содержание   ..  1  2  3   ..

1.           

Классификация и принципы построения сетей связи различного назначения. Архитектура сетей

Компьютерной сетью называют совокупность узлов (компьютеров, терминалов, периферийных устройств), имеющих возможность информационного взаимо­действия друг с другом с помощью специального коммуникационного оборудо­вания и программного обеспечения.

Для начала проклассифицируем сети а) по масштабу и б) по системе передачи.

а) Размеры сетей варьируются в широких пре­делах — от пары соединенных между собой компьютеров, стоящих на соседних столах, до миллионов компьютеров, разбросанных по всему миру (часть из них может находиться и на космических объектах). По широте охвата принято деле­ние сетей на несколько категорий. Локальные вычислительные сети, ЛВС или LAN (Local-Area Network), позволяют объединять компьютеры, расположенные в ограниченном пространстве. Для локальных сетей, как правило, прокладывается специализированная кабельная система, и положение возможных точек подклю­чения абонентов ограничено этой кабельной системой. Иногда в локальных се­тях используют и беспроводную связь (wireless), но и при этом возможности пе­ремещения абонентов сильно ограничены. Локальные сети можно объединять в более крупномасштабные образования — CAN (Campus-Area Network — кампусная сеть, объединяющая локальные сети близко расположенных зданий), MAN (Metropolitan-Area Network — сеть городского масштаба), WAN (Wide-AreaNet­work — широкомасштабная сеть), GAN (Global-Area Network — глобальная сеть). Сетью сетей в наше время называют глобальную сеть — Интернет. Для более крупных сетей также устанавливаются специальные проводные или беспровод­ные линии связи или используется инфраструктура существующих публичных средств связи. В последнем случае абоненты компьютерной сети могут подклю­чаться к сети в относительно произвольных точках, охваченных сетью телефо­нии, ISDN или кабельного телевидения.

Немного подробнее о только что перечисленных категориях.

LAN.   Чаще всего это частные сети. Особенности этого типа сетей – в их размере, технологии передачи, топологии. Типичные размеры таких сетей были приведены в табличке. Скорости передачи в классических LAN составляют 4-100 Mbps (и выше в современных). Типичный фрагмент сети самой распространенной топологии приведен на рисунке.

Для предотвращения конфликтов, связанных с возможностью одновременного доступа к общему ресурсу шины сразу нескольких терминалов, вводятся разнообразные механизмы регулирования.

Другой широко распространенной топологией является "кольцо". В этой топологии организуется бесконфликтная работа всей сети посредством маркера, только обладатель которого может вести передачу.

Стандартами в этой области сетей являются стандарты IEEE 802.3 (Ethernet) для первой топологии и 802.5 (Token Ring) для второй*). Скорости в сетях Ethernetсоставляют 10 и 100 Mbps (Fast Ethernet), в сетях Token Ring – 4 и 16 Mbps.

Сети, в которых терминалы совместно используют общий канал, можно подразделить на статические и динамические в зависимости от способа распределения ресурсов.

В статических сетях распределение каналов может организовываться по принципу TDM (FDM используется крайне редко) либо по принципу RR (round robin). Последнее относится к классу "справедливых" распределений и заключается в циклическом обслуживании очереди каждого из терминалов (см. рис.).

В динамических сетях ресурс каждой станции выделяется по потребности и может меняться во времени. Управление ресурсом может быть централизованное и децентрализованное.

MAN. Примерами сетей данного класса служат сети FDDI и DQDB (Distributed Queue Double Bus). Вторая технология базируется на стандарте IEEE 802.6, а первая разработана ANSI. В дальнейшем в данном курсе эти сети будут рассмотрены более подробно.

WAN.  Сеть включает множество компьютеров, подразделяемых на пользовательские (host) и выполняющие функции маршрутизации. Host-машины связаны между собой коммуникационной подсетью (communication subnet или просто subnet), задачей которой является доводить сообщения одного host'а до другого. Любая "subnet" имеет две составляющие: 1) передающие линии (line, channel, в спутниковых и транкинговых системах – trunk); 2) коммутаторы – специализированные компьютеры, соединяющие 2 и более линии (также известны как nodes, routers, internode systems).

