Основы компьютерных сетей Введение Основные идеи всех видов коммуникации заключаются в том, что для того, чтобы коммуникация была эффективной, должны быть три составляющих. Вопервых, должны существовать две сущности, называемые отправителем и получателем. У этих двоих, должно быть, есть что-то, чем они должны поделиться. Во-вторых, должна существовать среда, через которую передается разделяемый элемент. Это среда передачи. Наконец, должен существовать согласованный набор коммуникационных правил или протоколов. Эти три принципа применимы к любой категории или структуре коммуникации. В этой главе мы сосредоточимся на этих трех компонентах компьютерной сети. Но что такое компьютерная сеть? Читатель должен знать , что отныне мы будем использовать словосочетание "компьютерная сеть" для обозначения традиционной компьютерной сети. Компьютерная сеть - это распределенная система, состоящая из слабо связанных компьютеров и других устройств. Любые два из этих устройств, которые мы отныне будем называть сетевыми элементами или передающими элементами без потери общности, могут взаимодействовать друг с другом через средство связи. Для того чтобы эти подключенные устройства считались взаимодействующей сетью, должен существовать набор из правил обмена данными или протоколов, которым должно следовать каждое устройство в сети для обмена данными с другим устройством в сети. Результирующая комбинация, состоящая из аппаратного и программного обеспечения, представляет собой компьютерную коммуникационную сеть или, короче говоря, компьютерную сеть. На рисунке 1.1 показана компьютерная сеть. Аппаратный компонент состоит из сетевых элементов, состоящих из набора узлов, которые включают конечные системы, обычно называемые хостами, и промежуточных коммутационных элементов, которые включают концентраторы, мосты, маршрутизаторы и шлюзы, которые, без потери общности, мы будем называть сетевыми элементами. Сетевые элементы могут владеть ресурсами индивидуально, то есть локально или глобально. Сетевое программное обеспечение состоит из всех прикладных программ и сетевых протоколов, которые используются для синхронизации, координации и обеспечения совместного использования данных между элементами сети. Сетевое программное обеспечение также делает возможным совместное использование дорогостоящих ресурсов в сети. Сетевые элементы, сетевое программное обеспечение и пользователи - все это работает вместе, так что отдельные пользователи могут обмениваться сообщениями и совместно использовать ресурсы в других системах, которые недоступны локально. Сеть элементы вместе с их ресурсами могут относиться к различным аппаратным технологиям, а программное обеспечение может быть настолько разным, насколько это возможно, но вся комбинация должна работать в унисон. Технология межсетевого взаимодействия позволяет использовать множество разнообразных базовых аппаратных технологий и различные режимы программного обеспечения для соединения разнородных сетей и обеспечения их бесперебойной работы. Бесперебойная работа любой компьютерной коммуникационной сети достигается за счет низкоуровневых механизмов, предоставляемых сетевыми элементами, и высокоуровневых средств связи, предоставляемых программным обеспечением работает на сообщающихся элементах. Прежде чем мы обсудим работу этих сетей, давайте сначала рассмотрим различные типы сетей. 1.2 Модели компьютерных сетей Существует несколько конфигурационных моделей, которые формируют компьютерную сеть. Наиболее распространенными из них являются централизованная и распределенная модели. В централизованной модели несколько компьютеров и устройств взаимосвязаны и могут взаимодействовать друг с другом. Однако существует только один центральный компьютер, называемый главным, через который должна проходить вся переписка. Зависимые компьютеры, называемые суррогатными, могут иметь ограниченные локальные ресурсы, такие как память, а общие глобальные ресурсы контролируются главным компьютером в центре. Однако, в отличие от централизованной модели, распределенная сеть состоит из слабо связанных компьютеров, соединенных коммуникационной сетью, состоящей из соединительных элементов и каналов связи. Сами компьютеры могут владеть своими ресурсами локально или запрашивать то этот хост называется сервером. Общение и совместное использование ресурсов не являются управляются центральным компьютером, но расположены между любыми двумя взаимодействующими элементами в сети. На рисунках 1.2 и 1.3 показаны модель централизованной сети и модель распределенной сети соответственно. 1.3 Типы компьютерных сетей Компьютерные сети бывают разных размеров. Каждая сеть представляет собой кластер сетевых элементов и их ресурсов. Размер кластера определяет тип сети. В общем, существует два основных типа сетей: локальная вычислительная сеть (LAN) и глобальная вычислительная сеть (WAN). 1.3.1 Локальные вычислительные сети (LAN) Компьютерная сеть, состоящая из двух или более компьютеров или сетевых кластеров и ихресурсов, соединенных средством связи, использующим общие протоколы связи, и расположенная в небольшой географической зоне, такой как этаж здания, постройка или несколько соседних зданий, называется локальной вычислительной сетью (LAN). Преимущество локальной сети заключается в том, что все элементы сети расположены близко друг к другу, поэтому каналы связи поддерживают более высокую скорость передачи данных. Кроме того, из-за близости к соединительные элементы, дорогостоящие и высококачественные соединительные элементы могут быть использованы для обеспечения лучшего обслуживания и высокой надежности. На рисунке 1.4 показана локальная сеть. 1.3.2 Глобальные сети (WAN) Глобальная сеть (WAN), с другой стороны, представляет собой сеть, состоящую из одного или нескольких кластеров сетевых элементов и их ресурсов, но вместо того, чтобы быть ограниченной небольшой областью, элементы кластеров или сами кластеры разбросаны по широкой географической области, как в регион страны или по всей стране, нескольким странам или всему земному шару нравится Интернет. Некоторые преимущества глобальной сети включают распространение услуг среди более широкого сообщества и доступность широкого спектра как аппаратных, так и программных ресурсов, которые могут быть недоступны в локальной сети. Однако из-за обширных географических зон, охватываемых глобальными сетями, средства коммуникации работают медленно и часто ненадежно. На рисунке 1.5 показана глобальная сеть. 1.3.3 Городские сети (MANs) Между LAN и WAN также существует промежуточная сеть, называемая metropolitan area network (MAN), поскольку она охватывает немного более широкую область, чем LAN, но не настолько широкую, чтобы считаться глобальной сетью. Общественные сети, охватывающие город или его часть, являются хорошим примером MAN 1.4 Технология средств передачи данных Производительность сети того или иного типа в значительной степени зависит от технологии передачи данных и носителей, используемых в сети. Давайте посмотрим на этих двоих. 1.4.1 Технология передачи данных Носитель, через который должна передаваться информация, определяет используемый сигнал. Некоторые носители допускают только аналоговые сигналы. Некоторые поддерживают как аналоговый, так и цифровой режим. Следовательно, в зависимости от типа используемого носителя и других соображений входные данные могут быть представлены либо в виде цифрового, либо в виде аналогового сигнала. В аналоговом формате, данные передаются в виде непрерывных электромагнитных волн с интервалом, представляющим такие объекты, как голос и видео, и распространяются по различным носителям, которые могут включать медные провода, витую коаксиальную пару или кабель, волоконную оптику или беспроводную связь. Мы скоро обсудим эти средства массовой информации. С другой стороны, в цифровом формате данные передаются в виде цифрового сигнала, последовательности импульсов напряжения, которые могут быть представлены в виде потока двоичных битов. Как аналоговые, так и цифровые данные могут передаваться и многократно представляться либо в аналоговом, либо в цифровом виде. Сама передача - это распространение и обработка сигналов данных между элементами сети. Концепция представления данных для передачи, будь то в виде аналогового или цифрового сигнала, называется схемой кодирования. Затем закодированные данные передаются по подходящей среде передачи, которая соединяет все элементы сети. Существует две схемы кодирования, аналоговая и цифровая. Аналоговое кодирование распространяет аналоговые сигналы, представляющие аналоговые данные, такие как звуковые волны и голосовые данные. Цифровое кодирование, с другой стороны, распространяет цифровые сигналы, представляющие либо аналоговый или цифровой сигнал, представляющий цифровые данные двоичных потоков по двум уровням напряжения. Поскольку в этой книге нас интересуют цифровые сети, мы сосредоточимся на кодировании цифровых данных. 