7. Компьютерные сети

Эта глава посвящена компьютерным сетям — основам построе­ния, протоколам, стандартам, сетевым компонентам. Здесь также рассмотрены основы построения 1п1егпе1 — способы передачи инфор­мации, адресация и службы.

7,1. Назначение и классификация компьютерным сетей

Современные информационные технологии нуждаются во все более совершенных средствах обработки информации. Поэтому по­требности в таких средствах постоянно растут. Объединение компь­ютеров и средств коммуникации оказало существенное влияние на принципы организации компьютерных систем. Модель, в которой один компьютер выполнял всю необходимую работу по обработке данных, уступила место модели, представляющей собой большое ко­личество отдельных, но связанных между собой компьютеров. Такие системы называются компьютерными сетями. Два или более компь­ютера называются связанными между собой, если они могут обмени­ваться информацией.

Для каких же целей используются компьютерные сети?

• Первая цель — предоставление доступа к программам, обору­ дованию и особенно данным для любого пользователя сети. Это называется совместным использованием ресурсов.

• Вторая цель — обеспечение высокой надежности при помощи альтернативных источников информации. Например, все файлы могут быть расположены на двух или трех машинах одновремен­ но, так что, если одна из них недоступна по какой-либо причи­ не, то используются другие копии. Возможность продолжать ра­ боту, несмотря на аппаратные проблемы, имеет большое значение для военных и банковских задач, воздушного транспор­ та, безопасности ядерного реактора и т.п.

• Третья цель — экономия средств. Небольшие компьютеры об­ ладают значительно лучшим соотношением цена—производи­ тельность, нежели большие. Это обстоятельство заставляет раз-

338

работников создавать системы на основе модели клиент-сервер. Обмен информацией в модели клиент-сервер обычно принима­ет форму запроса серверу на выполнение каких-либо действий. Сервер выполняет работу и отсылает ответ клиенту. Обычно в сети количество клиентов значительно больше числа используе­мых ими серверов.

• Четвертая цель — масштабируемость, т.е. способность увели­ чивать производительность системы по мере роста нагрузки. В случае модели клиент-сервер новые клиенты и новые серверы могут добавляться по мере необходимости.

• Пятая цель — ускорение передачи информации. Компьютерная сеть является мощным средством связи между удаленными друг от друга пользователями. Если один из них изменяет документ, находящийся на сервере, в режиме оп-1те, остальные могут не­ медленно увидеть эти изменения.

Имеется два важнейших параметра классификации сетей: техно­логия передачи и размеры.

Существуют два типа технологии передачи:

• широковещательные сети;

• сети с передачей от узла к узлу.

Широковещательные сети обладают единым каналом связи, со­вместно используемым всеми машинами сети. Короткие сообщения, называемые пакетами, посылаемые одной машиной, принимаются всеми машинами. Поле адреса в пакете указывает, кому направляет­ся сообщение. При получении пакета машина проверяет его адрес­ное поле. Если пакет адресован этой машине, она обрабатывает па­кет. Пакеты, адресованные другим машинам, игнорируются.

Сети с передачей от узла к узлу состоят из большого количества соединенных пар машин. В такой сети пакету необходимо пройти через ряд промежуточных машин, чтобы добраться до пункта назна­чения. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника к получателю.

Обычно небольшие сети используют широковещательную пере­дачу, тогда как в крупных сетях применяется передача от узла к узлу.

Другим критерием классификации сетей является их размер. Сети можно разделить на локальные, муниципальные и глобальные. И, наконец, существуют объединения двух и более сетей. Хорошо из­вестным примером такого объединения является 1п1егпе1. Размеры

339

сетей являются важным классификационным фактором, поскольку в сетях различного размера применяется различная техника.

