kantrium.com | E-Norway.ru | HELFI.ru | MySuomi.com

4. С точки зрения сетей

С точки зрения сетей

4.1. Введение

До сих пор мы рассматривали коммуникационный процесс в терминах прямой связи между отправителем и получателем. Хотя именно такое представление о системе имеется у пользователя и приложения, оно редко реализуется ма практике. Рассмотрим структуру, показанную на рис. 4.1. Чтобы обеспечить прямые соединения между всеми объектами, требуется большое количе-Зство отдельных коммуникационных линий. Даже для такой небольшой системы это неэффективно, а для больших структур, подобных телефонным (сетям, совершенно неприемлемо.

pic55

Вместо этого следует использовать сеть— объединение переключаемых ком¬муникационных звеньев (communication links), обеспечивающих возможность соединения между терминалами (рис. 4.2). Термин звено (link) используется в сети, чтобы сослаться на коммуникационный путь между двумя объектами. Эти объекты, которые могут быть терминалами или промежуточными переключателями, называют узлами (nodes). Узлы, напрямую не соединенные с внешним миром, а соединенные только, например, с хост-узлами (hosts) или терминальными узлами (terminals), называют промежуточными, или коммутационными.

Сеть должна иметь следующие характеристики:

  • задержки, т. е. время передачи и обработки должно сводиться к минимуму;
  • ресурсы сети (ширина полосы) должны эффективно использоваться и никакая часть сети не должна простаивать в течение длительного периода.
  • стоимость установления, поддержания и функционирования сети должна сводиться к минимуму.

pic56

 

4.2. Сетевые конфигурации

Самая простая сеть — это пара коммуникационных устройств, соединенных напрямую через некоторую передающую среду, например, в двухточечной' конфигурации, показанной на рис. 4.3.

 


 

В оригинале такую конфигурация называют "point-to-point" — конфигурация типа "точка-точка". — Пер.

 

Передающей средой может быть все что угодно — от простой пары медных проводов до радиоканала или оптического волокна. Можно вспомнить много примеров, от простых до самых сложных, где успешно используется такая конфигурация. Вот лишь некоторые из них: простой домашний дверной звонок, радиоканал "бэби-монитора", соединение по стандарту RS-232 между персональным компьютером и принтером и т. п.

pic57

Обычно в системе имеется больше двух устройств. При этом существуют две возможности: широковещательная и коммутируемая сети (рис. 4.4).

pic58

в случае широковещательной сети каждый терминал разделяет (совместно использует) общую среду передачи. Это означает, что каждый терминал должен заботиться о том, чтобы использовать среду только тогда, когда другие терминалы ее не используют, и поэтому в действительности он сам выполняет свои переключения. Это подводит к концепции управления доступом к среде (передачи) (MAC, Media Access Control), суть которой состоит в том, чтобы на место каждого узла поместить некоторый механизм, регулирующий передачу его данных по общей среде. Термин "широковещательный" означает, что, поскольку среда используется всеми терминалами совместно, то отправляемые сообщения принимаются всеми терминалами. Каждый терминал исследует полученные сообщения и проверяет, кому они предназначены.

В коммутируемой сети каждый терминал имеет выделенное звено к узлу коммутации, который и соединяет его с терминалом, с которым он поддерживает связь или напрямую, или через другие узлы. В отличие от Широковещательной сети, данные от узла коммутируемой сети принимаются только узлом на конце соответствующего канала, а не всеми остальными узлами. В такой сети требуется, чтобы узлы действовали как посредники и ретранслировали или коммутировали данные от других узлов, чтобы эти данные могли бы достичь своего адресата. В таких сетях не явно выполняется функция маршрутизации.

Удобно провести различие между сетями доступа (access networks) и базовыми сетями (core networks). Базовая сеть— это сеть, соединяющая узлы коммутации. Сеть доступа — это часть сети, которая позволяет пользователям получить доступ к базовой сети, и поэтому она состоит из сети терминальных узлов и узлов коммутации. Такое различие довольно произвольно, поскольку сеть доступа может содержать и узлы коммутации. Делается это лишь для удобства управления, хотя первичная цель такого разделения состоит в том, чтобы обеспечить доступ к системе. На рис. 4.2 (см. с. 84) звенья серого цвета образуют сеть доступа, а черного — базовую сеть. Термин база (core) подводит к концепции сети доступа, формирующей края сети.

Можно также провести различие между узлами, расположенными внутри сети доступа, и узлами в базовой сети. Базовые узлы требуются для того, чтобы просто транспортировать информацию между другими базовыми узлами и узлами доступа, тогда как узлы в сети доступа вероятнее всего являются терминальными, и поэтому для них требуется прямое взаимодействие с источниками информации. Узлы доступа часто можно представлять себе как генераторы, или пользователи информации, а не просто как ее носители; базовые же узлы выполняют только роль носителей информации.

Хорошим примером подобного разделения является телефонная сеть. Ее узлами являются коммутаторы. Соединения между коммутаторами называются магистралями, и на этих магистралях выполняется большое число вызовов. Сеть доступа формируется из большого количества индивидуальных абонентских линий, подходящих к локальным коммутаторам. Базовая сеть имеет множество промежуточных коммутаторов, выполняющих переключения между локальными коммутаторами.

Базовые сети обычно являются коммутируемыми, т. к. в общем случае такие сети более эффективны. Сети доступа чаще всего являются широковещательными, потому что они очень просты в управлении. Добавление узлов к широковещательной сети не влияет на другие узлы, так что терминальные узлы можно добавлять и удалять довольно легко. Широковещательные сети ограничены в размерах из-за наличия разделяемого всеми узлами звена, так что часто они формируются из нескольких чисто широковещательных секций с промежуточными переключателями.

4.2.1. Сетевая топология

Под топологией сети понимают способ соединения ее узлов. Имеется четыре основных сетевых топологии: сетка, звезда, кольцо и шина.

Сеточная топология

Сеточная (или mesh-) топология — это такая топология, в которой узлы сети [напрямую соединены друг с другом. В полной сеточной топологии соединены чесе узлы. В частичной сеточной топологии некоторые звенья пропускаются, а  это означает, что некоторые узлы должны связываться через промежуточные узлы (рис. 4.5).

pic59

В полной сеточной топологии никакие переключения не используются, поскольку каждый узел имеет выделенные связи со всеми остальными, но при этом мы возвращаемся к очень непрактичной ситуации (см. рис. 4.1): если чис-ло узлов возрастает, стоимость добавления новых узлов к сети растет по экспоненте, причем даже для небольших сетей. Существенным сдерживающим фактором для применения таких сетей является то, что при добавлении нового узла каждый из остальных узлов должен быть изменен. Однако центральная базовая сеть некоторых крупных сетей иногда строится как полная сетка.

Частичная же сеточная топология является практичной и наиболее общей сетевой конфигурацией. Узлы, которые имеют большой трафик, соединяются напрямую, в то время как остальные узлы соединяются через промежуточные узлы.

Звездообразная топология

Топология типа звезда — это простая топология, в которой каждый узел соединен напрямую с общим центральным узлом (рис. 4.6, а). Этот центральный узел и осуществляет связь между узлами. Центральный узел должен справляться с запросами всех узлов и, как следствие, он достаточно сложен и дорог. Существует также проблема надежности: если центральный узел выйдет из строя, то вместе с ним выйдет из строя и вся сеть. Для предотвращения таких ситуаций нужно задать высокий уровень избыточности в центральном узле с помощью нескольких процессоров, переключателей и т. п., чтобы обеспечить необходимое дублирование любой отказывающей части системы. Примером сети со звездообразной топологией является учрежденческая АТС (РВХ2), разработанная для речевого обмена.

Кольцевая топология

Кольцевая топология, показанная на рис. 4.6, б, — это такое размещение узлов, когда все узлы сети соединяются друг с другом двухточечными звеньями так, чтобы сформировать замкнутый контур. Информация пересылается от узла к узлу, пока не достигнет своего адресата.

pic60

Кольцевая сеть — это попытка реализовать более распределенную сеть, по¬скольку главные мощности коммуникационной обработки больше не концен¬трируются в одном узле. Каждый узел имеет возможность принимать собст¬венные решения относительно сетевой передачи данных и другие функции. Однако в некоторых кольцевых системах, таких как Кембриджское кольцо (Cambridge Ring — кольцевая сеть Кембриджского университетах распреде¬ленный характер сети уменьшен из-за наличия общего узла, или станции-монитора (Monitor Station), которая играет центральную роль в функциони¬ровании сети. Эта станция контролирует сеть, собирает статистику ошибок, очищает испорченные пакеты и выполняет функции включения/выключения сети. При сбое в этом узле работа сети, вероятно, серьезно нарушится. Другая проблема в этой топологии — сохранение замкнутого контура кольца; если кольцо каким-то образом разрывается, то сеть обычно полностью выходит из строя.

Шинная топология

Эта топология — пример полностью распределенной сети. В сети, базирующейся на шине, нет никакой центральной обработки, так что фактически средой передачи является сама коммуникационная сеть. Каждый узел просто присоединяется напрямую к кабелю или шине, используя соответствующие .интерфейсы и оборудование. К обоим концам шины присоединяются специальные оконечные устройства, которые помогает обеспечивать правильные [Передаточные характеристики шины.

pic61

В отличие от кольцевой топологии, в шинной и древовидной сетях нет требо¬вания замкнутости среды передачи. При этом, как и в случае кольцевой сети, все станции разделяют (совместно используют) общее звено передачи дан¬ных, а это означает, что в каждый момент только одно устройство может пе¬редавать данные. Таким образом, требуется некоторый способ управления доступом, позволяющий определять, когда станции могут передавать свои Данные на шину. Наиболее общий метод доступа, используемый в шинных сетях, — это множественный доступ с контролем несущей и (необязатель¬но) обнаружением столкновений (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Ac¬cess/Collision Detection). Он используется в сетях типа Ethernet.

4.2.2. Связность

Ключевой концепцией коммуникаций является так называемая связность (connectivity), которая определяет, насколько легко добираться из одной точки сети в другую. В общем случае существует несколько различных способов выполнить эту задачу. Выбор конкретного способа — это задача маршрутизации. Однако на более высоком уровне существует другая проблема — насколько хорошо различные части сети соединены друг с другом, и какие в ней имеются маршруты. Существуют также проблемы надежности— если узел или звено отказывают, есть ли у сети возможность продолжать работу?

Хотя для очень простых сетей, вероятно, можно установить их связность с помощью обследования, но в общем случае эта проблема гораздо сложнее. Поэтому мы можем воспользоваться математической концепцией, называемой теорией графов и представить сеть в виде набора узлов (nodes), объединенных связями (links), что эквивалентно математической концепции графа. Направленные связи обеспечивают трафик (поток обмена информацией) в одном направлении, тогда как ненаправленные связи обеспечивают двухсторонний трафик. Узлы называют смежными, если имеются прямые связи между ними. Степенью (degree) узла называют количество связей, заканчивающихся на этом узле. Минимальная степень всей сети определяется минимальной степенью любого из ее узлов. Регулярный граф состоит из узлов одинаковой степени. Примером регулярного графа степени 2 является кольцо.

Путь (path) — это последовательность узлов и связей, по которым проходит трафик от исходного узла А к узлу назначения В. Длиной пути называют количество связей в этом пути. Геодезическим называют путь между узлами А и В с наименьшим количеством связей. Часто его называют наикратчайшим путем, но это не совсем правильно. Диаметр графа (то есть всей сети) определяется величиной самого длинного геодезического пути.

Пути с разделенными связями — это такие маршруты, которые не имеют общих связей. Пути ABCDE и AFGHE первой сети на рис. 4.8, а имеют разделенные связи, а маршруты ABCDE и ABC — нет. Во второй сети (рис. 4.8, б) разделенными связями обладают пути STUWX и SUX.

Пути с разделенными узлами — это такие пути, у которых нет общих узлов. Пути ABCDE и AFGHE сети на рис. 4.8, а имеют разделенные узлы, а маршруты STUWX и SUX сети на рис. 4.8, б — нет.

Концепция разделенных путей важна при рассмотрении надежности сети. Два пути между узлами М и N в сети (рис. 4.8, в) разделены как по связям, так и по узлам, и если связь или узел в одном из соединяющих их маршрутов отказывают, то все еще существует доступный путь для передачи данных между этими двумя источниками. С другой стороны, между узлами М и Р существует два возможных пути, но они не разделены по связям и узлам, так что если узел N или О или связь Q откажут, то никакого альтернативного пу-ти существовать не будет и соединение прервется.

ПечатьE-mail

Яндекс.Метрика