Другой очень обширный класс сетей составляют радиосети (Wireless).

Объединению разнородных сетей служат шлюзы (gateway, gate) (это универсальное понятие может означать, например, маршрутизаторы (routers, работают на сетевом уровне модели OSI) или мосты (bridges, работают на канальном уровне)).

б) По системе передачи сети можно разделить на широковещательные (broadcast) и построенные по принципу "точка-точка" (point-to-point).

BROADCAST

Имеют единый канал, который делится между всеми пользователями. Каждый пользователь передает сообщение в виде короткого пакета (в пакетных сетях, более подробно об этом будет сказано в дальнейшем), который принимается всеми остальными пользователями. При приеме каждый терминал проверяет адресную позицию пакета. Такие сети позволяют адресовать сообщение сразу всем, а также отдельной группе терминалов (broadcasting/multicasting). Адресация в группе возможна благодаря специальным образом сформированному адресному полю.

POINT-TO-POINT

Состоит из многих соединенных парами машин. Сообщение при следовании к получателю может проходить через множество узлов. Возможно много путей доведения. Важную роль играет алгоритм маршрутизации (routing). Заметим, что broadcasting/multicasting также возможны в таких сетях, однако требуют особой поддержки со стороны протокола маршрутизации.

Как правило, большие сети относятся ко второму типу (point-to-point), а небольшие к первому (broadcast). Существуют и сети со смешанным, «локально-широковещательным» типом передачи. Связь в таких сетях возможна на небольших (по сравнению с размерами сети) расстояниях, в результате передача в пределах небольших областей происходит в широковещательном режиме (как в broadcast сетях), а передача на большие расстояния – через множество промежуточных узлов (как в point-to-point сетях).

Коммутируемые и некоммутируемые сети.

При передаче данных по сети от одного пользователя к другому эти данные, как правило, проходят через некоторое количество промежуточных узлов. Передаваемая информация не имеет для них значения. Назначение этих узлов состоит в осуществлении функции коммутации, т.е. выборе следующего узла в маршруте, которому будут переданы данные. Таким образом, данные передаются от одного узла сети к другому, до тех пор, пока не достигнут оконечной станции-получателя. Подобная организация сети, при которой узлы могут выбирать следующий узел в маршруте, называется коммутируемой сетью. Коммутируемые сети обладают следующими характеристиками:

-          Некоторые узлы сети соединены только с другими узлами (а не с пользовательскими устройствами). Их назначение состоит в коммутации данных. К другим узлам сети подключены пользователи. Такие узлы как осуществляют коммутацию, так и принимают данные от пользователей и доставляют данные пользователям.

-          Звенья передачи между промежуточными узлами сети, как правило, мультиплексируются для передачи данных от многих пользователей.

-          Сеть, как правило, не является полносвязной, т.е. не между любой парой узлов есть звено связи. Однако, для обеспечения более высокой надежности сети желательно, чтобы между любой парой узлов было более одного возможного маршрута передачи данных.

В некоммутируемых сетях, напротив, связи между узлами жестко заданы и не могут быть изменены во время нормальной работы сети.

В коммутируемых сетях применяются две различные технологии коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов.

Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов: принципы работы и сравнение.

Сети с коммутацией каналов работают, образуя выделенное соединение (канал) между двумя точками. Например, телефонная сеть использует технологию с коммутацией каналов - телефонный вызов устанавливает канал от вызывающего телефона через локальную АТС, по линиям связи, к удаленной АТС, и, наконец, к вызываемому телефону. Пока существует канал, телефонное оборудование постоянно опрашивает микрофон. В случае цифровой сети данные от микрофона кодируются, и полученные значения в цифровой форме передаются его по этому каналу к получателю. Отправителю гарантируется, что опросы будут доведены и воспроизведены, так как канал обеспечивает скорость 64 Кбит/с, которой достаточно для передачи оцифрованного голоса.