Локальными сетями (ЛВС — локальные вычислительные сети или 1АМ — Ьоса! Агеа Не1\уог1с) называют сети, размещающиеся, как пра­вило, в одном здании или на территории какой-либо организации размерами до нескольких километров. Их часто используют для пре­доставления совместного доступа компьютеров к ресурсам (напри­мер, принтерам) и обмена информацией. Локальные сети отличают­ся от других сетей тремя характеристиками: размерами, технологией передачи данных и топологией. Обычные ЛВС имеют пропускную способность канала связи от 10 до 100 Мбит/с, небольшую задержку — десятые доли мкс и очень мало ошибок.

Муниципальные или региональные сети (МАН — Ме1гороИ1ап АН) являются увеличенными версиями локальных сетей и обычно исполь­зуют схожие технологии. Такая сеть может объединять несколько предприятий корпорации или город. Муниципальная сеть может поддерживать передачу цифровых данных, звука и включать в себя кабельное телевидение. Обычно муниципальная сеть не содержит переключающих элементов для переадресации пакетов во внешние линии, что упрощает структуру сети.

Глобальные сети (^к!е АН или ГВС) охватывают значительную территорию, часто целую страну или даже континент. Они объеди­няют множество машин, предназначенных для выполнения прило­жений. Эти машины называются хостами. Хосты соединяются ком­муникационными подсетями или просто подсетями. Задачей подсети является передача сообщений от хоста хосту, подобно тому, как те­лефонная система переносит слова говорящего слушающему. То есть коммуникативный аспект сети — подсеть отделен от прикладного ас­пекта — хостов, что значительно упрощает структуру сети.

7,2, Типы сетей

Сети подразделяются на два типа: одноранговые и на основе сер­вера.

Между этими двумя типами сетей существуют принципиальные различия, которые определяют их разные возможности. Выбор типа сети зависит от многих факторов: размера предприятия и вида его деятельности, необходимого уровня безопасности, доступности адми-

340

нистративной поддержки, объема сетевого трафика, потребностей сетевых пользователей, финансовых возможностей.

В одноранговой сети все компьютеры равноправны. Каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер. Нет отдель­ного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Пользователи сами решают, какие ресурсы на своем компьютере сде­лать доступными в сети.

Одноранговые сети, как правило, объединяют не более 10 ком­пьютеров. Отсюда их другое название — рабочие группы. Одноранго­вые сети относительно просты, дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных компьютеров. Требования к производитель­ности и уровню защиты сетевого программного обеспечения (ПО) ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Поддержка одноранговых сетей встроена во многие операционные системы (ОС), поэтому для организации одноранговой сети дополнительного ПО не требуется.

Если в сети более 10 компьютеров, то одноранговая сеть стано­вится недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей имеют другую конфигурацию — они работают на основе выделенного сервера. Выделенным сервером называется такой компьютер, кото­рый функционирует только как сервер и не используется в качестве клиента или рабочей станции. Он специально оптимизирован для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и обеспечивает за­щиту файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышлен­ным стандартом.

Основным аргументом при выборе сети на основе сервера явля­ется защита данных. Проблемами безопасности занимается один ад­министратор: он формирует единую политику безопасности и при­меняет ее в отношении каждого пользователя сети.

Сети на основе сервера, в отличие от одноранговых сетей, спо­собны поддерживать тысячи пользователей. При этом к характерис­тикам компьютеров и квалификации пользователей предъявляются более мягкие требования, чем в одноранговых сетях.

7,3, Топология сетей

Термин топология сети характеризует способ организации фи­зических связей компьютеров и других сетевых компонентов. Выбор той или иной топологии влияет на состав необходимого сетевого

341

оборудования, возможности расширения сети и способ управления сетью. Топология — это стандартный термин. Все сети строятся на основе базовых топологий: шина, звезда, кольцо, ячеистая. Сами по себе базовые топологии не сложны, однако на практике часто встре­чаются довольно сложные их комбинации.

Шина. Эту топологию (рис. 7.1) часто называют линейной шиной. Она наиболее простая из всех топологий и весьма распространенная. В ней используется один кабель, называемый магистралью или сег­ментом, вдоль которого подключены все компьютеры.

