Сети - классификация и организация

Базовые технологии ЛС - это Ethernet, Token Ring (TR), FDDI, IP и ATM. Все они используют- ­ся в сетях проводной, или фиксированной, связи. Беспроводные технологии здесь не рассмат­риваются.

Классификация сетей

В настоящее время еще не сложилась четкая общая классификация сетевых технологий, но есть ряд признаков, которые м.б. положены в ее основу. Сети можно классифицировать:

· по размеру охватываемой территории;

· по характеру передаваемого трафика;

· по типу передачи трафика;

· по типу используемых сетевых технологий;

· по типу доступа абонентов в сеть;

· по характеру используемых сред передачи сигнала-переносчика.

Эти признаки не взаимоисключающие, но позволяют описать все многообразие сетей (как ЛС, так и ГлС). Использование только одного признака: размера охватываемой территории -непродуктивно.

Напомним, что локальные сети (ЛС) впервые возникли как локальные вычислительные сети (ЛВС), обеспечивающие связь мультипроцессорных систем, а затем и многокомпьютер­ных комплексов, где узлами сети были МП, а затем и отдельные компьютеры комплекса. Эти сети формально не классифицировались, хотя и выделялись в курсах компании Cisco как:

• персональная сеть - ПС (или PAN) - сеть, реализуемая в рамках одного компьютера, радиус действия - 0,1 м (в пределах материнской платы ПК);

• сеть компьютерных систем - СКС (или CSN) - сеть, реализуемая в рамках компьютерной системы, радиус действия - метры-десятки метров (в пределах одного мэйнфрейма или компьютерного зала).

 

По размеру охватываемой территории в ЛС существует деление всех сетей на категории:

 

• локальные сети - ЛС (или LAN), получившие свой статус после разработки базовых сетевых технологий IEEE 802.3...802.5. Они м.б. развернуты в комнате (10 м), в здании (100 м), в группе зданий или кампусе (1-2 км);

• городские сети - ГС (или MAN) или сети класса метро, или региональные сети PC (стандарт IEEE 802.6);

• глобальные сети - ГлС (или WAN) - сети, реализуемые в стране (100 км), на континентах (тысячи км).

 

Кроме указанных, существуют промежуточные категории или типы сетей, например:

 

- офисная сеть - типичный пример ЛС;

- кампусная сеть - типичный пример расширенной ЛС;

- сеть масштаба предприятия - типичный пример расширенной ЛС или суженной ГС;

- корпоративная сеть - типичный пример ГС или суженной PC;

 

 

- общероссийская сеть - типичный пример ГлС;

- глобальная сеть Интернет - типичный пример расширенной ГпС, относимой иногда к планетарной сети.

По характеру передаваемого трафика существуют:

 

• сети передачи голоса, или сети телефонной связи (ТфОП), и сети радиовещания (СРВ);

• сети передачи данных (СПД);

• сети телевизионного вещания (СТВ);

• мультимедийные сети (сети передачи графики, видеоизображений, видеоконференций и телевидения);

• сети интегрированного обслуживания, передающие голос, данные и видео в рамках технологии ISDN;

• мультисервисные сети, передающие голос, данные, видео в рамках, например, технологии ATM.

По типу передачи трафика существуют сети типа:

 

• точка-точка - t-т, когда трафик передается по одному маршруту (без ответвления): от точки А до точки В;

• точка-много точек - t-мт, трафик передается от точки А до группы точек: Bi,...,B_n (точка-мультиточка);

• точка-все остальные точки - трафик передается от точки А по всем маршрутам в сети (широковещание).

По типу используемых сетевых технологий различают две большие группы: сети с комму­тацией пакетов и сети с коммутацией цепей. В сетях с коммутацией пакетов различают сле­дующие технологии:

 

• сети Ethernet, технология описана встандарте IEEE 802.3;

• сети быстрого Ethernet (FE), технология описана встандартах IEEE 802.3u,ua...ue;

• сети гигабитного Ethernet (GE), технология описана в стандартах IEEE 802.3z; 802.3ab;

• сети 10-гигабитного Ethernet (10GE), технология, описана встандарте IEEE 802.3ae;

• сети 40/100-гигабитного Ethernet (40/100GE), новая технология, описана встандарте IEEE 802.3ba;

• сети Token Ring (ТЯ), технология описана в стандарте IEEE 802.5;

• сети быстрого TR (FTR), версия TR, работающая на скорости 100 Мбит/с, стандарт IEEE 802.5t;

• сети гигабитного TR (GTR), технология описана в стандарте IEEE 802.5v;

• сети FDDI, технология описана в стандартах ANSI или IEEE 802.6 (эти сети больше не поддерживаются);

• сети на основе протокола IP, технология описана в документе IETF RFC 791;

• сети MPLS, технология пакетной коммутации, описана в документах RFC 2702,2917,3032 и ITU-T Y.1370,1711;

• сети пассивные оптические (PON), технологии описаны в рекомендациях ITU-T 983.x, 984.x;

• сети локальные беспроводные, технология описана в стандартах IEEE 802.11,802.15,802.16.

