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

Подождите немного. Документ загружается.

141

2. Распределенная маршрутизация. Функции управления

маршрутизацией распределены между узлами сети, которые рас-

полагают для этого соответствующими аппаратно-программными

средствами. Распределенная маршрутизация отличается большей

гибкостью и надежностью.

3. Смешанная маршрутизация характеризуется тем, что в

ней реализованы принципы централизованной и распределенной

маршрутизации.

Различают три вида маршрутизации: простую, фиксирован-

ную и адаптивную. Принципиальная разница

между ними заклю-

чается в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при

решении задачи выбора маршрута.

Простая маршрутизация отличается тем, что при выборе

маршрута не учитывается ни изменение топологии сети, ни изме-

нение нагрузки ее узлов. Она имеет низкую эффективность, но

отличается простотой реализации алгоритма маршрутизации и

устойчивой работой сети

при выходе из строя отдельных элемен-

тов (узлов и линий связи). Разновидностями этого вида маршру-

тизации являются случайная и лавинная маршрутизации.

Случайная маршрутизация характеризуется тем, что для

передачи пакета из узла сети выбирается одно из возможных

случайно выбранных направлений. При этом виде маршрути-

зации не обеспечивается оптимальное время доставки пакета

эффективное использование пропускной способности сети.

Лавинная маршрутизация предусматривает передачу паке-

та из узла по всем свободным выходным линиям. Поскольку

это происходит в каждом узле, имеет место явление «размно-

жения» пакета, что резко ухудшает использование пропускной

способности сети. Основным преимуществом такого метода

является гарантированное обеспечение оптимального времени

доставки пакета адресату,

так как из всех направлений, по ко-

торым передается пакет, хотя бы одно обеспечивает такое

время.

Фиксированная маршрутизация характеризуется тем, что

при выборе маршрута учитывается изменение топологии сети и

не учитывается изменение ее нагрузки. Маршрут до каждого узла

сети выбирается по таблице, определяющей кратчайшие пути.

Отсутствие адаптации к изменению нагрузки приводит

к задерж-

142

кам пакетов в сети. Фиксированная маршрутизация применяется

в сетях с мало изменяющейся топологией и установившимися по-

токами пакетов.

Адаптивная маршрутизация отличается тем, что выбор

маршрута передачи пакетов осуществляется с учетом изменения

как топологии, так и нагрузки сети. Существуют несколько мо-

дификаций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, ка-

кая именно информация используется при

выборе маршрута. По-

лучили распространение такие модификации, как локальная, рас-

пределенная, централизованная и гибридная адаптивные маршру-

тизации.

Локальная адаптивная маршрутизация основана на ис-

пользовании информации, имеющейся в данном узле: таблица

возможных маршрутов, данные о состоянии выходных линий

связи (работают или не работают), длину очереди пакетов.

Информация о состоянии других узлов

связи не используется.

Таблица маршрутов определяет кратчайшие маршруты, обес-

печивающие доставку пакета адресату за минимальное время.

Преимущество такого метода состоит в том, что принятие ре-

шения о выборе маршрута производится с использованием са-

мых последних данных о состоянии узла. Недостаток метода

заключается в том, что выбор маршрута осуществляется без

учета глобального

состояния всей сети.

Распределенная адаптивная маршрутизация основана на

использовании информации, указанной для локальной мар-

шрутизации, и данных, получаемых от соседних узлов сети. В

каждом узле формируется таблица маршрутов ко всем узлам

назначения с указанием времени задержки пакетов. До начала

работы сети это время оценивается, исходя из топологии сети.

В процессе

работы сети узлы периодически обмениваются с

соседними узлами таблицами задержки, в которых указывает-

ся нагрузка (длина очереди пакетов) узла. После обмена таб-

лицами задержки каждый узел производит перерасчет задерж-

ки и корректирует маршруты с учетом поступивших данных.

Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута сущест-

венно повышает эффективность алгоритмов маршрутизации,

но

это достигается за счет увеличения загрузки сети служеб-

ной информацией.

143

Централизованная адаптивная маршрутизация характери-

зуется тем, что задача маршрутизации для каждого узла сети

решается в центре маршрутизации. Каждый узел периодиче-

ски формирует сообщение о своем состоянии и передает его в

центр. По этим данным в центе для каждого узла составляется

таблица маршрутов. Передача этих сообщений, формирование

и рассылка таблиц маршрутов вызывают

временные задержки

и снижают эффективность такого метода, особенно при боль-

шой пульсации нагрузки в сети. Кроме того, есть опасность

потери управления сетью при отказе центра маршрутизации.

Гибридная адаптивная маршрутизация основана на ис-

пользовании таблиц маршрутов, рассылаемых центром мар-

шрутизации узлам сети, в сочетании с анализом длины очере-

дей в узлах.

Следовательно, здесь реализуются принципы цен-

трализованной и локальной маршрутизации. Гибридная мар-

шрутизация компенсирует недостатки централизованной и ло-

кальной маршрутизации и воспринимает их преимущества:

маршруты центра соответствуют глобальному состоянию сети,

а учет текущего состояния узла обеспечивает своевременность

решения задачи.

4.5. Принципы соединения абонентов сети

После того как маршрут определен, должно произойти соеди-

нение (коммутация) абонентов. Устройство, функциональным на-

значением которого является выполнение коммутации, называет-

ся коммутатором. Если коммутаторы выполняют коммута-

цию на основе иерархических сетевых адресов, то их называют

маршрутизаторами. Коммутатор выполняет коммутацию

входящих информационных потоков в соответствующие выход-

ные порты. Коммутатором может быть как

специальное устрой-

ство, так и обычный компьютер со специальным программным

обеспечением. Информация о маршрутах записывается в специ-

альные таблицы коммутации.

Во многих случаях (особенно при сложной топологии сети)

некоторые узлы сети выделяют специально для коммутации. Со-

вокупность таких узлов и линий связи образуют коммутацион-

144

ную сеть (подсеть). В общем случае такую подсеть называют ма-

гистральной сетью. Пример схемы такой подсети представлен на

рис. 4.7.

Комплекс технических решений задачи коммутации является

основой любой сетевой технологии. От механизма прокладки

маршрутов, продвижения данных по сети и совместного исполь-

зования каналов связи зависят фундаментальные свойства сети.

Рис. 4.7. Струтктура телекоммуникационной сети

Узлы коммутации осуществляют один из трех возможных ви-

дов коммутации при передаче данных:

– коммутацию каналов;

– коммутацию сообщений;

– коммутацию пакетов.

Сообщения и пакеты часто называют дейтаграммами. Дей-

таграмма – это самостоятельный пакет данных (сообщение),

содержащий в своем заголовке достаточно информации, чтобы

его можно было передать от

источника к получателю независимо

от всех предыдущих и последующих сообщений.

При коммутации каналов между пунктами отправления и на-

значения устанавливается непосредственное физическое соеди-

нение путем формирования составного канала из последователь-

но соединенных отдельных участков каналов связи. Такой сквоз-

ной физический составной канал организуется в начале сеанса

связи, поддерживается в течение всего

сеанса и разрывается по-

сле окончания передачи. Формирование сквозного канала обес-

печивается путем последовательного включения ряда коммута-

ционных устройств в нужное положение постоянно на все время

145

сеанса связи. Время создания такого канала сравнительно боль-

шое, и это один из недостатков этого метода коммутации. Обра-

зованный канал недоступен для посторонних абонентов. Моно-

полизация взаимодействующими абонентами подканалов, обра-

зующих физический канал, обусловливает снижение общей про-

пускной способности сети передачи данных. И это притом, что

образованный физический канал часто бывает

недогружен. Ос-

новные достоинства метода: возможность работы и в диалоговом

режиме, и в реальном масштабе времени; обеспечение полной

прозрачности канала. Применяется этот метод коммутации чаще

всего при дуплексной (двухсторонней) передаче аудиоинформа-

ции (обычная телефонная связь – типичный пример коммутации

каналов).