С

к

к

к

к

Рис. 7. 1. Топология шина: С — сервер, К — компьютер, Т — терминатор

В сети с топологией шина данные в виде электрических сигна­лов передаются всем компьютерам сети, но принимает их тот, адрес которого совпадает с адресом получателя, зашифрованном в этих сигналах. Причем в каждый момент времени передачу может вести только один компьютер. Поэтому производительность такой сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. На быстродействие сети также влияют:

• тип аппаратного обеспечения сетевых компьютеров;

• частота, с которой компьютеры передают данные;

• тип работающих сетевых приложений;

• тип сетевого кабеля;

• расстояние между компьютерами в сети.

Шина — пассивная топология: компьютеры только слушают пе­редаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому выход одного или нескольких компьютеров из строя никак не сказывается на работе сети.

342

Электрические сигналы распространяются по всему кабелю — от одного конца к другому. Сигналы, достигшие концов кабеля, отра­жаются от них. Возникает наложение сигналов, находящихся в раз­ных фазах, и, как следствие, их искажение и ослабление. Поэтому сигналы, достигшие конца кабеля, следует погасить. Для гашения сигналов на концах кабеля устанавливают терминаторы. При разрыве кабеля или отсутствии терминаторов функционирование сети прекра­щается. Сеть падает.

Звезда. При топологии звезда (рис. 7.2) все компьютеры с помо­щью сегментов кабеля подключаются к центральному устройству, называемому концентратором (ЬиЬ). Сигналы от передающего ком­пьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

С

к

к

к

Концентратор

К

К

К

К

Рис. 7. 2. Топология звезда

В настоящее время концентратор стал одним из стандартных компонентов сетей. В сетях с топологией звезда он, например, слу­жит центральным узлом. Концентраторы делятся на активные и пас­сивные. Активные регенерируют и передают сигналы так же, как репитеры. Их называют многопортовыми повторителями. Обычно они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров. Актив­ные концентраторы следует подключать к электрической сети. К пас­сивным концентраторам относятся монтажные или коммутирующие панели. Они просто пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивные концентраторы не надо подключать к электрической сети.

Недостатки этой топологии: дополнительный расход кабеля, ус­тановка концентратора. Главное преимущество этой топологии пе­ред шиной - более высокая надежность. Выход из строя одного или

343

нескольких компьютеров на работу сети не влияет. Любые неприят­ности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора приво­дит к падению сети. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администра­тором передачи.

Кольцо. Компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо (рис. 7.3). Сигналы передаются по кольцу в одном направле­нии и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии шина, здесь каждый компьютер выступает в роли репитера (повторителя), усиливая сигналы и передавая их следующему ком­пьютеру. Поэтому выход из строя хотя бы одного компьютера при­водит к падению сети.

к

к

к

с

к

к

к

Рис. 7. 3. Топология кольцо

Способ передачи данных по кольцу называется передачей марке­ра. Маркер (иЖеп) — это специальная последовательность бит, пере­дающаяся по сети. В каждой сети существует только один маркер. Маркер передается по кольцу последовательно от одного компьюте­ра к другому до тех пор, пока его не захватит тот компьютер, кото­рый хочет передать данные. Передающий компьютер добавляет к маркеру данные и адрес получателя, и отправляет его дальше по коль­цу. Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя. Затем принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверж­дает факт приема. Получив подтверждение, передающий компьютер

344

восстанавливает маркер и возвращает его в сеть. Скорость движения маркера сопоставима со скоростью света. Так, в кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 477 376 об/с.

Ячеистая топология. Сеть с ячеистой топологией обладает вы­сокой избыточностью и надежностью, так как каждый компьютер в такой сети соединен с каждым другим отдельным кабелем (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Ячеистая топология

Сигнал от компьютера-отправителя до компьютера-получателя может проходить по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не сказывается на работоспособности сети. Основной недо­статок — большие затраты на прокладку кабеля, что компенсируется высокой надежностью и простотой обслуживания. Ячеистая тополо­гия применяется в комбинации с другими топологиями при постро­ении больших сетей.

