В сети может возникнуть ситуация, когда интенсивность передачи информации источником превышает интенсивность ее обработки приемником. В таком случае, информация, в формате па-кетов данных будет накапливаться в сети, что сначала приведет к снижению ее пропускной способности, а в итоге – к блокировке участка сети и сети в целом из-за переполнения буферной памяти, используемой в узлах, для промежуточного хранения. Эту ситуацию можно исключить, если не допускать передачи пакетов с интенсивностью, превышающей интенсивность их обработки. Согласование обеспечивается организацией управления потоком пакетов между источником и получателем. Сам процесс управления заключается в автоматическом, или с помощью оператора, запуске и выполнении определенных программ, регулирующих порядок передачи и приема пакетов на том или ином участке маршрута. Схему управления потоками данных – уровни управления различными сегментами вычислительной сети можно представить в виде, показанном на рисунке 7.14, а процессы управления реализуются на основе соответствующих протоколов – правил взаимодействия. Механизм управления потоком (потоками) основан на передаче коротких служебных сообщений – квитанций, подтверждающих (или не подтверждающих) факт приема пакетов адресатом.
 |
Схему управления потоками данных – уровни управления различными сегментами вычислительной сети можно представить в виде, показанном на рисунке 7.14, а процессы управления реализуются на основе соответствующих протоколов – правил взаимодействия. Механизм управления потоком (потоками) основан на передаче коротких служебных сообщений – квитанций, подтверждающих (или не подтверждающих) факт приема пакетов адресатом. В связи с этим, сам способ управления назвали квитированием - явление управления потоками в канале. Понятие канал, в данном случае, подразумевает участок сети между двумя соседними ее узлами. Механизм управления на этом уровне можно считать базовым, так как используется в том или ином виде на всех уровнях, кроме уровня управления процесс-процесс. Основной прин-цип управления заключается в следующем. Принятый от ЭВМ или от предыдущего узла сети пакет сохраняется в памяти принявшего узла. Затем пакет (точнее его копия) передается следующему узлу, одновременно сохраняясь в памяти передающего, ожидая прихода квитанции о правильном его приеме узлом-получателем. По прибытии квитанции пакет в памяти передающего узла уничтожается, и дальнейшая его передача обеспечивается узлом-получателем. Если в процессе передачи по каналу пакет был искажен помехами, передача должна быть повторена одним из двух способов: после получения от узла-приемника сигнала перезапроса пакета (отрицательной квитанции) или с помощью приема, названного тайм-аутом (Time-OUT). Тайм-аут – промежуток времени, который отводится для ожидания сигнала, подтверждающего (или перезапрашивающего передачу пакета) факт приема пакета узлом-получателем. Эти механизмы прописаны в сетевом программном обеспечении.
Способ повторной передачи пакетов на основе тайм-аута удобен и надежен в том случае, когда квитанции могут быть иска-жены или потеряны в канале. Однако, может случиться и задержка квитанции на время, большее тайм-аута, и тогда последует повторная передача пакета, в результате которой в узле-получателе появляется вторая копия пакета. Такое нежелательное явление может быть исключено путем введения в заголовок пакета переменного бита, значения которого устанавливаются в последовательно передаваемых пакетах в 0, 1, 0, 1, 0, … Чередующиеся значения, контролируемые приемным узлом, свидетельствуют о корректной передаче. Появление подряд двух одинаковых значений 0 или 1 свидетельствуют о появлении копии пакета, ранее принятого.
Описанный способ управления передачей не является единственным. Для увеличения пропускной способности канала используется многопакетный протокол передачи данных. Этот способ передачи назвали методом «скользящего окна».
Источнику (передающей стороне) разрешается передать некоторое количество кадров (обычно обозначаемое символом W) без получения на эти кадры положительных ответных квитанций. Последовательность непрерывно передаваемых пакетов определяется понятием окна, а предельное количество разрешенных для непрерывной передачи пакетов до получения квитанции определяет размер окна.
Опишем подробнее процесс реализации этого метода, тем более, что он достаточно широко используется в современных сетях.
Описание иллюстрируется временными диаграммами, представленными на рисунке 7.15.
В начальный момент времени 
, когда еще не передано ни одного пакета, окно - 
определяется числом пакетов с номерами от 1 до W включительно. Источник начинает передавать пакеты, не дожидаясь подтверждающих их доставку квитанций. Но, начиная с некоторого момента времени - 
, квитанции (
, 
и т.д.) начинают поступать.
При получении первой квитанции окно сдвигается на одну позицию вправо, определяя новый его диапазон от 2 до 
. И так, каждый раз, по приходу квитанции, но размер окна при этом остается равным W. В общем случае, процессы отправки пакетов и получения квитанций сравнительно независимы, но для простоты можно положить, что квитанции поступают в той же последовательности, что и соответствующие им пакеты.
При отправке пакета с номером n источнику разрешается передать еще W-1 пакетов до получения квитанции на пакет n, так что, в сеть последним уйдет пакет с номером (W+n-1). Если же за это время квитанция на пакет n так и не пришла, то процесс передачи пакетов приостанавливается, и по истечении времени тайм-аута пакет n (или квитанция на него) считается утерянным, и он передается снова. За ним направляются все пакеты с последующими номерами, поскольку узел-получатель игнорирует пакеты, поступившие вслед за потерянным.
Повторная передача пакетов отслеживается узлом-получателем, и повторяющиеся копии пакетов уничтожаются.
Если поток квитанций поступает более-менее регулярно, в пределах допуска в W пакетов, то достигается максимально возможная скорость обмена для данного канала и принятого протокола.
При описанном методе управления передачей необходимо отслеживать несколько параметров алгоритма: размер окна W, номер кадра, на который получена квитанция, номер кадра, который еще можно передать до получения новой квитанции, величина тайм-аута. Некоторые протоколы имеют алгоритмы с изменяющимися размерами окна. Возможны варианты адаптивного выбора величины окна и тайм-аута в зависимости от текущего состояния сети. В надежных сетях, где пакеты искажаются и теряются редко, размеры окна увеличивают, а промежутки между пакетами уменьшают, обеспечивая тем самым увеличение скорости обмена. В ненадежных сетях все надо делать наоборот, так как возрастает объем вторично передаваемых через сеть пакетов, снижающих общую пропускную способность сети.
Принимающий узел может не посылать квитанции на каждый правильно принятый пакет, если несколько пакетов приходят поч-
ти одновременно. Может быть послана квитанция только на по-следний пакет. При этом подразумевается, что все предыдущие пакеты приняты корректно.
Некоторые алгоритмы используют отрицательные квитанции, которые бывают двух типов – групповые и избирательные. Групповая квитанция содержит номер пакета, с которого передача должна быть повторена полностью. Избирательная квитанция требует повторения только одного пакета.