В сетях с коммутацией цепей различают следующие сетевые технологии:

 

• сети на основе протокола Х.25, технология описана в рекомендации ITU-T X.25;

• сети Frame Relay (FR), технология описана вспецификациях Форума FRF: FRF.1-FRF.20 и др. стандартах;

• сети ATM, технология описана в спецификациях Форума ATM и др. стандартах;

• сети на основе ИКМ, или цифровые телефонные сети типа Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ, SMDS;

• сети ISDN, технология описана в рекомендациях ITU-T серий Е.хх, l.xx, Q.xx;

• сети РDH, технология временного мультиппексирования TDM, описана в базовых рекомендациях ITU-T G.702-G.704, G.742, G.745, G.753, G.754;

• сети SDH, технология описана в базовой рекомендации ITU-T G.707 и других рекомендациях G.7xx...G.9xx;

• сети WDM, технология волнового мультиплексирования, описана в базовых рекомендациях ITU-T G.692,G.694...G.697.

За пределами классификации остались пока сети доступа на базе технологий цифровых абонентских линий (xDSL), оптические транспортные сети (OTN), автоматически комму­тируемые оптические сети (ASON) и полностью оптические сети (AON).

По типу доступа абонентов в сеть различают:

 

• множественный случайный доступ без фиксации столкновений (Aloha) - тип доступа, при котором заня­тие среды - случайное нерегулируемое действие, анапогичное проезду через нерегулируемый перекресток, доступ назван так в честь первой сети - Aloha (США; Гавайи);

• множественный случайный доступ с фиксацией столкновений (CSMA/CD) - тип доступа, при котором занятие среды - случайное, но частично регулируемое действие, а именно: среда прослушивается (CS) и, если она свободна, то занимается. Если среда занимается сразу несколькими пользователями, то фиксируется столкновение (или коллизия - CD). Такой доступ реализован в сетях полудуплексного Ethernet.

• множественный случайный доступ с исключением столкновений (CSMA/CA) - тип доступа, когда заня­тие среды - случайное и регулируемое действие, а именно: среда прослушивается (CS) и, если она свободна, то станция посылает сигнал занятия, заставляющий других воздержаться от занятия среды, что исключает столкновения (СА);

• множественный маркерный доступ - тип доступа, при котором по сети (с топологией шины или кольца) циркулирует маркер (Token), который захватывается станцией, желающей передать данные; после передачи маркер регенерируется (освобождается от цуга данных) и процесс повторяется;

• множественный/многостанционный доступ с кодовым разделением типа CDMA - тип доступа, исполь­зуемый в системах сотовой связи.

 

По характеру используемых сред передачи сигнала-переносчика различают:

 

• сети проводной (медножильной) связи типа ЛС на витой паре (экранированной - STP или неэкранироаан-ной - UTP) или телефонных ГС/ГлС на витой телефонной паре (среда передачи - витая медная пара);

• сети кабельной (медножильной) связи типа ЛС Ethernet на тонком ипи толстом кабеле (сегодня не исполь­зуются) или телефонных кабепьных сетей (среда передачи - медный коаксиальный кабель);

• пассивные оптические сети типа PON/ПОС (среда передачи - медножильный и оптический кабели);

• сети волоконно-оптической кабельной (ВОК) связи типа ЛС на ОВ (ВОК) ипи тепефонных ГС/ГлС на ВОК (среда передачи ВОК/ОК);

• сети беспроводной радиорелейной связи (среда передачи радиоэфир);

• сети беспроводной транкинговой радиосвязи (среда передачи радиоэфир);

• сети беспроводной сотовой связи (среда передачи радиоэфир);

• сети спутниковой радиосвязи: "спутник-ретранслятор - наземная станция" (среда передачи радиоэфир);

• сети спутниковой оптической связи: "спутник-спутник" (лазерный луч в безвоздушном пространстве);

• сети прямой оптической связи, "оптический передатчик - оптический приемник" (среда передачи - лазер­ный луч в воздушном пространстве).

Режимы передачи

Следующий сетевой параметр - режим передачи, используемый в ЛС. Его можно описать в трех "плоскостях":

- по типу синхронизации операций приема-передачи: асинхронный или синхронный;

- по возможному направлению передачи: симплексный, полудуплексный, дуплексный;

- по типу испопьзуемой передачи трафика: уникастинг, мультикастинг, бродкастинг.