Кроме базовых топологий существуют их комбинации — комби­нированные топологии. Чаще всего используются две комбинирован­ные топологии: звезда-шина и звезда-кольцо. Звезда-шина — не­сколько сетей с топологией звезда объединяются при помощи магистральной линейной шины (к концентратору подключены ком­пьютеры, а сами концентраторы соединены шиной). Выход из строя одного компьютера не сказывается на работе всей сети, а сбой в ра­боте концентратора влечет за собой отсоединение от сети только подключенных к нему компьютеров и концентраторов. Звезда-коль­цо — отличие состоит только в том, что концентраторы в звезде-шине

345

соединяются магистральной линейной шиной, а в звезде-кольце кон­центраторы подсоединены к главному концентратору, внутри кото­рого физически реализовано кольцо.

7,4, Сетевые компоненты

7,4,1, СетеВые кабели

На сегодня подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения кабели. Это среда передачи сигналов между компь­ютерами.

В большинстве сетей применяются три основные группы кабелей:

• коаксиальный кабель;

• витая пара (1м81ес1 ра!г), неэкранированная (ипзЫеШес!) и эк­ ранированная (зЫеШес!);

• оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель до недавнего времени был самым распро­страненным. Недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и простой в установке.

Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий (специфи­кация 10Ва8е2) и толстый (спецификация 10Ва$е5).

Тонкий — гибкий, диаметр 0,64 см (0,25"). Прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непо­средственно к плате сетевого адаптера. Передает сигнал на 185 м практически без затухания. Волновое сопротивление — 50 ом.

Толстый — жесткий, диаметр 1,27 см (0,5"). Его иногда называ­ют стандартный ЕИпегпе! (первый кабель в популярной сетевой ар­хитектуре). Жила толще, затухание меньше. Передает сигнал без за­тухания на 500 м. Используют в качестве магистрали, соединяющей несколько небольших сетей. Волновое сопротивление - 75 ом.

Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применя­ется специальное устройство - трансивер (1гап8се1уег - приемопере­датчик). Он снабжен коннектором, который называется вампир или пронзающий ответвитель. К сетевой плате трансивер подключается с помощью кабеля с разъемом. Для подключения тонкого коаксиаль­ного кабеля используются ВМС-коннекторы (ВгШзЬ Мауа! Соппес1ог). Применяются ВМС—Т-коннекторы для соединения сетевого кабеля

346

с сетевой платой компьютера, В1ЧС—баррел-коннекторы для сращи­вания двух отрезков кабеля, В1ЧС-терминаторы дяя поглощения сиг­налов на обоих концах кабеля в сетях с топологией шина.

Витая пара — это два перевитых изолированных медных прово­да. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защит­ную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавиться от элек­трических помех, наводимых соседними проводами и другими внешними источниками, например двигателями, трансформаторами, мощными реле.

Неэкранированная витая пара (УТР) широко используется в ЛВС, максимальная длина 100 м. УТР определена особым стандартом, в котором указаны нормативные характеристики кабелей для различ­ных применений, что гарантирует единообразие продукции.

Экранированная витая пара (8ТР) помещена в медную оплетку. Кроме того, пары проводов обмотаны фольгой. Поэтому 8ТР мень­ше подвержены влиянию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния.

Преимущества витой пары — дешевизна, простота при подклю­чении. Недостатки — нельзя использовать при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные.

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения боль­ших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. Оптоволокно переда­ет сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами: одно — для передачи, дру­гое — для приема.

Скорость передачи данных в настоящее время составляет от 100 Мбит/с. Между тем, получает все большее распространение ско­рость 1 Гбит/с, теоретически — до 200 Гбит/с. Расстояние — многие километры. Кабель не подвержен электрическим помехам. Суще­ственным недостатком этой технологии является дороговизна и слож­ность в установке и подключении.

