Узкополосная и широкополосная передача

Узкополосная передача подразумевает, что сетевой кабель (или иная сетевая среда) передает только один сигнал в любой момент времени. Широкополосная передача обеспечивает передачу нескольких сигналов одновременно, используя для каждого разную частоту передачи (кабельное телевидение, радиосигнал).

Коммутация пакетов и коммутация каналов

Коммутация пакетов предполагает, что для передачи данные разбиваются на небольшие порции – пакеты. Технология коммутации каналов подразумевает установку прямого канала связи перед передачей данных (телефонная сеть).

Формат пакета

Пакет — единица информации, передаваемая между устройствами сети. Формат пакета определяется сетевыми протоколами, но общий вид формата пакета следующий:

Стартовые биты вводятся для настройки аппаратуры принимающего адаптера.

Адресная информация указывает на отправителя пакета и получателя пакета.

В пакет встраивается управляющая информация, регулирующая процесс обмена, и контрольная сумма, обеспечивающая корректность принятой информации.

Коммутация пакетов за счет дополнительных полей пакета увеличивает общий объем передаваемой информации, но, в отличии от коммутации канала, не изолирует принимающее и отправляющее устройства от взаимодействия с прочими устройствами сети.

Передача пакета

Независимо от способа соединения устройств в сеть, взаимодействие между устройствами строится по следующей схеме:

• Отправитель формирует пакет, в котором указаны адрес получателя и адрес самого отправителя.
• Пакет отправляется в среду передачи, в которой может быть принят любым присоединенным устройством.
• Только получатель, опознав свой адрес, принимает пакет; прочие устройства его игнорируют.

Таким образом, каждое устройство в сети должно иметь свой, уникальный адрес. Известны следующие адреса устройств:

• МАС-адрес, который аппаратно «прошивается» при изготовлении сетевой платы. Длина MAC-адреса 48 бит; старшие 3 байта указывают на производителя; младшие – уникально определяют сетевую плату.
• IP-адрес, который настраивается программно и является адресом сетевого интерфейса. IP-адрес устройства определяется в соответствии с местонахождением устройства в какой-либо сети, указывая и на адрес сети, которой принадлежит устройство и задавая уникальный адрес самого устройства. IP-адрес определяется в соответствии с протоколом IP сетевого стека протоколов TCP/IP.

IP-адресация

Согласно протоколу IP (Internet Protocol) каждое устройство сети должно иметь уникальный настраиваемый IP-адрес, который указывает на сеть, в котором расположено устройство и на устройство в сети.

В IP 4-ой версии длина адрес 32 бита; в IP 6ой версии – 128 бит. Для простоты рассмотрим IPv4.

32 бита адреса для удобства разбиваются на 4 октета. Максимальное значение октета 255 (11111111), минимальное 0 (00000000). Каждый октет для простоты человеческого восприятия записывается в десятичном виде.

Для определения границы адреса сети и адреса узла, вторым обязательным параметром является маска подсети. Маска подсети имеет размер 32 бита (как и адрес); слева у маски стоят единицы, справа – нули. Разряды IP-адреса, соответствующие единицам маски указывают на адрес сети. Разряды IP-адреса, соответствующие нулям маски указывают на адрес узла в этой сети.

В приведенном примере адрес сети 192.168.31.0. Адрес узла в этой сети – 192.168.31.42. В этой же сети могут быть устройства с адресами 192.168.31.1, 192.168.31.2,…, 192.168.31.254. Устройство с адресом 192.168.33.42 будет находиться в другой сети.

Внимание! Адрес 192.168.31.0 не принадлежит ни одному устройству сети, указывая на адрес сети; адрес 192.168.31.255 (все единицы в поле адреса узла) также не принадлежит ни одному устройству сети, являясь широковещательным адресом. Широковещательный адрес – адрес обращения ко всем устройствам сети.

Маска подсети может быть записана подобно адресу, как 255.255.255.0. Возможен иной вариант указания той же маски подсети: «/24». Число, записанное после «/» указывает на количество единиц в маске. Полный адрес устройства запишется как 192.168.31.42/24.

Не обязательно граница адреса сети и адреса узла проходит по границе октета. В приведенном примере рассмотрим вариант адреса 192.168.31.42/20 (или 192.168.31.42 с маской 255.255.240.0).

Как видно из рисунка, маска длиной 20 бит определяется адрес сети как 192.168.16.0/20. Данный адрес не может принадлежать ни одному устройству данной сети, указывая именно на саму сеть в IPv4.

Первым адресом данной сети может быть адрес, у которого в младшем разряде адреса узла стоит единица - 192.168.16.1/20. Последним, который можно назначить узлу в сети, - 192.168.31.254/20. Если все разряды адреса содержат единицы (192.168.31.255/20) – это широковещательный адрес сети 192.168.16.0/20. Количество устройств в этой сети равно 2¹²=4096-2=4094.

Пример сети

Ниже приведен пример объединения сетей.

