Афонин П.Н. Информационные таможенные технологии
Подождите немного. Документ загружается.
61
В зависимости от среды передачи данных линии связи различаются на
следующие (рис. 4.2): проводные (возд уш ны е); к аб ель ны е (м ед ны е и
волоконно-оптические); радиоканалы наземной и спутниковой связи.
Рис. 4.2. Типы линий связи
Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без
каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между
столбами и висящие в воздухе. Скоростные качества и помехозащищенность
этих линий оставляют желать много лучшего.
Кабельные линии представляют собой конструкцию, состоящую из
проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической,
электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. В
компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабел и на
основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной
жилой, а также волоконно-оптические кабели, состоящие из тонких (5-60
микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы.
Волоконно-оптический кабель 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.
Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью
передатчика и приемника радиоволн. Радиоканалы, работающие в диапазоне
коротких, средних и длинных волн обеспечивают дальнюю связь, но при
невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы,
работающие на диапазонах ультракоротких волн, а также диапазонах
сверхвысоких частот. В диапазоне сверхвысоких частот (свыше 4 ГГц)
сигналы уже не отражаю тся ионосферой Земли и для устойчивой связи
требуется наличие п рямой видимости меж ду передатчиком и приемником.
Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо
радиорелейные каналы, где это условие выполняется.
4.1.2. Аппаратура линий связи
Аппаратура передачи данных (модемы, терминальные адаптеры сетей
ISDN, оптическ ие м о де м ы, устройства п о дк лючения к циф р ов ы м к аналам)
непосредственно связывает компьютеры или локальные сети пользователя с
62
линией связи. Традиционно аппаратуру передачи данных включают в состав
линии связи.
В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи
делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях промежуточная
аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов , т.е. сигналов,
которые имеют непрерывный диапазон значений. Такие линии традиционно
применялись в телефонных сетях для связи АТС между собой.
В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное
число состояний. Как правило, элементарн ых сигнал, то есть сигнал,
передаваемый за один такт работы передающей аппаратуры, имеет 2 или 3
состояния, которые передаются в линиях связи импульсами прямоугольной
формы. В цифровых каналах связи используется промежуточная аппаратура,
которая улучшает форму импульсов.
4.1.3. Классификация компьютерных сетей
Вычислительные сети классифицируются по различным признакам.
Сети, состоящие из программно-совместимых компьютеров, являются
однородными или гомогенными. Если компьютеры, входящие в сеть,
программно несовместимы, то такая сеть называется неоднородной или
гетерогенной. По территориальному признаку сети делятся на глобальные и
локальные.
К локальным сетям относят сети компью теров, сосредоточенных на
небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). В общем случае
локальная сеть представляет коммуникационную систему, принадлежащую
одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется
возможность использования относительно дорогих высококачественных
линий связи, кот о р ые позволяют, применяя простые м ет од ы передачи
данных, достигать высоких скоростей обмена данными порядка 100 Мбит/с.
Глобальные сети – объединяют территориально распределенные
компьютеры, которые могут находится в различных городах и странах. В
таких сетях часто и спользую тся уже существующие ли нии связи, изначально
предназначенные совсем для других целей – телефонные и телеграфные
каналы общего назначения.
Корпоративные сети называют также сетями масштаба предприяти я.
Такие сети могут быть сложно связаны и покрывать город, регион и даже
континент. Число пользователей и компьютеров может измеряться тысячами,
а число серверов – сотнями.
По способу управления вычислительные сети делятся на сети с
децентрализованным, централизованным и смеш анн ым управлением. В
первом случае каждый компьютер, входящая в состав сети, включает полный
набор программных средств для координации вы полняемых сетевых
операций.
63
Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация
графа, вершинам которого соответствуют комп ью теры сети (иногда и другое
оборудование, например концентраторы), а ребрам – физические связи
между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют ст анциями
или узлами сети.
Заметим, что конфигурация физических связей определятся
электрическими соединениями ко мпью теров между собой и может
отличаться от конф игурации логических связей между узлами сети.
Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между
узлами сети и образуются путем соответствующих настроек
коммуникационного оборудования.
Выбор топологии электрических связей существенно влияет на
многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает
надежность сети и делает возможным балансирование загрузки от дельн ых
каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым
топологиям, делает сеть легко расширяемой.
По топологи ческим признакам сети делятся на следующие простейшие
виды: с общей шиной, кольцевые, иерархические, звездообразные и
многосвязные.