Типичная оптическая сеть состоит из лазерного передатчика све-

347

та, мультиплексора/демультиплексора для объединения оптических сигналов с разными длинами волн, усилителей оптических сигналов, демультиплексоров и приемников, преобразующих оптический сиг­нал обратно в электрический. Все эти компоненты обычно собира­ются вручную.

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии — немодулированную и модулированную передачу.

Немодулированные системы передают данные в виде цифровых сигналов, которые представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе цифровой сигнал ис­пользует всю полосу пропускания кабеля (полоса пропускания — раз­ница между максимальной и минимальной частотой, которую мож­но передать по кабелю). Устройство в сетях с немодулированной передачей посылает данные в обоих направлениях. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в немодулированных сис­темах, используют репитеры, которые усиливают и ретранслируют сигнал.

Модулированные системы передают данные в виде аналогового сигнала (электрического или светового), занимающего некоторую полосу частот. Если полосы пропускания достаточно, то один кабель могут одновременно использовать несколько систем (например, транслировать передачи кабельного телевидения и передавать дан­ные). Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропус­кания. Для восстановления сигнала в модулированных системах ис­пользуют усилители. В модулированной системе устройства имеют раздельные тракты для приема и передачи сигнала, так как передача идет в одном направлении. Чтобы устройства могли и передавать, и принимать данные, используют разбиение полосы пропускания на два канала, которые работают с разными частотами для передачи и приема, или прокладку двух кабелей — для передачи и приема.

7.4,2, БеспроВоЭная среЗа

Словосочетание беспроводная среда не означает полное отсутствие проводов в сети. Обычно беспроводные компоненты взаимодейству­ют с сетью, в которой в качестве среды передачи используется ка­бель. Такие сети называют гибридными.

Беспроводная среда обеспечивает временное подключение к су-

348

шествующей кабельной сети, гарантирует определенный уровень мобильности и снижает ограничения на протяженность сети. При­меняется в служебных помещениях, где у сотрудников нет постоян­ного рабочего места, в изолированных помещениях и зданиях, в стро­ениях, где прокладка кабелей запрещена.

Существуют следующие типы беспроводных сетей: ЛВС, расши­ренные ЛВС и мобильные сети (переносные компьютеры). Основные различия между ними - параметры передачи. ЛВС и расширенные ЛВС используют передатчики и приемники той организации, в ко­торой функционирует сеть. Для переносных компьютеров средой передачи служат общедоступные сети (например, телефонная или 1п1егпе1).

ЛВС выглядит и функционирует практически так же, как и ка­бельная, за исключением среды передачи. Беспроводный сетевой адаптер с трансивером установлен в каждом компьютере, и пользо­ватели работают так, будто их компьютеры соединены кабелем. Трансивер или точка доступа обеспечивает обмен сигналами между компьютерами с беспроводным подключением и кабельной сетью. Используются небольшие настенные трансиверы, которые устанав­ливают радиоконтакт с переносными устройствами.

Работа беспроводных ЛВС основана на четырех способах пере­дачи данных: инфракрасном излучении, лазере, радиопередаче в уз­ком диапазоне (одночастотной передаче), радиопередаче в рассеян­ном спектре.

7,4,3, Платы сетевого адаптера

Платы сетевого адаптера (СА) выступают в качестве физичес­кого интерфейса, или соединения, между компьютером и сетевым кабелем. Платы вставляются в слоты расширения материнской пла­ты всех сетевых компьютеров и серверов или интегрируются на ма­теринскую плату. Для обеспечения физического соединения между компьютером и сетью к разъему платы подключается сетевой кабель.

Плата СА выполняет:

• подготовку данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;

• передачу данных другому компьютеру;

349

• управление потоком данных между компьютером и кабельной системой;

• прием данных из кабеля и перевод их в форму, понятную ЦП компьютера.