Связь при использовании коммутации каналов включает три фазы:

1.                  Установление канала. Прежде, чем начнется передача данных, должен быть скоммутирован канал, соединяющий источник и получателя информации. При этом между узлами сети происходит обмен сигнализационной информацией. В результате этой фазы узлы вдоль установленного маршрута запоминают информацию о новом соединении.

2.                  Передача данных. При этом каждый из промежуточных узлов использует информацию, сохраненную на этапе установления канала, для определения следующего узла, которому необходимо передать информацию, относящуюся к данному соединению. В телефонных сетях передача может происходить в аналоговом или цифровом виде. На разных звеньях связи может использоваться разный принцип передачи.

3.                  Разъединение. Как правило, происходит по инициативе одной из сторон. В ходе разъединения сигнализационная информация передается вдоль всего маршрута. Благодаря этому противоположная сторона извещается о прекращении связи, а промежуточные узлы освобождают ресурсы, выделенные для данного соединения.

Таким образом, в сети с коммутацией каналов ресурсы должны быть выделены перед тем, как начнется передача данных. Каждый из промежуточных узлов сети должен обладать достаточным количеством свободных ресурсов в требуемом направлении (одном из направлений в случае нескольких возможных маршрутов).

Преимущество коммутации каналов заключается в ее гарантированной пропускной способности: как только канал создан, ни один сетевой процесс не уменьшит пропускной способности этого канала. Это же обстоятельство, однако, приводит и к серьезному недостатку сети с коммутацией каналов: потенциально неэффективному использованию каналов. Ресурсы сети занимаются даже в те моменты времени, в которые передачи данных не происходит. В случае голосового трафика использование канала может быть достаточно высоким, но в случае передачи данных между двумя компьютерами канал может простаивать большую часть времени. Также недостаток коммутации каналов заключается в наличии задержки перед передачей данных, требуемой для установления соединения. Однако после того как соединение установлено, данные могут передаваться с низкой задержкой, что является преимуществом данной архитектуры (таким образом, эти недостаток и преимущество вновь оказываются взаимосвязанными).

Примерно в 1970 году начались исследования в области создания новой архитектуры для передачи цифровых данных на большие расстояния – коммутации пакетов. Толчком к этому послужила потребность в создании живучих сетей, сохраняющих работоспособность при выходе из строя ряда узлов, и, более того, самостоятельно приспосабливающихся к таким изменениям. Как и в случае со многими новыми технологиями, данная технология первоначально имела военное применение. Несмотря на то, что с тех пор технология коммутации пакетов подверглась существенному развитию, в основе ее лежат принципы, заложенные еще в сетях начала 1970-х годов.

Сети с коммутацией каналов, созданные изначально для передачи голосового трафика, обладают рядом недостатков при использовании их для обмена данными между компьютерами:

-                   Для соединений между компьютерами характерен крайне неравномерный характер трафика: большую часть времени линия бездействует, зато в отдельные моменты времени передается большое количество данных.

-                   Канал имеет фиксированную пропускную способность, что ограничивает полезное использование сети.

Сети с коммутацией пакетов, тип обычно используемый при соединении компьютеров, используют совершенно другой подход, чем сети с коммутацией каналов. В сетях с коммутацией пакетов трафик сети делится на небольшие части, называемые пакетами, которые объединяются в высокоскоростных межмашинных соединениях. Пакет, который обычно содержит только несколько сотен или тысяч байт данных, имеет идентификатор, который позволяет компьютерам в сети узнавать, предназначен ли он им, и если нет, то помогает им определить, как послать его в указанное место назначения. Например, файл, передаваемый между двумя машинами, может быть разбит на большое число пакетов, которые посылаются по сети по одному. Оборудование сети доставляет пакеты к указанному месту назначения, а сетевое программное обеспечение собирает пакеты опять в один файл.

Преимущества коммутации пакетов заключаются в следующем:

-                   Канал связи используется более эффективно. Пакеты, предназначенные для передачи, ставятся в очередь, а затем передаются так быстро, как это возможно.

