ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Классификация компьютерных сетей по типу передачи данных

Если смотреть в общих чертах, существуют два типа технологии передачи:

• широковещательные сети;
• сети с передачей от узла к узлу.

Широковещательные сети. Обладают единым каналом связи, совместно ис­пользуемым всеми машинами сети. Короткие сообщения, называемые в не­которых случаях пакетами, которые посылаются одной машиной, получают все машины. Поле адреса в пакете указывает, кому направляется сообщение. При получении пакета машина проверяет его адресное поле. Если пакет адре­сован этой машине, она его обрабатывает. Пакеты, адресованные другим ма­шинам, игнорируются.

Широковещательные сети также позволяют адресовать пакет одновремен­но всем машинам с помощью специального кода в поле адреса. Когда переда­ется пакет с таким кодом, его получают и обрабатывают все машины сети. Та­кая операция называется широковещательной передачей. Некоторые широко­вещательные системы также предоставляют возможность посылать сообщения подмножеству машин, и это называется многоадресной передачей. Одной из возможных схем реализации этого может быть резервирование одного бита для признака многоадресной передачи. Оставшиеся л-1 разрядов адреса могут со­держать номер группы. Каждая машина может «подписаться» на одну, несколь­ко или все группы. Когда пакет посылается определенной группе, он достав­ляется всем машинам, являющимся членами этой группы.

Сети с передачей от узла к узлу. Состоят из большого количества соединен­ных пар машин. В сети подобного типа пакету, чтобы добраться до пункта на­значения, необходимо пройти через ряд промежуточных машин. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника до получателя, по­этому алгоритмы вычисления таких путей играют очень важную роль в сетях с передачей от узла к узлу. Обычно (хотя имеются и исключения) небольшие, географически локализованные в одном месте сети используют широковеща­тельную передачу, тогда как в более крупных сетях применяется передача от узла к узлу. В последнем случае имеется один отправитель и один получатель, и такую систему иногда называют однонаправленной передачей.

Классификация компьютерных сетей по размеру

Другим признаком классификации сетей является их размер. Простейшими в этой классификации являются персональные сети, т.е. сети, предназначенные для одного человека. Примером может служить беспроводная сеть, соединяю­щая компьютер, мышь, клавиатуру и принтер. Более протяженные сети можно разделить на следующие типы: локальные, муниципальные и глобальные. От­дельный уровень классификации — объединения двух и более сетей. Хорошо известным примером такого объединения выступает Интернет. Размеры сетей являются весьма важным классификационным фактором, поскольку в сетях различного размера применяется различная техника.

Локальные сети. Локальными сетями (Local Area Network — LAN) называют частные сети, размещающиеся, как правило, в одном здании или на территории какой-либо организации площадью до нескольких квадратных километров. Их часто используют для объединения компьютеров и рабочих станций в офисах компании или предприятия для предоставления совместного доступа к ресур­
сам (например принтерам) и обмена информацией. Локальные сети отличают­ся от других сетей тремя характеристиками:

• размерами;
• технологией передачи данных;
• топологией.

Локальные сети ограничены в размерах — это означает, что время пересыл­ки пакета ограничено сверху и этот предел заранее известен. Знание этого пре­дела позволяет применять определенные типы разработки, которые были бы невозможны в противоположном случае. Кроме того, это упрощает управление локальной сетью.

Локальная сеть на основе концентратора. Такая локальная сеть создается для того, чтобы:

• функционировать в ограниченной географической области;
• обеспечить доступ многих пользователей к передающей среде с широкой полосой пропускания;
• сделать возможным постоянную доступность удаленных ресурсов, под­соединенных к локальным службам;
• обеспечить физическое соединение смежных сетевых устройств.

Типичными технологиями локальных сетей являются следующие:

• Ethernet;
• Token Ring;

В локальных сетях часто применяется технология передачи данных, состо­ящая из единственного кабеля, к которому присоединены все машины. Это подобно тому, как раньше в сельской местности использовались телефонные линии. Обычные локальные сети имеют пропускную способность канала свя­зи 10... 100 Мбит/с, невысокую задержку (десятые доли микросекунды) и очень мало ошибок. Наиболее современные локальные сети могут обмениваться ин­формацией на более высоких скоростях, доходящих до 100 Гбит/с.

