74503

СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Основное назначение концентратора – это объединять между собой компьютеры в сегменты а затем сегменты в в единую сети. Сегментом называе6тся обособленная группа компьютеров в сети. Технология соединения сегментов сети с помощью коммутаторов switch появилась в 1990 году для решения проблемы повышения пропускной способности сети. Использование коммутаторов позволяет избежать проблем коллизий в сети Ethernet так как наличие портов и буферизация данных не позволяет распространяться коллизии по всей сети.

Русский

2014-12-31

516.5 KB

2 чел.

Компьютерные информационные технологии (КИТ)

Лекция 8

СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  

8.1 Оборудование канального уровня: концентраторы и коммутаторы

Концентраторы во всех современных технологиях имеет несколько равноправных названий- концентратор, хаб (hub), повторитель. Основное назначение концентратора – это объединять между собой компьютеры в сегменты, а затем сегменты в   в единую сети.

Сегментом называе6тся обособленная группа компьютеров в сети.

Для каждой технологии канального уровня (Ethernet, Token Ring, FDDI) фирмы выпускают соответствующие концентраторы. Необходимость подключения концентраторов возникает всегда там, где необходимо подключить большое количество компьютеров к общей шине (магистрали), например, объединить компьютеры одного этажа и этажи между собой.  Концентраторы имеют несколько входов (портов) для подключения компьютеров, их количество для технологии Ethernet от 8 до 72.

Схема подключения концентраторов представлена на рис 1.

Современные концентраторы могут анализировать повреждение кабельной системы, защищать сеть от несанкционированного доступа и т.д. Основным недостатком концентраторов является то, что они не «изолируют» сегменты друг от друга и не препятствуют распространению коллизий в технологии Ethernet, о которой шла речь в предыдущей лекции. Другими словами,  при подключении концентраторов  общая длина кабелей для  равна сумме всех отрезков кабелей  от компьютеров до концентраторов,  а также сумме отрезков  между  концентраторами. Эта длина должна соответствовать стандартам технологий. Например, для Ethernet – это 100 м. Этот факт является  препятствием для создания компьютерных сетей только на базе концентраторов. Проблему соединения сегментов сетей и предотвращения распространения коллизий в настоящее время решают устройства коммутаторов.

Технология соединения сегментов сети с помощью коммутаторов (switch) появилась в 1990 году для решения проблемы повышения пропускной способности сети.

Внутри коммутатора в отличие от концентраторов находятся специальные процессоры.

Компьютеры подключаются к соответствующим портам коммутатора, каждым из которых управляет отдельный процессор. Работу всех процессоров координирует системный модуль.  При поступлении кадра информации от компьютера на какой- либо порт коммутатора соответствующий процессор анализирует адрес назначения кадра. Процессор просматривает свою собственную память (адресную таблицу) и если не находит там указанный адрес, то управление переходит к системному модулю. Системный модуль производит просмотр адресов всех процессоров и в случае нахождения нужного адреса указывает его процессору. Тот записывает адрес в свою таблицу и по этому адресу передает кадр на соответствующий порт. Если адрес не находится, то кадр уничтожается. Если адресуемый  порт занят, то кадр сохраняется  во входном  порту до момента освобождения адресуемого порта. Задержка от момента появления кадра на входном порту до момента его появления на выходе составляет несколько микросекунд. Поскольку несколько портов могут работать параллельно, то сеть, построенная на коммутаторах, имеет хорошую пропускную способность. Производительность самого коммутатора в этом случае равна сумме производительностей его отдельных портов. Использование коммутаторов позволяет избежать проблем коллизий в сети Ethernet, так как наличие портов и буферизация данных не позволяет распространяться коллизии по всей сети.

В этом случае длина сети не равна сумме длин отдельных сегментов.         

Удобство использования коммутаторов заключается также в том, что это самообучающееся устройство и следует только правильно подключить его к сети. Коммутаторы значительно дороже концентраторов (стоимость одного составляет  нескольких тысяч долларов). На современном рынке широко представлены коммутаторы фирм 3Com, Cisco, Intel,HP.