Плата СА должна также указать свое местонахождение или се-тевой адрес, чтобы ее могли отличить от других плат сети. Сетевые адреса определены комитетом ШЕЕ (1п8111и1е оГ Е1ес1пса1 ап<3 Е1ес1гошс8 Еп^теегз, 1пс.), который закрепляет за каждым произво­дителем плат сетевого адаптера некоторый интервал адресов. Про­изводители зашивают эти адреса в микросхемы, поэтому каждый компьютер имеет свой уникальный номер, т.е. адрес в сети.

Перед тем, как послать данные по сети, плата СА проводит элек­тронный диалог с принимающей платой, в результате которого они устанавливают:

• максимальный размер блока передаваемых данных;

• объем данных, пересылаемых без подтверждения о получении;

• интервал между передачами блоков данных;

• интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение;

• объем данных, который может принять плата без переполнения буфера;

• скорость передачи.

Если новая (более сложная и быстрая) плата взаимодействует с устаревшей (медленной) платой, то они должны найти общую для них обеих скорость передачи. Схемы современных плат позволяют им приспособиться к низкой скорости старых плат. Каждая плата оповещает другую о своих параметрах, принимая чужие параметры и подстраиваясь к ним. После определения всех деталей начинается обмен данными.

Для правильной работы платы должны быть корректно установ­лены следующие параметры:

• номер прерывания (1КХЗ — т{егшр1 яиегу);

• базовый адрес порта;

• 1/О.Базовый адрес памяти;

• тип трансивера.

Для обеспечения совместимости компьютера и сети плата СА должна соответствовать внутренней структуре компьютера (архитек­туре шины данных) и иметь соответствующий соединитель, подхо­дящий к типу кабельной системы.

350

Например, плата, которая нормально работает в компьютере Арр1е Маст1о5Ь в сети с топологией шина, не будет работать в ком­пьютере 1ВМ в сети с топологией кольцо. Сеть топологии кольцо требует плату, которая физически отличается от применяемой в сети топологии шина, к тому же Арр1е использует другой метод сетевого взаимодействия.

7,5, СетеВые стандарты

Работа сети заключается в передаче данных от одного компью­тера к другому. В этом процессе можно выделить следующие задачи:

1. Распознавание данных.

2. Разбиение данных на управляемые блоки.

3. Добавление информации к каждому блоку о местонахождении данных и получателе.

4. Добавление информации для синхронизации и проверки оши­ бок.

5. Перемещение данных в сеть и отправка их по заданному адресу. Сетевая ОС при выполнении этих задач строго следует опреде­ ленному набору процедур. Эти процедуры называются протоколами. Они регламентируют каждую сетевую операцию. Стандартные про­ токолы позволяют программному и аппаратному обеспечению раз­ ных производителей нормально взаимодействовать.

Существует два главных набора стандартов: эталонная модель О51 и ее модификация Рго]ес1 802. Для понимания технической сто­роны функционирования сетей необходимо иметь представление об этих моделях.

7,5,1, Эталонной моЗель О/1

В 1978 г. 18О (1п1егпа1:юпа1 81апс1агс18 Ог^ашгаНоп) выпустила на­бор спецификаций, описывающих модель взаимодействия открытых систем, т.е. систем, доступных для связи с другими системами. Это был первый шаг к международной стандартизации протоколов. Все системы могли теперь использовать одинаковые протоколы и стан­дарты для обмена информацией.

В 1984 г. 18О выпустила новую версию своей модели, названную

351

эталонной моделью взаимодействия открытых систем 18О. Эта вер­сия стала международным стандартом. Ее спецификации использу­ют производители при разработке сетевых продуктов, ее придержи­ваются при построении сетей. Полностью модель носит название 18О О81 (Ореп 8у81ет 1п1егсоппес!;юп ЯеГегепсе Мос1е1). Для краткости будем ее называть модель О51. Модель О51 не является сетевой архи­тектурой, так как не описывает службы и протоколы, используемые на каждом уровне. Она просто определяет, что должен делать каж­дый уровень. Важно также понимать, что эталонная модель не явля­ется чем-то реальным, таким, что обеспечивает связь. Сама по себе она не заставляет коммуникации функционировать и служит лишь для классификации. Она классифицирует то, что непосредственно работает, а именно — протоколы. Протоколом считается набор спе­цификаций, определяющих реализацию одного или нескольких уров­ней О81. 18О разработала также стандарты для каждого уровня, хотя эти стандарты не входят в саму эталонную модель. Каждый из них был опубликован как отдельный международный стандарт.

