Тема 1. Лекция. Что такое сеть? Физические компоненты современной сети. Анализ сетевых схем и типовые обозначения.

Компьютерная сеть (вычислительная сеть) — система, обеспечивающая обмен данными между вычислительными устройствами (компьютеры, серверы, маршрутизаторы и другое оборудование). Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило, — различные виды электрических сигналов, световых сигналов или электромагнитного излучения. В сетях передачи данных, использующих технологии Internet и Ethernet, рассматриваемые в данном курсе, процесс передачи информации осуществляется при помощи пакетов – единичных блоков, включающих в себя полезную загрузку (собственно, пользовательскую информацию, передающуюся на пункт назначения) и служебную информацию – данные о хостах, передающих и принимающих пакет, идентификаторы использующихся протоколов, сведения о защите информации и т.д. Более подробно вопросы работы этих протоколов будут рассмотрены в первом блоке данного курса.

Физические элементы Современной сети

1. Хост, конечное устойство.

Это устройство, передающий и получающий информацию только в одну сторону.

2. Коммутатор (свитч)

Сетевой коммутатор — устройство, предназначенное для соединения хостов компьютерной сети в пределах одного или нескольких соседних сегментов сети.

3. Маршрутизатор (раутер, роутер, рутер)

Маршрутиза́тор — специализированный сетевой компьютер, имеющий два или более сетевых интерфейсов и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети. Маршрутизатор может связывать разнородные сети различных архитектур. Для принятия решений о пересылке пакетов используется информация о топологии сети и определённые правила, заданные администратором. Устройство, предназначенное для связи между разными подсетями.

Типовые сетевые схемы

Обозначив различные устройства, использующиеся на сети передачи данных, необходимо сказать об их использовании. Поскольку курс расчитан на изучение СПД как единой информационной системы, то в дальнейшем упор будет делаться именно на совместном использовании сетевых устройств.

По сути сеть – это среда передачи данных, которая связывает удалённые устройства для обеспечения работы сетевых приложений (о них - далее). Для обеспечения связности любой СПД используются соединения-коннекторы (от англ. connections), которые представляют собой проводные или беспроводные механизмы связи соседних устройств.

Как и в любой другой ИС, при построении СПД необходимо представлять её структуру – расположение элементов, порядок подключения устройств и так далее. Роль структурной схемы сети играет её топология – граф, описывающий наполнение сети передачи данных.

Изначально, на этапе раннего развития сетевых технологий передачи данных, топология СПД играла ключевую и критичную роль в проектировании сети. Зачастую, такие схемы были рассчитаны на отсутствие в сети коммутаторов и маршрутизаторов, которые могли бы выбрать оптимальный путь прохождения трафика и обеспечить связность в удалённых участках сети. Исходя из этого, топологии сетей передачи данных составляли разнообразные варианты схемы полной связности, в которых каждый элемент был связан со всеми остальными элементами СПД. Наиболее распространённые из них – это топология типа «Шина» («Автобус») и Топология Полной Связности (от англ. Full Mesh Topology). При этом последняя – самый простой и некогда распространённый вариант, при котором каждый хост соединяется отдельным кабелем со всеми остальными, и, следовательно, заранее знает, через какой «линк» (соединение) передать пакет тому или иному адресату. Преимущества данной схемы очевидны: простота настройки и траблшутинга за счёт высокой локализации элементов (отказ одного соединения ведёт к рассмотрению только одного элемента сети), а также отсутствие «лишнего» трафика на сети, т.к. пакеты данных идут по прямому маршруту от отправителя к адресату. Однако столь же очевидны и недостатки такой схемы: каждый ПК должен иметь столько сетевых карт, сколько соседей будет у него в топологии. Это серьёзно увеличивает стоимость реализации такой схемы, и, кроме того, ограничивает размер такой сети, так как количество слотов под сетевые карты в ПК ограничено. Также к недостаткам такой сети можно отнести слабые возможности управления СПД ввиду отстутствия централизации. Тем не менее, сам факт отсутствия централизации можно отнести как к недостаткам (слабый менеджмент), так и к преимуществам – такая схема является наиболее отказоустойчивой, так как выход из строя одного элемента никак не затрагивает способность принимать и передавать данные других хостов сети.