Механизм квитирования используется и для защиты узлов и участков сети от перегрузок, возникающих, когда буферная память узла оказывается полностью заполненной пакетами. Для исключения перегрузок узел приостанавливает выдачу квитанций, в результате чего прекращается прием пакетов узлом по входящим в узел направлениям.
Управление каналом по методу «скользящего окна» реализовано многими современными протоколами, например, LLC2, LAP-B, X25, TCP, Novell NCP Burst Mode.
Управление потоком в сети (см. рис. 7.14) - между источником и адресатом – производится таким же способом, как и управление в канале. Кроме этого, система управления этого уровня должна обеспечить:
- устранение ошибок, вносимых в узлах связи, так как протоколы управления каналом не включают эту работу;
- обеспечить защиту от перегрузок, возникающих при несогласованной интенсивности передачи пакетов и их обработки адресатом.
Для обеспечения гарантированной правильной доставки пакетов, последние хранятся в памяти узла-источника до получения квитанций от узла-адресата, и только после этого уничтожаются. При невозможности своевременной обработки пакетов и накапли-вании их в сети, узлы-адресаты должны уничтожать поступающие пакеты и не передавать квитанции об их получении, чем будет приостановлена передача пакетов узлом-источником.
Управление потоком между ЭВМ и узлом СПД (см. рис. 7.14). При подключении к узлу сети одной ЭВМ управление потоком на этом участке реализуется описанным ранее методом управления каналом. При подключении нескольких ЭВМ к узлу, управление приобретает некоторую специфику. Специфика заключается в выделении в узле сети некоторого объема буферной (промежуточной) памяти для каждой подключенной к нему ЭВМ, в которую помещаются пакеты, поступающие в узел. Кроме того, каждой ЭВМ присваивается определенный уровень приоритета на передачу пакетов. Приоритет определяется обычно шириной окна, отводимого в канале связи с ЭВМ - чем шире окно, тем выше приоритет ЭВМ на передачу в узел.
Управление на уровне ЭВМ-ЭВМ обеспечивается протоколом управления каналом ЭВМ – СПД и протоколом управления потоками в СПД.
Управление потоком между процессами, реализуемыми в ЭВМ, заключается в проверке разрешения на доступ к вызываемой программе, базе данных или терминалу.
Описанные системы управления потоками, реализуемые на основе соответствующих протоколов, обеспечивают не только непосредственно процесс передачи информации, но и защиту передаваемых данных от ошибок. Потоки пакетов, упорядоченные в цепочки посредством их нумерации, эффективно используют пропускную способность каналов и сети в целом.
7.7 Принципы построения больших сетей на основе протоколов сетевого уровня
Почему выбран именно такой подход? Почему не использовали возможности канального уровня для решения этой задачи? Ответ заключается в наличии у канального уровня ряда серьезных ограничений и недостатков. Наиболее значимые из них - следующие:
- создание какой-либо транспортной подсистемы только средствами канального и физического уровней связанное с применением мостов и коммутаторов приводят к недостаточно гибкой, одноадресной адресации. При этом используются МАС -адреса (Media Access Control) – адреса доступа, жестко связанные с сетевыми адаптерами. Другими словами, MAC-адреса являются средствами, дающими возможность определения места нахождения конечного пользователя;
- наличие избыточных связей между отправителем и получателем, называемых петлями, которые имеют место в локальных сетях для повышения надежности доставки и лучшей сбалансированности нагрузки, неприемлемо при использовании мостов и коммутаторов в топологии сети;
- сегменты сети, расположенные между мостами или коммутаторами не защищены от потоков, так называемых, широковещательных пакетов – широковещательных штормов. Защита может быть организована только с помощью оператора «вручную» ограничивающего количество широковещательных пакетов, разрешенных генерировать некоторому узлу в единицу времени;
- в сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решаются вопросы управления
трафиком на основе данных, содержащихся в заголовках пакетов. Администратору в таких случаях приходится разбираться с двоичным представлением этих данных в пакетах;
- ограниченные возможности мостов и коммутаторов в части трансляции данных различных пользователей. Пользователи могут помещать данные в пакеты, имеющие поля данных различных размеров.
Проблемы в этом случае разрешаются путем привлечения средств более высокого, сетевого уровня.
Функциями сетевого уровня стандартной модели взаимодействия открытых систем являются решения следующих задач:
- передача пакетов между конечными узлами в составных сетях;
- выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию;
- согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях одной составной сети.
Протоколы сетевого уровня реализуются в виде программных модулей и выполняются на конечных узлах – компьютерах, называемых хостами, а также на промежуточных узлах – маршрутизаторах, называемых шлюзами. Функции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры, снабженные соответствующим программным обеспечением.
7.7.1 Принцип построения больших сетей
В основе этого принципа лежат соображения, на основе которых сеть в целом рассматривается как совокупность нескольких сетей и, является, таким образом, составной - называется интерсетью (internet work или internet). Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet) или просто сетями. Подсети соединяются между собой маршрутизаторами. Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети. Архитектура составной сети представленная на рисунке 7.16 включает несколько сетей использующих различные технологии: локальные сети Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI и глобальные сети frame relay, X.25, ISDN.
Каждая из этих сетей способна организовать взаимодействие всех узлов в своей подсети, но не способна построить информационную связь между произвольно выбранными узлами, принадле-жащими разным подсетям, например между узлами А и В. Для организации взаимодействия между любыми произвольными парами
узлов такой большой составной сети необходимы дополнительные средства. Такие средства и предоставляет сетевой уровень.
 | |||
 |
Для перемещения данных внутри какой-либо подсети сетевой уровень обращается к используемой этой подсетью технологии. В целом сетевой уровень координирует работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети.
Локальные сети, такие как Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI, используют одну и ту же технологию адресации узлов на основе МАС-адресов, а сети frame relay, X.25, ISDN другие схемы адресации. Адреса, присвоенные узлам в соответствии с технологиями подсетей, называются локальными. Чтобы сетевой уровень мог выполнить свою задачу, ему необходима собственная система
адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях.
Адресация на сетевом уровне должна обеспечить универсальную и независимую идентификацию любого узла составной сети. Был найден способ формирования сетевого адреса путем нумерации всех подсетей составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Таким образом, сетевой адрес любого узла составной сети состоит из номера сети (подсети) и номера узла. В итоге, каждый узел сети имеет наряду со своим локальным адресом еще и универсальный сетевой адрес.
Данные, поступающие на сетевой уровень (за пределы локальной сети – на маршрутизатор), которые нужно передать через составную сеть, снабжаются заголовком сетевого уровня. Вместе с заголовком такие данные образуют пакет. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов заголовков кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в составную сеть, и содержит данные о номере сети, которой он предназначен. Сетевой уровень определяет маршрут и перемещает пакет между подсетями.