Общая шина (рис. 4.3, а) является очень распространенной топологией
для локальных сетей. Передаваемая информация может распространяться в
обе стороны. В таких сетях одна из машин может служить в качестве
системного обслуживающего устройства, обеспечивающего
централизованный доступ к общим файлам и базам данных, печатающим
устройствам и другим вычислительным ресурсам. Применение общей шины
снижает стоим ость проводки, унифиц ирует подключение разл ичных
модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного
широковещательного обращения ко всем станциям сети. Л окальные сети
данного тип а приобрели большую популярность благодаря низкой стоимости
и легкости расширения сети. К недостаткам шинной топологии относят её
уязвимость в отношении физических повреждений кабеля, а также
невысокую производительность, так как при таком способе подключения в
каждый момент времени только один компьютер может передавать данны е в
сеть.
Кольцевая топология (рис. 4.3, б) характеризуется т ем , чт о информация
по кольцу передается, как правило, только в одном направлении. Если
компьютер распознает данные как "свои", то он копирует их во внутренний
буфер. Как последовательная конфигурация кольцо уязвимо в отношении
отказов: выход из строя какого-либо сегмента кабеля приводит к
прекращению обслуживания всех пользователей. Защита от повреждений
или отказов обеспечивается либо замыканием кольца на обратный
(дублирующий) путь, либо переключением на запасное кольцо. И в том, и в
другом случае сохраняется общая кольцевая топология.
64
Рис. 4.3. Основные типы стр у к ту р сет ей Э В М,
– компьютер; ! – узел коммутации
Кольцо представляет собой удобную конфигурацию для организации
обратной связи – данные, сделав п олный оборот, возвращаются к узлу
источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки
данных адресату. Часто это свойство кольца используют для тестирования
связности сети и поиска узла, работаю щ его некорректно. Для этого в сеть
посылаются специальные тестовые сообщения.
В случае применения звездо обра зной топологи и (рис. 4.3, в) каждый
компьютер подключается отдельным кабелем к общем у устр ойств у,
называемому концентратором, который находи т ся в центре сети. В функции
концентратора входит направление передаваемой компьютером информации
одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество
данной топологии перед общ ей шиной – существенно большая надежность.
Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому
этот кабель присоединен, и только н еисправность концентратора может
вывести из строя всю сеть. К недостаткам топологии звезда относится более
высокая стоимость сетевого о бору довани я из-за необходимости
приобретения концентратора.
Иерархическая топология (рис. 4.3, г) предста вля ет собой более
развитой вариант структуры локальной сети, построенной на основе общей
шины. Иерархическое дерево образуется путем соединения нескольких шин с
корневой системой , где размещаю тся самые важные компоненты локальной
сети.
В то время, как небольшие сети, как правило, имеют типовую
топологию – звезда, кольцо, общая шин а, для крупных сетей характерно
наличие произвольных связей между компьютер ами. В таких сетях можно
выделить отдельные произвольно связанные ф рагменты (подсети), имеющие
типовую топологию, поэтому их называют сетям и со смеш анн ой топологией
(рис. 4.4).
65
Рис. 4.4. Смешанная тополо г и я
4.1.4. Организация совместного использования линий связи
В вычислительных сетях используются как индивидуальные линии
связи между компьютерами, так и разделяемые, когда одна линия связи
попеременно используется несколькими компьютерами.
Классическим примером сети с разделяемыми линиями связи явля ются
сети с топологией "о бщая шина", в которых один кабель совместно
используется всеми компьютерами сети. В топологиях "кольцо" или "зве зда"
индивидуальное использование линий связи, соединяющих компьютеры,
принципиально возможно, но эти кабели часто также рассматривают как
разделяемые для всех компьютеров сети, так что, например, только один
компьютер кольца имеет право в данны й момент врем ени отправлять по
кольцу пакеты другим компьютерам.
Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов будет
работать всегда медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными
линиями связи, так как пропуск ная способность индивидуальной линии связи
достается одному компьютеру, а при ее совместном использовании - делится
на все компьютеры сети. Часто с такой потерей производительности мирятся
ради увеличения экономической эффективности сети. Не только в
классических, но и в совсем новых техн ологиях, разработанных для
локальных сетей, сохраняется режим разделяемых линий связи. Например,
разработчики технологии Gigabit Ethernet, принятой в 1998 году в качестве
нового стандарта, включили режим разделения передающей среды в свои
спецификации наряду с режимом работы по индиви дуальн ым лин иям связи.