-                   Большое число соединений между компьютерами может работать одновременно, так как межмашинные соединения разделяются между всеми парами взаимодействующих машин. В то время как в сети с коммутацией каналов в случае сильной загрузки новые соединения перестали бы устанавливаться, в сети с коммутацией пакетов пакеты по-прежнему принимаются к передаче. При этом, однако, частота приема пакетов уменьшается, а время их доставки – увеличивается.

-                   При коммутации пакетов возможно использование приоритетов: пакеты с большим приоритетом могут иметь, например, меньшую задержку.

Недостатком сети с коммутацией пакетов является то, что по мере того как возрастает нагрузка в сети, данная пара взаимодействующих компьютеров получает все меньше сетевой пропускной способности. То есть, всякий раз, когда сеть с коммутацией пакетов становится перегруженной, компьютеры, использующие сеть, должны ждать, пока они не смогут послать следующие пакеты. Заметим, что данный недостаток напрямую связан с указанным выше достоинством – вместо фиксированной и гарантированной пропускной способности канала пользователи получают негарантированную пропускную способность, которая может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от загрузки сети. Таким образом, негарантированная пропускная способность является платой за высокую эффективность использования сети. Заметим также, что в сетях с коммутацией пакетов возможно применение специальных алгоритмов, управляющих качеством обслуживания пользователей. Это позволяет давать пользователям определенные гарантии в отношении характеристик качества обслуживания, подобно тому, как их дают сети с коммутацией каналов.

Независимая маршрутизация отдельных пакетов требует больших вычислительных ресурсов от узлов сети по сравнению с сетью с коммутацией каналов, однако позволяет уменьшить накладные расходы на начало обслуживания новой пары пользователей.

Несмотря на потенциальный недостаток негарантированной сетевой пропускной способности, сети с коммутацией пакетов стали очень популярными. Причинами их широкого использования являются стоимость и производительность. В связи с тем, что к сети может быть подключено большое число машин, требуется меньше соединений и стоимость остается низкой. Так как инженеры смогли создать высокоскоростное сетевое оборудование, с пропускной способностью обычно проблем не возникает.

Сравнительные характеристики сетей с коммутацией каналов и коммутацией пакетов можно свести в таблицу:

Как видно из вышесказанного, оба подхода – и коммутация каналов, и коммутация пакетов – обладают своими преимуществами и недостатками, причем зачастую одни и те же их характеристики могут выступать как преимущества или недостатки в зависимости от характера передаваемого трафика. Характеристиками трафика, делающими предпочтительным вариантом коммутацию каналов, являются:

-                   Постоянная требуемая пропускная способность.

-                   Чувствительность к задержке доставки.

Трафик, обладающий перечисленными характеристиками, называется потоковым (stream). Таковым является трафик в телефонных сетях. Многие мультимедийные приложения также создают потоковый трафик, например, передача звука или видео по сети.

В противоположность потоковому трафику, коммутация пакетов наиболее эффективна при следующих характеристиках трафика:

-                   Сильные перепады в скорости передачи информации.

-                   Задержка доставки обладает второстепенной значимостью, на первом месте стоит пиковая скорость передачи.

Такой трафик характерен, например, для передачи файлов или для просмотра страниц в Internet.

Анализ показывает, что задержка доставки информации в сети с коммутацией пакетов ниже, чем в сети с коммутацией каналов, при малых нагрузках в сети и в некотором диапазоне длин пакетов. При большой нагрузке в сети и при передаче длинных блоков данных коммутация каналов является более эффективной.