При передаче пакета сетевого уровня внутри какой-либо подсети пакет упаковывается в канальный кадр в соответствии с протоколом данной подсети. При передаче пакета из одной подсети в другую пакет, упакованный в кадр исходной подсети в получившем его маршрутизаторе, освобождается от заголовка кадра этой подсети и окружается заголовком кадра канального уровня следующей подсети. При этом в заголовке кадра, на основании адреса назначения пакета, указывается локальный адрес следующего маршрутизатора.
Очень показателен для этого случая пример аналогии взаимодействия разнородных сетей с перепиской людей из разных стран. Сетевую информацию (содержание заголовков) можно сравнить с универсальным, общепринятым почтовым индексом страны. Почтовые работники промежуточных стран, даже не понимая языка адреса, понимают индекс страны назначения, который подскажет им через какие промежуточные страны лучше передать письмо, чтобы оно кратчайшим путем попало в страну адресата. А уж там работники местных почтовых отделений, естественно, понимающие принятый для страны язык и форму составления адреса, смогут прочитать название города (местности), улицы, номер дома и фамилию индивидуума, и доставить письмо адресату.
Основным полем заголовка сетевого уровня является номер сети адресата, что позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать по некоторым критериям (условиям) рациональные маршруты при любой топологии этих межсетевых связей.
Заголовки пакетов сетевого уровня содержат и другую информацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа. Например:
- номер фрагмента пакета, необходимый для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов в сетях с различными максимальными размерами пакетов;
- время жизни пакета, используемое, например, для «самоуничтожения «заблудившегося» пакета»;
- качество услуги – критерий выбора маршрута при межсетевых передачах – выбрать маршрут, обеспечащий надежную доставку, возможно в ущерб времени. Когда две или более сети организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия называют межсетевым взаимодействием (internetworking).
7.7.2 Принципы маршрутизации
Обсуждая роль и значение сетевого уровня в построении составных сетей, следует отметить, что стратегической задачей для него является маршрутизация.
Маршрутизация – это способ выбора маршрута для передачи пакетов между двумя конечными узлами составной сети. Рисунок 7.17 позволяет на наглядном примере пояснить принципы маршрутизации в составной сети.
В схематически изображенной на рисунке составной сети 16 маршрутизаторов объединяют 19 подсетей (S1, S2, …, S19 – номера подсетей) в единую систему. Каждый маршрутизатор имеет несколько портов, к которым присоединяются подсети или конечные пользователи. Каждый порт имеет собственный сетевой и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена. Например, маршрутизатор с номером 1 имеет три порта, сете-вые адреса (адреса, принадлежащие сетям S1, S2, S3), обозначенные как М1(1), М1(2) и М1(3), к которым подключены сети S1, S3 и S2 соответственно. Таким образом, каждый порт нужно рассматривать узлом соответствующей сети, а маршрутизатор в целом их совокупностью. В связи с этим, маршрутизатор как устройство, не может иметь никакого собственного адреса, хотя при этом имеет место и одно исключение. Если маршрутизатор имеет блок управления, поддерживающий протокол, например, SNMP (Simple Network Management Protocol – протокол управления из стека TCP/IP), то этот блок имеет собственные сетевой и локальный адреса для обращения непосредственно к нему со стороны станции управления (администратора сети).
Как видно из рисунка 7.17 для передачи пакетов между конечными узлами сети, в нашем примере – узлы А и В, имеется несколько альтернативных маршрутов. Маршрутом называют последовательность маршрутизаторов, которую должен пройти пакет, на пути от адресата - отправителя до адресата - получателя. В нашем случае, пакет отправленный из узла А в узел В может пройти через маршрутизаторы 13, 11, 4 или 13, 12, 5, 3 ил 13, 12, 5, 3, 1. О выборе маршрута решение принимают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся в маршрутизаторах информации о текущей конфигурации сети, а также критериев, указанных в заголовке пакета. В качестве критериев могут быть задержки прохождения маршрута, средняя пропускная способность маршрута или количество промежуточных маршрутизаторов (хопов - hops).
Маршрутизация – это способ выбора маршрута для передачи пакетов между двумя конечными узлами составной сети. Рисунок 7.17 позволяет на наглядном примере пояснить принципы маршрутизации в составной сети.
Для выбора рационального маршрута дальнейшего следования пакета, каждый конечный узел и маршрутизатор анализируют, так называемую, таблицу маршрутизации (табл. 7.1) для фрагментов сети на рисунке 7.17.
Когда на маршрутизатор поступает новый пакет (упакованный в кадр), он извлекает из поступившего кадра номер сети назначения, и начинает последовательно сравнивать его с номерами сети, указанными в таблице. Строка с совпавшим номером сети укажет на сетевой адрес порта ближайшего маршрутизатора, на который следует направить пакет. Например, если на какой-нибудь порт маршрутизатора М5 поступил пакет, адресованный в сеть S6, то из таблицы маршрутизации видно, что продолжение маршрута должно проходить через порт 1 маршрутизатора М8 через второй порт маршрутизатора М5.
В крупных сетях объем таблицы маршрутизации может оказаться очень большим, что потребует память соответствующего объема для ее хранения. Поэтому в таблице указывают номера сетей, непосредственно подсоединенных к данному маршрутизатору или расположенных поблизости, на тупиковых маршрутах.
Обо всех других сетях в таблице делают единственную запись, указывающую на маршрутизатор, через который пролегает путь ко всем остальным сетям. Такой маршрутизатор назвали маршрутизатором по умолчанию, и вместо номера сети в строе проставляют запись default – по умолчанию. В нашем примере для узла В в таблице маршрутизации в качестве направления по умол-чанию выбран маршрутизатор М3 и конкретно его порт номер 1, через который можно «добраться» практически до любого узла «нашей» сети
 |
Перед отправкой пакета следующему маршрутизатору, текущий маршрутизатор должен выбрать на какой из нескольких выходных портов передать отправляемый пакет. Для этого используется третий столбец таблицы маршрутизации, определяющий номер выходного порта маршрутизатора для соответствующего направления. При наличии альтернативных маршрутов в расчет принимаются значения, например, расстояний до следующей подсети, которые могут выражаться в хопах (как в нашем случае) или в единицах времени. Могут быть приняты во внимание другие критерии выбора маршрута, указанные в заголовке пакета. Наконец,
такая ситуация позволяет организовать передачу трафика параллельными каналами, что увеличивает пропускную способность сети
Таблица 7.1. Таблица маршрутизации маршрутизатора М5
| Номер сети назначения | Сетевой адрес следующего маршрутизатора | Сетевой адрес выходного порта | Расстояние до сети назначения, хоп |
| S1 | М2(2) | М5(1) | |
| М3(2) | М5(1) | ||
| S2 | М2(2) | М5(1) | |
| S3 | М3(2) | М5(1) | |
| S4 | - | М5(1) | - |
| S5 | М7(2) | М5(2) | |
| S6 | М8(1) | М5(2) | |
| Default | М12(1) | М5(2) | - |
Следует также заметить, что маршрутизаторы обычно сами формируют таблицы маршрутизации, в то время как конечные узлы сети – пользовательские компьютеры получают их от администраторов сетей и хранят в виде постоянных файлов на дисках.