Модель О81 имеет семь уровней. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Появление именно семи уровней было обусловлено функциональными особен­ностями модели.

Модель О81 без физического носителя показана на рис. 7.5.

Определенные сетевые функции, выполняемые на каждом уров­не, взаимодействуют только с функциями соседних уровней — вы­шестоящего и нижележащего. Например, Сеансовый уровень должен взаимодействовать только с Представительским и Транспортным уров­нями. Все эти функции подробно описаны.

Каждый уровень выполняет несколько операций при подготов­ке данных для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отде­ляются друг от друга границами — интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уро­вень, выполняя свои функции, пользуется услугами нижележащего уровня. Самые нижние уровни — 1-й и 2-й — определяют физичес­кую среду при передаче битов данных через плату СА и кабель. Са­мые верхние уровни определяют, каким способом реализуется дос­туп приложений к услугам связи.

Задача каждого уровня — предоставление услуг вышележащему уровню, маскируя при этом детали реализации этих услуг. Каждый

352

Прикладной

—г-

Уровень представления

Прикладной протокол

Протокол уровня представления

Прикладной

—*—

Уровень представления

т

Сеансовый

Интерфейс

Транспортный

Сеансовый протокол

Транспортный протокол Внутренний протокол подсети

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

т

Передачи данных

Интерфейс

Физический

Хост А

Сетевой

Сетевой

Передачи данных

Передачи данных

Физический

Физический

Маршрутизатор Маршрутизатор

-

Сетевой

Передачи данных

Физический

Хост В

Протоколы хост-маршрутизатор сетевого, передачи данных и физического уровней

Рис. 7.5. Эталонная модель О81

уровень на компьютере-отправителе работает так, как будто он напрямую связан с соответствующим уровнем на компьютере-полу­чателе. Эта виртуальная связь показана на рис. 7.5 пунктирными ли­ниями. В действительности же связь осуществляется между соседни­ми уровнями одного компьютера. ПО каждого уровня реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором прото­колов.

Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты, переда­ваемые между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит

12. Информатика

353

последовательно все уровни ПО от прикладного до физического, при этом на каждом уровне к пакету добавляется форматирующая или адресная информация, необходимая для безошибочной передачи дан­ных по сети.

На принимающей стороне пакет также проходит через все уров­ни, но в обратном порядке. ПО каждого уровня анализирует инфор­мацию пакета, удаляет ту информацию, которая добавлена к пакету на, таком же уровне отправителем, и передает пакет следующему уровню. По достижении пакетом Прикладного уровня вся служебная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид.

Таким образом, только Физический уровень модели может не­посредственно послать информацию соответствующему уровню дру­гого компьютера. Информация на компьютере-отправителе и ком­пьютере-получателе должна пройти все уровни, начиная с того, с которого она посылается, и заканчивая соответствующим уровнем того компьютера, которым она принимается. Например, если Сете­вой уровень передает информацию с компьютера А, она спускается через Канальный и Физический уровни в сетевой кабель, затем по­падает в компьютер В, где поднимается через Физический и Каналь­ный уровни и достигает Сетевого уровня. В среде клиент-сервер при­мером такой информации служит адрес и результат контроля ошибок, добавленные к пакету.

Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интер­фейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень пре­доставляет верхнему, и способ доступа к ним.

Рассмотрим каждый из семи уровней модели О81 и услуги, ко­торые они предоставляют смежным уровням.

Прикладной (АррИсаПоп) уровень. Уровень 7. Он представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Услуги, которые он обеспечивает, напрямую поддерживают приложения пользователя. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением данных после сбоев связи.

