Fruitsekta.ru

Мир ПК
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Архитектура глобальной сети

Архитектура глобальных сетей

В предыдущих лекциях были рассмотрены основные сетевые средства, включая аппаратные компоненты, применяемые в локальных и распределенных сетях, а также общие принципы, такие как адресация и маршрутизация. Далее нам предстоит рассмотреть технологию объединения сетей, которая может использоваться для соединения нескольких физических сетей в большую, однородную систему связи. Мы ознакомимся с причинами объединения сетей, применяемыми аппаратными компонентами, опишем архитектуру, в которой используются эти компоненты и покажем значение концепции объединения сетей.

Причины объединения сетей

Каждая сетевая технология должна соответствовать определенным требованиям. Например, технологии локальных сетей предназначены для обеспечения высокоскоростной связи на короткие расстояния, а технологии распределенных сетей должны обеспечивать связь на больших территориях. Однако ни одна сетевая технология не может удовлетворить все потребности.

В большой организации с разнообразными требованиями к сетевому взаимодействию возникает потребность в нескольких сетях. Если для решения каждой задачи будет выбрана сеть наиболее подходящего типа, то образуется несколько типов сетей. Например, технология локальной сети наподобие Ethernet может оказаться наилучшим решением для соединения компьютеров одного офиса, а служба Frame Relay может применяться для обеспечения взаимодействия компьютеров, находящихся в разных городах.

Универсальная служба

Основная проблема, связанная с применением в организации нескольких сетей, очевидна: компьютер, подключенный к конкретной сети, может взаимодействовать только с компьютерами той же сети. Эта проблема встала на повестку дня в 70-х годах, когда крупные организации приступили к развертыванию многочисленных сетей. Каждая сеть в организации образовала отдельный «остров».

Большинство современных компьютерных систем связи обеспечивают взаимодействие между любыми двумя компьютерами, аналогично тому, как телефонная система обеспечивает связь между любыми двумя телефонами. Это понятие, получившее название универсальной службы, лежит в основе современных сетей. Отметим, что попытки создания универсальной службы предпринимались с использованием многих технологий, например, АТМ.

Универсальная служба позволяет пользователю любого компьютера в любом подразделении организации передавать сообщения или данные любому другому пользователю. Доступ ко всей информации можно получить с любого компьютера. Система связи, предоставляющая доступ к универсальной службе, обеспечивает взаимодействие любых компьютеров, подключенных к сети.

Есть ли возможность создать универсальную службу, которая охватывает несколько сетей с разными технологиями? Несовместимость электрических сигналов не позволяет создавать большие сети, просто соединив отдельные сети кабелями. Более того, такие методы расширения сетей, которые предусматривают, например, применение мостов, не могут использоваться с разнородными сетевыми технологиями, поскольку эти технологии основаны на несовместимых форматах пакетов и схемах адресации. Поэтому фрейм, созданный для одной сетевой технологии, не может быть передан в сеть, где применяется другая технология.

Архитектура объединенной сети

Несмотря на несовместимость разных сетевых технологий, был разработан принцип, позволяющий создать универсальную службу на основе разнородных сетей. Этот принцип, получивший название объединения сетей, предусматривает использование как аппаратных, так и программных средств. Для объединения сетей применяются дополнительные аппаратные системы. Затем во всех подключенных компьютерах устанавливается программное обеспечение, которое и образует универсальную службу. Система, возникшая в результате соединения сетей, называется объединенной сетью.

Объединенная сеть может быть неограниченной по своим размерам: существуют объединенные сети, которые включают лишь несколько сетей, и такие, которые включают тысячи сетей. Может изменяться и число компьютеров, подключенных к каждой подсети в объединенной сети: к некоторым подсетям вообще не подключены компьютеры, а к другим подключены сотни компьютеров.

Основным аппаратным компонентом, используемым для соединения разнородных сетей, является маршрутизатор. Каждый маршрутизатор представляет собой компьютер специального назначения, выделенный для соединения сетей. Маршрутизатор имеет процессор и память, а также отдельные интерфейсы ввода-вывода для каждой сети, к которой он подключен. Маршрутизатор может соединять сети с разными технологиями, в том числе с разной передающей средой, схемой физической адресации или форматом фрейма.

Рис. 1. Две сети, соединенные маршрутизатором, который имеет отдельный интерфейс для каждого сетевого соединения. К каждой сети могут подключаться компьютеры.

