Классификация компьютерных сетей

Компьютерные сети классифицируются по различным признакам, рассмотрим некоторые из них.

А. Территориальный признак (масштаб)

КС часто условно делят на три большие категории: глобальные сети (Wide Area Network – WAN), региональные (городские) сети (Metropolitan Area Network – MAN) и локальные сети (Local Area Network – LAN).
В нашей стране локальные сети распространены гораздо больше, чем городские или глобальные. Традиционное сокращение для локальных сетей – ЛВС (локальная вычислительная сеть).

Глобальные сети позволяют организовать взаимодействие между абонентами на больших расстояниях. Эти сети работают на относительно низких скоростях и могут вносить значительные задержки в передачу информации. Протяженность глобальных сетей может составлять тысячи километров, поэтому они так или иначе интегрированы с сетями масштаба страны.

Городские сети позволяют взаимодействовать на территориальных образованиях меньших размеров и работают на скоростях от средних до высоких, но не могут обеспечить взаимодействие на больших расстояниях. Протяженность городских сетей находится в пределах от десятков до сотен километров.

Локальные вычислительные сети обеспечивают наивысшую скорость обмена информацией между компьютерами. Типичная локальная сеть занимает пространство в пределах одного здания. Протяженность локальных сетей составляет около одного километра. Их основное назначение состоит в объединении пользователей для совместной работы. Такие сети организуются внутри здания, этажа или комнаты.

В отдельный класс необходимо выделить корпоративную сеть. Слово «корпорация» означает объединение предприятий (отделов или служб предприятия), работающих под централизованным управлением и решающих общие задачи. Корпорация является сложной, многопрофильной структурой и вследствие этого имеет распределенную иерархическую систему управления. Кроме того, предприятия, отделения и административные офисы, входящие в корпорацию, как правило, расположены на достаточном удалении друг от друга. Для централизованного управления таким объединением предприятий используется корпоративная сеть.Обязательными компонентами корпоративной сети являются локальные сети (LAN), связанные между собой. В ее состав могут входить сети типа WAN и MAN, предназначенные для связи отделений и административных офисов корпорации. Таким образом, это своеобразная ЛВС, предназначенная для обеспечения решения задач корпорации в определенной предметной области.

Б. Способы коммутации и передачи данных

В настоящее время различают системы передачи данных с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема–передачи абонентских пунктов и ЭВМ постоянно соединены между собой, т. е. находятся в режиме «on-line». В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линий связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.

При коммутации абонентских пунктов и ЭВМ только на время передачи информации (режим «off-line») принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: каналов, сообщений и пакетов.

Коммутация каналов. Способ коммутации каналов заключается в установлении физического канала связи для передачи данных непосредственно между абонентами сети. При использовании коммутируемых каналов тракт (путь) передачи данных образуется из самих каналов связи и устройств коммутации, расположенных в узлах связи.

Установление соединения заключается в том, что абонент посылает в канал связи заданный набор символов, прохождение которых по сети через соответствующие узлы коммутации вызывает установку нужного соединения с вызываемым абонентом. Этот транзитный канал образуется в начале сеанса связи, остается фиксированным на период передачи всей информации и разрывается только после завершения передачи информации.

Такой способ соединения используется в основном в сетях, где требуется обеспечить непрерывность передачи сообщений (например, при использовании телефонных каналов связи и абонентского телеграфа). В этом случае связь абонентов возможна только при условии использования ими однотипной аппаратуры, одинаковых каналов связи, а также единых кодов.

К достоинствам данного способа организации соединения абонентов сети следует отнести:

– гибкость системы соединения в зависимости от изменения потребностей;

– высокую экономичность использования каналов, достигаемую за счет их эксплуатации только в течение времени установления связи и непосредственно передачи данных;

– невысокие расходы на эксплуатацию каналов связи (на порядок меньше, чем при эксплуатации некоммутируемых линий связи).

Способ коммутации каналов более оперативный, так как позволяет вести непрерывный двусторонний обмен информацией между двумя абонентами.

Недостатками коммутируемых каналов связи является необходимость использования специальных и коммутирующих устройств, которые снижают скорость передачи данных и достоверность передаваемой информации. Использование специальных методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности передачи информации в сети, влечет за собой снижение скорости передачи данных за счет:

увеличения объема передаваемой информации, вызванного необходимостью введения избыточных знаков;

потерь времени на кодирование информации в узле-передатчике и декодирование, логический контроль и другие преобразования в узле-приемнике.