7.7.3. Определение понятия «маршрутизация» и классификация алгоритмов маршрутизации
Для ориентированной передачи данных необходима общесетевая система адресации, устанавливающая порядок именования отправителей и получателей данных. Поступающие в СПД данные, организованные в пакеты, в обязательном порядке снабжаются адресами, которые указываются в их заголовках. Из компьютера па-кет поступает в ближайший узел связи СПД, который по адресу назначения определяет его дальнейший маршрут – выходную линию связи, в которую нужно передать пакет. Процесс определения маршрута назван маршрутизацией, а правила, на основании которых осуществляется маршрутизация, называются алгоритмами маршрутизации.
Быстрота выбора маршрута, по-другому – эффективность алгоритма маршрутизации характеризуется следующими показателями:
- временем доставки пакета;
- нагрузкой, создаваемой на сеть потоками данных (пакетов), поступающих в сеть и распределенных по линиям и узлам связи;- затратами ресурсов в узлах связи, в первую очередь, затратами памяти и временем загрузки коммутационного процессора.
Алгоритмы маршрутизации строятся таким образом, чтобы минимизировать время выбора направления передачи пакета и тем самым минимизировать время доставки пакета и наиболее полно использовать пропускную способность сети. Однако структура сети и условия ее эксплуатации могут снижать эффективность алгоритмов маршрутизации за счет следующих конкретных причин:
- передача пакетов в направлении, не приводящем к минимальному времени доставки;
- передача пакета в узел связи, находящийся под большой нагрузкой;
- создание дополнительной нагрузки на сеть за счет передачи служебной информации, необходимой для выполнения алгоритма маршрутизации.
При решении задачи маршрутизации следует иметь в виду, что СПД имеет ячеистую структуру, и ее топология постоянно изменяется в результате отказов отдельных участков линий и узлов связи, подключения новых и отключение существующих пользователей, введение новых линий и узлов связи. В связи с этим нагрузка на линии связи носит динамичный характер, изменяющийся крайне быстро и в труднопрогнозируемом направлении. А кратчайший маршрут, обеспечивающий доставку пакетов за минимальное время, зависит от топологии сети, пропускной способности линий связи и нагрузки на линии связи, определяемой числом пакетов, стоящих в очереди на передачу в каждом узле связи.
Следовательно, чтобы задача выбора маршрута была выполнена оптимально, необходимо каждому узлу сети представлять информацию о состоянии сети в целом и каждого узла и сегмента линии связи в отдельности. Такая информация представляется. Однако, не существует способа точно предсказать состояние нагрузки в сети в текущий момент времени, так как данные запаздывают из за конечной скорости их передачи и уже не соответствуют последующим моментам времени, в которые будет принято реше-ние о выборе направления передачи пакетов. Таким образом, во всех случаях алгоритмы маршрутизации работают в условиях неопределенности текущего и последующего состояний сети передачи данных и пульсирующей нагрузки, создаваемой абонентами. В связи с разнообразием алгоритмов маршрутизации они были классифицированы в зависимости от направленности передачи пакетов и способов представления данных о топологии сети. Классификация маршрутизации представлена на рисунке 7.18. Простая маршрутизация – это способ маршрутизации не изменяющийся при изменении топологии и состояния сети. Наиболее типичными для этого вида маршрутизации являются алгоритмы случайной и лавинной маршрутизации.
Случайная маршрутизация предполагает передачу пакетов из узла сети в любом, случайным образом выбранном направлении, кроме направления, по которому пакет поступил в узел. При этом пакет «блуждая» по сети с конечной вероятностью когда-либо достигнет адресата. Очевидно, что этот способ доставки неэффективен ни по времени доставки, ни по использованию пропускной способности сети.
При лавинной маршрутизации пакет передается во все направления, кроме того, из которого поступил. Можно считать, что происходит размножение пакета. Очевидно, что хотя бы одно направление обеспечит доставку пакета за минимальное время, то есть лавинная маршрутизация гарантирует малое время доставки пакета, но при этом резко ухудшается использование пропускной способности сети из-за загрузки ее большим количеством пакетов.
Маршрутизация по предыдущему опыту обеспечивает выбор маршрута на основе анализа потока, проходящего через узел сети. Поступающие в сеть пакеты снабжены адресами назначения и отправления, а также счетчиками пройденных узлов. Пакет, пришедший в узел со значением счетчика, равным 1, определяет соседний узел, пакет со значением счетчика 2 определяет узел, находящийся на расстоянии двух шагов и т.д. Эти данные позволяют установить топологию сети и на ее основе построить таблицу для выбора маршрута. Постоянно анализируя число пройденных узлов (шагов) можно корректировать таблицу маршрутов, если, например, пакет идущий к одному и тому же абоненту приходит с мень-шим значением числа пройденных им узлов. Этот способ маршрутизации позволяет узлам приспосабливаться к изменениям топологии сети, однако этот процесс протекает медленно и неэффективно.
В целом, можно отметить, что простая маршрутизация не обеспечивает направленной передачи пакетов от источника получателю, то есть имеет низкую эффективность, но в то же время имеет некоторое положительное свойство – обеспечивает устойчивую работу сети при выходе из строя отдельных ее участков.
Фиксированная маршрутизация строится на основе положения, предписывающего выбор определенного (фиксированного) направления передачи пакета от узла к узлу по таблице маршрути-
зации. Таблицы маршрутизации определяют кратчайшие пути от узлов к адресатам и вводятся в узлы связи, например, администратором центра, отвечающего за определенный участок сети. Фиксированная маршрутизация может строиться на основе единственного пути передачи пакетов, и в этом случае называется однопутевой маршрутизацией – она неустойчива к отказам и перегрузкам. Для устранения этого недостатка в таблицах маршрутизации могут указываться несколько возможных путей передачи пакетов и правила выбора целесообразного пути. Кратчайшие пути от узлов к адресатам вводятся в узлы связи, например, администратором центра, отвечающего за определенный участок сети. Такой способ маршрутизации назвали – многопутевой.
Адаптивная маршрутизация. При этом способе маршрутизации узлы сети принимают решение о выборе маршрута на основании поступивших к ним данных, об изменении топологии и нагрузки. Казалось бы, что при таком подходе должен быть выбран оптимальный маршрут, но практика показала, что это не совсем так. Дело в том, что маршруты, формируемые на основе самой свежей информации о распределении нагрузки в сети и топологии, становятся неоптимальными в последующие моменты времени, пока пакеты еще не достигли адресатов. Например, когда сильно загруженные узлы сети получают информацию об имеющихся слабо загруженных участках и одновременно направляют туда пакеты. В сети может создаться ситуация хуже предыдущей. В таких случаях выбора оптимальных маршрутов не получается. Но, несмотря на это, выбор близкого к оптимальному маршрута приводит к значительному уменьшению времени доставки сообщения, особенно при пиковых нагрузках, а также к некоторому увеличению пропускной способности сети. В итоге, адаптивная маршрутизация получила широкое применение в вычислительных сетях.