Маршрутизаторы позволяют соединять более двух сетей. Однако эта возможность используется редко. На это есть две причины:

  • поскольку для обработки каждого пакета используются процессор и память одного маршрутизатора, производительности одного маршрутизатора недостаточно для обработки всего трафика, проходящего между произвольным числом сетей;
  • избыточность связей между отдельными сетями повышает надежность объединенной сети. Программное обеспечение протокола непрерывно контролирует соединения объединенной сети и выдает маршрутизаторам команды на перенаправление трафика по альтернативным путям при отказе какой-либо сети или маршрутизатора.

Рис. 2. Объединенная сеть, созданная с использованием нескольких маршрутизаторов, соединяющих несколько сетей (локальных или распределенных) избыточными связями

Цель объединения сетей состоит в создании универсальной службы в разнородных сетях. Для обеспечения работы универсальной службы, доступной для всех компьютеров объединенной сети, маршрутизаторы должны обеспечить пересылку информации из одной сети в другую. Эта задача является сложной, поскольку форматы фреймов и схемы адресации, используемые в базовых сетях, могут быть разными. Таким образом, для создания универсальной службы в компьютерах и маршрутизаторах должно применяться программное обеспечение протокола. Протоколы объединенной сети преодолевают различия в форматах фреймов и физических адресах для взаимодействия между сетями, в которых используются разные технологии.

Программное обеспечение объединенной сети создает впечатление единой, безукоризненно взаимодействующей системы связи, к которой подключено много компьютеров. Эта система обеспечивает создание универсальной службы: каждому компьютеру присвоен адрес и любой компьютер может передать пакет на любой другой компьютер. Программное обеспечение протокола объединенной сети скрывает такие подробности, как схемы сетевых соединений, физические адреса и информация маршрутизации: ни пользователи, ни прикладные программы не имеют сведений о базовых сетях или соединяющих их маршрутизаторах.

Читать еще:  Виды архитектур приложений

Рис. 3. Концепция объединенной сети: а) Иллюзия единой сети, создаваемая программным обеспечением TCP/IP ; б) Базовая физическая структура, в которой компьютеры подключаются к сетям, а маршрутизаторы соединяют сети

Объединенную сеть называют виртуальной сетевой системой, поскольку эта система связи представляет собой просто абстракцию. Это значит, что такой сети в действительности не существует, несмотря на то, что сочетание аппаратных и программных средств создает иллюзию существования однородной сетевой системы.

Протоколы объединенных сетей

Для объединения сетей наиболее широко применяется набор протоколов TCP/IP . Этот стек протоколов был первым, разработанным для использования в объединенных сетях. Исследователи, которые создали протоколы TCP/IP , разработали также архитектуру объединенной сети, описанную в предыдущем разделе лекции. Работа над протоколами TCP/IP началась в 70-х годах примерно в то же время, когда проводилась разработка технологии локальных сетей. Основное финансирование исследований по TCP/IP и объединению сетей осуществлялось Министерством обороны США через Агентство перспективных научных проектов. В подразделениях Министерства обороны появилось множество физических сетей. Поэтому возникла необходимость создания универсальной службы. К середине 80-х годов Национальный научный фонд ( National Science Foundation) и другие правительственные агентства США занимались финансированием разработки протоколов TCP/IP и большой объединенной сети, которая применялась для проверки этих протоколов.

Объединение сетей является одним из наиболее важных принципов создания современных сетей. Технология TCP/IP предоставила возможность создания не только частных объединенных сетей, но и глобальной объединенной сети Internet , охватывающей десятки миллионов компьютеров всего мира.

В терминологию глобальных сетей входит понятие хост-компьютер, который обозначает компьютерную систему, подключенную к объединенной сети и используемую для выполнения приложений. Хост-компьютер может представлять собой небольшое аппаратное устройство, например, персональный компьютер, или крупную систему, такую как мэйнфрейм. Процессор хоста может быть медленным или быстрым, память — большой или малой, а сеть, к которой непосредственно подключен хост, может работать на высокой или низкой скорости.

Протоколы TCP/IP обеспечивают взаимодействие между любыми хостами, независимо от различий в их аппаратном обеспечении. Программное обеспечение протоколов TCP/IP должно быть установлено и в хостах, и в маршрутизаторах. Однако в маршрутизаторах не используются протоколы всех уровней.

Таким образом, по своей структуре объединенная сеть представляет собой совокупность сетей, которые соединены устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор — это специализированный компьютер, который подключен к двум или нескольким сетям. Маршрутизатор имеет память и процессор, как и компьютер общего назначения, но он предназначен исключительно для перемещения данных между сетями, к которым он подключен.

Обычные компьютеры, которые подключены к объединенной сети, называются хостами. Хостом может быть большой компьютер (например, мощная ЭВМ) или малый компьютер (например, персональный компьютер). Каждый хост в объединенной сети подключен к одной из физических сетей.

