Общие положения, виды вычислительных сетей

сетевые ресурсы.
Локальные и глобальные вычислительные сети.
Трехуровневая структура сети.

Серверы, сетевое коммуникационное оборудование, рабочие станции.
Коммутация и мультиплексирование.
Определение информационных потоков.
Понятие маршрутизации.
Принцип пакетной коммутации.
Обобщенная структура пакета данных, передаваемых по сетям пакетной коммутации. Дейтаграммный и сеансовый способы обмена данными в сети.

как совокупность средств вычислительной техники, объединенных физической средой и программными

средствами в единую систему, обеспечивающую многочисленным пользователям доступ к распределенным по ней вычислительным и информационным ресурсам.

В сеть могут быть объединены компьютеры разных типов — встроенные, мини-компьютеры, персональные компьютеры или суперкомпьютеры;

передачу сообщений между любой парой компьютеров сети обеспечивает коммуникационная система, которая может включать кабели, повторители, коммутаторы, маршрутизаторы и другие устройства;

компьютерная сеть позволяет пользователю работать со своим компьютером, как с автономным, и добавляет к этому возможность доступа к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров сети.

здания или территории предприятия - локальная вычислительная сеть, или ЛВС

(Local Area Network - LAN).
Глобальные сети (Wide Area Network - WAN) объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах.
Связь в сетях осуществляется через специальные кабели, телефонные и телеграфные каналы общего назначения, каналы специальной связи. Широко используется беспроводная связь (радиосвязь, микроволновая, инфракрасное излучение).
Главным отличием ЛВС от глобальных сетей является наличие высокоскоростного канала обмена данными между компьютерами, скорость которого сравнима со скоростью работы периферийных устройств ЭВМ - дисков, мониторов и т. п.

(Coaxial Cable), неэкранированная (UTP) и экранированная (STP) витые пары, оптоволоконный

кабель (Fiber-Optic Cable).

провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика

(внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.
Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра ). К нему трудно механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также минимум электромагнитных излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5 – 3 раза). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Сейчас его применяют реже, чем витую пару.
Существует два основных типа коаксиального кабеля:
тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий;
толстый (thick) кабель, диаметром около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собой классический вариант коаксиального кабеля, который уже почти полностью вытеснен современным тонким кабелем.

кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар

скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.
Обычно в кабель входит две или четыре витые пары.

а также от подслушивания. Причем перехват передаваемой по сети информации

возможен как с помощью контактного метода (например, посредством двух иголок, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем действие помех и величина излучения вовне увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.
В случае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk – перекрестные наводки). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно, экранированная витая пара заметно дороже, чем неэкранированная. Ее использование требует специальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.
Основные достоинства неэкранированных витых пар – простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей.

не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – прозрачное

стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния с незначительным ослаблением. Структура оптоволоконного кабеля похожа на структуру коаксиального электрического кабеля. Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

информации.
Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить

световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений.
Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля.
Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

бескабельные каналы.
Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому он

может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).
Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и т.д.). В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот.
Главные недостатки радиоканала - плохая защита от прослушивания и слабая помехозащищенность.
Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Скорость передачи – до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.
Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты).

числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точкой

доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Для примера на рис. показано объединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Важно, что многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что существенно упрощает их подключение к беспроводной сети.
Радиоканал широко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи.

для связи инфракрасное излучение. Главное его преимущество по сравнению с

радиоканалом – нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.
Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5—10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, не достигается, также, требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях довольно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферией (интерфейс IrDA).
Инфракрасные каналы делятся на две группы:
Каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров.
Каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Препятствия в данном случае не помеха, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения

этом в ее структуре можно выделить основные составляющие:
серверы,
сетевое

коммуникационное оборудование, рабочие станции.

ресурс, который он предоставляет пользователю.
Самый общий тип сервера -

файловый. Серверы могут быть как выделенными, узкоспециализированными, так и невыделенными, обеспечивающими совмещение различных функций на одном компьютере. В случае, если каждый сервер ЛВС является также и рабочей станцией, речь идет об одноранговой сети. В двухранговых ЛВС серверы не предназначены для непосредственной работы с ними пользователей, они только предоставляют свои ресурсы (диски, файлы и т. п.) пользователям, работающим за рабочими станциями.

adapter) или карты сетевого интерфейса (Network Interface Card - NIC),

установленные в каждом компьютере сети и соединяющие их кабели. В случае, если при связи используются аналоговые телефонные каналы (в глобальных сетях, в локальных для доступа с удаленных рабочих станций), применяются модемы, обеспечивающие МОДуляцию - ДЕМодуляцию информационных сигналов (преобразования потоков битов в аналоговые сигналы и обратные преобразования принимаемых аналоговых сигналов в цифровую форму).
Кроме того, для объединения сетей используются мосты (Bridges), маршрутизаторы (Routers) и шлюзы (Gateways), в качестве которых могут выступать как специализированные устройства, так и компьютеры со специальным программным обеспечением.
При этом мосты применяются для связи сетей с одинаковыми коммуникационными системами, маршрутизаторы объединяют сети разных типов и могут преобразовывать пакеты данных из одного формата в другой. Шлюзы сочетают в себе функции маршрутизации с рядом дополнительных функций, таких, например, как проверка полномочий пользователей и учет использования ресурсов.