Локальная адаптивная маршрутизация использует информацию, находящуюся только на данном узле (информация о состоянии других узлов не используется), включающую в себя:
- таблицу маршрутизации, определяющую все направления передачи пакетов;
- данные о текущем состоянии выходных каналов (работают/не работают);
- данные о состоянии очередей пакетов, ожидающих передачи по выходным каналам.
По таблицам маршрутизации узла можно выбрать кратчайшие маршруты, проходящие через минимальное число узлов и обеспечивающие минимальное время передачи пакета в узел назначения.
Распределенная адаптивная маршрутизация использует информацию – таблицы задержки, получаемую от соседних узлов сети. Получив такие данные, каждый узел пересчитывает свои таблицы маршрутизации с учетом задержек и длин очередей к мар-
шрутам в самом узле. Пакет ставится в очередь к маршруту, характеризующемуся минимальным временем доставки. Обмен таблицами задержки производится периодически, естественно, увеличивая нагрузку сети. Обмен может потребоваться, когда обнаруживаются существенные изменения задержки из-за изменения очередей на передачу или состояния линий связи в результате отказа. В таком случае увеличение нагрузки сети несущественно.
Централизованная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, получаемой от центров управления сегментами сети. Каждый узел набирает информацию о состоянии сети и формирует сообщения, которые передаются в центры управления, где на основе полученных данных формируются таблицы маршрутизации, рассылаемые всем узлам сети. При этом неизбежны задержки, приводящие к пульсации нагрузки в сети. Поэтому централизованная адаптивная маршрутизация по эффективности не превосходит локальную адаптивную. Это способ отличается специфическим недостатком – потерей управления сетью при отказе центра управления.
Гибридная адаптивная маршрутизация сочетает в себе локальную и централизованную адаптивную маршрутизации. Если таблица маршрутизации, сформированная в центре управления се-тью, определяет единственное направление передачи пакета, то пакет передается именно в этом направлении. Если таблица со-держит несколько альтернативных направлений передачи пакета, то узел выбирает направление в зависимости от текущих значений длины очередей по алгоритму локальной адаптивной маршрутизации. Централизованно сформированные маршруты являются запоздавшими, по отношению к сформированным в узлах сети (на месте), поэтому последние обеспечивают своевременность принятия решения о выборе маршрута.
7.8 Глобальные сети
Обозначим еще одно название больших вычислительных сетей. Глобальные сети (Wide Area Networks, WAN) – это почти такие же сети, которые мы только что с вами рассматривали, однако имеющие определенную специфику. Их также называют территориальными компьютерными сетями, которые предоставляют свои сервисы большому числу конечных абонентов, располагающихся, например, в пределах области, региона, страны, континента или всего земного шара. Следует подчеркнуть, что не надо понимать понятие глобальной сети только как сеть Internet, глобальных сетей в мире достаточно большое количество и Internet – одна из них (смотри, например, рис. 7.16).
Естественно, что такие сети требуют очень больших экономических затрат, связанных с прокладкой каналов связи, приобретением различного оборудования, в том числе и коммуникационного и их эксплуатацией.
Такие сети обычно создаются крупными телекоммуникационными компаниями с целью оказания платных услуг абонентам, в связи с чем, их еще называют публичными или общественными. Сети могут создаваться и для «внутренних нужд» и имеют при этом статус частных сетей. Существует и вариант пользования услугами и оборудованием общественных сетей, дополняя их собственными услугами и оборудованием.
В глобальных сетях введены такие понятия, как оператор сети (nettwork operator) – компания, поддерживающая нормальную работу сети и поставщик услуг, называемый также провайдером (service provider) – фирма или компания, оказывающая платные услуги абонентам сети.
Главными абонентами глобальных вычислительных сетей являются локальные сети, которым необходимо обмениваться данными между собой, но ими пользуются и многочисленные компьютеры для доступа к корпоративным и публичным данным Internet.
Разработчики и владельцы глобальных сетей стремятся обеспечить своих пользователей возможностью передачи через них любых типов данных: компьютерных данных, телефонные разговоры, факсы, телеграммы, телевизионное изображение, телетекс (об-мен данными между двумя терминалами), видеотекс (получение хранящихся в сети данных на свой терминал) и т.д. На сегодняшний день далеко не все сети могут обеспечить такие возможности пользователям и, поэтому каждый тип сети существует отдельно, стараясь передать «чужой» трафик с максимальной эффективностью. В основном глобальные сети используются как транзитный транспортный механизм, предоставляющий услуги только трех нижних уровней модели OSI. Однако, в настоящее время все большей долей стали проявляться функции глобальных сетей в оказании услуг, относящихся к верхним уровням стека протоколов. Заметное влияние на это оказала публичная популярная информация, поставляемая Internet. Информационные (а не транспортные) услуги Internet оказали влияние на традиционные способы доступа к разделяемым ресурсам, предоставляемым раньше только в локальных сетях. Кроме доступа к гипертекстовой информации Web-узлов с большим количеством перекрестных ссылок, возможностью распространения широковещательной информации, конкурирующей с радиовещанием, организацией интерактивных бесед (chat), организацией конференций (служба News), поиском информации и ее доставкой пользователям по индивидуальным заказам и многое другое.
7.8.1 Архитектура глобальной сети
Глобальные компьютерные сети строятся на основе некоммутируемых (выделенных) каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Коммутаторы устанавливают в тех географических пунктах, в которых требуется обеспечить разветвление (или слияние) потоков данных конечных абонентов или магистральных каналов, переносящих данные многих абонентов. Выбор мест расположения коммутаторов учитывает также и такие соображения, как возможность физического доступа к данной местности, квалифицированного их обслуживания и т.д.
Абоненты сети в общем случае подключаются к ней с помощью выделенных каналов, но имеющих значительно меньшую пропускную способность по сравнению с магистралями сети. Допускается подключение пользователей и через коммутируемые каналы, то есть через телефонные сети и автоматические телефонные станции. Это в значительной степени ухудшает качество связи по причинам дополнительных задержек, высокого уровня шумов, наконец, отказов и разрывов каналов связи.
Конечные пользователи глобальных сетей более разнообразны по сравнению с локальными сетями. Это и локальные сети, и маршрутизаторы, и мультиплексоры (используются как для передачи компьютерных данных, так и звуковых данных или видео-изображений, упаковывая их в пакеты), и отдельные компьютеры. Все названные пользователи глобальной сети вырабатывают данные, для передачи по сети. В этом смысле они все одинаковы и равноправны и все получили единое название «оконечное оборудование данных» (ООД или DTE - Data Terminal Equipment). На рисунке 7.19 показана обобщенная архитектура глобальной сети с целью иллюстрации возможных подключений пользователей и описания ее отличительных признаков от других сетей.