В широковещательных локальных сетях могут применяться различные то­пологические структуры. На рис. 10.11 показаны две из них. В сети с общей шиной (линейный кабель) в каждый момент одна из машин является хозяином шины (master) и имеет право на передачу.

Все остальные машины должны в этот момент воздержаться от передачи. Если две машины захотят что-нибудь передавать одновременно, то возникнет конфликт, для разрешения которого требуется специальный механизм. Этот механизм может быть централизованным или распределенным. Например, стандарт IEEE 802.3, называемый Ethernet, описывает широковещательную сеть с топологией общей шины с децентрализованным управлением, которая работает на скоростях от 10 Мбит/с до 10 Ебит/с. Компьютеры в сети Ethernet могут выполнять передачу в любое время. При столкновении двух или более пакетов каждый компьютер просто ждет в течение случайного интервала вре­мени, после которого снова пытается передать пакет.

Вторым типом широковещательных сетей является кольцо. В кольце каждый бит передается по цепочке, не ожидая остальной части пакета. Обычно каждый бит успевает обойти все кольцо, прежде чем будет передан весь пакет. Как и во всех широковещательных сетях, требуется некая система арбитража для управ­ления доступом к линии. Применяемые для этого методы будут описаны ниже. Стандарт IEEE 802.5 (маркерное кольцо) описывает популярную кольцевую локальную сеть, работающую на скоростях 4 и 16 Мбит/с. Еще одним примером кольцевой сети является FDDI (оптоволоконная сеть).

В зависимости от способа назначения канала широковещательные сети под­разделяются на статические и динамические. При статическом назначении используется циклический алгоритм и все время делится между всеми маши­нами на равные интервалы, так что машина может передавать данные только в течение выделенного ей интервала времени. При этом емкость канала рас­ходуется неэкономно, так как временной интервал предоставляется машинам независимо от того, «есть им что сказать или нет». Поэтому чаще используется динамическое (т.е. по требованию) предоставление доступа к каналу.

Методы динамического предоставления доступа к каналу также могут быть централизованными либо децентрализованными. При централизованном ме­тоде предоставления доступа к каналу должен существовать арбитр шины, опре­деляющий машину, получающую право на передачу. Арбитр должен принимать решение на основании получаемых запросов и некоего внутреннего алгоритма. При децентрализованном методе каждая машина должна сама решать, пере­давать ей что-нибудь или нет. Можно подумать, что подобный метод обязатель­но приводит к беспорядку, однако это не так.

Муниципальные, региональные или городские сети. Муниципальные, регио­нальные или городские сети (metropolitan area network — MAN) объединяют компьютеры в пределах города. Самым распространенным примером муници­пальной сети является система кабельного телевидения. Она стала правопре­емником обычных антенных телесетей в тех местах, где по тем или иным при­чинам качество эфира было слишком низким. Общая антенна в этих системах устанавливалась на вершине какого-нибудь холма, и сигнал передавался в дома абонентов.

Когда Интернет стал привлекать к себе массовую аудиторию, операторы кабельного телевидения поняли, что, внеся небольшие изменения в систему,

можно сделать так, чтобы по тем же каналам в неиспользуемой части спектра передавались (причем в обе стороны) цифровые данные. С этого момента ка­бельное телевидение стало постепенно превращаться в муниципальную ком­пьютерную сеть. В первом приближении, систему MAN можно представить себе такой, как она изображена на рис. 10.12. На этом рисунке видно, что по одним и тем же линиям передается и телевизионный, и цифровой сигналы. Во входном устройстве они смешиваются и передаются абонентам. Ниже об этом будет сказано подробнее.

Муниципальная сеть на базе кабельного ТВ. Муниципальные сети — это не только кабельное телевидение. Разработки, связанные с высокоскоростным беспроводным доступом в Интернет, привели к созданию других MAN, которые описаны в стандарте ШЕЕ 802.16.

MAN-сеть может быть создана с использованием беспроводной мостовой технологии путем передачи сигналов через открытые телекоммуникационные инфраструктуры. Широкая полоса пропускания, предоставляемая доступными в настоящее время оптическими каналами, делает MAN-сети более функцио­нальным и экономически доступным средством, чем раньше. MAN-сети от­личаются от LAN- и WAN-сетей следующими функциями:

• соединяют друг с другом пользователей, находящихся в географической зоне или области большей, чем область LAN-сети, но меньшей, чем WAN-сети;
• объединяют сети города в одну сеть большего размера (которая может также обеспечивать эффективное соединение с WAN-сетью);
• соединяют между собой несколько локальных сетей LAN путем создания мостовых соединений через магистральные линии.