Рис. 1. Топология полной связности

Наряду с топологией полной связности начала своё развитие топология типа типа «Шина» («Автобус»), получившая своё название за сходство с принципом движения маршрутного транспортного средства. Смысл в том, что все хосты такой топологии объединены общей линией (шиной), попав на которую можно «доехать» до любого из доступных хостов. «Шина» (название по аналогии с CAN-шинами) стала, своего рода, логическим продолжением концепции топологии полной связности (ТПС), лишённой главного недостатка последней – высокой стоимости и необходимости большого количества сетевых интерфесов на хостах. При этом были сохранены главные преимущества ТПС: простота и высокая отказоустойчивость. «Шина» довольно быстро завоевала популярность, став одной из самых распространённых топологий, требующей минимальных затрат на проектирование и реализацию СПД.

Однако, наряду с достоинствами, проявились и недостатки такой схемы. Во-первых, в отличие от ТПС, «Шина» не могла похвастать однозначным выбором маршрута трафика: в такой схеме весь поток информации проходит через центральный сегмент сети, создавая большой объем паразитных пакетов. Появилась также необходимость определения пункта назначения пакета. В такой сети каждый хост при отправке данных «выплёвывает» пакеты в общую шину, и эти пакеты получают все доступные шине хосты. При таком режиме каждый хост сравнивает адрес назначения, который хранится в пакете данных, со своим адресом, и, если эти адреса совпадают, пакет принимается хостом, если нет – отбрасывается. Отсюда логично вытекает первый недостаток – низкая защищённость такой сети: фактически, ничего не мешает злоумышленнику подделать адрес пункта назначения и принимать пакеты данных, либо же настроить свой хост на приём всей информации.

Второй недостаток также связан с наличием единой шины – это наличие коллизий (столкновений) трафика. Ведь, по сути, среда передачи данных одна, а хостов, которые отправляют трафик – много, и они могут передавать данные одновременно. Соответственно, появляется необходимость изобретать и внедрять инструменты защиты от подобного рода проблем.

Третий недостаток достался «Шине» в наследство от топологии полной связности – слабый менеджмент сети, так как, по сути, «Шина» - это всё ещё сеть с отсутствием централизации.

Преимущества «Шины» совпадают с ТПС.

Рис. 2. Топология типа «Шина» («Автобус»)

Со временем слабые возможности управления сетью стали всё более и более отчётливо выходить на первый план. Сети росли, росли и потребности – к пропускной способности, к максимальному количеству хостов в сети. Появилась необходимость централизации сети – создания единых доменов управления сетью передачии данных, которые позволяли бы осуществлять настройку и сопровождение сети централизованно, отвязав тем самым СПД от точечной конфигурации. В обиход стали входить устройства, управляющие потоками трафика – хабы, мосты и коммутаторы (о них более подробно – в следующих темах курса). Они так или осуществляют пересылку информации (зачастую – адресную, т.е. строго от пункта отправления до пункта назначения) в разные части сети, что позволяет отказаться от единой шины (заменив её концентратором). Простейшие концентраторы – хабы, по сути, всё ещё работали в режиме шины, распростряняя трафик в широковещательном режиме всем хостам, однако они всеоре были заменены на более умные устройства – мосты и коммутаторы.

Преимущества данной топологии зависят от устройства, играющего роль концентратора, недостаток – наличие единой точки отказа (при выходе из строя концентратора выходит из строя вся сеть). Топология типа «Звезда» широко используется по сей день и является одной из самых распространённых, а в большинстве случаев – безальтернативной схемой построения сети.

Рис. 3. Топология типа «Звезда»

Отдельно стоит отметить ещё один тип топологии сети – «Кольцо». Этот тип развивался параллельно с остальными и преследовал несколько иные цели. В отличие от предыдущих топологий, «Кольцо» не имеет ни полносвязной структуры, ни концентратора, способного объединить хосты. Вместо этого используется замкнутая сеть, в которой каждый хост – одновременно и приёмник, и передатчик. «Кольцо» используется в системах, где критически важны идентификация отправителя и гарантия доставки пакета. Суть топологии в том, что по сети бродит единичный «token», и только при его наличии хост может отправлять данные. Такая схема сводит на нет риски по образованию коллизий трафика и обеспечивает высокий уровень безопасности, однако «Кольцо» имеет невысокую отказоустойчивость и скорость передачи данных. Топологии такого типа до сих пор используются в банковских системах и мейнфреймах, однако почти не встречаются в обычных СПД.

Рис. 4. Топология типа «Кольцо»