Коммутация сообщений.При коммутации сообщений поступающая на узел связи информация передается в память узла связи, после чего анализируется адрес получателя. В зависимости от занятости требуемого канала сообщение либо передается в память соседнего узла, либо устанавливается в очередь для последующей передачи. Таким образом, способ коммутации сообщений обеспечивает поэтапный характер передачи информации. В этом случае сообщения содержат адресный признак (заголовок), в соответствии с которым осуществляется автоматическая передача информации в сети от абонента-передатчика к абоненту-приемнику. Все функции согласования работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей сообщений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) коммутации сообщений. Основное функциональное назначение центра коммутации сообщений – обеспечить автоматическую передачу информации от абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и требованиями к качеству и надежности связи.

Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (которая в этом случае может достигать 80, 90% от максимального значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется одновременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования возможно совместное применение перечисленных методов коммутации, основой которого служат следующие условия:

– использование в одном и том же узле связи аппаратуры для коммутации каналов и для коммутации сообщений (тот или иной способ коммутации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);

– организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уровней иерархии и коммутацией сообщений для нижних уровней.

Коммутация пакетов.Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ методов коммутацией каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В этом отношении указанный метод близок к методу коммутации каналов.

При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, т. е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при методе коммутации сообщений.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами.

Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов:

– в системах первого типа устройство коммутации анализирует адрес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необходимый для передачи информации;

– в системах второго типа пакеты рассылаются по всем каналам и терминалам, каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализировав адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным, осуществляет прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.

Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип применим для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.

В. Технология выполнения сети (техническая реализация)

Механизмы передачи данных в локальных и глобальных сетях существенно отличаются. Глобальные сети ориентированы на соединение – до начала передачи данных между абонентами устанавливается соединение. В локальных сетях используются методы, не требующие предварительной установки соединения, – пакет с данными посылается без подтверждения готовности получателя к обмену.

В табл. 4.1 перечислены основные технологии, используемые в тех или иных сетях и подробно рассматриваемые ниже [11].

Таблица 4.1

Технологии и сети

Кроме разницы в скорости передачи данных между этими категориями сетей существуют и другие отличия. В локальных сетях каждый компьютер имеет сетевой адаптер, который соединяет его со средой передачи. Городские сети содержат активные коммутирующие устройства, а глобальные сети обычно состоят из групп мощных маршрутизаторов пакетов, объединенных каналами связи.

Г. Структура построения (топология): а) радиальная (звездообразная), б) кольцевая, в) многосвязная («каждый с каждым»), г) «общая шина, магистраль», д) иерархическая и др. (рис. 4.1), где символом «К» обозначено устройство коммутации физических линий связи.

Д. Возможность использования

Частные сети (private) – ЛВС организации, корпорации, которые могут быть физически отделены от внешних пользователей;

Рис. 4.1

сети общего пользования (public) – сети телекоммуникаций, связывающие ЛВС: АТС, узлы радио- и космической связи и т. п.

Ж. Совместимость

Однородные (гомогенные) сети – это сети, состоящие из программно-совместимых ЭВМ;

неоднородные (гетерогенные) сети – это сети, состоящие из программно-несовместимых ЭВМ.

4.2. Принципы передачи информации в ЛВС

4.2.1. Эталонная модель OSI [11, 40]

Все устройства, работающие в одной сети, должны «общаться на одном языке» – передавать данные в соответствии с общеизвестным алгоритмом в формате, который будет понят другим устройством. Однако в некоторых случаях возникают ситуации, когда два устройства «не понимают» друг друга. Различные компании, даже работающие в одной отрасли, имеют различные приоритеты, подходы к построению сети и т. д. Различия во взглядах разработчиков на фундаментальные основы сети могут привести к несовместимости устройств. Самые первые сети вообще были работоспособны только при условии, что все их компоненты поставлялись одним производителем. Это приводило к тому, что заказчики группировались вокруг ведущих производителей, образовывая как бы клубы, вход в которые был закрыт для приверженцев других фирм. При таком положении вещей замена существующего сетевого оборудования продуктами других производителей означала серьезные денежные затраты.