Глобальные сети. Глобальная сеть (wide area network—WAN) охватывает зна­чительную географическую область, часто целую страну или даже континент. Она объединяет машины, предназначенные для выполнения программ поль­зователя (т.е. приложений), так называемые хосты. Хосты соединяются ком­муникационными подсетями, называемыми для краткости просто подсетями. Хосты обычно являются собственностью клиентов (т.е. просто клиентскими компьютерами), в то время как коммуникационной подсетью чаще всего вла­деет и управляет телефонная компания или поставщик услуг Интернета. За­дачей подсети является передача сообщений от хоста хосту, подобно тому как телефонная система переносит слова от говорящего слушающему. Таким об­разом, коммуникативный аспект сети (подсеть) отделен от прикладного аспек­та (хостов), что значительно упрощает структуру сети.

Распределенные сети. Распределенные сети WAN (рис. 10.13) предназначены для:

• осуществления связи в больших, географически разделенных областях;
• предоставления пользователям возможности коммуникации с другими пользователями в реальном времени;
• непрерывного обеспечения доступа к удаленным ресурсам через соеди­нения с локальными службами;

• обеспечения службы электронной почты, Worldwide Web, передачи фай­лов и средств электронной коммерции в сети Интернет.

Типовые технологии распределенных сетей включают в себя:

• соединения через модемы;
• цифровую сеть с комплексным обслуживанием (Integrated Services Digital Network — ISDN);
• цифровые абонентские каналы (Digital Subscriber Line — DSL);
• технологию, основанную на использовании протокола Frame Relay;
• линии носителей Т-типа (США) и Е-типа (Европа) — Т1, Е1, ТЗ, ЕЗ и т.д.;
• синхронную оптическую сеть (Synchronous Optical Network — SONET) — синхронный транспортный сигнал 1-го уровня (STS-1) (оптический носитель ОС-1), STS-3 (ОС-3) и т.д.

В большинстве глобальных сетей подсеть состоит из двух раздельных ком­понентов: линий связи и переключающих элементов. Линии связи, также на­зываемые каналами или магистралями, переносят данные от машины к маши­не. Переключающие элементы являются специализированными компьютера­ми, используемыми для соединения трех или более линий связи. Когда данные появляются на входной линии, переключающий элемент должен выбрать вы­ходную линию — дальнейший маршрут этих данных. В прошлом для названия этих компьютеров не было стандартной терминологии. Сейчас их называют маршрутизаторами (router).

В модели, показанной нарис. 10.14, каждый хост соединен с локальной се­тью, в которой присутствует маршрутизатор, хотя в некоторых случаях хост может быть связан с маршрутизатором напрямую. Набор линий связи и марш­рутизаторов (но не хостов) образует подсеть.

Следует также сделать замечание по поводу термина «подсеть» (subnet). Из­начально его единственным значением являлся набор маршрутизаторов и ли­ний связи, используемых для передачи пакета от одного хоста к другому. Од­нако спустя несколько лет этот термин приобрел второй смысл, связанный с адресацией в сети. Таким образом, имеется некая двусмысленность, связанная с термином «подсеть». К сожалению, этому термину в его изначальном смысле нет никакой альтернативы, поэтому его используют в обоих смыслах. По кон­тексту всегда будет ясно, что имеется в виду.

Большинство глобальных сетей содержат большое количество кабелей или телефонныхлиний, соединяющих пару маршрутизаторов. Если какие-либо два маршрутизатора не связаны линией связи напрямую, то они должны общаться при помощи других маршрутизаторов. Когда пакет посылается от одного марш­рутизатора другому через несколько промежуточных маршрутизаторов, он по­лучается каждым промежуточным маршрутизатором целиком, хранится на нем, пока требуемая линия связи не освободится, азатем пересылается дальше. Под­сеть, работающая по такому принципу, называется подсетью с промежуточным хранением (store-and-forward) или подсетью с коммутацией пакетов (packet- switched). Почти у всех глобальных сетей (кроме использующих спутники свя­зи) есть подсети с промежуточным хранением. Небольшие пакеты фиксиро­ванного размера часто называют ячейками (cell).