Александр Дудкин
Различные типы сетей все плотнее интегрируются в нашу жизнь, хотя мы этого порой даже не замечаем, в то время как они раскрывают перед нами все более широкие возможности. Кто-то про себя подумает: «Да не нужны мне эти буржуйские штучки!», - и будет неправ. В ближайшее время всевозможные сети опутают нашу жизнь со всех сторон. Все, начиная от общения, заканчивая удаленным управлением бытовыми устройствами у нас дома и на работе, будет управляться по сети. У кого сейчас нет сотового телефона, в то время как еще 4 года назад они были не так уж и распространены. Так в ближайшие годы не останется человека без ноутбука с беспроводной технологией Wi-Fi. Уже сейчас вы можете проверять факсы и почту, пришедшие на ваш домашний телефонный номер удаленно. Если учесть, что все они могут коммутироваться между собой и на аппаратном уровне могут быть интегрированы в любые устройства, то их возможности практически безграничны. Вы, например, сможете на расстоянии проверять готовкой пищи в микроволновой печи, с компьютера проверять безопасность у вас в квартире, смотреть за ребенком, оставшимся одним дома. Естественно, за прокладку и настройки таких сетей в ближайшие годы вы выложите кругленькую сумму, но есть вариант все сделать самому, что гораздо выгоднее и приятнее.
За последнее время появилось большое количество новых стандартов в области сетей. Это породило немало споров и замешательства. Чтобы уметь строить собственные сети или хотя бы уметь настраивать существующие, необходимо понимание принципов работы сетей. Чтобы разобраться в существующей ситуации с сетями, мы предлагаем этот материал.
Классификация
Все вычислительные сети (ВС), в основном, классифицируются по географическому признаку. Они подразделяются на локальные (LAN), региональные (MAN) и глобальные (WAN). LAN работают на территории одного здания или части города. В качестве среды передачи данных используется «витая пара» (UTP), коаксиальный кабель и иногда оптоволокно («оптика» в просторечье). MAN объединяет локальные сети и как правило, использует оптоволокно. WAN, в отличие от предшественников имеет низкую скорость передачи данных и большее количество ошибок передачи. Для этого используются средства телекоммуникации: телефонные линии, спутниковые средства и микроволновые передатчики.
По способу разделения ресурсов ВС могут быть одноранговыми, клиент-серверными (с выделенным сервером) и смешанными. В одноранговых сетях все компьютеры равноправны и отсутствует централизованное управление ресурсами и службами на компьютерах. В каждый конкретный момент каждый компьютер может быть сервером или клиентом, предоставляя или используя ресурсы других компьютеров. Такие сети имеют смысл при наличии в сети 5-15 компьютеров и отсутствии единых распределяемых приложений. При работе с выделенным сервером используется клиент-серверная схема, которая позволяет централизованно обеспечивать безопасность и управление, предоставлять централизованное хранилище ресурсов и обеспечивать различные сервисы (например, Web-сервисы, распределенное использование приложений). Такая система более сложна в обслуживании, но предоставляет гораздо больше удобства, безопасности и хорошо масштабируется.
Способ, с помощью которого сообщение обрабатывается структурными элементами (каналами связи и интерфейсами) и передается по сети, называется сетевым протоколом. Проблемы совмещения различных элементов ВС привели Международную организацию стандартизации ISO к созданию эталонной модели архитектуры ВС OSI. В модели OSI принят принцип слоистой архитектуры, в которой все функции сети разделены на уровни таким образом, что вышележащие уровни используют услуги по переносу информации, предоставляемые нижележащими уровнями, т. е. взаимодействуют через интерфейс, который должен сохраняться, а сами уровни могут быть заменены в любой момент. Единственной проблемой может служить тот факт, что некоторые фирмы производители к тому времени уже разработали и внедрили свой стандарт, который может вписываться, а может несколько отличаться от модели OSI
Модель OSI
Итак, эта эталонная модель распределяет сетевые функции по семи уровням:
Уровень 7. Прикладной
Уровень 6. Представления данных
Уровень 5. Сеансовый
Уровень 4. Транспортный
Уровень 3. Сетевой
Уровень 2. Канальный
Уровень 1. Физический
При передаче информации в модели OSI используется 3 типа адресов:
Физический адрес или MAC-адрес, который записывается изготовителем на сетевой плате и однозначно определяет физическое устройство.
Служебный (логический) адрес, определяющий порт или сокет для служб провайдера или сервера.