Внешне объединенная сеть выглядит как единая, безукоризненно взаимодействующая система связи. Подключенные к объединенной сети компьютеры могут обмениваться данными, как будто они подключены к одной сети. Это значит, что любой компьютер может отправить пакет на любой другой компьютер, который подключен к объединенной сети.

Иллюзия существования единой системы связи создается программным обеспечением протоколов объединенной сети. Это программное обеспечение должно работать на каждом хосте или маршрутизаторе объединенной сети и обеспечивать обмен пакетами между прикладными программами. Программное обеспечение протоколов обеспечивает передачу пакетов к месту назначения либо непосредственно, либо через маршрутизаторы.

Наиболее важными протоколами, разработанными для объединения сетей, являются протоколы стека TCP/IP . Программное обеспечение протоколов TCP/IP работает очень надежно и позволяет создавать крупные объединенные сети. Протоколы TCP/IP используются не только во многих частных объединенных сетях, но и в глобальной сети Internet .

Глобальные компьютерные сети: архитектура, функции, типы.

Глобальные сети Wide Area Networks, WAN), которые также называют территориальными компьютерными сетями, служат для того, чтобы предоставлять свои сервисы большому количеству конечных абонентов, разбросанных по большой территории — в пределах области, региона, страны, континента или всего земного шара. Ввиду большой протяженности каналов связи построение глобальной сети требует очень больших затрат, в которые входит стоимость кабелей и работ по их прокладке, затраты на коммутационное оборудование и промежуточную усилительную аппаратуру, обеспечивающую необходимую полосу пропускания канала, а также эксплуатационные затраты на постоянное поддержание в работоспособном состоянии разбросанной по большой территории аппаратуры сети.

Типичными абонентами глобальной компьютерной сети являются локальные сети предприятий, расположенные в разных городах и странах, которым нужно обмениваться данными между собой. Услугами глобальных сетей пользуются также и отдельные компьютеры. Крупные компьютеры класса мэйнфреймов обычно обеспечивают доступ к корпоративным данным, в то время как персональные компьютеры используются для доступа к корпоративным данным и публичным данным Internet.

Глобальные сети обычно создаются крупными телекоммуникационными компаниями для оказания платных услуг абонентам. Такие сети называют публичными или общественными. Существуют также такие понятия, как оператор сети и поставщик услуг сети. Оператор сети (network operator) — это та компания, которая поддерживает нормальную работу сети. Поставщик услуг, часто называемый также провайдером (service provider), — та компания, которая оказывает платные услуги абонентам сети. Владелец, оператор и поставщик услуг могут объединяться в одну компанию, а могут представлять и разные компании.

Читать еще:  Архитектура x86 и x64

Структура глобальной сети

Типичный пример структуры глобальной компьютерной сети приведен на рис. 6.2. Здесь используются следующие обозначения: S (switch) — коммутаторы, К — компьютеры, R (router) — маршрутизаторы, MUX (multiplexor)- мультиплексор, UNI (User-Network Interface) — интерфейс пользователь — сеть и NNI (Network- Network Interface) — интерфейс сеть — сеть. Кроме того, офисная АТС обозначена аббревиатурой РВХ, а маленькими черными квадратиками — устройства DCE,о которых будет рассказано ниже.

Рис. 6.2. Пример структуры глобальной сети

Сеть строится на основе некоммутируемых (выделенных) каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Коммутаторы называют также центрами коммутации пакетов (ЦКП), то есть они являются коммутаторами пакетов, которые в разных технологиях глобальных сетей могут иметь и другие названия — кадры, ячейки cell. Как и в технологиях локальных сетей принципиальной разницы между этими единицами данных нет, однако в некоторых технологиях есть традиционные названия, которые к тому же часто отражают специфику обработки пакетов. Например, кадр технологии frame relay редко называют пакетом, поскольку он не инкапсулируется в кадр или пакет более низкого уровня и обрабатывается протоколом канального уровня.

Коммутаторы устанавливаются в тех географических пунктах, в которых требуется ответвление или слияние потоков данных конечных абонентов или магистральных каналов, переносящих данные многих абонентов. Естественно, выбор мест расположения коммутаторов определяется многими соображениями, в которые включается также возможность обслуживания коммутаторов квалифицированным персоналом, наличие выделенных каналов связи в данном пункте, надежность сети, определяемая избыточными связями между коммутаторами.