Итак, режим передачи м.б. описан как:

• асинхронной режим, применяемый, при асинхронном источнике, например, ПК, или при асинхронном протоко-ле передачи, необходимым для проверки правильности приема посланного блока данных, с автоматическим повторением передачи а спучае обнаружения ошибки при приеме (реализуется старт-стопный характер пере­дачи -см. Гпава1);

• синхронной режим, применяемый для уменьшения избыточности асинхронного режима и существенного уве­личения скорости передачи; в нем начало передачи на передающем и приемном концах синхронизируется ис­точником синхронизации, а симвопы передаются без старт-стопных элементов (см. Глава 1);

• симплексный режим передачи - однонаправпенный режим, при котором передача проводится только в одном направлении от абонента А к абоненту Б;

• полудуплексный режим передачи - однонаправленный режим, при котором передача проводится в каждый момент только в одном направпении, но это направпение может меняться (от абонента А к Б или от Б к А);

• дуплексный режим передачи - двунаправленный режим (одновременно в направпениях от А к Б и от Б к А);

• режим уникастинга - передача единственного трафика между двумя абонентами/станциями (реализуется при поддержке сетью топологии "т-т");

 

 

• режим мультикастинга - множественная передача трафика нескольким абонентам/станциям (реализуется при поддержке сетью топологии "т-мт*);

• режим бродкастинга - широковещательная передача трафика всем абонентам/станциям (реализуется при поддержке сетью топологии "точка-все точки")

В указанных случаях режим передачи м.б. синхронным или асинхронным. Таким образом, режим передачи м.б. описан, например, таким термином: "режим асинхронного дуплексного уникастинга".

Базовые сетевые топологии

Следующая характеристика сети - ее топологии, используемые как элементы обшей архитек- ­туры сети. Под базовыми обычно понимают пять основных топологий: шина, звезда, кольцо, дерево, ячейка.

Маршрутизатор

Маршрутизатор

А) Шина Б) Звезда

Рис.2-1. Шинная топология (А) и топология одноуровневой (Б) звезды

Шина (ЛС), рис.2-1а, известная в ГлС как последовательная линейная цель, используется в сетях множест­венного доступа Ethernet и в магистральных сетях со многими отводами ввиду низкой стоимости. Сеть с такой топо­логией хорошо структурирована, легко управляется и маршрутизируется, но плохо приспособлена для расширения.

Звезда, рис.2-1 б, широко известна в ПС и ГлС, используется концентраторами (хабами) ЛС и ГлС, м.б, двух­уровневой и трехуровневой звездой, если представить терминальные узлы в виде хаба для звезды нижнего уровня. Многоуровневые звезды можно представить как дерево (рис.2.2б). Такую сеть легко структурировать и расширять.

Рис.2-2. Кольцевая топология (А), топология произвольного дерева (Б)

Кольцо, рис.2-2а, эта топология также широко известна в ЛС и ГлС, используется в технологиях TR (одинарное кольцо), FDDI (одинарное и двойное кольцо) и SDH (одинарное, двойное и четверное кольцо). Она хорошо структу­рируется и документируется, но ее трудно расширять.

 

Дерево, рис.2-2б, топология используется для сетей коммутационного и распределительного типа, например в сетях PON (ПОС). но не в ГлС. Она хорошо структурируется, документируется и наращивается.

Рис.2-3. Ячеистая топология: А) ячеистая сеть; Б) полносвязная и В) неполносвязная ячейки

Ячейка, рис.2-3, элемент, формирующий топологию ячеистой сети. Используется в беспроводных (так назы­ваемых mesh-сетях), а также в проводных ячеистых ТфОП. Вершины м.б. соединены по типу "каждая с каждой", что дает ячейку попносвязного типа, а если часть соединений отсутствует, то ячейку неполносвязного типа. Ячеистая сеть неполносвязного типа м.б. построена на основе топологического понятия "симплекс". Нетривиальным симплек­сом, число вершин которого 3 или больше, м.б.: равносторонний треугольник, квадрат, правильные выпуклые пятиугольники, шестиугольники или многоугольники.

Многоуровневая модель OSI

Протоколы

Для функционирования сети, кроме соединения ее узлов в соответствии с определенной топо­логией, необходимо иметь ПО, определяющее язык взаимодействия и правила повеления, то есть алгоритм функционирования сети. Этот алгоритм задастся набором протоколов. При работе сети приходится выполнять различные функции, поэтому логично иметь набор прото­колов, выполняющих функции наиболее эффективно.