Сетевой (логический) адрес, который определяет сегмент сети, к которому присоединено устройство и его логический порядковый номер в сегменте.
| 7 уровень | ПРИКЛАДНОЙ | |
| 6 уровень | ПРЕДСТАВИТЕЛЬСКИЙ | |
| 5 уровень | СЕАНСОВЫЙ | |
| 4 уровень | ТРАНСПОРТНЫЙ | |
| 3 уровень | СЕТЕВОЙ | |
| 2 уровень | КАНАЛЬНЫЙ | LLC |
| MAC | ||
| 1 уровень | ФИЗИЧЕСКИЙ | |
Таблица 1. Многоуровневая архитектура связи
На физическом уровне определяются характеристики электрических сигналов, напряжения, механические свойства кабелей и разъемов. На этом уровне определяется физическая топология сети, способ кодирования информации и общей синхронизации битов. Данные на этом уровне рассматриваются как прозрачный поток битов.
Топология сетей описывает физическое расположение программно-аппаратных компонентов (физическая топология) и методы перемещения данных в среде (логическая топология). К ним относятся:
общая шина (bus);
кольцо (ring);
сотовая (cellular);
полносвязная (mesh).
звезда (star);
Комбинация этих топологий дает гибридную топологию (звезда на общей шине, звезда на кольце). Именно эта топология наиболее часто встречается в современных сетях. При выборе топологии необходимо учитывать множество факторов, таких, как расстояние, цена, вопросы безопасности, планируемая к использованию операционная система, использование существующего оборудования и т. д.
В системах с топологией общая шина сетевые адаптеры подключены параллельно к единственному каналу связи - магистрали. Управление шиной может быть как централизованное (станцией-арбитром), так и распределенное (равноправное). Одной из самых известных сетей с общей шиной является Ethernet фирмы Xerox на коаксиальном кабеле.
Шинная топология представляет собой быстрейший и простейший способ установки маленькой или временной сети. К недостаткам такой топологии следует отнести уязвимость при неполадках в магистральном кабеле и трудность изоляции отдельных станций или других компонентов при неправильной работе.
Для кольцевых систем характерно наличие однонаправленного замкнутого канала связи, который разрывается сетевыми устройствами доступа (интерфейсами). Посланное одним интерфейсом сообщение последовательно проходит по кольцу от одного узла к другому, пока не доберется до узла-получателя или не вернется к своему отправителю. Классификация кольцевых систем основывается на применении разных методов множественного доступа. Наиболее известны петли с жезловым (маркерным) управлением, которое реализовано в сети Token Ring фирмы IBM и волоконно-оптической сети FDDI (Fiber Distributed Data Interface), имеющей пропускную способность 100 Мбит/с и использующей топологию двойного (избыточного) кольца. В случае повреждения одного из них сеть автоматически переконфигурируется.
Топология кольца имеет ряд недостатков: его трудно поддерживать и переконфигурировать в больших сетях. Кроме того, неполадки в кабеле или одной станции кольца фатальны для всего кольца.
Сети со звездной топологией имеют в качестве центрального узла концентратор, который как бы тиражирует пришедшее по одной из линий связи сообщение и рассылает его всем остальным станциям сети. Таким образом, организуется широковещательная передача. В качестве примера подобных сетей можно привести сеть Fast Ethernet на витой паре со скоростью передачи 100 Мбит/с.
К достоинствам таких топологий следует отнести прекрасное масштабирование, независимость работоспособности всей сети от неполадок на отдельной станции или фрагменте кабельной системы, относительная простота расширения сети и ее реконфигурирования. Недостатками топологии является необходимость большого количества кабеля, больше, чем при остальных топологиях, и зависимость работоспособности сети от концентратора.
Сети с топологией в виде сот определяют принципы беспроводной связи для географических областей, разделенных на ячейки (соты). Каждая ячейка представляет собой часть общей области, внутри которой функционируют конкретные соединения, связывающие устройства с центральной станцией. Центральные станции соединены в виде сетки. В этом случае при пересылке информации существует множество альтернативных маршрутов, что позволяет поддерживать отказоустойчивость сети, оптимизировать нагрузку при передаче и гарантировать минимальную задержку при доставке сообщений. Пример таких сетей – Wi-Fi и Wi-Max, которые уже разворачиваются в Москве и Санкт-Петербурге , а также сети сотовой связи.
Физический уровень определяет, что вся информация в сетях передается виде пакетов, т.е. частей одного сообщения. Между пакетами посылается служебная информация и пакеты других сообщений. Таким образом, пользователям кажется, что их данные передаются одновременно. На самом деле, почти все сети в мире являются сетями с коммутацией пакетов. Способов коммутации множество, но основные из них два: установления виртуального соединения с подтверждением приема каждого пакета и передача дейтаграмм.
Установление виртуального соединения (канала) является гораздо более надежным способом обмена информации. При таком соединении, если пакет принят неправильно или испорчен (например, из-за помех в линии), то отправитель повторяет передачу. Дейтаграммы (короткие сообщения) пересылаются адресату без подтверждения получения каждой из них. О получении всего сообщения извещает целевая программа.