При построении небольших сетей, составляющий нижний иерархический уровень (например, на этаже) приходится выбирать между концентратором и коммутатором. В этом случае необходимо учитывать несколько факторов. Важное значение имеет стоимость, величина трафика между отдельными сегментами сети, скорости работы протоколов. В настоящее время скорости выбираются из трех скоростей- 10, 100 или 1000 Мбит/с. Поэтому порты как концентратора, так и коммутатора должны обеспечить указанные скорости В настоящее время выпускаются коммутаторы, у которых порты имеют разную скорость, как правило один из портов является более скоростным  и может быть использован для подключения сервера.

8.3 Сетевой уровень. Маршрутизация и маршрутизаторы

Сетевой уровень в модели OSI  занимает промежуточное положение: его услугами пользуются более высокие уровни (транспортный, сеансовый, представительный, прикладной), а для выполнения своих функций он использует канальный уровень.

На сетевом уровне реализуется ключевое понятие объединения сетей, т.е понятие  абстрактной коммутационной системы или межсетевого обмена.  

На сетевом уровне информация передаются отдельными блоками, которые называются пакеты.

Идея передавать информацию между отдельными  сетями не целыми файлами, а маленькими пакетами стала основной идеей объединения сетей, а в конечном итоге привела к бурному развитию глобальной компьютерной сети Интернет.

Протоколы сетевого уровня реализуются, как правило, в виде программных модулей и выполняются на конечных узлах- компьютерах, называемых хостами, а также на промежуточных узлах- маршрутизаторах, называемых шлюзами. Маршрутизаторы (router) может представлять собой как специализированное устройство,  так и универсальный компьютер.

Компьютерная сеть в общем случае рассматривается как совокупность нескольких сетей (Рис.2).

Сети, входящие в основную сеть называются подсетями или просто сетями. Подсетями могут быть как локальные, так и глобальные компьютерные сети. Следует отметить, что внутри одной подсети на канальном уровне используется единая технология из рассмотренных в предыдущих лекциях..

Маршрутизаторы связывают подсети между собой путем непосредственной адресации каждой из подсетей. Способом формирования сетевого адреса является уникальная нумерация всех подсетей составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Таким образом, сетевой адрес представляет собой пару: номер сети (подсети) и номер хоста Номер хоста называется также локальным адресом..

Продвижение пакетов между подсетями, в соответствии с адресами назначения называется маршрутизацией. На Рис. 3 показан принцип работы маршрутизатора, где в качестве примера приведена таблица маршрутизации маршрутизатора  М4.

Для выбора маршрута пересылки пакета маршрутизатор анализирует специальную таблицу маршрутизации, которая хранится в памяти маршрутизатора. В первом столбце таблицы перечислены номера сетей, входящих в общую сеть. В каждой строке таблицы следом за номером сети  указывается сетевой адрес следующего маршрутизатора (точнее его соответствующий порт), на который надо направить пакет, чтобы тот передвигался к сети с данным номером. Когда на маршрутизатор поступает новый пакет, из него извлекается номер сети назначения, сравнивается с каждой строкой таблицы. В случае совпадения номера, записанного в таблицу, с требуемым  номером пакет будет передвигаться в этом направлении

Если, например, маршрутизатор 4 принял пакет, который предназначен для сети S6, то в последней строке своей таблицы маршрутизации он определит, что сеть S6  подключена к первому порту маршрутизатора М5, а для того, чтобы пакет попал на маршрутизатор 5, маршрутизатор 4 должен отправить пакет на свой второй порт.

      Таблица маршрутизатора М4

Сеть

Сетевой адрес следующего маршрутизатора

Сетевой адрес выходного порта

Расстояние до сети назначения

S1

М1 (2)

М4 (1)

1

S2

-

М4 (1)

0

S3

М1 (2)

М4 (1)

1

S4

М2 (1)

М4 (1)

1

S5

-

М4 (2)

0

S6

М5 (1)

М 4(2)

1

Таблицы маршрутизации могут составляться либо статически, либо динамически.  Статические таблицы прописываются вручную администратором сети, а динамические таблицы строятся самими маршрутизаторами, которые обмениваются между собой информацией о конфигурации сети с помощью специальных служебных протоколов .

При использовании динамических  алгоритмов таблица маршрутизации автоматически обновляется при изменении топологии сети или интенсивности информационных потоков (трафика). Реализуемые специальными служебными протоколами алгоритмы определения состояния сети различаются по способу получения информации, времени изменения маршрутов и используемым показателям оценки того или иного маршрута.

Кроме основных функций маршрутизации на сетевом уровне маршрутизатором осуществляется фильтрация передаваемой по сети информации. Маршрутизаторы по сравнению с концентраторами и коммутаторами являются более «интеллектуальными» устройствами. Они, например, могут запретить прохождение в сети всех пакетов, кроме пакетов сети, принадлежащей конкретному предприятию. Маршрутизаторы могут анализировать структуру сообщений верхнего уровня модели OSI, не пропускать в сеть сообщения определенных служб (например, FPT).

Они могут реализовывать алгоритмы обслуживания очередей данных. Связь маршрутизатора (т.е. сетевого уровня) с канальным осуществляется с помощью преобразования сетевого адреса в локальный адрес той сети, где используется определенная технология канального и физического уровня. Для этого сетевой протокол обращается к протоколу разрешения адресов.(ARP) Этот протокол устанавливает соответствие между сетевыми и локальными адресами  либо на основании заранее составленных таблиц, либо рассылкой широковещательных запросов, которые определяют и возвращают машрутизатору  локальные адреса.

Если маршрутизатор реализован на персональном компьютере, то локальный адрес канального уровня представляет собой физический адрес сетевой палаты компьютера, он задается заводом изготовителем и называется MAC – адресом (Media Access Control)  Сформированный таким образом кадр отправляется в сеть.

Для работы на сетевом уровне используются различные протоколы, такие как TCP\IP и   IPX/ SPX, причем в последнее время протокол TCP/ IP вышел в абсолютные лидеры. Более подробно протокол TCP/IP будет рассмотрен в лекции, посвященных изучению Интернет.

8.4 IP  - адресация

IP- адресация компьютеров в сети Интернет построена на концепции сети, состоящей из хостов. В этом случае  хост  представляет собой объект сети, который может передавать и принимать IP- пакеты, например, компьютер, рабочая станция или маршрутизатор. Хосты соединяются между собой через одну или несколько сетей. IP – адрес любого из хостов состоит из адреса (номера) сети и адреса хоста в этой сети.

В соответствии принятым в момент разработки IP – протокола соглашением, адрес представляется четырьмя десятичными числами, разделенными точками. Например сеть имеет адрес 10.1.1.10. Каждое из этих чисел не может превышать 255 и представляет один байт 4- байтного IP- адреса.  Выделение всего лишь четырех байт для адресации всей сети Интернет связано с тем, что в то время  массового распространения локальных сетей пока не предвиделось. О персональных компьютерах и рабочих станциях вообще не было речи. В результате под IP-адрес было отведено 32 бита.

IP – адрес назначается администратором сети во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. Номер сети может быть выбран администратором произвольным образом, или назначен по рекомендации специального подразделения Интернет – InterNIC. Обычно поставщики услуг Интернет получают диапазоны адресов у подразделений InterNIC, а затем распределяют их среди своих абонентов. Отметим, что маршрутизатор может входить сразу в несколько сетей, поэтому каждый порт маршрутизатора имеет свой IP – адрес. Таким же образом и конечный компьютер так же может входить в несколько сетей, а значит иметь несколько IP- адресов. Таким образом IP- адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

IP- адресация определяет пять классов сетей: A,B,C,D,E

Сети класса А предназначены главным образом для использования крупными организациями. Для номеров сети выделяются 8 бит, для номеров хостов – 24 бита.  Все адреса сетей класса А начинаются с 0 в двоичной записи, или с 1 в десятичной записи, они имеют номера от 1 до 126 (если все семь бит равны «1» = 1111111= 127, номер сети 0 не используется, а номер 127 используется для специальных целей ). В сетях класса А предусмотрено большое количество хостов – 2 24 = 16 777 216 узлов.

В сетях класса В выделяют 16 бит для номера сети и 16 бит для номеров хостов, их адрес начинается с  10 в двоичной записи, или со 128 в десятичной записи, они имеют номера от 128.0 до 191.255 (10000000.00000000= 128.0, 10111111.11111111= 191.255.Сети В представляют хороший компромисс между адресным пространством номера сети и номерами хостов. Сеть класса В является сетью среднего размера с максимальным числом хостов 216 = 65 536.

Сети класса С выделяют 24 бита для номера сети и 8 бит для номеров хостов, их адрес начинается с  110 в двоичной записи, или со 192 в десятичной записи, они имеют номера от 192.0.0 до 223.255.255 (11000000.00000000.00000000= 192.0.0, 11011111.11111111.11111111= 223.255.255. Сети класса С являются наиболее распространенными сетями, число хостов в одной сети равно  28 = 256.

Адреса сетей класса D начинаются с 1110  в двоичной записи, или с 224 в десятичной записи, они имеют номера от 224.0.0.0 до 239.255.255.255 (11100000.00000000.00000000.00000000.=224.0.0.0,  111011111.11111111.11111111.1111111= 239.255.255.255)

Если в пакете указан адрес сети класса D, то его получат все узлы этой сети. Поэтому сети класса D называются сетями multicast – широковещательными сетями и используются для обращения к группам узлов. Основное назначение multicast -  распространение информации по схеме «один- ко- многим». Групповая адресация предназначена для экономичного распространения в Интернет или большой корпоративной сети аудио- или видеопрограмм, предназначенных  сразу большой аудитории слушателей или зрителей

Адреса сетей класса E начинаются с 11110  в двоичной записи, или с 240 в десятичной записи, они имеют номера от 240.0.0.0 до 247.255.255.255 (11110000.00000000.00000000.00000000.=240.0.0.0,  111101111.11111111.11111111.1111111= 247.255.255.255). Сети класса Е зарезервированы для будущих использований.

Основной недостаток использования классов IP-  адресов напрямую состоит в том, что если организация имеет несколько сетевых номеров, то все компьютеры вне сети имеют доступ к этим адресам и сеть организации становится прозрачной.

Для устранения указанного недостатка адресное пространство сети разбивается на более мелкие непересекающиеся пространства – подсети (subnet). С каждой из подсетей можно работать как с обычной TCP/IP – сетью.

Разбивка адресного пространства на подсети осуществляется с помощью специальных двоичных последовательностей масок. 

8.5 TCP- протокол

Так как на сетевом уровне не происходит установление соединения, то нет никаких гарантий, что межсетевым уровнем пакеты будут доставлены в место назначения неповрежденными.  Обеспечения надежной связи между двумя конечными компьютерами осуществляет основной уровень стека TCP/IP, называемый также транспортным. На этом уровне работает протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol). Основной задачей TCP является доставка всей информации компьютеру получателя, контроль последовательности предаваемой информации, повторная отправка не доставленных пакетов в случае сбоев работы сети. Надежность доставки информации достигается следующим образом.

На передающем компьютере TCP разбивает блок данных, поступающих с прикладного уровня, на отдельные сегменты, присваивает номера сегментам, добавляет заголовок и передает сегменты на уровень межсетевого взаимодействия. При этом размер сегмента должен быть таким, чтобы он полностью помещался в IP -  пакет. Для каждого отправленного сегмента предающий компьютер ожидает прихода от принимающего компьютера специального сообщения – квитанции, подтверждающей тот факт, что компьютер нужный сегмент принял. Время ожидания прихода соответствующей квитанции называется временем тайм- аута. Переданный сегмент хранится в буфере на все время ожидания квитанции.  В случае получения квитанции о правильности приема, TCP  передает следующий сегмент, удаляя переданный из буфера, а в случае отсутствия квитанции о подтверждении приема, TCP повторяет передачу сегмента. Для ускорения передачи сегментов в протоколе TCP организован принцип их передачи, который называется принцип «скользящего окна». Этот принцип основывается на возможности передачи нескольких сегментов в пределах одного «окна», не дожидаясь прихода квитанции на первый отправленный сегмент. На принимающем компьютере TCP, получая от уровня межсетевого взаимодействия сегменты,  собирает их в блок по номерам и передает этот блок на верхний уровень приложений, отправляя обратно в сети квитанции о правильности принятого сегмента.    Для производительности сети является очень важным установления времени тайм- аута и размера «скользящего окна». В общем случае для их выбора необходимо учитывать пропускную способность физических линий связи, отметим, однако, что в протоколе ТСР предусмотрен специальный автоматический алгоритм определения этих величин.  