В связи с тем, что локальная сеть отделена (отгорожена) от глобальной сети маршрутизатором или удаленным мостом, то для глобальной сети она представляется единым устройством, названным оконечным оборудованием данных, в английской транскрипции DTE. То есть локальную сеть в конечном итоге можно представить портом маршрутизатора или моста.
Мосты строят таблицы МАС-адресов на основании проходящего через них трафика и по результату их просмотра принимают решение передавать кадры в удаленную сеть или нет.
Маршрутизаторы принимают решение на основании анализа данных таблицы маршрутизации с указанием номера сети и данных заголовка пакета, в которых обозначен протокол сетевого уровня (например, IP или IPX). Если пакет нужно передать сле-
дующему маршрутизатору по глобальной сети, например, frame re-lay, упаковывают его в кадр этой сети, снабжают аппаратным адресом следующего маршрутизатора и отправляют в глобальную сеть.
Показанный на рисунке 7.19 мультиплексор «голос-данные» отражает тот факт, что передаваемые по сети голосовые (звуковые) данные или данные изображений он упаковывает в кадры или пакеты территориальной сети и передает их ближайшему коммутаторуточно так же, как любой конечный узел глобальной сети, то есть мост или маршрутизатор.
Так как конечные узлы глобальной сети передают данные по каналу связи, работающему по определенному протоколу (стандарту), то каждое устройство типа DTE требует оснащения его устройством типа DCE (Data Circuit terminating Equipment), которое обеспечит реализацию протокола физического уровня данного канала. Для связи с каналами глобальных сетей, в зависимости от типа канала, используются DCE трех основных типов:
- модемы для работы по выделенным и коммутируемым аналоговым каналам;
- устройства DSU/CSU (Data Service Unit/Channel Service Unit – устройство обслуживания данных/устройство обслуживания каналов) для работы по цифровым выделенным каналам сетей технологии TDM
(Time Division Multiplexing – временное мультиплексирование данных);
- терминальные сетевые адаптеры TA (Terminal Adaptor) для работы по цифровым каналам сетей ISDN.
Устройства DTE и DCE обобщенно называют оборудованием, размещенным на территории абонента (в помещении пользователя) глобальной сети – Customer Premises Equipment, CPE.
Для абонента любой сети главное – это предоставляемые услуги и четкое определение интерфейса взаимодействия с сетью, чтобы его оконечное оборудование и программное обеспечение корректно сопрягались с соответствующим оборудованием и программным обеспечением эксплуатируемой им сети. Поэтому в глобальной сети обычно строго описан и стандартизован интерфейс «пользователь-сеть» (User-to-Network Interface, UNI – см. рис 7.18). Это необходимо для того, чтобы пользователи могли без проблем подключаться к сети с помощью коммуникационного оборудования любого производителя, соблюдающего стандарт UNI данной технологии (например, технологии сети X.25).
Внутрисетевые интерфейсы «сеть-сеть» (Network-to-Network Interface, NNI – см. рис. 7.19 ) стандартизуются не всегда, предоставляя разработчикам право выбора порядка взаимодействия узлов внутри своей сети. Поэтому название интерфейса «сеть-сеть», если он стандартизован, свидетельствует о взаимодействии двух территориальных сетей различных операторов.
7.8.2 Типы глобальных сетей
В зависимости от выбранных сетевых коммуникационных компонентов и типов линий связи различают следующие виды глобальных сетей:
- с выделенными каналами;
- с коммутацией каналов;
- с коммутацией пакетов.
Выделенные каналы. Выделенные каналы, пример которых иллюстрирует рисунке 7.18, можно получить у телекоммуникационных компаний, владеющих каналами дальней связи (например, компания «РОСТЕЛЕКОМ») или у телефонных компаний, сдающих в аренду каналы в пределах города или региона.
Рассматривают два варианта использования выделенных линий (каналов) связи. Первый вариант заключается во взятии в аренду выделенных линий у некой компании и построении на их основе территориальной сети какой-либо выбранной технологии, например, - frame relay. В этом случае выделенные линии можно использовать для соединения промежуточных коммутаторов пакетов между локальными сетями. Во втором варианте выделенные
линии используются только для объединения локальных сетей или конечных абонентов без использования промежуточных коммутаторов пакетов и, следовательно, без использования технологий глобальных сетей.
В настоящее время компании предлагают большой выбор выделенных каналов для передачи - от аналоговых каналов звуковой частоты, с полосой пропускания 3,1 кГц, до цифровых каналов с пропускной способностью от 155 до 622 Мбит/с.
Глобальные сети с коммутацией каналов. Принцип коммутации каналов нами рассматривался выше. В данном случае речь идет о двух типах сетей, в которых в той или иной мере обеспечивается взаимодействие пользователей путем соединения (коммутации) отдельных участков сети или канала в целом с помощью коммутационного оборудования – это традиционные телефонные сети и цифровые сети с интеграцией услуг- ISDN.
Аналоговые телефонные сети имеют низкое качество по причине оборудования и подвержены воздействию внешних помех, имеющих различную природу их появления. Можно улучшить качество передачи данных применением цифровых промежуточных АТС, когда аналоговым остается только абонентское окончание (от АТС до пользователя). Однако, этот способ недостаточно широко еще распространен.
Телефонные сети, построенные на цифровых коммутаторах, и сети ISDN могут обеспечить требуемое качество передачи данных, но для построения глобальных связей могут оказаться неэффективными.
В итоге следует отметить, что при подключении многих абонентов к корпоративной сети, например, работников какого-либо предприятия, домашних абонентов, телефонная сеть оказывается единственным подходящим видом глобальной службы из соображений доступности и стоимости.
Глобальные сети с коммутацией пакетов. Достаточно продолжительное время технология передачи данных на сетевом уровне по принципу коммутации пакетов базировалась на известном протоколе – X.25. По имени протокола даже стали называть сеть. Эта, если можно так выразиться, «привычка» сохранилась до сих пор. Имена сетей переплелись с именами протоколов. Сегодня набор протоколов (сетей), используемых для объединения локальных сетей и крупных компьютеров расширился. Появились новые технологии, такие как frame relay, SMDS и ATM. Кроме этих технологий глобальных компьютерных сетей, широко доступны некоммерческие сети TCP/IP (Internet) и их коммерческий вариант, изолированный от Internet и предоставляемый в аренду телекоммуникационными компаниями. Даже при включении в сети TCP/IP глобальных сетей принципы их работы остаются неизменными.