При использовании индивидуальных линий связи в полносвязных
топологиях конечные узлы должны и меть по одному порту на каж дую линию
связи. В звездообразных топологиях конечные узлы могут подключаться
индивидуальными линиями связи к сп ециальн ому устройству - коммутатору.
В глобальных сетях коммутаторы использовались уже на начальном этапе, а
в локальных сетях - с начала 90-х годов. Ком мутаторы приводят к
существенному удорожанию локальной сети, поэтому пока их применение
ограничено, но по мере снижения стоимости коммутации этот подход,
возможно, вытеснит применение разделяемых лин ий связи. Необходимо
66
подчеркнуть, что индивидуальными в таких сетях являются только линии
связи между конечными узлам и и коммутаторами сети, а связи между
коммутаторами остаются разделяемыми, так как п о ним передаются
сообщения разных конечных узлов (рис. 4.5)
Рис. 4.5. Индивидуальные и разделяемые линии связи в сетях
на основе коммутаторов
В глобальных сетях отказ от разделяемых линий связи объясняется
техническими причинами. Здесь большие временные задержки
распространения сигналов принципиально ограничивают применимость
техники разделения линии связи. Компьютеры могут затратить больше
времени на переговоры о том, кому сейчас можно использовать линию связи,
чем непосредственно на передачу данных по этой линии связи. Однако это не
относится к лини ям связи типа "комм утатор-коммутатор". В этом случае
только два коммутатора борются за доступ к линии связи, и это существенно
упрощает задачу организации совместного использования линии.
4.1.5. Адресация компьютеров
При объединении трех и более компьютеров появляется проблема их
адресации. Наибольшее распростран ение получили три схемы адресации
узлов.
• Аппаратные (hardware) адреса. Типичным представителем адреса такого
типа является адрес сетевого адаптера локальной сети. Такой адрес
обычно используется тол ько аппаратурой, поэтому его стараются сделать
по возможности компактным и записывают в виде двоичного или
шестнадцатеричного значения, например 0081005е24а8.
• Символьные адреса или имена. Эти адреса предназначены для
запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую н агрузку. Для
работы в больших сетях символьное им я может иметь сложную
иерархическую структуру, например ftp-archl.ucl.ac.uk. Э тот адрес говорит
о том, что данный компьютер поддерживает ftp-архив в сети одного из
колледжей Лондонского университета (University College London - ucl) и
эта сеть относится к академической ветви (ас) Internet Великобритании
(United Kingdom - uk).
67
• Числовые составные адреса. Символьные имена удобны для людей, но из-
за переменного формата и потенциально большой длины их передача по
сети н е очень экономична. Поэтому во многих случаях для работы в
больших сетях в качестве адресов узлов используют числовые составные
адреса фиксированн ого и компактно го форматов. Тип ичным
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.
В современных сетях для адресации узлов применяются, как правило,
одновременно все три приведенные выше схемы. Пользователи адресу ют
компьютеры символьными именами, которы е автоматически заменяются в
сообщениях, передаваемых п о сети, на числ овые номера. С помощью этих
числовых номеров сообщения передаются из одной сети в другую, а после
доставки сообщения в сеть назначения вместо числового номера
используется аппаратный адрес компьютера. Сегодня такая схема характерна
даже для небольших автономных сетей, где, казалось бы, она явно избыточна
- это делается для того, чтобы при включении этой сети в большую сеть не
нужно было менять состав операционной системы.
Проблема установления соответствия между адресами различных
типов, которой занимается служба разрешения имен, может решаться как
полностью централизованными, так и распределенными средствами. В
случае централизованного подхода в сети выделяется один компьютер
(сервер и ме н), в котором хранится таблица соответствия друг другу и мен
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 другом, распределенном подходе, каждый компьютер сам решает
задачу установления соответствия между именами . Наприм ер, если
пользователь указал для узла назначения числовой номер, то перед началом
передачи данных компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети
сообщение (такое сообщение н азывается широковещательным) с просьбой
опознать это числовое имя. Все компьютеры, получив это сообщение,
сравнивают заданный но мер со своим собственным. Тот компьютер, у
которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий его
аппаратный адрес, после чего стан овится возможны м отправка сообщений по
локальной сети.
Распределенный подход хорош тем, что не предполагает выделения
специального компьютера, ко торы й к тому же часто требует ручного задания
таблицы соответс твия имен. Недостатком распределенного подхода является
необходимость широковещательных сообщений - такие сообщения
перегружают сеть, так как они требуют обязательной обработки всеми
68
узлами, а не только узлом назначения. Поэтому распределенный подход
используется только в небольших локальн ых сетях. В крупных сетях
распространение широковещательных сообщений по всем её сегментам
становится практически нереальным, поэтому для них характерен
централизованный подход. Наиболее известной службой централизованного
разрешения имен является служба Domain Name System (DNS) сети Internet.