При коммутации сообщений данные передаются в виде дис-

кретных порций разной

длины (сообщений), причем между ис-

точником и адресатом сквозной физический канал не устанавли-

вается и ресурсы коммуникационной системы предварительно не

распределяются. Отправитель лишь указывает адрес получателя.

Узлы коммутации анализируют адрес и текущую занятость кана-

лов и передают сообщение по свободному в данный момент ка-

налу на ближайший узел сети в сторону

получателя. В узлах

коммутации имеются коммутаторы, управляемые связным про-

цессором, который также обеспечивает временное хранение дан-

ных в буферной памяти, контроль достоверности информации и

исправление ошибок, преобразование форматов данных, форми-

рование сигналов подтверждения получения сообщения. Ввиду

наличия буферной памяти имеется возможность устанавливать

согласованную скорость передачи сообщения между двумя узла-

ми.

Ввиду этого затруднена работа в диалоговом режиме и в ре-

жиме реального времени. Некоторые возможности реализации

этих режимов остаются лишь благодаря высокой скорости пере-

дачи и возможности выполнять приоритетное обслуживание зая-

вок. Применяется этот вид коммутации в электронной почте, те-

леконференциях, электронных новостях и т.п.

В современных системах для повышения

оперативности, на-

дежности передачи, уменьшения емкости запоминающих уст-

ройств узлов коммутации длинные сообщения разделяются на

несколько более коротких стандартной длины, называемых па-

146

кетами. Иногда наоборот, очень короткие сообщения объеди-

няются вместе в пакет. Стандартность размера пакетов обуслов-

ливает соответствующую стандартную разрядность оборудова-

ния узлов связи и максимальную эффективность его использова-

ния. Пакеты могут следовать к получателю даже разными путями

и непосредственно перед выдачей абоненту объединяются (раз-

деляются) для формирования законченных сообщений. Этот вид

коммутации обеспечивает большую пропускную способность се-

ти и наименьшую задержку при передаче данных.

Недостатком коммутации пакетов является трудность, а ино-

гда и невозможность его использования для систем, работающих

в интерактивном режиме и в реальном масштабе времени. Хотя в

последние годы в этом направлении достигнут заметный про-

гресс – активно развиваются технологии

Интернет-телефонии.

Одно из направлений этой технологии – создание виртуального

канала для передачи пакетов путем мультиплексирования во

времени использования каждого узла коммутации. Временной

ресурс порта узла разделяется между несколькими пользователя-

ми так, что каждому пользователю отводится постоянно множе-

ство минимальных отрезков времени, и создается впечатление

непрерывного доступа.

Коммутации сообщений и пакетов относятся

к логическим

видам коммутации, так как при их использовании формируется

лишь логический канал между абонентами. При логической ком-

мутации взаимодействие абонентов выполняется через запоми-

нающее устройство, куда поступают сообщения от всех абонен-

тов, обслуживаемых данным узлом. Каждое сообщение (пакет)

имеет адресную часть, определяющую отправителя и получателя;

в соответствии с адресом

выбирается дальнейший маршрут и пе-

редается сообщение из запоминающего устройства узла комму-

тации. Способ передачи, использующий логическую коммутацию

пакетов, часто требует наличия в центре коммутации специаль-

ных связных мини- или микрокомпьютеров, осуществляющих

прием, хранение, анализ, разбиение, синтез, выбор маршрута и

отправку сообщений адресату. Коммутаторы используются в уз-

лах коммутации и в

качестве межсетевого и внутрисетевого ин-

терфейса, выполняя функции моста – соединителя нескольких

сегментов сети воедино.

