-

тов/коммутаторов, присутствие маршрутизатора известно узлам

сетей, подключенных к его интерфейсам. Каждый порт мар-

шрутизатора имеет свой сетевой адрес, на этот адрес узлы по-

сылают пакеты, предназначенные узлам других сетей. С другой

стороны, маршрутизатор, анализируя адрес назначения пакета,

направляет его на свой

соответствующий порт для дальнейшей

его доставки в нужную сеть. При определенных условиях мар-

шрутизатор может отбросить (уничтожить) пакет данных. Это

зависит от результатов анализа информации, содержащейся в

заголовке пакета.

136

4.4. Адресация узлов, маршрутизация

При объединении в сеть более двух компьютеров возникает

проблема их адресации (адрес узла сети или адрес сетевого ин-

терфейса). Адреса могут быть числовыми (например,

165.22.255.255) или символьными (например, ssu.samara.ru). Ад-

реса могут использоваться для идентификации не только кон-

кретных узлов, но и групп узлов (групповые адреса). С помощью

групповых адресов данные могут

направляться сразу нескольким

узлам (широковещательные адреса). Множество адресов, допус-

тимых в рамках некоторой схемы адресации называется адрес-

ным пространством. Адресное пространство может иметь пло-

скую или иерархическую организацию. В первом случае адреса

не структурированы. При иерархической схеме адреса организо-

ваны в виде вложенных друг в друга подгрупп, последовательно

сужая область вплоть

до конкретного узла. Примером такой ад-

ресации служит обычный почтовый адрес: страна, город, улица и

т. д. Иерархическая система позволяет при перемещении инфор-

мации по сети до определенного момента пользоваться только

старшей составляющей, затем следующей частью вплоть до са-

мой младшей.

К адресу сетевого интерфейса можно предъявить следующие

требования:

– адрес

должен уникально идентифицировать сетевой интер-

фейс в сети любого масштаба;

– схема назначения адресов должна сводить к минимуму руч-

ной труд администратора и вероятность дублирования адресов;

– желательно, чтобы адрес имел иерархическую структуру,

удобную для построения больших сетей;

– адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это

значит, что он должен

допускать символьное представление, на-

пример Server3;

– адрес должен быть по возможности компактным, чтобы не

перегружать память коммуникационной аппаратуры – сетевых

адаптеров, маршрутизаторов и т.п.

Нетрудно заметить, что эти требования противоречивы – на-

пример, адрес, имеющий иерархическую структуру, скорее всего,

137

будет менее компактным, чем плоский. Символьные имена удоб-

ны для людей, но из-за переменного формата и потенциально

большой длины их передача по сети не очень экономична. Так

как все перечисленные требования трудно совместить в рамках

какой-либо одной схемы адресации, на практике обычно исполь-

зуется сразу несколько схем, так что

сетевой интерфейс компью-

тера может одновременно иметь несколько адресов-имен. Каж-

дый адрес задействуется в той ситуации, когда соответствующий

вид адресации наиболее удобен. А для преобразования адресов из

одного вида в другой используются специальные вспомогатель-

ные протоколы, которые называют иногда протоколами разре-

шения адресов (address resolution protocols).

Примером плоского числового адреса является МАС

-адрес,

предназначенный для однозначной идентификации сетевых ин-

терфейсов в локальных сетях. Такой адрес обычно используется

только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возмож-

ности компактным и записывают в виде двоичного или шестна-

дцатеричного значения, например 0081005e24a8. При задании

МАС-адресов не требуется выполнение ручной работы, так как

они обычно встраиваются в

аппаратуру компанией-

изготовителем, поэтому их называют также аппаратными

(hardware) адресами. Использование плоских адресов является

жестким решением – при замене аппаратуры, например, сетевого

адаптера, изменяется и адрес сетевого интерфейса компьютера.

Типичным представителем иерархической схемы являются IP-

адреса и доменные адреса в сети Интернет. IP-адрес любого узла

сети поддерживает двухуровневую иерархию и делится на стар

шую часть (номер сети) и младшую часть (номер узла). При на-

писании IP-адрес состоит из четырех чисел в диапазоне 0–255,

разделяемых точками. Такое деление позволяет передавать сооб-

щения между сетями только на основании номера сети, а номер

узла используется после доставки сообщения в нужную сеть. Ко-

нечному пользователю применять такую систему

из четырех чи-

сел неудобно. Для этих целей принята символьная адресация, по-

строенная по иерархическому доменному принципу.

Символьные адреса или имена предназначены для запомина-

ния людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку. На-

пример, адрес www.ssu.samara.ru означает:

138

– “ru” – имя домена верхнего уровня (в сети Интернет это

Россия). Он регистрируется в организации Internet NIC (Network

Information Center). Внутри этого домена может содержаться

сколько угодно узлов и доменов, каждый из которых имеет свое

имя;

– “samara” – домен внутри домена “ru”;

– “ssu” – домен внутри домена samara;

– “www” – узел внутри домена ssu (WEB-сервер).

В каждом домене имеется свой DNS-сервер, который хранит

таблицу

соответствия символических имен и IP-адресов.