4.1.6. Сетевая технология Ethernet, Token Ring, FDDI и X.25
Сетевая технология – это согласованный набор стандартных
протоколов и реализующих их программно-аппаратных ср едств (например,
сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для
построения вычислительной сети.
Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в
виду то, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых
сетевых технологий могут служи ть Ethernet, Token Ring и FDDI, или же
технологии территориальных сетей Х.25.
Сетевая технология Ethernet
Стандарт Ethernet был принят в 1980 году. Число сетей, построенных
на основе этой технологии, к настоящему моменту оценивается в 5
миллионов, а количество компьютеров, работающих в таких сетях, - в 50
миллионов.
Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод
доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды
может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая п ара,
оптоволокно или радиоволны.
В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических
связей. Комп ьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с
типовой структурой "общая шина" (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Сеть Ethernet
С помощью разделяемой во времени ш ины лю бые два ком пью тера
могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи
осуществляется специальными контрол лерами - сетевым и адаптерами
Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет
уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с.
Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.
69
Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в
сети Ethernet может п ередавать данные по сети, только если сеть свободна, то
есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается
обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура
определения доступности среды.
После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает
передачу, при этом "захватывает" среду. Время монопольного использования
разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного
кадра. Кадр - это единица данных, которыми обмен иваются компьютеры в
сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных
содержит различную служебную информацию , например адрес получателя и
адрес отправителя.
Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую
среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают
принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения,
располагающийся в одном из начальн ых п олей кадра, и, если этот адрес
совпадает с их собств енны м адресом, кадр помещается во внутренний буфер
сетевого адаптера. Таким обр азом компьютер-адресат получает
предназначенные ему данные.
Иногда может возникать ситуация, когда одновременно два или более
компьютера решают, что сеть свободна, и начинают передавать
информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, преп ятс тв у ет
правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен
алгоритм обнаружения и корректной обр аботки коллизий. Вероятность
возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.
После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались
передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случай ной
длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр,
который вызвал коллизию.
Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали
такими популярными, является их эконом ичность. Для построения сети
достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера
плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Другие
базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой
сети требуют наличия дополнительного устройства - концентратора.
Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые
алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики
работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых
адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet
обладают высокой надежностью.
Дополнительным замечательным свойством сетей Ethernet является их
хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов.
Другие базовые сетевые технологии - Token Ring, FDDI, 100VGAny-
LAN, хотя и обладают многими индивидуальными чертами, в то же время
70
имеют много общих свойств с Ethernet. В первую очередь - это применение
регулярных фиксированных топологий (иерархическая звезда и кольцо), а
также разделяем ых сред передачи данных. Существенные отличия одной
технологии от другой связан ы с особенностями используемого м етода
доступа к разделяемой среде. Так, отличи я технологии Ethernet от
технологии Token Ring во многом определяются спецификой заложенных в
них методов разделения среды - случайного алгоритма доступа в Ethernet и
метода доступа путем передачи маркера в Token Ring.
Сетевая технология Token Ring
Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а
затем передана в качестве пр оекта стандарта в комитет IEEE 802, который на
ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5. Компания IBM использует
технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для
построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов –
мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. В
настоящее время именно компания IBM является основным законодателем
моды технологии Token Ring, производя около 60 % сетевых адаптеров этой
технологии.
Сети Token Ring, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая
среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля,
соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассм атрив ается как общий
разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случай ны й алгоритм,
как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче
станциям права на использование кол ьца в оп ределен ном порядке. Это право
передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером
или токеном (token). Сеть Token Ring может включать до 260 узлов.
Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями – 4 и 16
Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном
кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16
Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по
сравнению со стандартом 4 Мбит/с.
Технология Token Ring является более сложной технологией, чем
Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring
определены процедуры контроля работы сети, которые используют обра т ную
связь кольц еобразно й структуры – посланный кадр всегда возвращается в
станцию-отправитель. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе
сети устраняются автоматически, например мож ет быть в осстановлен
потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются, а их
устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.
Для контроля сети одна из станций выполняет роль так называемого
активного монитора. Активный монитор в ы би р ает ся во вре м я
инициализации кольца по специальному при нцип у. Если активный монитор
выходит из строя, процедура инициализации кольца повторяется и