Взаимодействие устройств подразумевает, что все устройства следуют общепризнанным правилам. Для одобрения этих правил были созданы специальные комитеты и институты по стандартизации. Данные организации формируются из представителей фирм в определенной области промышленности, которые добровольно предлагают свою помощь. Эти добровольцы занимаются разработкой и утверждением стандартов, которые должны поддерживаться любым продуктом, претендующим на соответствие стандарту. Продукты, не соответствующие стандартам, могут вызывать проблемы в сети. Большинство производителей понимают важность предоставления заказчикам стандартизованных продуктов для построения гибких и открытых сетей.

В 1984 г. с целью упорядочения описания принципов взаимодействия устройств в сетях Международная организация по стандартизации (International Organization of Standardization – ISO) предложила семиуровневую эталонную коммуникационную модель «Взаимодействие открытых систем» (Open System Interconnection – OSI). Модель OSI стала основой для разработки стандартов на взаимодействие систем. Она определяет только схему выполнения необходимых задач, но не дает конкретного описания их выполнения. Это осуществляется конкретными протоколами или правилами, разработанными для определенной технологии с учетом модели OSI. Уровни OSI могут реализовываться как аппаратно, так и программно.

Как правило, обмен данными между абонентами сети осуществляется с помощью фиксированных блоков (фрагментов), которые называют пакетами. Любой пакет независимо от типа и структуры ЛВС включает в себя следующие элементы, представленные на рис.4.2.

Рис. 4.2

Существует семь основных уровней модели OSI (табл. 4.2). Они начинаются с физического уровня и заканчиваются прикладным. Каждый уровень предоставляет услуги для более высокого уровня. Седьмой уровень обслуживает непосредственно пользователей.

Таблица 4.2

Уровни модели OSI

Следование стандартам позволяет достичь того, что оборудование работает одинаково независимо от поставщика, т. е. оборудование является совместимым. Помимо прочего, это избавляет от тягостной зависимости от одного-единственного поставщика, появляется свобода выбора.

Модель OSI послужила основой для стандартизации всей сетевой индустрии. Кроме того, модель OSI является хорошей методологической основой для изучения сетевых технологий. Несмотря на то, что были разработаны и другие модели (в основном патентованные), большинство поставщиков сетевого оборудования определяет свои продукты в терминах эталонной модели OSI.

Она сводит передачу информации в сети к семи относительно простым подзадачам. Два самых низких уровня модели OSI реализуются как аппаратно, так и программно. Остальные пять уровней в основном программные.

Модель OSI описывает путь информации через сетевую среду от одной прикладной программы на одном компьютере до другой программы на другом компьютере (рис. 4.3). При этом пересылаемая информация проходит вниз через все уровни системы. Взаимодействие между разными системами реализуется только на физическом уровне. По мере прохождения информации вниз внутри системы она преобразуется в вид, удобный для передачи по физическим каналам связи. Для указания адресата к этой преобразованной информации добавляется заголовок с адресом. После получения адресатом этой информации она проходит через все уровни наверх. По мере прохождения информация преобразуется в первоначальный вид. Каждый уровень системы использует услуги, предоставляемые ему смежными уровнями.

Основная идея модели OSI в том, что одни и те же уровни в разных системах, не имея возможности связываться непосредственно, должны работать абсолютно одинаково.

Эталонная модель OSI не определяет реализацию сети, она только описывает функции каждого уровня и общую схему передачи данных в сети. Она служит основой сетевой стратегии в целом.

Рис. 4.3

Протоколы и интерфейсы

Чтобы упростить проектирование, анализ и реализацию обмена сообщениями между компьютерами, эту процедуру разбивают на несколько иерархически связанных между собой подзадач.

При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны следовать множеству соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля и т. п. Соглашения должны быть едиными для всех уровней, от самого низкого уровня передачи битов до самого высокого уровня, определяющего интерпретацию информации.

Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений на одном уровне, называются протоколами. Иерархически организованная совокупность протоколов называется стеком коммуникационных протоколов.

Протоколы соседних уровней на одном узле взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами, описывающими формат сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему.

В модели OSI различается два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения (Connection-Oriented Network Service – CONS) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать протокол, который они будут использовать. После завершения диалога они должны разорвать соединение.

Вторая группа протоколов – протоколы без предварительного установления соединения (Connectionless Network Service – CLNS). Они называются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово. В сетях используются как те, так и другие протоколы.