Абоненты сети подключаются к коммутаторам в общем случае также с помощью выделенных каналов связи. Эти каналы связи имеют более низкую пропускную способность, чем магистральные каналы, объединяющие коммутаторы, иначе сеть бы не справилась с потоками данных своих многочисленных пользователей. Для подключения конечных пользователей допускается использование коммутируемых каналов, то есть каналов телефонных сетей, хотя в таком случае качество транспортных услуг обычно ухудшается. Принципиально замена выделенного канала на коммутируемый ничего не меняет, но вносятся дополнительные задержки, отказы и разрывы канала по вине сети с коммутацией каналов, которая в таком случае становится промежуточным звеном между пользователем и сетью с коммутацией пакетов. Кроме того, в аналоговых телефонных сетях канал обычно имеет низкое качество из-за высокого уровня шумов. Применение коммутируемых каналов на магистральных связях коммутатор-коммутатор также возможно, но по тем же причинам весьма нежелательно.

Типы глобальных сетей

В зависимости от того, какие компоненты приходится брать в аренду, принято различать корпоративные сети, построенные с использованием:

Последний случай соответствует наиболее благоприятному случаю, когда сеть с коммутацией пакетов доступна во всех географических точках, которые нужно объединить в общую корпоративную сеть. Первые два случая требуют проведения дополнительных работ, чтобы на основании взятых в аренду средств построить сеть с коммутацией пакетов.

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-23; Нарушение авторского права страницы

Основы организации сети

Сетевые технологии

Теперь поговорим о технологиях, с помощью которых происходит передача пакетов данных. Сетевые технологии работают в сегментах локальных сетей и называются также LAN -технологиями или сетевыми спецификациями. Самой популярной сетевой технологией является Ethernet , но вы можете подыскать для своей сети другую, более подходящую технологию.

В этом разделе мы обсудим технологию Ethernet и ее разновидности: Ethernet , работающий на скорости 1 Гбит/с (гигабитный Ethernet ), и Ethernet , работающий на скорости 10 Гбит/с (десятигигабитный Ethernet ); поговорим о технологиях Token Ring, ATM ( Asynchronous Transfer Mode ) и беспроводной сети.

Как уже было сказано выше, сетевые технологии реализуются на канальном уровне стандартной модели OSI . Это значит, что их можно охарактеризовать физическими носителями и способом управления доступом к этим носителям. Работа в сети требует наличия связности отдельных сетевых устройств и определенного порядка их взаимодействия. По этой причине канальный уровень передачи данных еще называют уровнем управления доступом к среде или MAC-уровнем. Сообщения, расположенные на этом уровне, называются фреймами.

Порядок взаимодействия в сетевом соединении обеспечивается только за счет МАС-адресов (серийных номеров или идентификаторов). Для передачи сообщения из локальной сети во внешнюю необходим протокол сетевого уровня, например IP . Сетевые технологии могут функционировать только в коммутируемых объединенных сетях, т.е. их целесообразно использовать в локальных сетях или при передаче по простым, неразветвленным, протяженным маршрутам.

Сетевые технологии работают на двух уровнях.

  • Сети общего доступа. Сетевые технологии обеспечивают связь между устройствами, рабочими группами и общими ресурсами типа принтеров и серверов. Такие локальные сети формируются с помощью хабов или коммутаторов и обеспечивают соединение «местного» масштаба. Например, в крупном учреждении сети общего доступа могут охватить один этаж.
  • Магистральные сети. Сетевые технологии устанавливают связи между сетями общего доступа и такими устройствами, как серверы баз данных и почтовые серверы. Магистральные сети включают в себя маршрутизаторы и LAN-коммутаторы. Обычно они служат для соединения сетей внутри одного здания или студенческого городка. На рисунке 1.4 показано различие между сетями общего доступа и магистральными сетями.
Читать еще:  Микросервисная архитектура пример

До сих пор в этой лекции мы обсуждали тот факт, что разные компьютеры могут общаться друг с другом с помощью уникальных, присущих только им способов. Но общаются не только компьютеры. Некоторые компании разработали свои собственные средства преодоления межсетевого пространства как локального, так и глобального масштаба.

Ethernet

В 1970 г. корпорация Xerox разработала первую версию Ethernet. Спустя десять лет, в результате совместных усилий с компаниями Intel и Digital Equipment Corporation (позже превратившейся в Compaq), в 1983 г. была выпущена вторая версия. В последующие 20 лет Ethernet стала лидирующей сетевой технологией. Возможно, такой популярности Ethernet обязана своей дешевизне. Сетевая карта Ethernet стоит меньше 10 долларов, а некоторые производители интегрируют Ethernet-карты в материнские платы своих компьютеров.