специализированные компьютеры.
Синхронные и асинхронные модемы.
Модемные протоколы (скорость передачи, исправление ошибок,

сжатие данных):
V.22 – 1200 бит/сек; …; V.34bis - 33.6 Кбит/сек.
Фирменные протоколы.
AT-команды – управление модемом.
Факс-модемы.

конечного пользователя к сетевым ресурсам.
В общем случае различают два вида

распределения функций по обработке данных в сети:
-рабочая станция выполняет программы, сервер доставляет эти программы на рабочую станцию (системы «файл-сервер»);
-рабочая станция и сервер делят между собой задачи обработки данных с целью повышения производительности системы (системы «клиент – сервер»).

каждым узлом), то обмен данными между произвольной парой конечных узлов

(абонентов) - через транзитные узлы.
Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на пути от отправителя к получателю - маршрут.
Задача коммутации — соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов.

Для этого необходимо:
Определить информационные потоки, для которых требуется прокладывать пути.
Определить маршруты для потоков.
Сообщить о найденных маршрутах узлам сети.
Решить задачу продвижения – распознавания потоков и локальной коммутации на каждом транзитном узле.
Мультиплексировать и демультиплексировать потоки.

транзитных узлов

должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, чтобы обеспечивать

их передачу на те свои интерфейсы, которые ведут к нужному узлу.

Информационный поток (data flow, data stream) - последовательность данных, объединенных набором общих признаков. В потоке можно выделить подпотоки (с разными адресами назначения), в последних – подподпотоки (разные сетевые приложения — электронная почта, копирование файлов, обращения к Web-серверу). Для каждого подпотока – свой маршрут, выбор пути - с учетом характера передаваемых данных (для повышения эффективности передачи). Для каждого потока и подпотоков – идентфицирующие признаки.
Признаки потока – глобальные (в пределах сети) или локальные (в пределах одного транзитного узла). Пример локального признака - номер (идентификатор) интерфейса устройства, с которого поступили данные.
Определить потоки – задать для них набор отличительных признаков, на основании которых коммутаторы смогут направлять потоки по предназначенным для них маршрутам.

или нескольких путей.
В качестве критериев выбора:
-номинальная пропускная способность;

-загруженность каналов связи;
- задержки, вносимые каналами;
- количество промежуточных транзитных узлов;
- надежность каналов и транзитных узлов.
Маршрут может определяться администратором сети, который и задает последовательность интерфейсов.
Для большой сети со сложной топологией такая задача решается автоматически: узлы сети оснащаются специальными программными средствами, которые организуют взаимный обмен служебными сообщениями, позволяющими каждому узлу составить свое представление о топологии сети. Затем на основе этих представлений и математических алгоритмов определяются наиболее рациональные маршруты.

Определить маршрут — однозначно задать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату.

такую информацию: "Если придут данные, относящиеся к потоку n, то

нужно передать их на интерфейс F".

Сообщение о маршруте обрабатывается транзитным устройством, в результате - новая запись в таблице коммутации, в которой локальному или глобальному признаку (признакам) потока (например, метке, номеру входного интерфейса или адресу назначения) ставится в соответствие номер интерфейса, на который нужно передать данные, относящиеся к этому потоку.

Передача информации о выбранных маршрутах - вручную и автоматически.
Администратор сети может зафиксировать маршрут, выполнив конфигурацию устройства вручную, например, жестко скоммутировав на длительное время определен­ные пары входных и выходных интерфейсов, или внеся запись о маршруте в таблицу коммутации.
Поскольку топология сети и информационных потоков может меняться (отказ или появление новых промежуточных узлов, изменение адресов или определение новых потоков), то решение задач определения и назначение маршрутов предполагает постоянный анализ состояния сети и обновление маршрутов и таблиц коммутации, что требует применения средств автоматизации.

Оповестить сеть о найденных маршрутах — это значит вручную или автоматически настроить каждый коммутатор таким образом, чтобы он "знал", в каком направлении следует передавать каждый поток.

абонентов. Для каждой пары абонентов эта операция - совокупность нескольких

(по числу транзитных узлов) локальных операций коммутации.
Отправитель выставляет данные на тот свой порт, из которого выходит найденный маршрут, а все транзитные узлы должны выполнить "переброску" данных с одного своего порта на другой — выполнить коммутацию.
Устройство для коммутации - коммутатор (switch). Коммутатор производит коммутацию входящих в его порты информационных потоков, направляя их в соответствующие выходные порты.
Прежде чем выполнить коммутацию, коммутатор должен распознать поток: поступившие данные проверяются на предмет наличия признаков какого-либо из потоков, заданных в таблице коммутации. После распознавания эти данные направляются на тот интерфейс, который был определен для них в маршруте.
Коммутатор - устройство любого типа (специализированное или компьютер со специальным ПО), способное выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой. Некоторые способы коммутации и соответствующие им таблицы и устройства получили специальные названия (например, маршрутизация, таблица маршрутизации, маршрутизатор).
Часто некоторые узлы в сети выделяются специально для выполнения коммутации. Эти узлы образуют коммутационную сеть, к которой подключаются все остальные (см. слайд «коммутационная сеть»).