4.2.3 Уровни модели OSI

Физический уровень

Физический уровень – самый низкий в модели OSI. На данном уровне определяются электрические, механические, функциональные и иные параметры реализации физической связи. Физический уровень описывает процесс прохождения сигналов через среду передачи между сетевыми устройствами. Ею могут быть медный кабель (коаксиальный кабель, витая пара и т. д.), оптоволокно, радиоканал. Поэтому к физическому уровню относятся характеристики сред передачи: полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов: фронты импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, типы кодирования, скорости передачи сигналов. Кроме того, стандартизуются типы разъемов и определяется назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. В компьютере физический уровень поддерживается сетевым адаптером. Единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне, являются повторители.

Канальный уровень

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных через физический канал. Канальный уровень оперирует блоками данных, называемыми кадрами (frame). В локальных сетях используется разделяемая среда передачи. Основным назначением канального уровня является прием кадра из сети и отправка его в сеть. Функции канального уровня реализуются установленными в компьютерах сетевыми адаптерами и соответствующими драйверами, а также различным коммуникационным оборудованием: мостами, коммутаторами, маршрутизаторами. Эти устройства должны:

– формировать кадры.При этом происходят формирование заголовка и размещение данных, поступивших с более высокого уровня. Кадры могут быть информационными и служебными;

– анализировать и обрабатывать кадры;

– принимать кадры из сети и отправлять их в сеть.

– При выполнении этой задачи канальный уровень осуществляет:

– физическую адресацию передаваемых сообщений;

– соблюдение правил использования физического канала;

– выявление неисправностей;

– управление потоками информации.

Канальный уровень обеспечивает правильность передачи каждого кадра, добавляя к кадру его контрольную сумму. Получатель кадра проверяет достоверность полученных данных путем сравнения вычисленной и переданной с кадром контрольных сумм. Тем не менее такая схема применяется не всегда, например, в технологии ATM формирование поля проверки ошибок в заголовке ячейки на передающей стороне, а также обнаружение ошибок и их исправление на приемной стороне реализованы на физическом уровне.

Сетевой уровень

На сетевом уровнерешаются вопросы объединения сетей с разными топологиями и принципами передачи данных между конечными узлами для образования единой транспортной системы. Здесь сеть является не просто объединением компьютеров, а соединением по одной из типовых технологий, использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня. На сетевом уровне решаются вопросы обмена данными между сетями. Обмен данными осуществляется порциями, которые называются пакетами. Каждый пакет кроме адреса компьютера снабжается адресом сети как получателя, так и отправителя.

Для соединения сетей используется маршрутизатор, который собирает информацию о топологии межсетевых соединений. На пути передачи пакета между конечными узлами, находящимися в разных сетях, возможно, находятся другие промежуточные сети, через которые необходимо сделать транзитные передачи. Таким образом, пакет проходит через несколько маршрутизаторов, которые образуют маршрут. Таких маршрутов может быть несколько. Проблема выбора наилучшего маршрута является главной задачей на сетевом уровне, решение которой возлагается на маршрутизатор. Критерии выбора могут быть следующими – время передачи пакета, надежность передачи.

На данном уровне решаются вопросы согласования разных технологий, оптимизации информационных потоков между сетями.

На сетевом уровне выделяются два вида протоколов – это сетевые протоколы, с помощью которых осуществляется продвижение пакетов через сеть. К ним можно отнести и так называемые протоколы маршрутизации, с помощью которых маршрутизаторы обмениваются маршрутной информацией. Второй вид протокола – протокол разрешения адресов, который отвечает за преобразование адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети.

Транспортный уровень

На транспортном уровнерешаются вопросы обеспечения надежности передачи данных, обнаружения и исправления ошибок передачи (искажение, потеря и дублирование пакетов). Модель OSI предполагает пять классов сервиса, которые определяются качеством предоставляемых услуг по надежности. Задача выбора класса сервиса не только решается приложениями и протоколами более высоких уровней, но и зависит от уровня надежности, который обеспечивается более низкими уровнями (сетевым, канальным, физическим). Если качество каналов связи, например, отечественных телефонных линий оставляет желать лучшего, то разумно использовать более развитый сервис транспортного уровня по обеспечению надежности передачи данных.

Протоколы транспортного уровня и выше реализуются программными средствами узлов сети, компонентами сетевых систем.

Сеансовый уровень

На сеансовом уровнереализуются средства синхронизации, при помощи которых в длинных передачах устанавливаются специальные контрольные точки для возможного отката в случае сбоя не в начало, а на последнюю контрольную точку. Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом между конечными узлами.

Отдельные протоколы сеансового уровня обычно не используются. Его функции реализуются в протоколах прикладного уровня.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: