Структуризация как основа построения вычислительных сетей

Топология локальных сетей

При реализации структуризации в первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, то есть топологию. Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети или сетевое оборудование, а ребрам - физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют рабочими станциями или узлами сети.

Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой или физическими соединениями. Топология логических связей определяет маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования, при этом физическая топология может не совпадать с логической.

Полносвязная топология (рис. 1.10, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант соединения надежен, но громоздкий и неэффективный. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко, так как не удовлетворяют ни одному из приведенных выше требований. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

Ячеистая топология (mesh) получается из полносвязной путем удаления некоторых связей (рис. 1.10, б). В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы.

Общая шина (рис. 1.10, в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажного ИЛИ». Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть.

Топология звезда (рис. 1.10, г). Каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Преимущество этой топологии перед общей шиной - существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть.

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 1.10,д). В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях.

В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 1.10, е) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи - данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату.

Рис. 1.10. Типовые топологии сетей

Небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина. Вя крупных сетях характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Смешанная топология

 

Физическая структуризация

Простейшее из коммуникационных устройств - повторитель (repeater) - используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты (рис. 1.14). Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала - восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п.

Рис. 1.14. Повторитель позволяет увеличить длину сети Ethernet

Если повторитель имеет больше двух портов, то его называют концентратором. Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей - Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, l00VG-AnyLAN.

Концентраторы любых технологий повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 1.15, а). А концентратор Token Ring (рис. 1.15, б) повторяет входные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту - на том, к которому подключен следующий в кольце компьютер.

Рис. 1.15. Концентраторы различных технологий

Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают. Например, сеть, представленная на рис. 1.16, а, имеет физическую топологию кольцо. Компьютеры этой сети получают доступ к кабелям кольца за счет передачи друг другу специального кадра - маркера, причем этот маркер также передается последовательно от компьютера к компьютеру в том же порядке, в котором компьютеры образуют физическое кольцо, то есть компьютер А передает маркер компьютеру В, компьютер В - компьютеру С и т. д.

Сеть, показанная на рис. 1.16, б, демонстрирует пример несовпадения физической и логической топологии. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина. Доступ же к шине происходит не по алгоритму случайного доступа, применяемому в технологии Ethernet, а путем передачи маркера в кольцевом порядке: от компьютера А - компьютеру В, от компьютера В - компьютеру С и т. д. Здесь порядок передачи маркера уже не повторяет физические связи, а определяется логическим конфигурированием драйверов сетевых адаптеров.

Рис. 1.16. Логическая и физическая топологии сети

Другим примером несовпадения физической и логической топологий сети является уже рассмотренная сеть на рис. 1.15, а. Концентратор Ethernet поддерживает в сети физическую топологию звезда. Однако логическая топология сети осталась без изменений - это общая шина. Так как концентратор повторяет данные, пришедшие с любого порта, на всех остальных портах, то они появляются одновременно на всех физических сегментах сети, как и в сети с физической общей шиной.

Физическая структуризация сети с помощью концентраторов полезна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надежности.

Логическая структуризация

Важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети.

В большой сети возникает неоднородность информационных потоков.Сеть состоит из множества подсетей рабочих групп, отделов и филиалов предприятия. Наиболее интенсивный обмен данными наблюдается между компьютерами, принадлежащими к одной подсети, и только небольшая часть обращений происходит к ресурсам компьютеров, находящихся вне локальных рабочих групп. (До недавнего времени такое соотношение трафиков не подвергалось сомнению, и был даже сформулирован эмпирический закон «80/20», в соответствии с которым в каждой подсети 80 % трафика является внутренним и только 20 % - внешним.) Сейчас характер нагрузки сетей во многом изменился, широко внедряется технология intranet, на многих предприятиях имеются централизованные хранилища корпоративных данных, активно используемые всеми сотрудниками предприятия. Все это не могло не повлиять на распределение информационных потоков. И теперь не редки ситуации, когда интенсивность внешних обращений выше интенсивности обмена между «соседними» машинами. Но независимо от того, как распределяются внешний и внутренний трафик, для повышения эффективности работы сети неоднородность информационных потоков необходимо учитывать.