Наконец, отметим, что сервис, подобный сервису, предоставляемому сетью с коммутацией каналов, может быть предоставлен и сетью с коммутацией пакетов. При этом используются т.н. виртуальные каналы. Прежде, чем приступить к передаче данных, в сети определяется маршрут, по которому она будет происходить, и все узлы вдоль этого маршрута выделяют для нового соединения требуемое количество ресурсов и сохраняют информацию об этом соединении. После этого начинается передача данных. Данные передаются в виде пакетов, однако эти пакеты коммутируются не независимо, как это происходит в сети с коммутацией каналов, а передаются по заранее проложенному маршруту. После завершения передачи данных использовавшийся для нее канал разрушается. Таким образом, создается канал, соединяющий двух пользователей, работающий поверх пакетной сети. Такой канал называется виртуальным. Среднее значение и дисперсия времени доставки пакетов при использовании виртуального канала будут меньше, чем в случае независимой коммутации каждого отдельного пакета, поскольку ресурсы сети для передачи этих пакетов выделены заранее, а обработка пакетов осуществляется более простым образом. Таким образом, в сетях с коммутацией виртуальных каналов происходит перераспределение функциональности по сравнению с сетями с коммутацией пакетов: имеются определенные накладные расходы на установление соединения, но дальнейшая маршрутизация информации очень проста – данные передаются в соответствии с уже определенным маршрутом.

Технология коммутации виртуальных каналов позволяет устранить ряд недостатков, свойственных сетям с коммутацией каналов: виртуальные каналы могут обладать переменной пропускной способностью, что позволяет более гибко выбирать способ обслуживания пользователей в сети в зависимости от их потребностей. В результате предоставление гарантированных характеристик канала (в т.ч. пропускной способности) может сочетаться с высокой эффективностью использования сети. Более подробно об этом будет сказано в разделе, посвященном сетям ATM.

Инфраструктурные и безынфраструктурные сети.

Выше был описан традиционный подход к построению сети, основанный на подключении пользователей к некоторой инфраструктуре: линиям связи, базовым станциям (по беспроводному каналу), коммутационному оборудованию и т.п. Другой разновидностью сетей, получившей развитие в последнее время, являются безынфраструктурные сети. Отличительной особенностью таких сетей, как следует из их названия, является то, что для развертывания им не требуется инфраструктура (кабельные линии, базовые станции, коммутаторы и т.д.). Безынфраструктурные сети образуются непосредственно на месте пользовательскими терминалами (host), которые автоматически организуются в сеть и берут на себя все функции по передаче трафика. Сеть организуется по мере надобности, т.е. тогда, когда в ней возникает необходимость. Когда сеть становится не нужна, она распадается, а составлявшие ее устройства могут организовать новые сети, когда в них возникнет надобность. Сеть, организованная в соответствии с таким принципом, называется ad hoc сетью (от лат. для этого).

Ad hoc сети могут применяться, например, в зоне военных действий или стихийного бедствия – везде, где требуется быстро и с минимальными затратами развернуть сеть в условиях отсутствия информационной инфраструктуры. Абонентские устройства такой сети автоматически обнаруживают своих соседей, с которыми они могут поддерживать связь, и определяют маршруты передачи сообщений. В случае если прямая связь между двумя абонентами невозможна, другие абонентские устройства могут играть роль промежуточных узлов в маршруте, пропуская через себя транзитный трафик. Каждый узел сети является, таким образом, и оконечным устройством сети, и маршрутизатором. По мере перемещения абонентов они могут покидать сеть, к сети могут присоединяться новые абоненты, каналы между абонентами могут прерываться и возникать снова, т.е. топология сети пребывает в состоянии постоянной изменчивости. Узлы сети отслеживают эти изменения и, в случае необходимости, находят новые маршруты. Управление в такой сети является полностью распределенным, за счет чего обеспечивается ее высокая живучесть. Очевидно, что создание такой сети требует разработки новых протоколов, способных функционировать в условиях постоянно меняющейся топологии.