Ввиду сложности выполнения какой-то задачи логично провести се декомпозицию и раз­работать несколько протоколов для решения частных задач, а затем объединить их в так назы­ваемый стек протоколов.

Учитывая возможную мпогошаговость выполнения задачи, а также наличие стека прото­колов для се решения, нужно, чтобы протоколы допускали настройку параметров и обеспечи­вали вызов дополнительных процедур или других протоколов в процессе работы.

Модель OSI (МВОС)

Протоколы в стеке должны взаимодействовать между собой в рамках протокольной архитек­торы, используя модель взаимодействия. Наиболее известна среди них модель OSI, или эта­- лонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС, МВОС, ВОС). Она имеет мно­гоуровневую архитектуру.

Такая архитектура удобна тем, что позволяет разбить общую задачу обработки сообщения на несколько подзадач, решаемых на каждом уровне отдельным протоколом. Возникает вер­тикальный обрабатывающий сообщение конвейер, для которого необходимо описывать про-эгдуры перехода с одного уровня на другой.

Кроме OSI есть много примеров стеков протоколов, основанных на других архитектурах, например на SNA - системной сетевой архитектуре компании IBM.

Модель OSI разрабатывалась с 1977 организацией ISO для описания взаимодействия двух йэыпыотерных систем (стандарт ISO 7498 - 1983), она описана как 7-уровневая модель со сте- ков уровневых протоколов. Позже (1984) эта модель была описана стандартом CCITT X.200.

 

 

Уровни модели OSI

Модели МВОС имеет следующие уровни:

· Application - уровень 7 - прикладной уровень;

· Presentation - уровень 6 - уровень представления;

· Session - уровень 5 - сеансовый уровень;

· Transport - уровень 4 - транспортный уровень;

· Network - уровень 3 - сетевой уровень;

· Data Link - уровень 2 - уровень звена данных, или канальный уровень;

· Physical - уровень 1 - физический уровень.

Рассматриваемые технологии ГлС (Х.25, FR, ATM, ISDN) используют только уровни OSI 1-3. Кратко первые 4 уровня можно характеризовать следующим образом:

Физический уровень - обеспечивает и определяет:

- доступ к среде передачи;

- детали, относящиеся к физическому интерфейсу:

а) тип соединения (например, Р2Р, Р2МР);

б) физическую топологию;

в) сигнализацию и синхронизацию;

г) использование BW (основопопосная или широкополкная (ШП) передача);

д) тип мультиплексирования (FDM, TDM, WDM);

е) описание типов сигналов на контактах физических интерфейсов и управление физической цепью между око­нечным оборудованием данных (ООД/DТЕ) и аппаратурой окончания канала данных (АКД/DCE).

На самом деле физический уровень (ATM, Ethernet) может состоять из нескольких поду­ровней.

Уровень звена данных (при движении сверху вниз) дает возможность:

- верхним уровням осуществлять взаимодействие с физическим уровнем;

- обеспечивать позвенное определение/коррекцию ошибок;

- логического мультиплексирования сигналов;

- управления потоком данных.

Он состоит из 2 подуровней: верхнего (LLC) подуровня управления логическим каналом и нижнего (MAC) подуровня доступа к среде передачи данных. Оба подуровня используются всеми технологиями ЛС и отвечают в целом за передачу данных по каналу между 3 и 1 уров­нями, основываясь на физических МАС-адресаx с узлов:

а) LLC отвечает за организацию передачи: контроль потока данных и возникающих ошибок;

б) MAC отвечает за организацию топологии, сервисы доступа к среде передачи (состязательный для Ethernet и маркерный для TR и FDDI) и МАС-адресацию.

Сетевой уровень - обеспечивает:

- адресацию в сети между узлами источника и назначения, используя логические IP-адреса:

- общее управление потоком данных (путем коммутации цепей и пакетов) и проверку их цепостности: коммута­ция целей позволяет установить соединение (путь) до того, как будет осуществлена передача данных; если нужно осуществить коммутацию пакетов, то предваритепьного соединения не требуется;

- выбор пути доставки и его оптимизацию с помощью целевой функции, называемой метрикой.

Этот уровень используется не только в IP-сетях, но и определяет интерфейс пользователь-сеть для технологии Х.25.

Транспортный уровень - обеспечивает:

- мультиплексирование потоков, идущих на сетевой уровень, их надежную доставку '' из конца в конец ''.

- управление адресацией транспортных соединений, подготовку сообщений для передачи по транспортному соединению и создание транспортных соединений нужной пропускной способности.

Из технологий ГлС этот уровень используется только в IP-сетях или тогда, когда необхо­димо обеспечить нужный уровень качества (QoS).