1.4.1.1 Аналоговое кодирование цифровых данных Напомним, что цифровая информация представлена в виде единиц или нулей. Чтобы отправить эту информацию по какому-либо аналоговому носителю, такому как, например, телефонная линия, которая имеет ограниченную полосу пропускания, цифровые данные необходимо закодировать с использованием модуляции и демодуляции для получения аналоговых сигналов. При кодировании используется непрерывная колебательная волна, обычно синусоидальная, с сигналом постоянной частоты, называемым несущим сигналом. Несущая имеет три характеристики модуляции: амплитуду , частоту и фазовый сдвиг. Затем схема использует модем, пару модуляция–демодуляция, для модуляции и демодулирования сигнала данных на основе любой из трех характеристик несущей или их комбинации. Результирующая волна находится в диапазоне частот с обеих сторон несущей, как показано ниже [ 1 ]: • Амплитудная модуляция представляет каждое двоичное значение различной амплитудой несущей частоты. Отсутствие или низкая несущая частота может представлять собой 0, а любая другая частота тогда представляет собой 1. Но это довольно неэффективная модуляция техника и поэтому используется только на низких частотах до 1200 бит/с в линиях голосового класса. • Частотная модуляция также представляет два двоичных значения на двух разных частотах, близких к частоте базовой несущей. Более высокие частоты представляют собой 1, а низкие частоты представляют собой 0. Схема менее подвержена ошибкам. • Модуляция фазового сдвига изменяет синхронизацию несущей волны, сдвигая фазу несущей для кодирования данных. Значение 1 кодируется как изменение фазы на 180°, а значение 0 может быть закодирован как изменение фазы несущего сигнала на 0. Это наиболее эффективная схема из трех, и она может достигать скорости передачи до 9600 бит/с. 1.4.1.2 Цифровое кодирование цифровых данных В этой схеме кодирования, которая предлагает наиболее распространенный и простой способ передачи цифровых сигналов, две двоичные цифры используются для представления двух различных напряжений. Внутри компьютера эти напряжения обычно составляют 0 и 5 В. Другая процедура использует два кода представления: невозврат к нулевому уровню (NRZ-L), в котором отрицательное напряжение представляет двоичную единицу, а положительное напряжение представляет двоичный ноль, и невозврат к нулю, инвертированный на единицы (NRZ-I). Смотрите фиги. 1.6 и 1.7 для примера этих двух коды. В NRZ-L всякий раз, когда возникает значение 1, для передачи информации используется переход от одного уровня напряжения к другому. Одной из проблем, связанных с методами передачи сигналов NRZ, является требование идеальной синхронизации тактовых импульсов приемника и передатчика. Это, однако, уменьшается за счет отправки отдельного тактового сигнала. Существуют и другие представления, такие как Manchester и differential Manchester, которые кодируют информацию о часах вместе с данными. Кто-то может задаться вопросом, зачем проходить через все эти хлопоты, связанные с цифровым кодированием и передачей. У него есть несколько преимуществ перед его родственником - аналоговым кодированием. К ним относятся следующие: • Резкое снижение стоимости цифровых схем. • * Более эффективная интеграция голоса, видео, текста и изображений. • Уменьшение шума и других ухудшений сигнала из-за использования ретрансляторов. • Пропускная способность каналов наилучшим образом используется при использовании цифровых технологий. • Лучшее шифрование и, следовательно, лучшая безопасность, чем при аналоговой передаче. 1.4.1.3 Мультиплексирование сигналов передачи Довольно часто при передаче данных по сетевому носителю объем передаваемых данных может значительно превышать пропускную способность носителя. Всякий раз, когда это происходит, может оказаться возможным заставить несколько несущих сигнала совместно использовать среду передачи. Это называется мультиплексированием. Существует два способа, которыми может быть достигнуто мультиплексирование: мультиплексирование с временным разделением (TMD) и мультиплексирование с частотным разделением (FDM). В FDM все каналы передачи данных сначала преобразуются в аналоговую форму. Поскольку ряд сигналы могут передаваться на несущую, затем каждый аналоговый сигнал модулируется отдельной несущей частотой, и это делает возможным восстановление в процессе демультиплексирования. Затем частоты объединяются в пакет на несущей. На приемной стороне демультиплексор может выбрать желаемый сигнал несущей и использовать его для извлечения сигнала данных для этого канала таким образом, чтобы полосы пропускания не перекрывались. Преимущество FDM заключается в поддержке полнодуплексной связи. TDM, с другой стороны, работает путем разделения канала на временные интервалы, которые выделяются потокам данных перед их передачей. На обоих концах передачи, если отправитель и получатель согласуют назначение временных интервалов, то получатель может легко восстановить исходные потоки данных. Таким образом, несколько цифровых сигналов могут передаваться на одной несущей путем чередования частей каждого сигнала во времени. 1.4.2.1 Проводные средства передачи данных Проводные средства передачи используются в фиксированных сетях, физически соединяющих каждый сетевой элемент. Существуют различные типы физических носителей, наиболее распространенными из которых являются медные провода, витая пара, коаксиальные кабели и оптические волокна. Медные провода традиционно использовались в средствах связи изза их низкого сопротивления электрическим токам, что позволяет сигналам распространяться еще дальше. Но медные провода подвержены помехам от электромагнитной энергии окружающей среды, и из-за этого они всегда должны быть изолированы. Витая пара - это пара проводов, состоящих из изолированного медного провода, каждый из которых обернут вокруг другого, образуя частые и многочисленные скручивания. Вместе скрученные изолированные медные провода действуют как полнодуплексный канал связи. Скручивание проводов снижает чувствительность кабеля к электромагнитным помехам, а также уменьшает излучение радиочастотных помех, которые могут создавать помехи для близлежащих кабелей и электронных компонентов. Чтобы увеличить пропускную способность передающей среды, более одной пары скрученных проводов могут быть соединены вместе в защитную оболочку. покрытие. Поскольку витые пары были намного дешевле, просты в установке и обеспечивали высокое качество передачи голосовых данных, они широко использовались в телефонных сетях. Однако из-за низкой масштабируемости в сторону увеличения скорости передачи, расстояния и полосы пропускания в локальных сетях от технологии витых пар отказались в пользу других технологий. На рисунке 1.8 показана витая пара. Коаксиальные кабели - это двухжильные кабели с общим внутренним проводником в сердцевине кабеля, защищенным слоем изоляции, и внешним проводником, окружающим изоляция. Эти кабели называются коаксиальными, потому что у них общий внутренний проводник. Внутренний сердечник обычно изготавливается из цельной медной проволоки, но иногда также может быть выполнен из многожильного провода. Внешний проводник обычно изготавливается из плетеных проводов, но иногда изготавливается из металлической фольги или и того, и другого вместе, образует защитную трубку вокруг внутреннего проводника. Этот внешний проводник также дополнительно защищен другим внешним покрытием, называемым оболочкой. На рисунке 1.9 показан коаксиальный кабель. Коаксиальные кабели обычно используются в телевизионных передачах. В отличие от витых пар, коаксиальные кабели можно использовать на больших расстояниях. Существует два типа коаксиальных кабелей: более тонкий, легкий и гибкий кабельный носитель, который является недорогим и простым в монтаже, и толстый, который толще и его труднее сломать, и он может передавать больше сигналов на большее расстояние, чем более тонкий. Оптическое волокно - это небольшая среда, состоящая из стекла и пластика и проводящая оптический луч. Это самый идеальный кабель для передачи данных, поскольку он может работать в чрезвычайно высокой полосе пропускания и имеет мало проблем с электромагнитными помехами, от которых страдают коаксиальные кабели. Он также может поддерживать прокладку кабелей протяженностью в несколько километров. Однако двумя недостатками волоконно-оптических кабелей являются стоимость и сложность монтажа. Как показано на рис. 1.10, простое оптическое волокно имеет центральную сердцевину, состоящую из тонких волокон стекла или пластика. Волокна защищены стеклом или пластиковое покрытие называется облицовкой. Оболочка, хотя и состоит из тех же материалов, что и сердцевина, обладает другими свойствами, которые придают ей способность отражать лучи сердцевины, попадающие на нее по касательной. Сама облицовка заключена в пластиковую оболочку. Оболочка защищает внутреннее волокно от внешних воздействий, таких как изгиб и истирание. Оптоволоконные кабели передают сигналы данных, сначала преобразуя их в световые сигналы. Проходящий свет излучается источником либо от светоизлучающего устройства диод (LED) или инжекционный лазерный диод (ILD). На приемной стороне испускаемые лучи принимаются фотодетектором, который преобразует их обратно в исходную форму. 