147

4.6. Структура сети

Компьютерная сеть представляет собой комплекс многослой-

ных взаимосвязанных аппаратных и программных средств: ком-

пьютеров, коммуникационного оборудования, операционных

систем, сетевых приложений.

Любая телекоммуникационная сеть в общем случае состоит из

трех компонентов (Рис. 4.7):

– сеть доступа;

– магистральная сеть;

– информационные центры.

Как сеть доступа, так и магистральная, строятся на основе

коммутаторов. Каждый коммутатор

оснащен некоторым количе-

ством портов, которые соединяются с портами других коммута-

торов каналами связи. Сеть доступа составляет нижний уровень

иерархии телекоммуникационной сети. К этой сети подключают-

ся конечные узлы – оборудование, установленное у пользователей

(абонентов, клиентов) сети. Основное назначение сети доступа –

концентрация информационных потоков, поступающих по мно-

гочисленным каналам связи от

оборудования пользователей, в

сравнительно небольшом количестве узлов магистральной сети.

Сеть доступа, как и телекоммуникационная сеть в целом, может

состоять из нескольких уровней. Коммутаторы, установленные в

узлах нижнего уровня передают ее коммутаторам верхнего уров-

ня, чтобы те, в свою очередь, передали ее коммутаторам магист-

рали. Количество уровней сети доступа зависит от

ее размера,

небольшая сеть доступа может состоять из одного уровня, а

крупная – из двух-трех. Следующие уровни осуществляют даль-

нейшую концентрацию трафика, собирая его и мультиплексируя

в более скоростные каналы.

Информационные центры сети представляют собой собствен-

ные информационные ресурсы сети, на основе которых осущест-

вляется обслуживание пользователей.

Компьютерные сети можно классифицировать

по разным при-

знакам. По территориальному признаку сети делятся на локаль-

ные и глобальные. Важным признаком классификации является

также назначение предоставляемых услуг. Выделим два вида се-

148

тей: сети операторов связи и корпоративные сети. Сети опера-

торов связи оказывают общедоступные телекоммуникационные

услуги, например, услуги телефонии и доступ в Интернет. Опера-

торы связи должны иметь соответствующие лицензии на право

предоставления соответствующих услуг, а также свою или арен-

дованную сетевую инфраструктуру.

Корпоративные сети предоставляют услуги в основном только

сотрудникам предприятия

, которому принадлежит сеть. Сущест-

вуют некоторые классификации вычислительных сетей, в кото-

рых локальные сети определены как сети, обслуживающие нуж-

ды одного предприятия, одной корпорации. Поэтому корпора-

тивные сети относят к особой разновидности локальных сетей,

имеющих значительную территорию охвата. Среди таких вычис-

лительных сетей выделяют: сети рабочих групп, сети отделов, се-

ти кампусов.

Сети рабочих групп обычно объединяют ряд компьютеров,

работающих под управлением одной операционной среды. В ря-

ду компьютеров часто выделяются специализированные серверы,

предназначенные для выполнения функций файлового сервера,

сервера печати и т.п.

Сети отделов используются небольшой группой сотрудников

предприятия, работающих в одном отделе (отдел кадров, бухгал-

терия, и т

.п.). Территориально они чаще всего расположены и в

одном здании. В отделе может насчитываться до сотни компью-

теров. Чаще всего такая сеть имеет несколько выделенных серве-

ров, специализированных для таких ресурсов, как программы-

приложения, базы данных, лазерные принтеры и т.д. Главной це-

лью сети отдела является разделение локальных ресурсов,

таких

как приложения, данные, лазерные принтеры. В этих сетях лока-

лизуется большая часть трафика предприятия. Сети отделов

обычно создаются на основе какой-либо одной сетевой техноло-

гии – Ethernet, Token Ring и не разделяются на подсети. Для та-

кой сети характерен один или максимум два типа операционных

систем. Задачи управления сетью на уровне отдела относительно

просты: добавление новых пользователей, устранение простых

отказов, установка новых узлов и новых версий программного

обеспечения.

