интересно
Предыдущая | Содержание | Следующая

Какие существуют стандарты, правила и соглашения в области построения вычислительных сетей?

Для преодоления различий при использовании в вычислительных сетях аппаратно-программных средств разных производителей и различий у отдельных модификаций этих средств даже у одного производителя Международная организация по стандартам (ISO) разработала модель взаимодействия открытых систем (OSI), которая объединяет серию рекомендаций по сетевому взаимодействию неоднородных систем (компьютеров, терминалов, процессов, средств связи и т. д.). Термин "открытые системы" подчеркивает возможность взаимодействия любых двух систем с помощью соответствующих рекомендаций.

Модель OSI представляет структурированный подход к описанию многоуровневой иерархии протоколов (правил и соглашений) сетевого взаимодействия в рамках единой архитектуры. Данная модель не предполагает непосредственного соединения двух взаимодействующих абонентов сети, а предполагает возможность использовать подсети связи с любым из методов коммутации.

Уровни модели OSI. Каждая система-абонент сети в рамках модели OSI имеет семь уровней (номера уровней от I до 7). Абоненты могут взаимодействовать между собой в рамках каждого из семи уровней с использованием соответствующего протокола. В то же время каждый из уровней использует при взаимодействии абонентов услуги нижестоящего уровня и обеспечивает своими услугами вышестоящий уровень. Поэтому логическое взаимодействие разных систем на одинаковых уровнях обеспечивается межуровневой передачей информации в каждой из систем.

Когда прикладной процесс одной из систем направляет сообщение прикладному процессу другой системы, он направляет данные на уровень 7. При этом данные снабжаются заголовком согласно правилам протокола седьмого уровня (это называется инкапсуляцией данных). Затем эти данные, включая добавленный заголовок, передаются на уровень 6, где они рассматриваются как единое целое. На этом уровне к данным добавляется заголовок протокола шестого уровня (повторная инкапсуляция). Указанный процесс повторяется до уровня I, который передает инкапсулированные данные по линии связи смежному узлу. Когда данные достигнут места назначения, к ним применяется обратная процедура. Здесь на каждом из уровней в соответствии с соответствующим протоколом убирается заголовок этого уровня, а извлеченные данные передаются на вышестоящий уровень. Заметим, что аналогичные процедуры для 1, 2 и 3 уровней выполняются и в транзитных коммуникационных узлах.

Протокол 1-го уровня (физического уровня) определяет электромеханические, функциональные и процедурные характеристики физического соединения устройств. Он предоставляет для уровня 2 такие услуги, как прозрачность передачи битов, мониторинг производительности, физический контроль и исправление ошибок.

Протокол 2-го уровня (канального уровня) обеспечивает функциональные и процедурные средства активизации, поддержки и деактивизации логического (информационного канала) между двумя смежными узлами. Он обеспечивает выполнение для нужд 3-го уровня таких функций, как синхронизация и упорядочение при передаче пакетов, обнаруживает ошибки и исправляет данные в передаваемых пакетах, а также осуществляет контроль перегрузок в информационном канале.

Протокол 3-го уровня (сетевого уровня) обеспечивает установление соединения между двумя абонентами сети в сети, поддерживает и ликвидирует это соединение. Такой протокол содержит процедуры передачи сигналов (сигнальных пакетов), сетевой маршрутизации, формирования пакетов и сборки сообщений, контроля перегрузок и управления информационными потоками.

Если протоколы первых трех уровней предназначены для обеспечения взаимодействия пользователей с сетью, протоколы четвертого и более высоких уровней предназначены для совместного взаимодействия через сеть конечных пользователей. Протокол 4-го уровня (транспортного уровня) обеспечивает надежность и прозрачность передачи данных по сети между двумя конечными системами независимо от типа подсети связи. Протоколы 5-го (сеансового) и 6-го (представительного) уровней обеспечивают соответственно управление диалогом между взаимодействующими приложениями (организация и синхронизация диалога) и устраняют проблемы синтаксического несоответствия в диалоге используемых разными приложениями кодов и форматов данных.