1.4.2.2 Беспроводная связь Беспроводная связь и беспроводные сети эволюционировали в результате быстрого развития коммуникационных технологий, вычислительной техники и потребности людей в мобильности. Беспроводные сети делятся на одну из следующих трех категорий в зависимости от расстояния следующим образом: • Сеть ограниченной близости: Эта сеть включает в себя локальные вычислительные сети (LAN). со смесью стационарных и беспроводных устройств. • Промежуточная/расширенная сеть: Эта беспроводная сеть фактически состоит издвух фиксированных компонентов локальной сети, соединенных вместе беспроводным компонентом. Мост возможно, это соединительные локальные сети в двух близлежащих зданиях или даже дальше. • Мобильная сеть: Это полностью беспроводная сеть, соединяющая два сетевых элемента. Одним из таких элементов обычно является мобильное устройство, которое подключается к домашней сети (фиксированной) с использованием сотовой или спутниковой технологии. Эти три типа беспроводных сетей подключаются с использованием основных средств связи, таких как инфракрасное излучение, лазерный луч, узкополосное радио и радио с расширенным спектром, микроволновая печь и спутниковая связь [ 2 ]. Инфракрасный: Во время передачи в инфракрасном диапазоне один сетевой элемент дистанционно излучает и передает импульсы инфракрасного света, которые передают закодированные инструкции принимающему сетевому элементу. До тех пор, пока нет объекта, который мог бы остановить проходящий свет, приемник получает команду. Инфракрасное излучение лучше всего эффективно использовать в небольшом ограниченном пространстве, в пределах 100 футов, например, при подключении телевизионного пульта дистанционного управления к телевизору. В такой ограниченной области, как эта, инфракрасное излучение работает относительно быстро и может способность - до 10 Мбит/с. поддерживать высокую пропускную Высокочастотное радио: Во время радиосвязи высокочастотное электромагнитное излучение радиоволны или радиочастоты, обычно называемые радиочастотными передачами, генерируются передатчиком и улавливаются приемником. Поскольку диапазон радиочастот больше, чем у инфракрасного излучения, мобильные вычислительные элементы могут осуществлять связь на ограниченной территории без размещения передатчика и приемника на прямой видимости; сигнал может отражаться от легких стен, зданий и атмосферных объектов. Радиочастотные передачи очень хороши на большие расстояния в сочетании со спутниками для преломления радиоволн. Микроволновая печь: Микроволны - это высокочастотная версия радиоволн, но их передача, в отличие от передачи по радио, может быть сфокусирована в одном направлении. В микроволновых передачах используется пара параболических антенн, которые генерируют и принимают узкие, но сильно направленные сигналы. Чтобы быть чувствительными к сигналам, как передающая, так и приемная антенны должны фокусироваться в пределах узкой области. Из-за этого как передающая, так и приемная антенны должны быть тщательно отрегулированы, чтобы выровнять передаваемый сигнал с приемником. Микроволновая связь имеет две формы: наземную, когда она находится вблизи земли, и спутниковую микроволновую связь. Частоты и технологии, используемые этими двумя формами, схожи, но имеют заметные различия. Лазер: Лазерный луч может использоваться для передачи данных на расстояние в несколько тысяч ярдов по воздуху и оптическим волокнам. Но это возможно только в том случае, если в поле зрения нет препятствий. Лазеры можно использовать во многих тех же ситуациях, что и микроволны, и, как и микроволны, лазерные лучи должны преломляться при использовании на больших расстояниях. 1.5 Топология сети Компьютерные сети, будь то локальные сети, MANs или WAN, строятся на основе топологии. Существует несколько топологий, включая следующие популярные. 1.5.1 Сетка Ячеистая топология допускает множественные каналы доступа между сетевыми элементами, в отличие от других типов топологий. Множество каналов доступа между сетевыми элементами обеспечивает преимущество в надежности сети, поскольку всякий раз, когда один сетевой элемент выходит из строя, сеть не прекращает работу; она просто находит обходной путь к вышедшему из строя элементу, и сеть продолжает функционировать. Сетчатая топология чаще всего используется применяется во многих сетях. На рисунке 1.11 показана ячеистая сеть. 1.5.2 Дерево Более распространенным типом сетевой топологии является древовидная топология. В древовидной топологии сетевые элементы помещаются в иерархическую структуру, в которой наиболее преобладающий элемент называется корнем дерева, а все остальные элементы в сети имеют общие дочерне–родительские отношения. Как и в обычных, хотя и перевернутых деревьях, здесь нет замкнутых циклов. Таким образом, работа с отказами элементов сети сопряжена с трудностями в зависимости от положения вышедшего из строя элемента в структуре. Например, в глубоко корневое дерево, если корневой элемент выходит из строя, сеть автоматически разрывается и разделяется на две части. Эти две части не могут взаимодействовать друг с другом. Таким образом, функционирование сети как единого целого оказывается фатально ограниченным. На рисунке 1.12 показана сеть , использующая древовидную топологию. 1.5.3 Шина Более популярной топологией, особенно для локальных сетей, является шинная топология. Элементы в сети, использующей шинную топологию, всегда совместно используют шину и, следовательно, имеют равный доступ ко всем ресурсам локальной сети. Каждый сетевой элемент имеет полнодуплексное подключение к передающей среде, что позволяет каждому элементу на шине отправлять и получать данные. Поскольку каждый вычислительный элемент непосредственно подключен к передающей среде, передача от любого одного элемента распространяется по всей длине среды в любом направлении и, следовательно, может быть принята всеми элементами в сеть. Из-за этого необходимо принять меры предосторожности, чтобы убедиться, что передачи, предназначенные для одного элемента, могут быть приняты этим элементом и никаким другим элементом. Сеть также должна использовать механизм, который обрабатывает споры в случае, если два или более элемента пытаются передавать данные одновременно. Механизм справляется с вероятным столкновением сигналов и обеспечивает быстрое восстановление после такого столкновения. Также необходимо обеспечить справедливость в сети, чтобы все остальные элементы могли передавать данные, когда им это необходимо. См. рис. 1.13. Механизм контроля коллизий также должен повысить эффективность сети, использующей шинную топологию, позволяя только одному элементу в сети управлять шиной в любой момент времени. Этот сетевой элемент затем называется ведущим по шине, а другие элементы считаются его подчиненными. Это требование предотвращает возникновение коллизии в сети, поскольку элементы сети пытаются одновременно захватить шину. Топология шины обычно используется локальными сетями. 1.5.4 Звезда Другой очень популярной топологией, особенно в технологиях локальных сетей, является звезда топология. Звездообразная топология характеризуется центральным выступающим узлом, который соединяется со всеми остальными элементами сети. Таким образом, все элементы в сети подключены к центральному элементу. Каждый сетевой элемент в топологии "звезда" соединен попарно способом "точка-точка" через центральный элемент, и связь между любой парой элементов должна проходить через этот центральный элемент. Центральный элемент или узел может либо работать в режиме широковещательной передачи, и в этом случае информация от одного элемента передается всем подключенным элементам, либо передаваться в режиме коммутации устройство, в котором входящие данные передаются только одному элементу, ближайшему элементу на пути к месту назначения. Самым большим недостатком звездчатой топологии в сетях является то, что выход из строя центрального элемента приводит к выходу из строя всей сети. На рисунке 1.14 показана звездообразная топология. 1.5.5 Кольцо Наконец, еще одной популярной сетевой топологией является кольцевая топология. В этой топологии каждый вычислительный элемент в сети, использующей кольцевую топологию, напрямую подключен к передающей среде через однонаправленное соединение, так что информация передается на среда передачи может достигать всех вычислительных элементов в сети с помощью механизма поочередной отправки информации по кольцу. Рисунок 1.15 показывает сеть с кольцевой топологией. Передача информации по очереди осуществляется с помощью системы токенов. Токен - это общесистемная информация, которая гарантирует, что текущий владелец является хозяином шины. Пока он владеет токеном, никакому другому сетевому элементу не разрешается передавать данные по шине. Когда элемент, в данный момент отправляющий информацию и удерживающий токен, завершен, он передает токен вниз по потоку к своему ближайшему соседу. Система токенов - это хорошая система управления коллизиями и справедливостью. Существуют варианты кольцевой топологии, которые в совокупности называются гибридами концентраторов, сочетающими либо звезду с шиной, либо растянутую звезду, как показано на рис. 1.16. Хотя сетевые топологии важны в локальных сетях, выбор топологии зависит от ряда других факторов, включая тип среды передачи, надежность сети, размер сети и ее предполагаемый рост в будущем. В последнее время наиболее популярными топологиями локальной сети стали топологии шины, звезды и кольца. Самой популярной топологией локальной сети на основе шин и звездочек является Ethernet, а самой популярной топологией локальной сети на основе колец является token ring. 1.6 Сетевое подключение и протоколы На заре вычислительной техники компьютеры использовались как автономные машины, и вся работа, требующая перекрестных вычислений, выполнялась вручную. Файлы перемещались на дисках с компьютера на компьютер. Таким образом, возникла необходимость в перекрестных вычислениях, когда более одного компьютера должны взаимодействовать с другими, и наоборот. Таким образом, родилось новое движение. Это называлось движением за открытые системы, которое призывало производителей компьютерного оборудования и программного обеспечения придумать способ, как это осуществить. Но чтобы сделать это возможным, необходима стандартизация оборудования и требовалось программное обеспечение. Чтобы помочь в этих усилиях и упростить компьютерную коммуникацию, Международная организация по стандартизации (ISO) разработала открытую Модель системного взаимодействия (OSI). OSI - это модель открытой архитектуры, которая функционирует как стандарт сетевого протокола связи, хотя и не является наиболее широко используемой. Наиболее широко используется модель протокола управления транспортом/интернет-протокола (TCP/IP), конкурирующая с OSI. Как модели OSI, так и модели TCP/IP используют два стека протоколов, один в исходном элементе, а другой в целевом элементе. 