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

Подождите немного. Документ загружается.

151

демика Павлова). Между корпусами (зданиями) университета

проложены оптоволоконные линии связи, а также один (резерв-

ный) радиоканал. Университет также имеет свой оптоволокон-

ный канал связи до междугородней телефонной станции для под-

ключения к глобальным сетям. Удаленный корпус на ул. Некра-

сова, филиал университета в г. Тольятти и представительства в

городах Сызрань и

Похвистнево имеют доступ к корпоративной

информации университета по сети Интернет.

На рисунке 4.10. представлена принципиальная схема цен-

трального коммуникационного узла университета, расположен-

ного в одном из зданий на ул. Академика Павлова. В этот узел

сосредоточены все коммуникации, средства управления сетью и

основные корпоративные сервера. На рисунке 4.11 в качестве

примера представлена принципиальная

схема одного из зданий

кампуса (корпус на ул. Потапова).

4.7. Требования к компьютерным сетям

Главным требованием, предъявляемым к сетям, является вы-

полнение сетью того набора услуг, для оказания которых она

предназначена. Все остальные требования – производительность,

надежность, совместимость, управляемость, защищенность, рас-

ширяемость и масштабируемость – связаны с качеством выпол-

нения этой основной задачи.

К основным характеристикам производительности сети отно-

сятся: время реакции, пропускная способность и задержка пере

дачи. Время реакции определяется как время между возникнове-

нием запроса к какому-либо сетевому сервису и получением от-

вета на него. Пропускная способность отражает объем данных,

переданных сетью в единицу времени. Задержка передачи равна

интервалу между моментом поступления пакета на вход какого-

либо сетевого устройства и моментом его появления на

выходе

этого устройства.

Для оценки надежности сетей используются различные харак-

теристики, в том числе: коэффициент готовности, означающий

долю времени, в течение которого система может быть использо-

вана; безопасность, то есть способность системы защитить дан-

ные от несанкционированного доступа; отказоустойчивость –

152

способность системы работать в условиях отказа некоторых ее

элементов.

Совместимость означает, что сеть способна включать в себя

самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение.

Управляемость сети подразумевает возможность централизо-

ванно контролировать состояние основных элементов сети, выяв-

лять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, вы-

полнять анализ производительности и планировать развитие сети

Расширяемость означает возможность сравнительно легкого

добавления и наращивания длины сегментов сети и замены суще-

ствующей аппаратуры более мощной.

Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать

количество узлов и протяженность связей в очень широких пре-

делах, при этом производительность сети не ухудшается.

Прозрачность – свойство сети скрывать от пользователя де-

тали своего внутреннего

устройства, упрощая тем самым его ра-

боту в сети.

Качество обслуживания определяет количественные оценки

вероятности того, что сеть будет передавать определенный поток

данных между двумя определенными узлами в соответствии с

потребностями приложения или пользователя.

Контрольные вопросы к главе 4

1. Какие аппаратные средства обеспечивают связь компьютера с

периферийным устройством?

2. Какие программные

средства участвуют в обмене информации

компьютера с периферийным оборудованием?

3. Назовите основные топологии физических связей в сети.

4. Назовите недостатки и преимущества топологий «общая шина»

и «дерево».

5. Перечислите основные топологические элементы сети.

6. Назовите основные типы адресации узлов сети.

7. Изобразите в виде графа принцип организации доменной сим-

вольной адресации.

8. Каковы цели

маршрутизации в сети?

9. Назовите основные способы маршрутизации.

10. Назовите основные виды коммутации потоков в сети. В чем

заключаются их преимущества и недостатки?

153

Рис. 4.9. Схема сети кампуса

154

Рис. 4.10.

155

Рис. 4.11.

156

ГЛАВА 5

ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

5.1. Многоуровневые протоколы

Процесс передачи информации по каналам связи представляет

собой достаточно сложную задачу. В конечном счете, отправи-

тель и получатель должны оперировать понятными приложениям

данными, например, текстовый файл. На самом деле информация

передается по физическим каналам связи в виде электрических

или оптических сигналов (для медного кабеля и оптоволоконных

линий соответственно), либо радиоволн (например

, спутниковые

каналы связи). Указанные процессы преобразования должны

пройти несколько стадий. На каждой стадии должны быть уста-

новлены определенные стандарты, позволяющие унифицировать

применение различных аппаратно-программных средств.

В компьютерных сетях идеологической основой стандартиза-

ции является многоуровневый подход к разработке средств сете-

вого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была раз-

работана

стандартная семиуровневая модель взаимодействия от-

крытых систем, ставшая своего рода универсальным языком се-

тевых специалистов.

Такой подход заключается в следующем. Все множество

модулей, решающих частные задачи организации сетевого взаи-

модействия, разбивают на группы и упорядочивают по уровням,

образующим иерархию. В соответствии с принципом иерархии

для каждого промежуточного уровня можно указать непосредст

венно примыкающие к нему соседние вышележащий и нижеле-

жащий уровни. Группа модулей, составляющих каждый уровень,

должна быть сформирована таким образом, чтобы все модули

этой группы для выполнения своих задач обращались с запроса-

ми только к модулям соседнего нижележащего уровня. С другой

стороны, результаты работы всех модулей, отнесенных к некото-

157

рому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего

вышележащего уровня. Такая иерархическая декомпозиция зада-

чи предполагает четкое определение функции каждого уровня и

интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор

функций, которые нижележащий уровень предоставляет выше-

лежащему. В результате иерархической декомпозиции достигает-

ся относительная независимость уровней, а значит, возможность

их автономной разработки и

модификации. Количество уровней,

их названия, содержание и назначение разнятся от сети к сети.

Однако во всех сетях целью каждого уровня является предостав-

ление неких служб для более верхних уровней, скрывая, таким

образом, от верхних уровней детали реализации предоставляемо-

го сервиса.