В задачи протокола TCP входит также важнейшая задача  определения к какому типу  прикладных программ относятся данные, поступившие из сети. Прикладные программы с точки зрения TCP различаются специальными идентификаторами, которые называются портами. Назначение номеров портов осуществляется либо централизовано, если прикладные программы являются популярными и общедоступными (например, служба удаленного доступа к файлам FTP имеет порт 21, а служба WWW – порт 80), или локально – если разработчик своего приложения просто связывает с этим приложением любой доступный, произвольно выбранный номер. В дальнейшем все  запросы к данному приложению от других приложений должны адресоваться с указанием назначенного ему номера порта. Номер порта в совокупности с номером сети и номером конечного хоста однозначно определяют процессы в сети Интернет. Этот набор идентифицирующих параметров процесса носит название сокет. Отметим также, что протокол TCP управляет двумя очередями: очередь пакетов, поступающих из сети и очередь пакетов, поступающих из прикладного уровня по соответствующему порту.

Программный модуль протокола ТСР/ IP реализуется в операционной системе компьютера в виде отдельного системного модуля (драйвера). Пользователь может самостоятельно настраивать протокол TCP/ IP для  каждого конкретного случая (количество пользователей сети, пропускная способность физических линий связи и т.д.).

8.6 Структура сети предприятия

В настоящее время  сеть предприятия строится  иерархически: (Рис.4):

  •  Подсистема кампуса (территориально расположенные здания)
  •  Вертикальная подсистема (внутри здания)
  •  Горизонтальная подсистема (в пределах этажа)

Горизонтальная подсистема соединяет  сетевое  оборудование  этажа с компьютерами пользователей. Как правило на этом уровне используются концетраторы. В качестве линий связи используется неэкранированная витая пара 10 Base –T

Вертикальная подсистема соединяет  сетевое оборудование каждого этажа с сетевым оборудование здания. На этом уровне используются коммутаторы. В качестве линий связи используется неэкранированная витая пара 10 Base –T или волоконно – оптический кабель (10 BaseF).

Подсистема кампуса соединяет между собой несколько зданий с помощью мощных высокоскоростных коммутаторов. . В качестве линий связи используется волоконно – оптический кабель (10 BaseF).

На самом высшем уровне находится центральный коммутатор, посредством которого происходит объединение сети.

Такое построение сети  называется стянутая в точку магистраль – это структура, при которой объединение компьютеров, сегментов или сетей происходит на внутренней магистрали коммутатора. Преимущество такой структуры является высокая производительность магистрали, так как скорость передачи информации по такой магистрали составляет несколько гигабит в секунду.

Как правило, сеть  предприятие для внешних  пользователей Интернет представляет одну сеть. Поэтому для соединения с глобальной сетью к центральному коммутатору подключается маршрутизатор.

Преимущества иерархической сетевой системы:

  •  Универсальность. Система может стать единой средой для передачи компьютерных данных в  локальной компьютерной сети, для телефонной сети и даже для передачи сигналов гражданской обороны и пожарной сигнализации
  •  Увеличения срока службы.  Срок морального старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 10- 15 лет
  •  Уменьшение стоимости. Если однократно провести работы по прокладке кабелей  с запасом, то при добавлении новых пользователей и изменения их мест расположения стоимость будет ниже, чем снова прокладывать новые кабеля.
  •  Возможность легкого расширения. Система является модульной, можно подключить новую подсеть, не оказывая никакого влияния на существующие подсети. Система является основой для деления сети на легко управляемые логические сегменты, так как она уже разделена на физические сегменты.
  •  Обеспечение более эффективного обслуживания. Облегчен поиск неисправностей. Отказ одного сегмента не действует на другой сегмент.
  •  Надежность. Производитель гарантирует не только качество отдельных компонентов, но их совместимость.

 

PAGE  2