Модель OSI не определяет международные, государственные или промышленные стандарты сетевого взаимодействия, а носит рекомендательный характер. Попытки реализации стандартных протоколов в рамках данной концепции растянулись на годы. Наличие в модели OSI слишком большого числа уровней затруднило реализацию протоколов, а сами эти протоколы обнаружили свою медлительность, следовательно, и неэффективность. Более того, можно считать, что в настоящее время стандартом де-факто для крупномасштабных сетей является семейство сетевых протоколов, объединенных общим названием TCP/IP.

Протоколы TCP/IP базируются на более простой четырехуровневой схеме. Нижний — канальный уровень — определяет стандарты (протокол Address Resolution Protocol, ARP) сетевых аппаратных средств, адресов и драйверов устройств. Второй — сетевой уровень — определяет правила базовых коммуникаций, логической адресации узлов и маршрутизации пакетов (протоколы Internet Protocol, IP и Internet Control Message Protocol, ICMP). Протоколы третьего — транспортного уровня (Transmission Control Protocol, TCP и User Datagram Protocol, UDP) — обеспечивают установление соединения между двумя программами в сети как в режиме виртуальных каналов, так и в режиме дейтаграмм. Протоколы высшего — прикладного уровня (rlogin, talk, ftp, ntp, NFS, DNS, traceroute и др.) — определяют правила взаимодействия прикладных программ конечных пользователей.

Исторически комплекс протоколов TCP/IP возник для сетевого взаимодействия UNIX-машин. Для машин другого типа в свое время были разработаны различные сетевые продукты, например, протокол Apple Talk фирмы Apple для компьютеров семейства Macintosh и сетевые продукты DECnet, реализующие сетевую архитектуру DNA (Digital Network Architecture) фирмы DEC. Весьма широкую популярность при построении ЛВС на базе IBM-совместимых ПК в свое время получил разработанный фирмой Novell протокол IPX (Internetwork Packet Exchange).

Как уже отмечалось, в простейших однородных ЛВС нет коммуникационных узлов. В этих сетях обычно используются весьма простые процедуры адресации и доступа сетевых станций к общей передающей среде, которая образуется с помощью общей шины, звездообразной структуры, кольца или некоторого их сочетания. Официальными стандартами для ЛВС, построенных на базе IBM-совместимых ПК, являются протоколы сетей ArcNet, Token Ring и Ethernet.

Разработанный фирмой Datapoint в начале 70-х годов стандарт ARCnet (IEEE 802.4) в настоящее время уже устарел и практически не используется, однако некоторые идеи, нашедшие свое отражение в этом стандарте, используются до сих пор. Станции сети ARCnet (персональные компьютеры), каждая из которых имеет уникальный физический адрес (номер от 0 до 255), соединяются между собой одним из двух способов — в виде шины или распределенной звезды. Логически же эта сеть, независимо от ее физической конфигурации, является кольцом.

Файл-сервер сети циклически опрашивает станции (в порядке возрастания их номеров), готовы ли они к передаче данных. Такой опрос имеет вид перемещаемого по кольцу пакета (0,5 Кбайта), который называется жетоном (token) разрешения на передачу. Жетон может быть пустым или содержать данные, передаваемые на опрашиваемую станцию. Получив жетон, станция может передать собственный пакет. Детерминированная процедура доступа данного протокола обеспечивает сети устойчивую работу при возникновении перегрузок. Однако скорость передачи в сети ARCnet не превышает 2,5 Мбит/с, что считается в современных условиях неприемлемым.

Стандарт Token Ring (IEEE 802.2), предложенный фирмой IBM в 1984 году, представляет собой более совершенную схему реализации детерминированного метода управления доступа к сети с помощью жетона разрешения. Каждый из физически связанных в кольцо узлов сети Token Ring передает пакет с жетоном по кругу. Особенностью Token Ring является то, что к,у злам может быть подключено несколько станций. Однако в целом принцип эстафетной передачи жетона по кольцу не нарушается. Каждый из узлов циклически опрашивает свои станции. Отдельная станция передает свой пакет информации, только получив свободный жетон. Для соединения узлов сети Token Ring в настоящее время используются экранированная (STP) или неэкранированная (UTP) витая пара.

Скорость передачи данных в сети Token Ring составляет всего 4 или 16 Мбит/с. Однако основным ее недостатком является относительно высокая стоимость.