В США была в свое время разработана сеть SMDS (Switched Multi-megabit Data Service) для объединения локальных сетей в масштабах мегаполиса, а также предоставления высокоскоростного выхода в глобальные сети. Сеть предполагала обеспечить пропускную способность на уровне 45 Мбит/с с сегментированием кадров MAC-уровня (локального уровня) в фиксированные размеры 53 байта, где данным отводились 48 байт. Сети были реализованы во многих крупных городах, но распространения в других странах не получили, к тому же они не имеют международного статуса. Сегодня сети SMDS вытесняются сетями ATM (Asynchronous Transfer Mode – асинхронный режим передачи данных), работающими также с кадрами фиксированного размера, данным в которых отведено 48 байтов, но обладающие расширенными функциональными возможностями.
7.9 Общие соображения по защите сети от перегрузок
Исследования сетей путем моделирования показывают, что перегрузки возникают даже при незначительной нагрузке на сеть. Увеличение числа пакетов более трех на узел уже приводит к проблемам. С увеличением числа пакетов, передаваемых сетью, производительность сначала возрастает до максимального значения, а затем начинает падать. При этом не следует забывать, что к пакетам, несущим информацию добавляются пакеты со служебной информацией.
Состояние сети, при котором резко ухудшаются характеристики сети из-за большого числа передаваемых пакетов, называется перегрузкой.
Функциональная зависимость пропускной способности (λ) сети от числа пакетов (М), находящихся в сети иллюстрируется рис. 7.15. Анализируя эту зависимость можно сделать вывод, что при числе пакетов 
в сети существуют условия для свободного продвижения пакетов к адресатам. При 
> M* эти условия ухудшаются настолько, что, в конце концов, сеть оказывается заблокированной и ее производительность падает до нуля.
Причиной блокировки сети может явиться недостаточный объем буферной памяти в узлах сети. Например, у двух, связанных каналом узлов А и В может возникнуть ситуация, когда все буфера узла А заняты пакетами, которые должны быть переданы в узел В, а все буфера узла В заняты пакетами, предназначенными для узла А,
при этом ни один из узлов не в состоянии передать пакеты другому – возникла прямая блокировка канала. В сети с кольцевой топологией может возникнуть, так называемая косвенная блокировка, когда в каком-то узле не окажется свободного буфера и тогда передача пакетов по кольцу будет невозможна – заблокирована.
Наиболее простым решением проблемы перегрузки канала, и сети в целом считают введение системы разрешений, своеобразных квот. Каждому узлу выделяется квота - определенное количество разрешений на передачу пакетов в сеть. Разрешению соответствует некоторое количество пакетов, которые узел может передать в сеть одноразово. С каждой передачей число разрешений уменьшается, и, когда все разрешения будут исчерпаны, узел обязан прекратить дальнейшую передачу пакетов. Однако, ввиду несбалансированности принимаемых и передаваемых узлом пакетов, возможен избыток разрешений у одних узлов и недостаток у других. Выход в таком случае видят в возможности перераспределения разрешений путем обмена права на них между узлами.
С целью улучшения условий функционирования сети введенатакже система приоритетов, на передачу транзитных (следующих «напроход») пакетов. Транзитные пакеты передаются коммуникационными устройствами без задержек, что способствует некоторой разгрузке сети.
В случаях, когда в коммутирующих устройствах заполнены буфера входных портов, происходит выбрасывание пакетов из сети. Правда отправители пакетов, предусматривая такие случаи, сохраняют копии последних до получения подтверждения о получении пакетов адресатом или производится повторная их передача через заранее определенный отрезок времени, называемый «тайм-аутом».
Сложность учета всевозможных случаев, связанных с перегрузкой сети и возможными блокировками, компенсируется подключением к управлению трафиком специалистов в лице администраторов сети.
Вопросы и задания для самопроверки
7.1. В чем можно выразить эффект использования сети?
7.2. Перечислите основные характеристики сети.
7.3. Какие возможности может предоставить сеть конкретному пользователю?
7.4. Посредством, какого показателя определяют производительность сети?
7.5. Дайте определение «времени доставки сообщения».
7.6. Нарисуйте модель взаимодействия открытых систем с указанием названий уровней.
7.7. Сформулируйте определение протокола.
7.8. Сформулируйте определение интерфейса.
7.9. Характеризуйте каждый уровень модели OSI.
7.10. Изобразите стандартные топологии локальных сетей.
7.11. Сформулируйте определение маршрута.
7.12. Нарисуйте структуру заголовка пакета сетевого уровня.
7.13. Нарисуйте структуру сообщения на физическом уровне.
7.14. Для чего используется бит-стаффинг?
7.15. Перечислите схемы коммутации абонентов в сетях.
7.16. Расшифруйте содержание слова «проключение».
7.17. Опишите коротко содержание процесса «коммутация каналов».
7.18. Как вы представляете себе процесс «коммутации сообщений»?
7.19. Иллюстрируйте рисунком и прокомментируйте содержание процесса «коммутация пакетов».
7.20. В чем заключается содержание процесса управления потками данных в сети?
7.21. Что такое квитанция? В коках случаях она используется?
7.22. Как называется способ управления потоком сообщений в канале?
7.23. Что такое «Тайм-аут»?
7.24. Объясните коротко идею метода «скользящего окна».
7.25. Перечислите уровни градаций методов управления потоками в сети.
7.26. Что такое MAC-адрес? Для чего он используется?
7.27. Что такое петля связи в сети?
7.28. Что представляет собой «широковещательный шторм»?
7.29. Принципиально, что представляет собой «большая сеть»?
7.30. Что подразумевается под устройством DCE в глобальной сети? Какую функцию они выполняют?
7.31. Опишите схематично процесс передачи данных в составной сети.
7.32. Что такое «маршрутизация»?
7.33. Дайте определение маршрута.
7.34. Что означает «маршрутизатор по умолчанию»?
7.35. Какой процесс называется маршрутизацией?
7.36. Назовите классифицируемые алгоритмы маршрутизации и коротко их прокомментируйте.
7.37. Какие сети относят к глобальным сетям?
7.38. Что характерно для архитектуры глобальной сети?
7.39. О чем свидетельствует название «интерфейс «сеть-сеть»?
7.40. Перечислите типы глобальных сетей. Дайте краткие характеристики сети каждого типа.
7.41. В чем главная причина перегрузок сети? Какие способы позволяют решать проблему перегрузки сети?
Глава восьмая
Локальные вычислительные сети
8.1 Принципы построения
При обсуждении вопросов, связанных с работой локальных сетей, каждый отчетливо представляет, что речь идет о сетях, системы которых: ЭВМ и другие устройства вычислительной техники, расположены, можно образно сказать, в «пределах прямой видимости». Локальная вычислительная сеть (ЛВС) может занимать пространство, ограниченное всего одним зданием, может быть несколькими, во всяком случае, всю сеть можно вписать в круг диаметром 1-2 км. Площадь небольшая, однако, передавать данные в пределах даже такого пространства теми же способам, что и внутри компьютера не удастся. Возникает много сложностей, связанных, хотя бы, с количеством проводов и разновременностью (асинхронностью) прохождения сигналами своих расстояний. При таких расстояниях оказалась эффективной передача сигналов последовательным способом или, как принято говорить – использовать последовательный интерфейс.