Другим примером ad hoc сетей являются сети датчиков (сенсорные сети). Сеть датчиков образуется большим количеством сенсорных узлов, каждый из которых обладает возможностями по сбору информации об окружающей его среде, обработке этой информации и обмену сообщениями с соседними узлами. Сенсорный узел является миниатюрным (в идеале – размером с пылинку) ненадежным устройством с сильно ограниченными ресурсами, работающим в полностью автономном режиме. Сенсорные узлы размещаются произвольным заранее неизвестным образом (например, рассеиваются с самолета, или добавляются в конструкционные материалы), и способны поддерживать связь друг с другом на небольшом расстоянии. Сенсорные узлы могут выходить из строя и возобновлять свою работу, при этом они в большинстве случаев являются неподвижными. За счет взаимодействия, «сотрудничества» огромного количества маломощных ненадежный устройств, самоорганизации, а также большой степени информационной и функциональной избыточности, сенсорная сеть в целом обладает огромными возможностями по сбору и обработке информации и очень высокой надежностью.

Сенсорные сети могут применяться для решения многих задач: для мониторинга состояния окружающей среды и обнаружения источников загрязнения, для изучения животных и обнаружения лесных пожаров, для наблюдения за погодой на улице и климатом в помещении, в разведке и наблюдении за противником, для наблюдения за состоянием пациентов, для создания «умной среды» в обучении детей, и в огромном числе других задач практически во всех областях человеческой деятельности. Возможно, повсеместное внедрение сенсорных сетей будет иметь эффект даже больший, чем появление Internet – оно объединит компьютеры с реальным миром, позволит глобальной сети непосредственно взаимодействовать с людьми и предметами.

На данный момент создаются первые экспериментальные сети датчиков. Несмотря на то, что их параметры еще очень далеки от желаемых (например, сенсорные узлы имеют характерные размеры порядка единиц и десятков сантиметров), уже сегодня они могут решать многие практические задачи.

Традиционно ad hoc сети строятся на основе коммутации пакетов. Однако в ряде случаев коммутация каналов является более выгодной технологией при построении ad hoc сетей. Например, для сетей датчиков свойственен сильно пульсирующий трафик: сенсорные узлы большую часть времени могут находиться в неактивном состоянии, однако обнаружение какого-либо события приведет к всплеску трафика в сети. Очевидно, что в этом случае предпочтительной является коммутация пакетов. В то же время, для ad hoc сетей, предназначенных для передачи потокового трафика (например, голоса в сети, созданной для переговоров спасателей) более перспективной может быть коммутация каналов.

Магистральные сети и сети доступа.

Принято делить территориальные транспортные средства, используемые для построения сети, на две большие категории:

·        магистральные средства,

·        средства доступа.

Магистральные средства используются для образования связей между крупными локальными сетями. Магистральные территориальные сети должны обеспечивать высокую пропускную способность, так как на магистрали объединяются потоки большого количества подсетей. Кроме того, магистральные сети должны быть постоянно доступны, то есть поддерживать очень высоким коэффициент готовности. Ввиду особой важности магистральных средств им может "прощаться" высокая стоимость. Так как обычно имеется не так уж много крупных сетей, то к магистральным средствам не предъявляются требования поддержания разветвленной инфраструктуры доступа.

Обычно в качестве магистральных средств используются цифровые выделенные каналы со скоростями от 2 Мб/с до 622 Мб/c, сети с коммутацией пакетов framerelay, АТМ, Х.25 или TCP/IP.

Под средствами доступа понимаются средства, необходимые для связи небольших локальных сетей и удаленных отдельных компьютеров с магистральными сетями.

К средствам доступа предъявляются требования, существенно отличающиеся от требований к магистральным средствам. Так как точек доступа может быть очень много, то одним из основных требований является наличие разветвленной инфраструктуры доступа. Кроме того, стоимость доступа должна быть умеренной, чтобы экономически оправдать затраты на подключение десятков или сотен абонентов. При этом требования к пропускной способности у отдельного компьютера или локальной сети, состоящей из двух-трех клиентов, обычно укладываются в диапазон нескольких десятков или сотен Кб/c.

В качестве транспортных средств доступа используются телефонные аналоговые сети, сети ISDN. Для высокоскоростного доступа к сети Internet используются технологии семейства xDSL (сигнал передается в дополнительной полосе частот по абонентским линиям телефонной сети) и кабельные линии связи (сигнал передается по линиям кабельного телевещания).

содержание   ..  1  2  3   ..