Сеть 128.131.1.0/24 содержит 3 узла с адресами 128.131.1.101/24, 128.131.1.102/24 и 128.131.1.250/24 (сетевой принтер также является узлом сети и имеет адрес)

Сеть 128.131.2.0/24 содержит 5 узлов с адресами 128.131.2.101/24, 128.131.2.102/24, 128.131.2.103/24 (сервер), 128.131.2.104/24 и 128.131.2.105/24.

Сеть 128.131.3.0/24 содержит 6 узлов с адресами 128.131.3.101/24, 128.131.3.102/24, 128.131.4.103/24, 128.131.3.104/24, 128.131.3.105/24 и 128.131.3.106/24. Причем первые три узла подключены по беспроводному подключению через точку доступа. Остальные три узла вместе с точкой доступа соединяются через коммутатор.

Для соединения сетей используются маршрутизаторы. Маршрутизатор должен иметь адрес в каждой сети, в которую он входит. В данной схеме маршрутизаторы имеют по два адреса – для каждой сети.

Коммутаторам также выделены адреса. Но коммутатор, если он неуправляемый, может и не иметь адреса.

Точка доступа, как правило, имеет возможность управления, поэтому также имеет свой адрес в сети.

Метод доступа к сети

В сети множество компьютеров подключаются к одной и той же среде передачи данных. Если два устройства начнут одновременную передачу данных, то в среде возникнет аномальная ситуация, при которой принимающее оборудование не может распознать данные ни от одного отправителя. Следовательно, должен существовать механизм управления доступом к среде (MAC – Media Access Control) для осуществления арбитража доступа и предотвращения одновременной передачи двумя системами.

Наиболее популярные механизмы доступа к среде

• Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). При данном методе доступа устройство, желающее передавать информацию, слушает среду передачи данных: если среда занята (передает другое устройство), передача откладывается до освобождения среды; если среда свободна, устройство может начать передачу.

При одновременной попытке доступа разных устройств к среде передачи возникает коллизия, которую устройства должны обнаружить, а передачу отложить на случайно выбранное время. Данный метод доступа используется в технологии Ethernet.

• Маркерный доступ предполагает поочередную передачу маркера каждому устройству сети. Маркер – небольшой пакет, дающий разрешение на передачу данных. Любое устройство имеет право передавать, только получив маркер. Данный метод доступа использовался в сетях Token-Ring и в настоящее время в беспроводных технологиях.
• Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Отличием от CSMA/CD является то, что в данном методе желающее передавать устройство посылает сигнал-запрос на передачу данных. В случае позитивного ответа, оно может передавать, что предотвращает коллизии передачи данных. Но возможно коллизии запросов. Данный метод доступа используется в настоящее время в беспроводных технологиях.

Используемый метод доступа связан с топологией сети.

Топология сети

Топология - физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи.

Примером могут служить

• Топология «точка-точка»: использует регулярно при соединении двух устройств друг с другом.

• Древовидная топология: практически не используется.

Наиболее широко распространенными сетевыми топологиями являются шина, звезда и кольцо.

Топология шина легла в основу первой версии сети Ethernet. Все устройства подсоединялись к толстому (версия 10Base-5) или к тонкому (версия 10Base-2) коаксиальному кабелю. Выделенный центр отсутствовал, все устройства был равноправны. Отказы оборудования не нарушали работу всей сети. Во время работы можно было добавлять новые устройства.

Передача данных устройствами производилась по очереди (все устройства одновременно не имели возможности передавать через единый кабель). Разрешение возможных конфликтов (при одновременном намерении передавать данные) ложилось на сетевое оборудование каждого отдельного узла.

В качестве механизма доступа к среде в Ethernet применялся CSMA/CD.

В настоящее время шина (как физическая топология) практически не используется.

Ей на смену пришла топология звезда.

Исходно звезда представляла собой сеть с выделенным центром: один компьютер являлся главным и управлял обменом. Как результат, конфликты в такой сети были невозможны. Подобная звезда называлась активной звездой.

На смену ей пришла пассивная звезда: в центре устанавливалось коммуникационное оборудование, которое передавало пришедший сигнал на все порты всем устройством, фактически не управляя обменом. Это устройство носит название концентратор – hub.

С позиции принципов взаимодействия устройств можно увидеть, что пассивная звезда, построенная на hub, будучи физически звездой, является логической шиной: в какой-либо момент времени передавать может только одно устройство. И разрешение конфликтных ситуация также ложится на оборудование узла - на сетевую плату.

В качестве механизма доступа к среде в пассивной звезде Ethernet и Fast Ethernet также применяется CSMA/CD.

Топология звезда активно используется в настоящее время с той разницей, что в качестве коммуникационного оборудования устанавливается коммутатор (switch), который, в отличие от концентратора, позволяет управлять трафиком и передавать данные через различные порты одновременно.

Топология кольцо использовалась в конкуренте Ethernet – в сети Token-Ring и ей подобных.

Устройства соединялись в единое кольцо; выход из строя хотя бы одного компьютера нарушал работу всей сети в целом. Для подключения нового устройства требовалась обязательная остановка сети.