В качестве передающей среды (физических линий связи) используются скрученные пары проводов, коаксиальные или волоконно-оптические кабели. Названные передающие среды обеспечивают, на определенных для них расстояниях, скорость передачи данных – пропускную способность канала передачи данных - от 0,5 до 100 Мбит/с. При таких скоростях передачи данных можно обойтись одним каналом – моноканалом, обслуживающим всех пользователей локальной вычислительной сети в режиме мультиплексирования. На основе моноканала строятся две основные конфигурации локальной сети – магистральная (шинная) и кольцевая. На рисунке 8.1 показаны схемы названных конфигураций и пример возможного их применения в реальных условиях. В сетях с магистральной структурой данные, передаваемые любым из пользователей A – D равнодоступны для остальных пользователей сети. При этом говорят, что передача ведется в широковещательном режиме. В сетях, с кольцевой структурой, данные передаются в одном, установленном направлении (на рис. 8.1 направления показаны стрелками), от источника данных транслируясь всеми промежуточными узлами до получателя включительно.
Выше было отмечено, что существуют и другие конфигурации связей между системами (узлами) сети – звездообразная и произвольная. При звездообразной конфигурации центральный узел может представлять собой ЭВМ или являться коммутирую-щим устройством, обеспечивающим связь между системами. Произвольная конфигурация обычно объединяет несколько сетей других, названных здесь простых, или, как их еще называют, базовых конфигураций. Базовые конфигурации в сетях произвольных конфигураций объединяются с помощью коммутационного оборудования: концентраторов, мостов, хабов и т.п.
Простота структуры локальных сетей существенно упрощает их организацию. Во-первых, отпадает необходимость в маршрутизации сообщений, то есть отсутствует необходимость использования сетевого уровня, во-вторых, при высокой пропускной способности канала связи, нет надобности в мерах, обеспечивающих эффективное использование ресурсов канала, и необходимости прибегать к различным формам представления сообщений. В связи с этим, можно использовать сравнительно простые технические и программные средства – персональные компьютеры, микро- и мини-ЭВМ. Не исключается использования в локальных сетях и ЭВМ общего назначения.
Как и в глобальных сетях, организация локальных вычислительных сетей базируется на принципе многоуровневого управления процессами с вытекающей из нее иерархией протоколов и ин-терфейсов. Уровни и протоколы локальной вычислительной сети интерпретируются в терминах стандартной семиуровневой модели открытых систем (см. рис. 7.2). Протокол управления физическим уровнем определяет форму представления, и порядок передачи данных через физический канал. Процесс управления сводится к формированию начала и конца кадра, несущего в себе передаваемые данные, передаче и приему сигналов, определенной физической природы со скоростью, соответствующей пропускной способности канала.
Процессы, работающие на канальном уровне, принято делить на два подуровня. Один подуровень работает по управлению доступом к каналу, второй подуровень управляет непосредственно передачей данных – управление информационным каналом. Протокол управления доступом к каналам определяет процедуры передачи данных через канал, являющийся разделяемой средой между всеми пользователями локальной сети. Протокол управления информацией, устанавливает порядок обеспечения достоверности данных при передаче по каналу: формирует проверочные коды при передаче данных, проверяет эти коды в месте их приема и при обнаружении ошибки обеспечивает повторение передачи.
Протоколы остальных уровней по своим функциям аналогичны соответствующих протоколов глобальных сетей.
Локальные вычислительные сети значительно расширяют функции пользовательских компьютеров, путем подключения их, например, к накопителям на магнитных дисках, принтерам или большим высокоскоростным печатающим устройствам, графопостроителям, используемым в режиме коллективного пользования. При этом стоимость обработки информации (данных) оказывается ниже обработки на локальном компьютере пользователя. Кроме того, объединение ЭВМ в сеть позволяет решать более сложные задачи и создает качественно новые условия для параллельной обработки данных коллективами пользователей локальной вычислительной сети. Поэтому локальные вычислительные сети обладают более высокой надежностью, чем системы обработки данных такой же мощности, построенные на основе единственной ЭВМ, с подключенным к ней терминальным оборудованием.
На базе локальных вычислительных сетей строятся информационные системы, системы автоматизированного проектирования, системы технологической подготовки производства, системы управления технологическим оборудованием, бортовые системы управления, конторские системы и т.д. Все они демонстрируют высокую эффективность их использования за счет концентрации информационных и рабочих данных и оперативного доступа к ним
и средствам их обработки. Локальные сети встраиваются в более сложные системы управления производственными структурами: производственными участками, цехами, предприятиями, организациями. Системы управления на основе локальных сетей связываются с системами автоматизации проектирования, технологической подготовки производства и административного управления производством, образуя интегрированные комплексы, решающие весь комплекс задач подготовки производства и управления им.
8.2 Моноканалы
Моноканалом ЛВС называют систему, состоящую из линии связи, по которой передаются сигналы, несущие информацию, и параллельно подключенные к ней компьютеры. Компьютеры подключаются к линии связи через приемо-передающие устройства – трансиверы, являющиеся, в свою очередь, составными частями сетевых адаптеров (СА), обеспечивающих согласование и управление передачей данных между ЭВМ и линией связи. В обиходе моноканалом называют линию связи, объединяющую все подключенные к ней компьютеры в ЛВС. В качестве линии связи используются три типа кабелей: экранированные витые пары (пары свитых в косичку проводов), коаксиальные кабели и оптоволоконные оптические линии. Из практики эксплуатации кабелей различных типов известно, что их пропускная способность уменьшается пропорционально их длине, например, с увеличением длины кабеля в 10 раз, примерно во столько же раз уменьшается его скорость передачи данных. С увеличением длины кабеля уменьшается и его помехоустойчивость. Помехи имеют, в основном, природу электромагнитных полей. Волоконно-оптические линии не чувствительны к этому виду помех и не являются их источником, поэтому активно используются в бортовых и производственных системах, работающих в условиях сильных электромагнитных помех.
Пропускная способность проводных кабелей составляет порядка 1 Мбита/с, коаксиальных кабелей - 1-10 Мбит/с, а волоконно-оптических – 10-100 Мбит/с. Схемы подключения сетевых адаптеров компьютеров к моноканалу на основе витых пар и коаксиальных кабелей приведены на рисунке 8.2.
На концах сегментов кабелей установлены терминаторы – согласующие устройства, в нашем случае это резисторы R. Эти элементы схемы предотвращают отражение электрической энергии сигналов от концов кабелей путем ее поглощения. Подклю