1.6.1 Набор протоколов подключения к открытой системе (OSI) Разработка модели OSI была основана на надежной предпосылке, что коммуникационная задача по сети может быть разбита на семь уровней, где каждый уровень представляет отдельную часть задачи. Разные уровни протокола предоставляют разные сервисы и гарантируют, что каждый уровень может взаимодействовать только со своими собственными соседними уровнями. То есть протоколы на каждом уровне основаны на протоколах предыдущих уровней. Начиная с вершины стека протоколов, задачи и информация перемещаются вниз начиная с верхних уровней, пока они не достигнут нижнего уровня, где они будут отправлены по сетевому носителю из исходной системы в пункт назначения. В пункте назначения задача или информация поднимается обратно по слоям, пока не достигнет вершины. Каждый слой предназначен для приема работы от слоя над ним и передачи работы вниз к слою под ним и наоборот. Чтобы облегчить межслойную связь, интерфейсы между слоями стандартизированы. Однако каждый слой остается независимым и может быть разработан независимо, и функциональность каждого слоя не должна влиять на функциональность других слоев выше и ниже него. В таблице 1.1 показана модель OSI, состоящая из семи уровней, и описания сервисов, предоставляемых на каждом уровне. При одноранговой связи два взаимодействующих компьютера могут инициировать и получать задачи и данные. Задача и данные, инициируемые с каждого компьютера, запускаются сверху на прикладном уровне стека протоколов на каждом компьютере. То затем задачи и данные перемещаются вниз с верхних уровней, пока не достигнут нижнего, где они отправляются по сетевому носителю из исходной системы в пункт назначения. В пункте назначения задача и данные поднимаются обратно по слоям до самого верха. Каждый слой предназначен для приема работы от слоя, расположенного над ним, и передачи работы вниз, на слой, расположенный под ним. По мере передачи данных от уровня к уровню машины-отправителя к данным добавляются заголовки уровней, в результате чего дейтаграмма увеличивается в размерах. Заголовок каждого уровня содержит информацию для однорангового узла этого уровня в удаленной системе. Тот информация может указывать на то, как направить пакет по сети или что следует сделать с пакетом, когда он передается обратно по уровням на компьютере-получателе. На рисунке 1.17 показана модель логической связи между двумя одноранговыми компьютерами, использующая модель ISO. В таблице 1.2 показана дейтаграмма с добавленной информацией заголовка по мере ее перемещения по слоям. Хотя разработка модели OSI была направлена на то, чтобы предложить стандарт для всех других фирменных моделей, и она максимально охватывала все существующие модели, на самом деле она так и не заменила многие из них конкурирующие модели, которые он должен был заменить. На самом деле именно эта концепция “все в одном” привела к провалу рынка, потому что она стала слишком сложной. Его позднее появление на рынке также помешало его долгожданной совместимости между сетями. 1.6.2 Протокол транспортного контроля/Интернет-протокол Модель (TCP/IP) Среди конкурентов OSI был протокол TCP/IP, который был гораздо менее сложным и более исторически устоявшимся к моменту появления OSI на рынке. Модель TCP/IP не совсем соответствует модели OSI. Например, в нем на два-три уровня меньше, чем в семи слоях модели OSI. Он был разработан для Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA); но с годами его популярность стала феноменально расти, и теперь он является стандартом де-факто для Интернет и множество интрасетей. Он состоит из двух основных протоколов: передача Протокол управления (TCP) и интернет-протокол (IP), отсюда и обозначение TCP/IP. В таблице 1.3 показаны уровни и протоколы на каждом уровне. Поскольку TCP/IP является наиболее широко используемым в большинстве наборов сетевых протоколов Интернетом и многими интрасетями, давайте сосредоточимся здесь на его уровнях. Fig. 1.18 Application layer data frame 1.6.2.1 Прикладной уровень Этот уровень, очень похожий на прикладной уровень в модели OSI, предоставляет пользовательскому ресурсы, богатые прикладными функциями. Он поддерживает все сетевые приложения и включает в себя множество протоколов для структуры данных, состоящей из потоков битов, как показано на рис. 1.18. 1.6.2.2 Транспортный уровень Этот слой, опять же аналогичный сеансовому слою модели OSI, слегка удален от пользователя и скрыт от него. Его основная цель - передавать сообщения прикладного уровня, которые включают протоколы прикладного уровня в своих заголовках, между хостом и сервером. Для сети Интернет транспортный уровень имеет два стандартных протокола: Протокол управления транспортом (TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (UDP). Протокол TCP предоставляет сервис, ориентированный на подключение, и гарантирует доставку всех пакеты прикладного уровня доставляются по назначению. Эта гарантия основана на двух механизмах: управление перегрузкой, которое регулирует скорость передачи исходного элемента при перегрузке трафика в сети, и механизм управления потоком, который пытается согласовать скорости отправителя и получателя, чтобы синхронизировать скорость потока и снизить скорость отбрасывания пакетов. В то время как TCP предлагает гарантии доставки пакетов прикладного уровня, UDP, с другой стороны, не предлагает таких гарантий. Он предоставляет простой сервис без подключения к интернету, просто с доставкой и без каких-либо подтверждений. Но это гораздо более эффективный и предпочтительный протокол для передачи данных в режиме реального времени, таких как потоковое видео и музыка. Транспортный уровень доставляет пакеты и протоколы транспортного уровня на сетевой уровень. На рис. 1.19 показана структура данных TCP, а на рис. 1.20 - структура данных UDP. 1.6.2.3 Сетевой уровень Этот уровень перемещает пакеты, которые теперь называются дейтаграммами, от маршрутизатора к маршрутизатору по пути от исходного хоста к целевому хосту. Он поддерживает ряд протоколов, включая Internet Protocol (IP), Internet Control Message Protocol (ICMP) и Internet Group Management Protocol (IGMP). Протокол IP является наиболее широко используемым протоколом сетевого уровня. IP использует информацию заголовка из протоколов транспортного уровня, которые включают номера портов источника и назначения дейтаграмм из IP-адресов, а также другую информацию заголовка TCP и IP-адреса для перемещения дейтаграмм с маршрутизатора к маршрутизатору через сеть. Наилучшие маршруты определяются в сети с помощью алгоритмов маршрутизации. На рисунке 1.21 показана структура IP-данных. Стандартным IP-адресом был так называемый IPv4, 32-разрядная схема адресации. Но с быстрым развитием Интернета возникли опасения, что адреса закончатся, поэтому была создана IPv6, новая 64-разрядная схема адресации. Сетевой уровень передает протокол сетевого уровня на канальный уровень передачи данных. 1.6.2.4 Канальный уровень передачи данных Этот уровень предоставляет сети сервисы, которые перемещают пакеты от одногокоммутатора пакетов, такого как маршрутизатор, к следующему по соединительным каналам. Этот уровень также обеспечивает надежную доставку пакетов сетевого уровня по каналам связи. Он находится на самом низком уровне связи и включает в себя протоколы сетевой интерфейсной платы (NIC) и операционной системы (OS). Протоколы на этом уровне включают Ethernet, асинхронный режим передачи (ATM) и другие, такие как frame relay. Блок протокола канального уровня передачи данных, фрейм , может перемещаться по ссылкам от источника к месту назначения с помощью различных протоколов канального уровня по разным ссылкам на этом пути. 1.6.2.5 Физический уровень Этот уровень отвечает за буквальное перемещение дейтаграмм канала передачи данных бит за битом по каналам связи и между элементами сети. Протоколы здесь зависят от характеристик среды связи и сигналов на этой среде и используют их. 1.7 Сетевые службы Чтобы коммуникационная сеть работала эффективно, данные в сети должны иметь возможность перемещаться от одного сетевого элемента к другому. Это может произойти только в том случае, если сетевые службы для перемещения таких данных работают. Для сетей передачи данных эти услуги делятся на две категории: • Услуги подключения для облегчения обмена данными между двумя конечными системами, взаимодействующими по сети, с минимальными потерями данных, насколько это возможно, и за как можно меньшее время. • Переключение служб для облегчения перемещения данных с хоста на хост по всему миру. длина и ширина сетевой сетки, состоящей из хостов, концентраторов, мостов, маршрутизаторов и шлюзов 1.7.1 Услуги по подключению Как нам заставить сетевые передающие элементы обмениваться данными по сети? Используются два типа служб подключения: службы, ориентированные на подключение, и службы без подключения. 