Уровень n одной машины поддерживает связь с уровнем n

другой машины.

Правила и соглашения, используемые в данном

общении, называются протоколом уровня n. По сути, прото-

кол является договоренностью общающихся сторон о том, как

должно происходить общение. Объекты, включающие в себя со-

ответствующие уровни на различных машинах, называются од-

норанговыми или равноправными узлами. Именно они об-

щаются при помощи протокола. В действительности, данные

не

пересылаются с уровня n одной машины на уровень n другой ма-

шины. Вместо этого каждый уровень передает данные и управле-

ние уровню, лежащему ниже, пока не достигается самый нижний

уровень. Ниже первого уровня располагается физический носи-

тель, по которому и производится обмен информацией. Между

каждой парой смежных уровней находится интерфейс

, опреде-

ляющий набор примитивных операций, предоставляемых ниж-

ним уровнем верхнему. В сущности, протокол и интерфейс вы-

ражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними

закрепили разные области действия: протоколы определяют пра-

вила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а

интерфейсы – правила взаимодействия модулей соседних уров-

ней в одном узле.

На рис. 5.1 представлена принципиальная схема взаимодейст-

вия двух узлов, причем виртуальное общение показано пункти-

ром, а физическое – сплошными линиями.

158

Междууровневый

интерфейс 1/2

Междууровневый

интерфейс 2/3

Междууровневый

интерфейс 3/4

Протокол уровня 1

Протокол уровня 2

Протокол уровня 3

Протокол уровня 4

Физический уровень

Уровень 4

Уровень 3

Уровень 2

Уровень 1

Уровень 4

Уровень 3

Уровень 2

Уровень 1

Рис.5.1. Схема взаимодействия двух узлов

Набор уровней и протоколов называется архитектурой

сети. Спецификация архитектуры должна содержать достаточно

информации для написания программного обеспечения или соз-

дания аппаратуры для каждого уровня, так чтобы они корректно

выполняли требования протокола. Ни детали реализации, ни спе-

цификации интерфейсов не являются частями архитектуры, так

как они

спрятаны внутри машины и не видны снаружи. При этом

даже не требуется, чтобы интерфейсы на всех машинах сети были

одинаковыми, лишь бы каждая машина правильно применяла все

протоколы. Иерархически организованный набор протоколов,

достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, на-

зывается стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как

программно

, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто

реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а

протоколы верхних уровней – как правило, чисто программными

средствами. Программный модуль, реализующий некоторый про-

токол, часто для краткости также называют «протоколом». По-

нятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован

с разной степенью эффективности. Точно

так же и протокол мо-

жет иметь несколько программных реализаций. Именно поэтому

при сравнении протоколов следует учитывать не только логику

159

их работы, но и качество программных решений. Более того, на

эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество

всей совокупности протоколов, составляющих стек, в частности,

насколько рационально распределены функции между протоко-

лами разных уровней и насколько хорошо определены интерфей-

сы между ними.

Протоколы реализуются не только компьютерами, но и дру-

гими сетевыми

устройствами – концентраторами, мостами, ком-

мутаторами, маршрутизаторами и т. д. В зависимости от типа

устройства в нем должны быть встроенные средства, реализую-

щие тот или иной набор протоколов.

Чтобы было проще понять идею многоуровневого общения,

можно воспользоваться следующей аналогией, представленной

на рис. 5.2.

Руководители фирм из России (руководитель 1) и Японии (ру-

ководитель 2)

договорились установить деловые отношения. По

договоренности (протоколу между руководителями) руководи-

тель 1 должен представить свои предложения руководителю 2.

Для этого руководитель 1 подготовил текст документа и передал

его своему переводчику, используя какой-то принятый интерфейс

общения с ним (например, передача текста в бумажном или элек-

тронном виде) с указанием доставить руководителю 2 на япон-

ском

языке.

Руководителя 1 после этого не интересует, каким образом пе-

реводчик доставит сообщение дальше. Он уверен лишь в том, что

его поручение будет выполнено до конца. Однако переводчик 1

не знает японского языка, а переводчик 2 не знает русского, но

оба знают французский. По договоренности (протоколу между

переводчиками) переводчик 1 переводит документ на француз-

ский язык и передает текст секретарю 1, используя свой интер-

фейс общения с ним.

Наконец секретарь 1 передает текст секретарю 2 при помощи

протокола общения между переводчиками (электронная почта,

факс, почтовое отправление и т.п.). Причем секретарю 1 не важно

содержание текста. Ему важно доставить конкретный текст

именно секретарю 2, а не кому-либо другому. Далее

текст анало-

гичным образом поднимается с уровня секретаря 2 через перево-

дчика 2 к руководителю 2.

160

Переводчик 1 Переводчик 2

Секретарь 1 Секретарь 2

Руководитель 2Руководитель 1

русский

текст

франц.

текст

франц.

текст

японский

текст

Рис.5.2. Пример многоуровнего общения

Описанная декомпозиция сложной задачи передачи информа-

ции на уровни позволяет достаточно широко варьировать в выбо-

ре аппаратных и программных компонентов. Например, замена

переводчика 1 другим человеком (аналог аппаратной части) не

повлияет на процесс передачи сообщения, потому что другой пе-

реводчик будет реализовывать сложившийся протокол с перево-

дчиком 2, а

также интерфейсы с руководителем 1 и секретарем 1.

Аналогично замена способа передачи текста между переводчи-

ком 1 и секретарем 1 (интерфейса) не повлияет на решение всей

задачи передачи сообщений между руководителями.

5.2. Разработка уровней

При создании компьютерных сетей на некоторых уровнях

возникает ряд ключевых проблем, которые должны решать соот-