149

Сети кампусов получили название от слова campus – студен-

ческий городок. Главными особенностями сетей кампусов явля-

ется то, что они объединяют множество сетей различных отделов

одного предприятия в пределах отдельного здания или в пределах

одной территории, покрывающей площадь в несколько квадрат-

ных километров. Службы такой сети включают взаимодействие

между сетями отделов, доступ

к общим базам данных предпри-

ятия, доступ к общим высокоскоростным принтерам. Основное

назначение этих сетей – обеспечить взаимодействие между сетя-

ми отделов и рабочих групп и создать доступ к корпоративным

базам данных независимо от того, на каких типах компьютеров

они располагаются и другим дорогостоящим сетевым ресурсам.

Именно на уровне сети кампуса

возникают проблемы интеграции

неоднородного аппаратного и программного обеспечения. Типы

компьютеров, сетевых операционных систем, сетевого аппарат-

ного обеспечения могут отличаться в каждом отделе. Отсюда вы-

текают сложности управления сетями кампусов. Администрато-

ры должны быть в этом случае более квалифицированными, а

средства оперативного управления сетью – более совершенными.

Корпоративные сети – сети масштаба всего предприятия

корпорации. Они могут охватывать большие территории, вплоть

до работы на нескольких континентах. Ввиду высокой стоимости

индивидуальных выделенных коммуникаций и плохой защищен-

ности от несанкционированного доступа коммутируемых каналов

связи они чаще всего используют коммуникационные возможно-

сти Интернета, и поэтому территориальное размещение для таких

сетей роли не играет. Число пользователей и компьютеров

может

измеряться тысячами, а число серверов – сотнями, расстояния

между сетями отдельных территорий могут оказаться такими, что

использование глобальных связей становится необходимым. Для

соединения удаленных локальных сетей и отдельных компьюте-

ров в корпоративной сети применяются разнообразные телеком-

муникационные средства, в том числе телефонные каналы, ра-

диоканалы, спутниковая связь. Непременным атрибутом такой

сложной

и крупномасштабной сети является высокая степень не-

однородности (гетерогенности) – нельзя удовлетворить потреб-

ности тысяч пользователей с помощью однотипных программных

и аппаратных средств. В корпоративной сети обязательно ис-

150

пользуются различные типы компьютеров – от мэйнфреймов до

персоналок, несколько типов операционных систем и множество

различных приложений.

В качестве иллюстрации примеров сетей можно привести

схему корпоративной сети Самарского государственного универ-

ситета. На рис. 4.8. изображена сеть управления бухгалтерского

учета и финансового контроля (УБУиФК), которая является по

приведенной выше классификации сетью отдела и имеет

сети ра-

бочих групп. Все рабочие станции сотрудников УБУиФК под-

ключены через этажный концентратор и имею выход к главному

файл-серверу, серверу баз данных, серверу приложений, а также

к почтовому серверу и WWW-серверу. Компьютеры финансово-

го, расчетного и материального отдела объединены в рабочие

группы и имеют общие принтеры, к которым

имеется доступ с

разных рабочих станций. Расчетный отдел имеет, кроме того,

общие дисковые накопители.

На рис. 4.9. представлена схема корпоративной сети универ-

ситета и сети кампуса (группы зданий на ул. Потапова и ул. Ака-

Сегмент серверов организации:

файл-сервер, сервер баз данных,

сервер приложений, почтовый

сервер, www-сервер, …

Этажный коммутатор

Главный

хгалте

Кассир

ФИНАНСОВЫЙ ОТДЕЛ

Рабочие станции, общие принтеры.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ ОТДЕЛ

Рабочие станции, общие принтеры.

РАСЧЕТНЫЙ ОТДЕЛ

Рабочие станции, общие принтеры, общие диски.

Рис. 4.8. Пример сети отдела