1.7.1.1 Услуги, ориентированные на подключение При использовании сервиса, ориентированного на подключение, прежде чем клиент сможет отправлять пакеты с реальными данными на сервер, должно произойти трехстороннее подтверждение связи. Мы дадим определение этому трехстороннему рукопожатию в последующих главах. Но цель трехстороннего рукопожатия состоит в том, чтобы установить сеанс до того, как может начаться фактическое общение. Организация сессии перед перемещением данных создается путь виртуальных соединений между конечными системами через сеть и, следовательно, гарантирует резервирование и установление фиксированных каналов связи и других ресурсов, необходимых для обмена данными, до того, как произойдет обмен любыми данными, и до тех пор, пока каналы необходимы. Например, это происходит всякий раз, когда мы совершаем телефонные звонки; прежде чем мы обменяемся словами, каналы резервируются и устанавливаются на определенный срок. Поскольку этот метод гарантирует, что данные поступят в том же порядке, в каком они были отправлены, он считается надежный. Вкратце, сервис предлагает следующее: • Подтверждения всех обменов данными между конечными системами • Управление потоком в сети во время обмена • Контроль перегрузки в сети во время обмена В зависимости от типа существующих физических соединений и служб, требуемых взаимодействующими системами, методы, ориентированные на подключение, могут быть реализованы на канальных уровнях передачи данных или на транспортных уровнях стека протоколов, хотя в настоящее время наблюдается тенденция к их большей реализации на транспортном уровне. Например, TCP - это транспортный протокол, ориентированный на подключение на транспортном уровне. Другие сетевые технологии, ориентированные на подключение, включают frame relay и банкоматы. 1.7.1.2 Услуга без подключения В службе без установления соединения нет подтверждения связи для установления сеанса между взаимодействующими конечными системами, нет управления потоком и нет контроля перегрузки в сети. Это означает, что клиент может начать взаимодействовать с сервером без предупреждения или запроса о готовности; он просто отправляет потоки пакетов, называемых дейтаграммами, от его отправляющего порта к порту подключения сервера в виде одиночных передач "точка-точка" без установления связи между пакетами и между конечными системами. У этого вида услуг подключения есть свои преимущества и, конечно же, недостатки. Вкратце, соединение происходит быстрее, поскольку отсутствует подтверждение связи, которое иногда может отнимать много времени, и оно обеспечивает периодическую пакетную передачу больших объемов данных, и, кроме того, оно имеет простой протокол. Однако эта услуга предлагает минимум функций и не имеет никаких гарантий для пользователя отправитель, поскольку нет предварительной контрольной информации и подтверждения. Кроме того, сервис не обладает надежностью метода, ориентированного на соединение, и не предлагает обработку ошибок и упорядочение пакетов; кроме того, каждый пакет самоидентифицируется, что приводит к длинным заголовкам, и, наконец, нет предопределенного порядка поступления пакетов. Подобно методу, ориентированному на подключение, эта служба может работать как на канальном, так и на транспортном уровнях. Например, UDP, служба без установления соединения, работает на транспортном уровне. 1.7.2 Услуги коммутации сетей Прежде чем мы обсудим протоколы связи, давайте сделаем крюк и кратко обсудим передачу данных с помощью переключающего элемента. Это метод, с помощью которого данные перемещаются с хоста на хост по длине и ширине сетевой сетки, состоящей из хостов, концентраторов, мостов, маршрутизаторов и шлюзов. Этот метод называется переключением данных. Тип технологии коммутации данных, используемой сетью, определяет способ передачи сообщений между двумя взаимодействующими элементами и по всей этой сети. Там существует два типа методов коммутации данных: коммутация каналов и коммутация пакетов. 1.7.2.1 Переключение цепей В сетях с коммутацией каналов необходимо зарезервировать все ресурсы перед настройкой физического канала связи, необходимого для связи. Физическое соединение, однажды установленное, затем используется исключительно двумя конечными системами, обычно абонентами, в течение всего срока действия связи. Главной особенностью такого соединения является то, что оно обеспечивает канал с фиксированной скоростью передачи данных, и оба абонента должны работать с такой скоростью. Например, в сети телефонной связи подключенная линия резервируется между двумя точками до того, как пользователи смогут начать пользоваться услугой. Одним из вопросов, вызывающих споры о переключении каналов, является предполагаемая трата ресурсов во время так называемых периодов молчания, когда соединение полностью действует, но не используется сторонами. Эта ситуация возникает, когда, например, во время сеанса телефонной сети телефонная трубка не вешается после использования, оставляя соединение все еще установленным. В течение этого периода, пока никто не использует сеанс, строка сеанса все еще открыт. 1.7.2.2 Коммутация пакетов С другой стороны, сети с коммутацией пакетов не требуют резервирования каких-либо ресурсов перед началом сеанса связи. Эти сети, однако, требуют, чтобы передающий хост собирал все потоки данных для передачи в пакеты. Если сообщение большое, оно разбивается на несколько пакетов. Заголовки пакетов содержат сетевые адреса источника и назначения двух взаимодействующих конечных систем. Затем каждый из пакетов отправляется по каналам связи и через коммутаторы пакетов(маршрутизаторы). При получении каждого пакета маршрутизатор проверяет адрес назначения, содержащийся в пакете. Используя свою собственную таблицу маршрутизации, каждый маршрутизатор затем пересылает пакет по соответствующему каналу связи с максимальной доступной скоростью передачи данных. Поскольку каждый пакет принимается на каждом промежуточном маршрутизаторе, он пересылается по соответствующему каналу вперемежку с другими пакетами, пересылаемыми по этому каналу. Каждый маршрутизатор проверяет адрес назначения, если он является владельцем пакета; затем он повторно собирает пакеты в итоговое сообщение. На рисунке 1.22 показана роль маршрутизаторов в сетях с коммутацией пакетов. Коммутаторы пакетов считаются передатчиками с сохранением и пересылкой, что означает, что они должны получить весь пакет целиком, прежде чем пакет будет повторно передан или переключен на следующий коммутатор. Поскольку для этих пакетов не существует предопределенного маршрута, могут возникнуть непредсказуемо длительные задержки, прежде чем полное сообщение сможет быть собрано повторно. Кроме того, сеть может ненадежно доставлять все пакеты по назначению. Чтобы обеспечить надежное и быстрое время передачи данных по сети, устанавливается фиксированный максимальный промежуток времени. Сети с коммутацией пакетов страдают от нескольких проблем, включая следующие: • Скорость передачи пакета между двумя коммутационными элементами зависит от максимальной скорости передачи соединяющего их канала связи и от самих коммутаторов • Кратковременные задержки возникают всегда, когда коммутатор ожидает получения полного пакета. Чем длиннее пакет, тем больше задержка. • * Каждый коммутационный элемент имеет конечный буфер для пакетов. Таким образом, пакет может прибыть только для того, чтобы обнаружить, что буфер заполнен другими пакетами. Всякий раз, когда это случается, что вновь прибывший пакет не сохраняется, а теряется, и этот процесс позволяет избежать хлопот с резервированием для любой ожидаемой передачи. Существует два типа сетей с коммутацией пакетов: • Виртуальная кольцевая сеть, в которой запланирован маршрут пакета, и он становится логическим соединением до того, как пакет будет выпущен. • Сеть дейтаграмм, которой посвящена эта книга. сбрасывание пакета. В часы пик серверы могут отбрасывать большое количество пакетов. Методы контроля перегрузки используют скорость отбрасывания пакетов в качестве одного из показателей перегруженности трафика в сети.Сети с коммутацией пакетов обычно называют пакетными сетями по очевидным причинам. Их также называют асинхронными сетями, и в таких сетях пакеты идеальны, поскольку существует совместное использование полосы пропускания, и, конечно, это позволяет избежать хлопот с резервированием для любой ожидаемой передачи. 1.8 Устройства для подключения к сети Прежде чем мы обсудим устройства для подключения к сети, давайте вернемся к сетевой инфраструктуре. Мы определили сеть как совокупность сетевых элементов, обычно называемых сетевыми узлами, соединенных вместе проводящими средами. Эти сетевые узлы могут находиться либо на концах сетки, и в этом случае они обычно известны как клиенты, либо в середине сети в качестве передающих элементов. В небольшой сети, такой как локальная сеть, узлы соединяются друг с другом с помощью специальных соединительных и проводящих устройств устройства, которые принимают сетевой трафик с одного узла и передают его на следующий узел. Если сеть является большой межсетевой (большие сети, такие как WAN и Локальные сети), эти сети подключены к другим специальным промежуточным сетевым устройствам, так что Интернет функционирует как единая большая сеть. Теперь давайте рассмотрим устройства для подключения к сети и сосредоточимся на двух типах устройств: те, которые используются в сетях (небольших сетях, таких как локальные сети), и те, которые используются в межсетевых сетях. 1.8.1 Устройства для подключения к локальной сети Поскольку локальные сети представляют собой небольшие сети, подключаемые устройства в локальных сетях менее мощные с ограниченными возможностями. Существуют концентраторы, ретрансляторы, мосты и коммутаторы. 