Сеть с типовой топологией (шина, кольцо, звезда), в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказывается неэффективной при распределени информационных потоков в большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает ее на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом. Компьютеры одного отдела вынуждены ждать, когда окончит обмен пара компьютеров другого отдела, и это при том, что необходимость в связи между компьютерами двух разных отделов возникает гораздо реже и требует совсем небольшой пропускной способности.

На рис. 1.17, а показана сеть, построенная с использованием концентраторов. Пусть компьютер А, находящийся в одной подсети с компьютером В, посылает ему данные. Несмотря на разветвленную физическую структуру сети, концентраторы распространяют любой кадр по всем ее сегментам. При этом кадр, посылаемый компьютером А компьютеру В, отделов 2 и 3, в соответствии с логикой работы концентраторов поступает на эти сегменты тоже. И до тех пор, пока компьютер В не получит адресованный ему кадр, ни один из компьютеров этой сети не сможет передавать данные.

Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура данной сети осталась однородной - она никак не учитывает увеличение интенсивности трафика внутри отдела и предоставляет всем парам компьютеров равные возможности по обмену информацией (рис. 1.17, б).

Рис. 1.17. Противоречие между логической структурой сети и структурой информационных потоков

Решение проблемы состоит в отказе от идеи единой однородной разделяемой среды. Например, в рассмотренном выше примере желательно было бы сделать так, чтобы кадры, которые передают компьютеры отдела 1, выходили бы за пределы этой части сети в том и только в том случае, если эти кадры направлены какому-либо компьютеру из других отделов. С другой стороны, в сеть каждого из отделов должны попадать те и только те кадры, которые адресованы узлам этой сети.

Адресация компьютеров

Еще одной проблемой, которую нужно учитывать при объединении трех и более компьютеров, является проблема их адресации. К адресу узла сети и схеме его назначения можно предъявить несколько требований.

· Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба.

· Схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов.

· Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей. Эту проблему хорошо иллюстрируют международные почтовые адреса, которые позволяют почтовой службе, организующей доставку писем между странами, пользоваться только названием страны адресата и не учитывать название его города, а тем более улицы. В больших сетях, состоящих из многих тысяч узлов, отсутствие иерархии адреса может привести к большим издержкам - конечным узлам и коммуникационному оборудованию придется оперировать с таблицами адресов, состоящими из тысяч записей.

· Адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен иметь символьное представление например, Servers или www.cisco.com.

· Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры - сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т. п.

Эти требования противоречивы. Адрес, имеющий иерархическую структуру, скорее всего будет менее компактным, чем неиерархический (такой адрес часто называют «плоским», то есть не имеющим структуры). Символьный же адрес скорее всего потребует больше памяти, чем адрес-число.

Так как все перечисленные требования трудно совместить в рамках какой-либо одной схемы адресации, то на практике обычно используется сразу несколько схем, так что компьютер одновременно имеет несколько адресов-имен.

Наибольшее распространение получили три схемы адресации узлов.

· Аппаратные (hardware) адреса. Эти адреса предназначены для сети небольшого или среднего размера, поэтому они не имеют иерархической структуры. Типичным представителем адреса такого типа является адрес сетевого адаптера локальной сети. Такой адрес обычно используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного значения, например 0081005е24а8. При задании аппаратных адресов обычно не требуется выполнение ручной работы, так как они либо встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем. Помимо отсутствия иерархии, использование аппаратных адресов связано еще с одним недостатком - при замене аппаратуры, например, сетевого адаптера, изменяется и адрес компьютера. При установке нескольких сетевых адаптеров у компьютера появляется несколько адресов, что не очень удобно для пользователей сети.