Продвижение — распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле.

на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.

Мультиплексирование (multiplexing) — образование

из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи. Мультиплексирование - способ обеспечения доступности имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. (сл. слайд)

Существует множество способов мультиплексирования потоков в одном физическом канале, и важнейшим из них является разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает в свое распоряжение физический канал и передает по нему данные. Распространено частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне.


Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммарного потока выполнять обратную операцию — разделение (демультиплексирование) данных на составляющие потоки.

решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:

коммутация каналов

(circuit switching);
коммутация пакетов (packet switching)
коммутация сообщений

Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они произошли от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями.

канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков.

Условие - равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Перед передачей данных необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.
Достоинства
Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости.
Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам — голос, видео, различную технологическую информацию.
Недостатки
Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения (занят канал).
Нерациональное использование пропускной способности физических каналов.
Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Коэффициент пульсации

трафика пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100.
При коммутации пакетов сообщения разбиваются на части - пакеты (сообщение - логически завершенная порция данных: запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д.). Сообщения - от нескольких байт до многих мегабайт. Длины пакетов - в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, где - адресная информация, а также номер пакета. Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, в итоге — узлу назначения.
Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных каналах связи между коммутаторами (сл. слайд).
Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, но общий объем передаваемых сетью данных в единицу времени в этом случае будет выше, чем при коммутации каналов: пульсации трафика отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики не совпадают. Поэтому коммутаторы равномерно загружены работой, если число обслуживаемых абонентов велико.

компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого

компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется содержанием информации, составляющей сообщение.
Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов.
По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты ( режим "хранения-и-передачи" (store-and-forward).
Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.
Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, и кроме того, наличие дисков предполагает использование в качестве коммутаторов специализированных компьютеров, что влечет за собой существенные затраты на организацию сети.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

коммутацией каналов:
с динамической коммутацией;
с постоянной коммутацией.
Сети с динамической коммутацией:
разрешается

устанавливать соединение по инициативе пользователя;
коммутация выполняется только на время сеанса связи, а затем разрывается;
пользователь может соединиться с любым другим пользователем сети;
время соединения между парой пользователей ( от нескольких сек. до нескольких час.) завершается после выполнения определенной работы — передачи файла, просмотра страницы текста и т.п.
Сети с динамической коммутацией - телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.
Сеть, работающая в режиме постоянной коммутации:
разрешает заказать соединение на длительный период времени;
соединение устанавливается не пользователями, а персоналом;
режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов называют сервисом выделенных или арендуемых каналов;

Сети, работающие в режиме постоянной коммутации - сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.
Некоторые типы сетей поддерживают оба режима. Например, X.25 и ATM могут предоставлять пользователю возможность динамически связаться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению.

класса механизмов передачи пакетов:
- дейтаграммная передача;
- виртуальные каналы (сессии,

сеансы).
Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга, пакет за пакетом. Принадлежность пакета к определенному потоку между двумя конечными узлами и двумя приложениями, работающими на этих узлах, не учитывается.
Выбор следующего узла происходит только на основании адреса узла назначения. Решение о том, какому узлу передать пришедший пакет, принимается на основе таблицы, содержащей набор адресов назначения и адресную информацию, однозначно определяющую следующий (транзитный или конечный) узел (таблицы продвижения, таблицы маршрутизации).
Дейтаграмма - это способ взаимодействия, при котором не предусматривается автоматическое подтверждение получения сообщения.
В таблице маршрутизации для одного и того же адреса назначения может содержаться несколько записей, указывающих на различные адреса следующего маршрутизатора.

пути через сеть, то необходимым признаком такого потока должно быть

наличие для всех его пакетов общих точек входа и выхода из сети. Именно для передачи таких потоков в сети создаются виртуальные каналы (сл.слайд).
Сеть обеспечивает возможность передачи трафика вдоль виртуального канала, а какие именно потоки будут передаваться по этим каналам, решают сами конечные узлы. Узел может использовать один и тот же виртуальный канал для передачи всех потоков, которые имеют общие с данным виртуальным каналом конечные точки, или же только части из них. Например, для потока реального времени можно использовать один виртуальный канал, а для трафика электронной почты — другой.
Виртуальные каналы – способ надежной, гарантированной доставки сообщений по сети.

сети.
Трехуровневая структура сети.
Серверы, сетевое коммуникационное оборудование, рабочие станции.

Коммутация и мультиплексирование.
Информационные потоки.
Понятие маршрутизации.
Принцип пакетной коммутации.
Обобщенная структура пакета данных, передаваемых по сетям пакетной коммутации.
Дейтаграммный и сеансовый способы обмена данными в сети.