1.8.1.1 Концентратор Это самое простое в семействе устройств для подключения к сети, поскольку оно соединяет компоненты локальной сети по идентичным протоколам. Он принимает импортированные данные и передает их дословно. Его можно использовать для переключения как цифровых, так и аналоговых данных. В каждом узле необходимо выполнить предварительную настройку, чтобы подготовиться к форматированию входящих данных. Например, если входящие данные представлены в цифровом формате, концентратор должен передавать их в виде пакетов; однако, если входящие данные аналоговые, то концентратор передает их как сигнал. Есть два типа концентраторов: простые и многопортовые концентраторы, как показано на рис. 1.23 и 1.24. Концентраторы с несколькими портами могут поддерживать более одного компьютера в соответствии с его количеством портов и могут использоваться для планирования расширения сети по мере добавления новых компьютеров позднее. Сетевые концентраторы предназначены для работы с сетевыми адаптерами и кабелями и обычно могут работать со скоростью 10 или 100 Мбит /с; некоторые концентраторы могут работать на обеих скоростях. Для подключения компьютеров с разной скоростью лучше использовать концентраторы, работающие на обеих скоростях 10/100 Мбит/с. 1.8.1.2 Ретранслятор Сетевой ретранслятор - это низкоуровневое устройство локальной связи на физическом уровне сети, которое принимает сетевые сигналы, усиливает их для восстановления до полной мощности, а затем повторно передает их на другой узел сети. Ретрансляторы используются в сети для нескольких целей, включая противодействие ослаблению, возникающему при прохождении сигналов на большие расстояния, и увеличение длины локальной сети сверх заданного максимума. Поскольку они работают на самом низком уровне сетевого стека, они менее интеллектуальны, чем их аналоги, такие как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы на верхних уровнях сетевого стека. См. рис. 1.25. 1.8.1.3 Мост Мост подобен ретранслятору, но отличается тем, что ретранслятор усиливает электрические сигналы, поскольку он развернут на физическом уровне; мост развернут на канале передачи данных и, следовательно, усиливает цифровые сигналы. Он копирует кадры в цифровом виде. Это позволяет создавать кадры из одна часть локальной сети или другая локальная сеть с другой технологией для перехода в другую часть или другую локальную сеть. Однако при фильтрации и изоляции кадра из одной сети в другую или в другую часть той же сети мост не будет перемещать поврежденный кадр с одного конца сети на другой. Поскольку он фильтрует пакеты данных, мост не вносит никаких изменений в формат и содержание входящих данных. Мост фильтрует кадры, чтобы определить, следует ли переадресовывать кадр или отбрасывать его. Все “шумовые” пакеты (столкновения, неисправная проводка, скачки напряжения и т.д.) не передаются. Мост фильтрует и пересылает кадры по сети, используя динамическую таблицу мостов. Таблица мостов, которая изначально пуста, содержит адреса локальной сети для каждого компьютера в локальной сети и адреса каждого мостового интерфейса, который соединяет локальную сеть с другими локальными сетями. Мосты, как и концентраторы, могут быть как простыми, так и многопортовыми. На рис. 1.26 показан простой мост, на рис. 1.27 показан многопортовый мост, а на рис. 1.28 показано положение моста в стеке протоколов OSI. 1.8.1.4 Выключатель Коммутатор - это сетевое устройство, которое соединяет сегменты сети или две небольшие сети, такие как Ethernet или локальные сети token ring. Как и мост, он также фильтрует и пересылает кадры по сети с помощью динамической таблицы. Такой подход "точка-точка" позволяет коммутатору подключать несколько пар сегментов одновременно, позволяя нескольким компьютерам передавать данные одновременно, что обеспечивает им более высокую производительность по сравнению с их родственниками - мостами. 1.8.2 Устройства для работы в сети Межсетевые устройства соединяют между собой небольшие сети, например, несколько локальных сетей, создавая гораздо более крупные сети, такие как Интернет. Давайте рассмотрим два из этих разъемов: маршрутизатор и шлюз. 1.8.2.1 Маршрутизаторы Маршрутизаторы - это устройства общего назначения, которые соединяют две или более разнородных сетей, представленных IP-подсетями или ненумерованными линиями "точка-точка". Обычно это выделенные компьютеры специального назначения с отдельными интерфейсами вводавывода для каждой подключенной сети. Они реализованы на сетевом уровне в стек протоколов. На рисунке 1.29 показано положение маршрутизатора в стеке протоколов OSI. Согласно RFC 1812, маршрутизатор выполняет следующие функции [ 3 ]: • Соответствует конкретным интернет-протоколам, указанным в документе 1812 года, включая Интернет-протокол (IP), протокол управляющих сообщений Интернета (ICMP) и другие по мере необходимости. • Подключается к двум или более пакетным сетям. Для каждой подключенной сети маршрутизатор должен выполнять функции, требуемые этой сетью, поскольку он является членом этой сети. Эти функции обычно включают в себя следующее: – Инкапсуляция и декапсулирование IP-дейтаграмм с помощью фрейминга подключенной сети. Например, если подключенная сеть является локальной сетью Ethernet, необходимо подключить заголовок Ethernet и контрольную сумму. – Отправка и прием IP-дейтаграмм до максимального размера, поддерживаемого данной сетью; этот размер является максимальной единицей передачи сети или MTU. – Преобразование IP-адреса назначения в соответствующий адрес сетевого уровня для подключенной сети. Это аппаратные адреса Ethernet на сетевой карте для карт Ethernet, если это необходимо. Каждая сеть обращается к маршрутизатору как компьютер-участник своей собственной сети. Это означает, что каждый маршрутизатор является членом каждой сети, к которой он подключается. Таким образом, у него есть сетевой адрес хоста для этой сети и адрес интерфейса для каждой сети, к которой он подключен. Из-за этой довольно странной характеристики каждый интерфейс маршрутизатора имеет свой собственный модуль протокола разрешения адресов (ARP), свой адрес локальной сети (адрес сетевой карты) и свой собственный адрес интернетпротокола (IP). – Реагирование на управление сетевым потоком и индикацию ошибок, если таковые имеются. • Принимает и пересылает интернет-дейтаграммы. Важными вопросами в этом процессе являются управление буфером, контроль перегрузки и справедливость. Для этого маршрутизатор должен: – R распознавать условия ошибки и генерировать ICMP-сообщения об ошибках и информационные сообщения по мере необходимости. – Отбрасывать дейтаграммы, поля времени жизни которых достигли нуля. – Фрагментируйте дейтаграммы, когда это необходимо, для передачи в максимальный блок передачи (MTU) следующей сети. • Выбирает пункт назначения следующего перехода для каждой IPдейтаграммы на основе информации в своей базе данных маршрутизации. • Обычно поддерживает протокол внутреннего шлюза (IGP) для осуществления распределенной маршрутизации и алгоритмы достижимости с другими маршрутизаторами в той же автономной системе. Кроме того, некоторым маршрутизаторам потребуется поддерживать протокол внешнего шлюза (EGP) для обмена топологической информацией с другими автономными системами. • Предоставляет средства сетевого управления и системной поддержки, включая загрузку, отладку, отчетность о состоянии, отчеты об исключениях и контроль. Пересылка IP-дейтаграммы из одной сети через маршрутизатор требует, чтобы маршрутизатор выбрал адрес и соответствующий интерфейс маршрутизатора следующего перехода или для конечного прыгайте, если это конечный хост. Маршрутизатор следующего перехода всегда находится в следующей сети, членом которой также является маршрутизатор. Выбор маршрутизатора следующего перехода, называемого переадресацией, зависит от записей в таблице маршрутизации внутри маршрутизатора. Маршрутизаторы умнее мостов в том смысле, что маршрутизатор, использующий таблицу маршрутизаторов, обладает некоторой информацией о возможных маршрутах, по которым пакет может пройти от своего источника к месту назначения. Как только он находит адресата, он определяет наилучший, быстрый и наиболее эффективный способ маршрутизации пакета. Таблица маршрутизации, как в bridge и switch, динамично растет по мере развития активности в сети. При получении пакета маршрутизатор удаляет заголовки пакетов и трейлеры и анализирует IP-заголовок, определяя адреса источника и назначения, тип данных и отмечая время прибытия. Он также обновляет таблицу маршрутизаторов новыми адресами, если их еще нет в таблице. Информация об IP-заголовке и времени прибытия вводится в таблицу маршрутизации. Если маршрутизатор обнаруживает адрес, который он не может понять, он отбрасывает пакет. Давайте объясним работу маршрутизатора на примере, приведенном на рис. 1.30. На рис. 1.30 предположим, что хост A в LAN1 пытается отправить пакет хосту B в LAN2. Как узел A, так и узел B имеют два адреса: адрес локальной сети (хоста) и IP-адрес. Преобразование между локальными адресами хоста и IPадресами выполняется ARP, и данные извлекаются или встраиваются в таблицу ARP, аналогичную таблице 1.4. Обратите также внимание, что маршрутизатор имеет два сетевых интерфейса: интерфейс 1 для LAN1 и интерфейс 2 для LAN2 для подключения к более крупной сети, такой как Интернет. Каждый интерфейс имеет адрес локальной сети (хоста) для сети, к которой подключается интерфейс, и соответствующий ip-адрес. Как мы увидим позже в этой главе, узел A отправляет пакет маршрутизатору 1 в момент времени 10:01, который включает, среди прочего, оба его адреса, тип сообщения и IP-адрес назначения узла B. Пакет принимается на интерфейсе 1 маршрутизатора; маршрутизатор считывает пакет и строит строку 1 таблицы маршрутизации, как показано в таблице 1.5. Маршрутизатор замечает, что пакет должен быть отправлен в сеть 193.55.1.***, где *** это цифры 0-9, и ему известно, что эта сеть подключена по интерфейсу 2. Он пересылает пакет интерфейсу 2. Теперь интерфейс 2 со своим собственным ARP может знать ведущий B. Если это так, то он пересылает пакет и обновляет таблицу маршрутизации, включая строку 2. Что происходит, когда ARP на интерфейсе маршрутизатора 1 не может определить следующую сеть? То есть, если он не знает о наличии сети 193.55.1.