· Символьные адреса или имена. Эти адреса предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку. Символьные адреса легко использовать как в небольших, так и крупных сетях. Для работы в больших сетях символьное имя может иметь сложную иерархическую структуру, например ftp-archl.ucl.ac.uk. Этот адрес говорит о том, что данный компьютер поддерживает ftp-архив в сети о дного из колледжей Лондонского университета (University College London - ucl) и эта сеть относится к академической ветви (ас) Internet Великобритании (United Kingdom - uk).

· Числовые составные адреса. Символьные имена удобны для людей, но из-за переменного формата и потенциально большой длины их передача по сети не очень экономична. Поэтому во многих случаях для работы в больших сетях в качестве адресов узлов используют числовые составные адреса фиксированного и компактного форматов. Типичным представителями адресов этого типа являются IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть - номер сети и младшую - номер узла. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла используется только после доставки сообщения в нужную сеть.

Для установления соответствия между адресами различных типов, занимается служба разрешения имен. В случае централизованного подхода в сети выделяется один компьютер (сервер имен), в котором хранится таблица соответствия друг другу имен различных типов, например символьных имен и числовых номеров. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен, чтобы по символьному имени найти числовой номер компьютера, с которым необходимо обменяться данными.

При распределенном подходе, каждый компьютер сам решает задачу установления соответствия между именами. Например, если пользователь указал для узла назначения числовой номер, то перед началом передачи данных компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети сообщение (такое сообщение называется широковещательным) с просьбой опознать это числовое имя. Тот компьютер, у которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий его аппаратный адрес, после чего становится возможным отправка сообщений по локальной сети.

Службой централизованного разрешения имен является служба Domain Name System (DNS) сети Internet.

Физический уровень.

Линия связи (рис. 2.1) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) является термин канал связи(channel).

Рис. 2.1. Состав линии связи

Физическая среда передачи данных (medium) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следующие (рис. 2.2.):

· проводные (воздушные);

· кабельные (медные и волоконно-оптические);

· радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Рис. 2.2. Типы линий связи

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

5.1. Кабельные линии

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара существует в экранированном варианте (Shielded Twistedpair, STP), когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (Unshielded Twistedpair, UTP), когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

UTP – неэкранированная витая пара   используется

STP – экранированная витая пара        в зданиях

UTP обладает более высокими качествами.

Категория 1:  (голос) – до 20 Кбит/с

Категория 2: до 1 МГц

  EIA/ TIA – 568А

Категория 3: (голос и данные) - до 16 МГц

Три витка на 1 фут (30.5 см) – шаг скрутки проводов в паре.

Категория 4:  - до 20 МГц – повышенная помехоустойчивость и малые потери

                        сигнала (улучшена по сравнению с категорией 3).

Категории 5:  специально разработана для высокоскоростных сетей,

                         прокладываемых в коммерческих (или коммутационных) зданиях.

                        До 100 МГц.

Основная категория: Все сети используют кабель с медными жилами: CDDI (или

                                  CFFI); Fast Ethernet; 100VG Any LAN, ATM (155 Мбит /c);

                                  Gigabit Ethernet (1 Гбит/ c).

Все категории VIP выпускаются в 4-х парном варианте.

Категория 6: - до 20 МГц – может быть без экрана и с экраном.

Категория 7: - до 600 МГц – обязательно экранируется и каждая пара, и весь

                       кабель.

Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т. п.

• RG8 и RG11 – «толстый». Сопротивление Z₀ = 50 Ом. Внешний диаметр равен

0.5 мм; внутренний проводник равен 2.17 мм.

Диаметр (декремент) затухания А ≤ 18 дБ/км на 100 МГц. «Жесткий».

• RG-58 U; RG-58 A/ U; RG-58 C/ U – тонкий коаксиальный кабель для сетей Ethernet

10 Base – 2. Z₀ = 50 Ом.

Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5-60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света мо ныходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 4.4, а);

многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 4.4, б);

одномодовое волокно (рис. 4.4, в).

Ход лучей в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым профилем.