Наибольшее распространение получил более дешевый вариант стандарта Ethernet (IEEE 802.3), разработанный фирмой Xerox. Логически эта сеть представляет собой шину, с помощью которой каждый узел связан со всеми другими. Физически же данная сеть может представлять собой и звезду или несколько звезд, соединенных общей магистралью. Для соединения станций в настоящее время в основном используется неэкранированная витая пара, которая практически вытеснила в ЛВС популярный ранее коаксиальный кабель.

Самой яркой особенностью сети Ethernet является используемый в ней недетерминированный метод множественного доступа с контролем несущей и устранением коллизий (CSMA/CD). Сеть здесь всегда готова принять сообщение от любого узла. Однако перед отправкой информационного пакета станция сначала определяет, что никто другой не использует сеть. Если две или более станций одновременно начинают передачу, возникает коллизия. Передающие информацию станции обнаруживают ее и прекращают передачу. Повторная попытка станции передать данные возобновляется через случайный интервал времени. Постоянно прослушивая сеть, каждая из станций обнаруживает и принимает посылаемые ей пакеты. В качестве аналогии данной схемы часто упоминается способ попарного общения группы воспитанных людей, находящих в темной комнате.

Теоретически скорость передачи данных в сети Ethernet составляет 10 Мбит/с. Однако коэффициент практического использования пропускной способности кабельной системы в этой сети составляет всего 35%. Недерминированный метод доступа уменьшает задержки при небольшом сетевом трафике, но при перегрузке сети коллизии и задержки существенно возрастают.

Дальнейшим развитием технологии Ethernet явился новый стандарт Fast Ethernet, также известный как 100Base-T и lOOBase-X технологии, обеспечивающий скорость передачи данных до 100 Мбит/с) с использованием как витой пары категории 5, так и оптико-волоконного кабеля. Данное экстенсивное расширение стандарта IEEE 802.3 активно продвигается компаниями 3Com, Sun и др.

Альтернативным вариантом организации скоростной (100 Мбит/с) ЛВС является новая 100VG AnyLAN технология, продвигаемая компаниями Hewlett-Packard, AT&T и IBM. Данная технология определена стандартом IEEE 802.I2, который также считается высокоскоростным расширением стандарта IEEE 802.3. Однако эта технология лишь формально поддерживает передачу пакетов в стандарте Ethernet. Фактически здесь предполагается древовидная сетевая топология и детерминированный циклический опрос станций.

В настоящее время существуют еще более скоростные, но и более дорогие варианты организации вычислительных сетей в виде распределенного двойного кольца на базе оптико-волоконных каналов (вариант FDDI) и витой пары (вариант CDDI). Кроме того, в последние годы крупными телефонными компаниями активно разрабатываются новые технологии цифровых сетевых коммуникаций — ISDN (Integrated Services Digital Network) и ATM (Asynchronous Transfer Mode). Данные варианты организации и технологии построения предназначаются для больших корпоративных вычислительных сетей.

Несколько перечисленных выше сетей могут интегрироваться в более сложные единые сетевые структуры. При этом однотипные по используемым в них аппаратуре и протоколам сети объединяются с помощью общих для соединяемых сетей узло в- мос-тов, а разнотипные сети объединяются с помощью общих узлов-шлюзов. И в том, и в другом случаях интеграция нескольких сетей в единую систему требует обеспечения межсетевой маршрутизации информационных потоков в рамках единой сети. Межсетевая маршрутизация организуется путем включения в каждую из объединяемых подсетей специальных узлов-маршрутизаторов (часто функции маршрутизаторов и шлюзов интегрируются в одном узле). Узлы-маршрутизаторы должны распознавать, какой из пакетов относится к местному графику сети станции-отправителя, а какой из них должен быть передан в другую сеть, входящую в единую интегрированную систему.

Следует отметить, что даже если в каждой из объединяемых сетей в силу ее топологии отсутствует неоднозначность выбора Маршрута передачи данных, в интегрированной сети такая неоднозначность вполне возможна, в частности, из-за возникновения нескольких замкнутых контуров. При этом узл ы- маршрути-заторы должны поддерживать эффективные процедуры определения надежных и наиболее быстрых путей доставки пакетов станциям- получателя м.