Если топология сети неполносвязная, то обмен данными меж-

ду парой узлов должен идти в общем случае через транзитные

(промежуточные) узлы. Последовательность транзитных узлов на

пути от отправителя к получателю называется маршрутом. Зада-

ча соединения конечных узлов через транзитные узлы называется

задачей маршрутизации.

Основными целями маршрутизации

являются обеспечение:

– минимальной задержки пакета при его передаче от узла от-

правителя к адресату;

– максимальной пропускной способности сети;

– максимальной защиты пакета от угроз безопасности;

– надежности доставки пакета адресату;

– оптимизации стоимости передачи пакета между узлами сети.

Понятно, что через один транзитный узел может проходить

несколько маршрутов. Транзитный узел должен

уметь распозна-

вать потоки данных, которые на него поступают, для того чтобы

отрабатывать их передачу именно на тот свой интерфейс, кото-

рый ведет к нужному узлу.

Информационным потоком, или потоком данных, называют

непрерывную последовательность байтов (которые могут быть

объединены в более крупные единицы данных – пакеты, кадры,

ячейки), объединенных набором общих признаков

, выделяющих

его из общего сетевого трафика. Например, все данные, посту-

пающие от одного компьютера, можно определить как единый

поток, а можно представить их как совокупность нескольких

подпотоков, каждый из которых в качестве дополнительного при-

знака имеет адрес назначения. Каждый же из этих подпотоков, в

свою очередь, можно разделить на подпотоки

данных, относя-

139

щихся к разным сетевым приложениям – электронной почте, ко-

пированию файлов, обращению к web-серверу. В качестве обяза-

тельного признака при коммутации выступает адрес назначения

данных, поэтому весь поток входящих в транзитный узел данных,

должен разделяться как минимум на подпотоки, имеющие раз-

личные адреса назначения. Тогда каждой паре конечных узлов

будет соответствовать один

поток и один маршрут.

Однако поток данных между двумя конечными узлами в об-

щем случае может быть представлен несколькими разными пото-

ками, причем для каждого из них может быть проложен свой

особый маршрут. Действительно, на одной и той же паре конеч-

ных узлов может выполняться несколько взаимодействующих по

сети приложений,

которые предъявляют к ней свои особые тре-

бования. В таком случае выбор пути должен осуществляться с

учетом характера передаваемых данных, например, для файлово-

го сервера важно, чтобы передаваемые им большие объемы дан-

ных направлялись по каналам, обладающим высокой пропускной

способностью.

Определение пути – сложная задача, особенно когда конфигу-

рация сети такова, что

между парой взаимодействующих сетевых

интерфейсов существует множество путей. Выбор останавливают

на одном оптимальном по некоторому критерию маршруте. В

качестве критериев оптимальности могут выступать, например,

номинальная пропускная способность; загруженность каналов

связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуточ-

ных транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов.

Маршрут может определяться эмпирически («вручную») ад-

министратором

сети, который, анализирует топологию сети и оп-

ределяет последовательность интерфейсов, которую должны

пройти данные, чтобы достичь получателя. Среди побудительных

мотивов выбора того или иного пути могут быть: особые требо-

вания 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 эвристический подход к оп-

ределению маршрутов мало пригоден для большой сети со слож-

ной топологией.

140

Задача маршрутизации решается чаще всего автоматически с

помощью соответствующего программного обеспечения, реали-

зующего некоторый алгоритм маршрутизации. Алгоритм мар-

шрутизации – это правило назначения выходной линии связи уз-

ла сети для передачи пакета, базирующееся на информации, со-

держащейся в заголовке пакета.

Однако даже оптимальные алгоритмы не всегда эффективны

на практике. Топология сети может

постоянно изменяться в ре-

зультате отказов узлов и линий связи и при развитии сети (под-

ключении новых узлов и линий связи). Наиболее динамичным

фактором является нагрузка на линии связи, изменяющаяся до-

вольно быстро и в трудно прогнозируемом направлении. Для вы-

бора оптимального маршрута каждый узел связи должен распо-

лагать информацией

о состоянии сети в целом. Узлы сети имеют

данные о текущей топологии сети и пропускной способности ли-

ний связи. Однако нет возможности точно предсказать состояние

нагрузки в сети на ближайшее время. Поэтому при решении за-

дачи маршрутизации могут использоваться данные о состоянии

нагрузки, запаздывающие по отношению к моменту принятия

решения

о направлении передачи пакетов. Следовательно, во

всех случаях алгоритмы маршрутизации выполняются в условиях

неопределенности текущего и будущего состояний сети.

Эффективность алгоритмов маршрутизации оценивается сле-

дующими показателями:

– временем доставки пакетов адресату;

– нагрузкой на сеть, которая создается при реализации данно-

го алгоритма за счет передачи служебной информации (таблиц

маршрутизации, сведений о

топологии и загрузке узлов и линий

связи и т.п.);

– затратами ресурсов коммуникационных узлов сети (время на

обработку пакетов, емкости памяти, вычислительной мощности).

Различают следующие способы маршрутизации.

1. Централизованная маршрутизация. Выбор маршрута для

каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, а уз-

лы сети только реализуют результаты решения задачи маршрути-

зации. Существенным недостатком такого способа маршрутиза-

ции является полная зависимость от центрального узла, и в слу-

чае его отказа сеть может быть парализована.