Речь идет о тех кабелях, в которых диаметр световода на порядок или два больше длины волны света, используемого в источнике (передатчике).

 

1. и 2. – многомодовые кабели; 3. – одномодовый кабель.

В одномодовом кабеле диаметр световода соизмерим с длиной волны света, использованной для передачи информации, 5 8 мкм. Длина волны равна 1.5 мкм.

 Размеры оптоволокна стандартизованы. 

а) Ступенчатое многомодовое волокно:

 

б) Градиентное многомодовое влокно:

 

ТИПЫ ВОЛОКОН.

Многомодовые волокна MMF.

• Со ступенчатым показателем преломления – SIMMF – Step Index Multi Mod Fiber.

• С градиентные показателем преломления – GIMMF – Graded Index Multi Mod

Fiber.

Все типы кабелей, а также источники и приёмники света рассчитаны на работу в инфракрасном диапазоне световых волн.

Многомодовые волокна (градиентные) – 50/125 62.5/125 обычно используют окна.

850 нм и 1310 нм – multi Mode fiber GIMMF.

Стандарты оптических волокон и их применение.

Enter – эфир;

Ethernet – локальная сеть;

FDDI – Fiber Distributed Date Interface;

ATM – асинхронный способ передачи;

SDH – синхронная цифровая иерархия – Synchronous Digital Hierarchy.

FDDI = 100Мбит/ cек

• В волокнах SF распространяется 1 Мода. Одномодовый режим реализуется в

одномодовом волокне SF в окнах прозрачности 1310нм и 1550нм. Наилучший

режим распространения, с точки зрения дисперсии, достигается на 1310нм (на

1310нм – меньше всего размазывается сигнал).

• С точки зрения потерь световой мощности, в окне 1310нм потери составляют 

0.3 ÷ 0.4 дБ/км.

• В окне 1550нм потери существенно меньше и составляют 0.2 ÷ 0.25 дБ/км

• В одномодовом волокне со смещенной дисперсией DSF на длине волны 1550нм

результирующая дисперсия обращается в ноль. В DSF реализуется наилучшие

характеристики, как по минимуму дисперсии, так и по минимуму затухания.

• Одномодовое волокно ненулевой дисперсией NZDSF, в отличие от DSF,

оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу несколько длин

волн (мультиплексный волновой сигнал) и наиболее эффективно используется

при построении волоконно-оптических сетей – «полностью оптических сетей» -

сетей, в узлах которых и происходит оптоэлектронное преобразование при

распространении.

Этот тип кабеля используется для создания каналов связи с разделением каналов по длине волны.

Передача мультиплексного волнового сигнала на большие расстояние требует использования широкополосных (или многополосных) оптических усилителей. Наибольшее распространение получили эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волокна (EDFA – Erbium Doped Amplifier).

Линейные усилители типа EDFA эффективно усиливают сигнал в рабочем диапазоне: 1530 – 1560нм. Эти усилители позволяют усиливать мультиплексированные сигналы с числом каналов более 64 шт.

Системы передачи:

1. 1. Wavelength Division Multiplexing – WDM.

2. 2. Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM – 40 каналов.

3. 3. SDH/SONET – Synchionous Digital Hierarchy/Sinchionos Optical Network.

4. 4. OC – Optical Carrier

OC-1  51.84 Мбит/с

ОС-48 2488.32 Мбит/с

ОС-96 51.84 × 96 = … Мбит/с

Искажение формы импульса вследствие модальной дисперсии.

 

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

 светодиоды, или светоизлучающие диоды (Light Emmited Diode, LED); полупроводниковые лазеры, или лазерные диоды (Laser Diode).

Для одномодовых кабелей применяются только лазерные диоды, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый свето-диодом, невозможно без больших потерь направить в волокно — он имеет чересчур широкую диаграмму направленности излучения, в то время как лазерный диод — узкую. Поэтому более дешевые светодиодные излучатели используются только для многомодовых кабелей.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток — сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания (увеличения длины) кабеля.