***, затем он запросит помощь у шлюза. Давайте теперь обсудим, как IP выбирает шлюз, который будет использоваться при доставке дейтаграммы в удаленную сеть. 1.8.2.2 Шлюзы Шлюзы являются более универсальными устройствами, чем маршрутизаторы. Они выполняют преобразование протоколов между различными типами сетей, архитектур или приложений и служат в качестве трансляторов для сетевых компьютеров, которые взаимодействуют по разным протоколам и работают в непохожих сетях, например, OSI и TCP/IP. Поскольку сети отличаются друг от друга различными технологиями, каждая сеть имеет свои собственные алгоритмы маршрутизации, протоколы, серверы доменных имен, а также процедуры и политики сетевого администрирования. Шлюзы выполняют все функции маршрутизатора и многое другое. Функциональность шлюза, которая выполняет перевод между различными сетевыми технологиями и алгоритмами, называется преобразователем протоколов. На рисунке 1.31 показано положение шлюза в сети. Услуги шлюзов включают преобразование формата и/или размера пакетов, преобразование протоколов, трансляцию данных, эмуляцию терминала и мультиплексирование. Поскольку шлюзы выполняют более сложную задачу преобразования протоколов, они работают медленнее и обрабатывают меньшее количество устройств. Давайте теперь посмотрим, как пакет может быть направлен через шлюз или несколько шлюзов прежде чем он достигнет места назначения. Мы видели, что если маршрутизатор получает дейтаграмму, он проверяет адрес назначения и обнаруживает, что он не находится в локальной сети. Таким образом, он отправляет его на шлюз по умолчанию. Шлюз по умолчанию теперь выполняет поиск адреса назначения в своей таблице. В случае, если шлюз по умолчанию распознает, что адрес назначения не находится ни в одной из сетей, к которым он подключен напрямую, он должен найти еще один шлюз для его пересылки. Информация о маршрутизации, используемая сервером для этого, содержится в таблице маршрутизации шлюза, связывающей сетей к шлюзам, которые к ним подключаются. Таблица начинается с записи о сети 0.0.0.0, универсальная запись для маршрутов по умолчанию. Все пакеты в неизвестную сеть отправляются по маршруту по умолчанию. В таблице 1.6 показана таблица маршрутизации шлюза. Выбор между маршрутизатором, мостом и шлюзом это баланс между функциональностью и скоростью. Шлюзы, как мы уже указывали, выполняют множество функций; однако из-за этого разнообразия функций шлюзы могут стать узким местом в сети, поскольку они работают медленно. Таблицы маршрутизации могут быть созданы либо вручную для небольших локальных сетей, либо с помощью программного обеспечения, называемого routing daemons, для более крупных сетей. Выбор между маршрутизатором, мостом и шлюзом - это баланс между функциональностью и скоростью. Шлюзы, как мы уже указывали, выполняют множество функций; однако из-за этого разнообразия функций шлюзы могут стать узким местом в сети, поскольку они работают медленно. Таблицы маршрутизации могут быть созданы либо вручную для небольших локальных сетей, либо с помощью программного обеспечения, называемого routing daemons, для более крупных сетей. 1.9 Сетевые технологии Ранее в этой главе мы указывали, что компьютерные сети в основном классифицируются в соответствии с их размерами: локальные вычислительные сети (LAN) охватывают меньшие площади, а более крупные - более широкие (WAN). В этом последнем разделе главы давайте рассмотрим несколько сетевых технологий в каждой из этих категорий. 1.9.1 Технологии локальной сети Вспомните наше определение локальной сети в начале этой главы. Мы определили локальную сеть как небольшую сеть передачи данных, состоящую из множества машин, которые все они являются частью сети и охватывают географически небольшую территорию, такую как одно здание или один этаж. Кроме того, локальная сеть обычно принадлежит частному лицу или отдельной организации, такой как организация. Согласно стандарту IEEE 802.3 Committee on LAN Standardization, локальная сеть должна быть одноранговой сетью связи среднего размера с географическим разделением, передающей информацию для всех пользователей сети через общий физический носитель по принципу "точка-точка" без необходимости промежуточного коммутационного элемента. Многие распространенные сегодня сетевые технологии подпадают под это определение категория, включающая популярный Ethernet, широко используемый token ring/IEEE 805.2 и волоконный интерфейс распределенных данных (FDDI). 1.9.1.1 Локальная сеть Ethernet на базе стандарта Star (IEEE 802.3) Технология Ethernet является наиболее широко используемой из всех технологий локальной сети, и она была стандартизирована Комитетом по стандартам IEEE 802.3. Стандарты IEEE 802.3 определяют уровень управления доступом к среде (MAC) и физический уровень. Сеть Ethernet MAC - это система множественного доступа carrier sense с обнаружением столкновений (CSMA/CD). С помощью CSMA любой сетевой узел, который хочет осуществлять передачу, должен сначала прослушать носитель, который должен выполнить повторную передачу. Если должно было произойти больше столкновений, то теперь элемент должен удвоить время задержки и так далее. После столкновения, когда два элемента находятся в периоде задержки, среда может бездействовать, и это может привести к неэффективности. Чтобы исправить эту ситуацию, элементы, вместо того чтобы просто переходить в режим задержки, должны продолжать прослушивать среду во время передачи. В этом случае они будут не только определять несущую, но и обнаруживать столкновение, которое приводит к CSMA/CD. По словам Столлингса, схема CSMA/CD работает по следующему алгоритму [ 1 ]: • Если носитель не используется, выполните передачу. • Если носитель занят, продолжайте прослушивание до тех пор, пока он не будет простаивать; затем немедленно передайте. • При обнаружении столкновения “предупреждения о столкновении” всем передайте сигнал помех для остальным элементам сети. • После подавления сигнала подождите произвольные единицы времени и попытайтесь выполнить передачу. Ряд локальных сетей Ethernet основаны на стандартах IEEE 802.3, в том числе: • 10 БАЗОВЫХ-X (где X = 2, 5, T и F; T - витая пара, а F - волоконная оптика) • 100 базовых значений-T (где параметры T включают T4, TX и FX) • 1000 базовых величин-T (где параметры T включают LX, SX, T и CX) Базовой структурой передачи данных Ethernet является кадр, и она показана на рис. 1.32. Поля fi источника и назначения содержат 6-байтовые адреса локальной сети вида xx-xx- xx-xx-xx-xx-xx, где x - шестнадцатеричное целое число. Поле обнаружения ошибок представляет собой 4 байта битов, используемых для обнаружения ошибок, обычно с использованием алгоритма циклической проверки избыточности (CRC), в котором исходный и конечный элементы синхронизируют значения этих битов. чтобы убедиться, что нет другого узла, который уже осуществляет передачу. Это называется несущей восприятие среды. Если уже есть узел, использующий среду, то элемент, который намеревался передать, ожидает; в противном случае он передает. В случае, если два или более элемента пытаются передать данные одновременно, произойдет столкновение и целостность данных для всех будет нарушена. Однако элемент может этого не знать. Таким образом, он ожидает подтверждения от принимающего узла. Период ожидания варьируется с учетом максимальной задержки передачи данных в оба конца и других непредвиденных задержек. Если в течение этого времени подтверждение не получено, элемент затем принимает что произошла коллизия и передача была неудачной, и поэтому она должна быть передана повторно. 1.9.1.2 Кольцо токенов/IEEE 805.2 Локальные сети Token ring, основанные на стандарте IEEE 805.2, также широко используются в коммерческих и небольших промышленных сетях, хотя и не так популярны, как Ethernet. Стандарт использует фрейм, называемый токеном, который циркулирует по сети таким образом, что все сетевые узлы имеют к нему равный доступ. Как мы уже видели ранее, технология token ring использует механизм, который предполагает передачу токена по сети таким образом, чтобы все элементы сети имели к нему равный доступ. Всякий раз, когда сетевой элемент хочет выполнить передачу, он ожидает поступления токена из полезной нагрузки ring на кольцо. Затем он ожидает, пока токен совершит круг и вернется обратно. Принимающий хост должен распознать MAC-адрес назначения в кадре как свой собственный. После получения хост идентифицирует последнее поле, указывающее на распознавание MAC-адреса как своего собственного. Затем содержимое фрейма копируется хостом, и фрейм возвращается в обращение. При достижении сетевого элемента, которому все еще принадлежит токен, элемент забирает токен, и новый токен помещается на кольцо для другого сетевой элемент, который, возможно, потребуется передать. Из-за своей циклической природы технология token ring дает каждому элементу сети равные шансы на передачу, если он этого захочет. Однако, если токен когда-либо будет потерян, сетевой бизнес будет остановлен. На рис. 1.33 показана структура фрейма данных токена, а на рис. 1.16 показана структура кольца токенов. Как и Ethernet, token ring имеет множество технологий, основанных на скоростях передачи. чтобы добраться до точки соединения элемента на кольце. Когда жетон достигнув этой точки, элемент захватывает ее и изменяет один бит токена, который становится начальным битом во фрейме данных, который будет передаваться элементом. Затем элемент вставляет данные, адресную информацию и другие поля, а затем освобождает 1.9.1.3 Другие технологии локальной сети В дополнение к тем, которые мы обсуждали ранее, используется несколько других технологий локальной сети, включая следующие: • Режим асинхронной передачи (ATM) с целью передачи голосовых, видео, текстовых, электронных и графических данных в режиме реального времени. Банкомат предлагает полный спектр сетевых услуг, которые делают его конкурентом сети Интернет. • Fiber distributed data interface (FDDI) - это сеть с двумя кольцами, которая использует схему token ring, имеющую много общего с оригинальной технологией token ring. • AppleTalk, популярная локальная сеть пользователей Mac. 1.9.2 Технологии глобальной сети Как мы определили ранее, глобальные сети - это сети передачи данных, подобные локальным сетям, но они охватывают более широкую географическую область. Из-за своих размеров глобальные сети традиционно предоставляют клиентам меньше услуг, чем локальные сети. В эту категорию попадают несколько сетей, включая цифровую сеть интегрированных служб (ISDN), X.25, frame relay и популярную Интернет. 