Наряду с популярностью возрастала и мощность Ethernet. Термин Ethernet стал применяться при описании технологии со скоростью передачи данных в 10 Мб/с. Fast Ethernet, внедренный в 1995 г., работал на скорости 100 Мб/с. В следующем году появился гигабитный Ethernet, а в 2002 г. в качестве стандарта был предложен 10-гигабитный Ethernet, который выводит технологию Ethernet на просторы глобальных вычислительных сетей (WAN). Технология Ethernet удовлетворяет спецификации IEEE 802.3.

Примечание. Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute for Electronics Engineers — IEEE), возникший еще в 20 веке, разработал стандарты для первого и второго уровней модели OSI. Стандарты 3 уровня (и выше) выпустила инженерная группа проектирования интернета ( Internet Engineering Task Force — IETF).

Архитектура Ethernet

Популярность Ethernet нередко вызывает удивление. Эта технология изначально не является эффективной. На самом деле только 37 % полосы пропускания подходит для ее функционирования, так как Ethernet работает в условиях одновременного использования канала связи. Устройства, подключенные к локальной сети Ethernet, прослушивают линию и ожидают ее освобождения для отправки сообщения. Если два устройства одновременно начинают передачу данных, и их пакеты сталкиваются, то обе передачи прерываются, и рабочие станции через некоторое время, определяемое случайным образом, осуществляют новую попытку отправки данных.

Ethernet использует алгоритм CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов) для прослушивания линии, распознавания коллизии и прерывания передачи. CSMA/CD является «светофором» технологии Ethernet и служит для предотвращения беспорядочных столкновений пакетов в сети. На рисунке 1.5 показано, как работает алгоритм CSMA/CD.

Технология Ethernet использует общую среду передачи, поэтому все устройства локальной сети Ethernet получают все сообщения, а затем проверяют, совпадает ли адрес назначения с собственным адресом устройства. Если адреса совпадают, то сообщение принимается и проходит через все семь уровней стека, в противном случае сообщение отбрасывается.

Реализация коммутируемой архитектуры сети Ethernet имеет преимущество в том, что линии, связывающие коммутатор с устройствами, подключенными к сети, получают полосу пропускания максимальной ширины. Это объясняется тем, что передаваемые пакеты не отправляются широковещанием ко всем устройствам сети, а передаются от коммутатора к пункту назначения.

Гигабитный Ethernet

Гигабитный Ethernet является расширением Ethernet-стандарта до скорости 1000 Мб/с. Такой скачок вызван тем, что он наследует возможности других Ethernet-спецификаций (исходного 10-мегабитного Ethernet и 100-мегабитного Fast Ethernet).

Технология гигабитного Ethernet является основным конкурентом технологии ATM. (Об этой технологии мы будем кратко говорить далее). Так как Ethernet является самой популярной сетевой технологией, то гигабитный Ethernet выигрывает у ATM, поскольку является более изученным. Изначально он разрабатывался для эксплуатации в локальных сетях, но при возрастании скорости передачи данных до 1 Гбит/с его можно использовать в качестве WAN-технологии.

Несмотря на высокую скорость передачи, Ethernet не совсем подходит для глобальных сетей. Эта технология использует кадры переменного размера — от 64 до 1400 байт, что не соответствует характеристикам ATM по качеству обслуживания (Quality of Service, QoS).

Примечание. Качество обслуживания (QoS) гарантирует наиболее эффективную отправку и получение пакетов. В «Подключения к рабочим группам» мы более подробно рассмотрим QoS и его реализацию в Windows XP.

Разумеется, о конкретных нуждах и эксплуатационных возможностях организации можно говорить долго. Если компания не делает акцент на характеристики QoS и имеет достаточную базу знаний об Ethernet, то идеальным решением для нее является гигабитный Ethernet. Популярным решением такой сети является подключение локальных сетей общего доступа с технологией Fast Ethernet к магистральной сети , работающей по технологии гигабитного Ethernet.

10-гигабитный Ethernet

Следующей ступенькой в развитии Ethernet стал 10-гигабитный Ethernet. Скорости передачи 10 Мбит/с и 100 Мбит/с в технологии Ethernet делают ее хорошим способом доступа к данным, гигабитный Ethernet становится претендентом на роль WAN. А 10-гигабитная реализация Ethernet становится настоящей глобальной сетевой технологией.

10-гигабитный Ethernet использует Ethernet-протокол, формат кадра и размер кадра, определенные в спецификации IEEE 802.3. Переменный размер кадров по-прежнему остается проблемой, однако принципиальных трудностей для группировки множества мелких пакетов в один большой транк ( trunk ) технологии 10-гигабитного Ethernet, не существует. Все «за» и «против» должны рассматриваться для конкретной организации или ситуации.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector
×
×