Одно устройство брало на себя роль арбитра, определяющего право передачи данных. Арбитр определялся автоматически по MAC-адресу сетевой платы.

Используемый метод доступа к среде – маркерный. Право передачи определялось специальным пакетом – маркером, который запускался в сеть арбитром. Маркер передавался по кольцу от устройства к устройству. Если устройство имело данные для передачи, маркер изымался из сети, данные передавались, после чего устройство маркер должно было вернуть в сеть – следующему устройству.

Данная топология позволяла соединять множество устройств в одну сеть, созданная сеть отличалась устойчивостью к перегрузкам по причине отсутствия конфликтов.

Для сетей с топологией кольцо модернизация была возможна только при полной замене оборудования (сеть передает со скоростью самого медленного устройства). Это было одной из причин, по которым, в настоящее время сети с кольцевой топологией практически не используются.

Клиенты и серверы

Клиент – устройство, запрашивающий информацию (данные, услугу).

Сервер – устройство, предоставляющее информацию другим устройствам.

С позиций сервера и клиента сети делятся на одноранговые сети и сети на основе сервера.

Исторически первыми были одноранговые сети, в которых все устройства равноправны и выступают одновременно и в роли сервера и в роли клиента. Характеристики одноранговой сети:

· Пользователи устройств сами выступают в роли администраторов и обеспечивают защиту информации

· Количество устройств в сети невелико; порядка десятка

· Устройства расположены компактно

· Вопросы защиты данных в сети не критичны

• В обозримом будущем не ожидается значительного расширения сети.

Основным недостатком одноранговых сетей является вопрос безопасности информации: для предоставления ресурсов своего устройства в доступ прочим устройствам сети требуется создать учетную запись для каждого подключаемого пользователя (без администраторских прав) и настроить права доступа каждой записи на ресурсы, предоставляемые в сетевой доступ. Данный способ совершенно верен по сути обеспечения защиты собственных данных, но технически требует слишком многих настроек и, потому, редко реализуем. Еще одна техническая проблема заключается в том, что если каждое устройство будет настраивать права доступа для каждого прочего устройства в сети из N компьютеров, то на каждом устройстве должно быть N-1 логинов и паролей для подключения к N-1 компьютеру.

Более простым вариантом является сделать на каждом компьютере единую гостевую учетную запись для всех пользователей сети. Но данный способ не позволяет разграничить права доступа подключаемых по сети пользователей и не позволяет идентифицировать подключенных абонентов. В данном варианте соблюсти безопасность информации затруднительно.

Таким образом, одноранговые сети возможны только для организации очень небольших сетей некритичных к вопросам защиты информации.

Альтернативой является создание сети на основе сервера, в которой есть как минимум один (а чаще – два) выделенный сервер, на котором хранится база данных пользователей сети. Настройка прав доступа на сетевые ресурсы производится в соответствии с записями этой базы. Сети на основе сервера позволяют создавать и обеспечивать разграничение прав доступа к ресурсам в больших (порядка сотен устройств) сетях.

Помимо функций ведения базы пользователей и разграничения прав доступа серверы выполняют (могут выполнять) следующие задачи:

· Файл-сервер: предназначен для хранения файлов и данных

· Принт-сервер: управление доступом пользователей к принтерам.

· Серверы приложений: для выполнения прикладных частей клиент-серверных приложений, а также для хранения данных, доступных клиентам. Не предоставляют данные для копирования, но отвечают на запросы

• Почтовые серверы: управляют передачей электронных сообщений между пользователями сети

К устройствам, выполняющим роль серверов, предъявляются повышенные требования:

· быстрый процессор (или несколько процессоров),

· оперативная память большого объема

• быстрые, надежные, жесткие диски.

Соответствие этим требованиям желательно, но необязательно для любого сервера. Например, для сервера, хранящие данные принципиальнее скорость и объем дисков, а для обработки данных на сервере, требуется оперативная память и мощный процессор.

Помимо указанных сетей существуют частично децентрализованные (гибридные) сети. Сервера в этих сетях используются для координации работы, поиска или предоставления информации о существующих устройствах сети и их статусе. А вся запрашиваемая информация рассредоточена по устройствам сети.

Классическим примером служат пиринговые файлообменные сети. Термин «пиринговые» происходит от peer-to-peer, P2P (один на один, с глазу на глаз). Требуемые данные скачиваются одним устройством у другого устройства. При этом, если эти данные присутствуют в сети на разных устройствах, то устройство, запросившее информацию, может качать данные одновременно с нескольких узлов (разные фрагменты файла принимаются параллельно, что повышает скорость получения информации). При скачивании части файла, это же устройство может предоставлять скачанный фрагмент для чтения новым устройствам.

Сервер в подобной сети используется, как упоминалось, только для предоставления информации о местоположении запрашиваемых данных.

Для реализации пиринговых сетей требуется дополнительное программное обеспечение, например, BitTorrent.