1.9.2.1 Цифровая сеть интегрированных служб (ISDN) ISDN - это система цифровых телефонных соединений, которая позволяет одновременно передавать данные по всему миру с использованием сквозного цифрового подключения. Это сеть который поддерживает передачу видео, голоса и данных. Поскольку передача данных такого рода, включая графику, обычно предъявляет к коммуникационным сетям совершенно разные требования, интеграция сервисов для этих сетей является важным преимуществом, делающим их более привлекательными. Стандарты ISDN определяют, что абонентам должны быть предоставлены: • Услуги интерфейса базовой скорости (BRI) для двух полнодуплексных каналов B со скоростью 64 Кбит/с, каналов передачи данных, и одного полнодуплексного канала D со скоростью 16 кбит/с, канала передачи данных. Один Канал B используется для цифровой передачи голоса, а другой - для таких приложений, как передача данных. Канал D используется для телеметрии и обмена информацией об управлении сетью. Этот тариф предназначен для индивидуальных пользователей. • Услуги интерфейса первичной скорости (PRI), состоящие из 23 каналов B со скоростью 64 Кбит/с и одного канала D со скоростью 64 Кбит/с. Этот тариф предназначен для всех крупных пользователей. Доступ к BRI возможен только в том случае, если клиент подключен к телефонной линии ISDN и находится в пределах 18 000 футов (около 3,4 миль или 5,5 км) от центрального офиса телефонной компании. В противном случае требуются дорогостоящие устройства-ретрансляторы, которые могут включать ISDN терминальные адаптеры и маршрутизаторы ISDN. 1.9.2.2 X.25 X.25 - это протокол Международного союза электросвязи (ITU), разработанный в 1993 году для обеспечения функциональной совместимости множества глобальных сетей передачи данных (WAN), известных как сети общего пользования, принадлежащих частным компаниям, организациям и правительственным учреждениям. Таким образом, X.25 описывает, как данные передаются в общедоступные сети передачи данных и из них. X.25 - это ориентированный на подключение сетевой протокол передачи данных с коммутацией пакетов с тремя уровнями, соответствующими трем нижним уровням модели OSI следующим образом: физический уровень соответствует физическому уровню OSI, канальный уровень соответствует канальному уровню передачи данных OSI, а пакетный уровень соответствует сетевому уровню OSI. При полной эксплуатации сети X.25 позволяют удаленным устройствам, известным как оборудование для терминалов передачи данных (DTE), взаимодействовать друг с другом по высокоскоростным цифровым каналам, известным как оборудование для завершения каналов передачи данных (DCE), без затрат на отдельные арендованные линии. Связь инициируется пользователем в DTE, настраивающим вызовы с использованием стандартизированных адресов. Вызовы устанавливаются по виртуальным каналам, которые представляют собой логические соединения между исходным и конечным адресами. После получения вызова вызываемые пользователи могут принять, отменить или перенаправить вызов третьей стороне. Виртуальные соединения, о которых мы упоминали выше, бывают следующих двух типов [ 4 ]: • Коммутируемые виртуальные каналы (SVC) – SVC очень похожи на телефонные звонки; устанавливается соединение, передаются данные, а затем соединение разрывается. Каждому DTE в сети присваивается уникальный DTE-адрес, который можно использовать так же, как телефонный номер. • Постоянные виртуальные каналы (PVC) – PVC аналогичен выделенной линии в том смысле, что соединение присутствует всегда. Логическое соединение устанавливается постоянно администрацией сети с коммутацией пакетов. Таким образом, данные всегда могут быть отправлены без какой-либо настройки вызова.Обе эти схемы широко используются, но поскольку пользовательское оборудование и сетевые системы поддерживают как X.25 PVC, так и X.25 SVC, большинство пользователей предпочитают SVC, поскольку они позволяют пользовательским устройствам устанавливать и отключать соединения по мере необходимости. Потому что X.25 - это надежная система передачи данных с возможностью работы в широком диапазоне диапазон качества средств передачи данных, это обеспечивает преимущества по сравнению с другими технологиями глобальной сети, например: • В отличие от технологий frame relay и ATM, которые зависят от использования высококачественных цифровых средств передачи, X.25 может работать как с аналоговыми, так и с цифровыми средствами. • По сравнению с TCP/IP, обнаруживается, что TCP/IP имеет только сквозную проверку ошибок и управление потоком, в то время как X.25 проверяется на наличие ошибок от сетевого элемента к сетевому элементу. Сети X.25 используются по всему миру крупными организациями с широко рассредоточенные и требующие интенсивных коммуникаций операции в таких секторах, как финансы, страхование, транспорт, коммунальные услуги и розничная торговля. 1.9.2.3 Другие технологии глобальной сети Ниже приведены другие технологии глобальной сети, которые мы хотели бы обсудить, но не можем включить из-за ограниченности пространства: • Frame relay - это сеть с коммутацией пакетов, способная мультиплексировать множество логических преобразований данных по одному соединению. Он обеспечивает гибкую эффективную полосу пропускания канала с использованием цифровой и волоконно-оптической передачи. У него есть много похожих характеристики сети X.25, за исключением формата и функциональности. • Протокол "точка-точка" (PPP) - это интернет-стандарт для передачи IPпакетов по последовательным линиям. Соединение "точка-точка" обеспечивает единый, предварительно установленный канал связи от конечного элемента через сеть оператора связи, такую как телефонная компания, к удаленной сети. Эти каналы могут передавать дейтаграммы или потоки данных. • Сервисная линия xDirect (xDSL) - это технология, которая обеспечивает недорогое, но очень быстрое подключение к Интернету. • Служба коммутируемой многомегабитной передачи данных (SMDS) - это услуга без установления соединения, работающая в диапазоне 1,5–100 Мбит/с; любая станция SMDS может отправить кадр любой другой станции в той же сети. • Режим асинхронной передачи данных (ATM) уже обсуждался как технология локальной сети. 1.9.3 Беспроводные локальные сети Стремительный прогресс, миниатюризация и популярность беспроводных технологий открыли новый компонент технологии локальной сети. Мобильность и перемещение работников это вынудило компании перейти на новые беспроводные технологии с акцентом на беспроводные сети, расширяющие локальную сеть до беспроводной локальной сети. В основном существует четыре типа беспроводных локальных сетей [ 1 ]: • Расширение локальной сети - это быстрое беспроводное расширение существующей локальной сети для учета новых изменений в пространстве и мобильных устройствах. • Межстроечное соединение устанавливает связи между зданиями как между беспроводными, так и между проводными локальными сетями. • Nomadic access устанавливает соединение между локальной сетью и мобильным устройством беспроводной связи, таким как портативный компьютер. • Специальная сеть - это одноранговая сеть, временно созданная для удовлетворения какой-либо неотложной потребности. Обычно он состоит из ноутбуков, портативных устройств, ПК и других коммуникационных устройств. • Персональные сети (PANs), которые включают популярные сети Bluetooth. Существует несколько типов беспроводных локальных сетей на базе стандарта IEEE 802.11, в том числе: • Инфракрасный • Расширенный спектр • Узкополосная микроволновая печь Беспроводная технология более подробно рассматривается в главе 17. Упражнения 1. Что такое протокол связи? 2. Зачем нам нужны коммуникационные протоколы? 3. Перечислите основные протоколы, обсуждаемые в этой главе. 4. В дополнение к ISO и TCP/IP, какие существуют другие модели? 5. Обсудите две технологии локальной сети, которые не являются Ethernet или token ring. 6. Почему технология Ethernet более привлекательна для пользователей, чем остальные технологии локальной сети? 7. Как вы думаете, каковы слабые места TCP/IP? 8. Обсудите плюсы и минусы четырех технологий локальной сети. Продвинутые упражнения 1. X.25 и TCP/IP очень похожи, но есть и различия. Обсудите эти различия. 2. Обсудите причины, по которым ISDN не удалось внедрить в качестве технологии глобальной сети. 3. Почему сложно установить постоянные стандарты для такой технологии, как WAN или локальная сеть? 4. Многие люди рассматривают Bluetooth как персональную беспроводную сеть (PAN). Почему это так? Какой стандарт использует Bluetooth? 5. Некоторые люди думают, что Bluetooth - это волшебная технология, которая изменит мир. Прочтите о Bluetooth и обсудите это утверждение. 6. Обсудите будущее беспроводных локальных сетей. 7. Что такое беспроводная сеть WAN? Какие технологии могут быть использованы в нем? Является ли это волной будущего? 8. Имея в виду будущее, сравните банкоматы и технологии ISDN. 9. Предвидите ли вы слияние технологий LAN, MAN и глобальной сети в будущем? Поддерживаю ваш ответ. 10. Сетевые технологии находятся на переходном этапе. Обсудите направление развития сетевых технологий.