Уровень представления (РгезепШюп). Уровень 6. Представитель­ский уровень определяет формат, используемый для обмена данны­ми между сетевыми компьютерами. Типичный пример работы служб Представительского уровня — кодирование передаваемых данных определенным стандартным образом. Уровень представления отвечает

354

за преобразование протоколов, трансляцию и шифрование данных, смену кодовой таблицы и расширение графических команд. Кроме того, он управляет сжатием данных для уменьшения объема переда­ваемых бит.

Сеансовый уровень (Зешоп). Уровень 5. Сеансовый уровень позво­ляет двум приложениям разных компьютеров устанавливать, исполь­зовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеанс может предоставлять еще и расширенный набор услуг, полезный для неко­торых приложений. Сеансовый уровень управляет диалогом между взаимодействующими процессами, устанавливая, какая из сторон, когда, как долго и т.д. должна осуществлять передачу.

Транспортный уровень (ТгатроМ). Уровень 4. Основная функция Транспортного уровня — принять данные от Сеансового уровня, раз­бить их при необходимости на небольшие части и передать Сетево­му уровню, гарантируя, что эти части в правильном порядке прибу­дут по назначению. Все это должно быть сделано эффективно и так, чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений в аппаратной технологии. Транспортный уровень также следит за созданием и удалением сетевых соединений, управляет потоком со­общений, проверяет ошибки и участвует в решении задач, связан­ных с отправкой и получением пакетов. Примеры протоколов транс­портного уровня — ТСР и 8РХ.

Сетевой уровень (НеРногЬ). Уровень 3. Сетевой уровень управля­ет операциями подсети. Он отвечает за адресацию сообщений и пе­ревод логических адресов и имен в физические. Сетевой уровень раз­решает также проблемы, связанные с разными способами адресации и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в дру­гую, позволяя объединять разнородные сети. Примеры протоколов сетевого уровня — 1Р и 1РХ.

Уровень передачи данных или канальный (Оа1а Ьт/с). Уровень 2. Основная задача Канального уровня — преобразовать способность Физического уровня передавать данные в надежную линию связи, свободную от необнаруженных ошибок с точки зрения вышестоящего Сетевого уровня. Эту задачу Канальный уровень выполняет при по­мощи разбиения входных данных на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр данных передается только после получения и обработки кадра подтвержде­ния, посылаемого обратно получателем. Кадр — это логически орга-

355

низованная структура, в которую можно помещать данные. На рис. 7.6 представлен простой кадр данных, где идентификатор отправи­теля — адрес компьютера-отправителя, а идентификатор получателя — адрес компьютера-получателя. Управляющая информация исполь­зуется для маршрутизации, указания типа пакета и сегментации. СКС (СусНса! КесШпбапсу СЬесК — циклический код) позволяет выявить ошибки и гарантирует правильный прием информации.

Идентификатор получателя

Управляющая информация

Данные

Идентификатор отправителя

Циклический код

Рис. 7.6. Кадр данных

Физический уровень (РНужа1). Уровень 1. Физический уровень осу­ществляет передачу неструктурированного, сырого, потока бит по физической среде (например, по сетевому кабелю). На этом уровне реализуются электрический, оптический, механический и функцио­нальный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также форми­рует сигналы, которые переносят данные, поступившие ото всех вы­шележащих уровней. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой СА и способ передачи сигналов по сетевому кабелю. Физический уровень отвечает за кодирование данных и син­хронизацию бит, гарантируя, что переданная единица будет воспри­нята именно как единица, а не как ноль. Уровень устанавливает дли­тельность каждого бита и способ перевода в электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю.

356

7,5,2, Стандарт 1ЕЕЕ РгсуесЬ 802

Два нижних уровня модели О81 относятся к оборудованию, а именно: сетевой плате и кабелю. Для постановки более четких тре­бований к аппаратуре, которая работает на этих уровнях, ШЕЕ раз­работал расширения, предназначенные для разных сетевых плат и ка­белей. Эти расширения широко известны как Рго]ес1 802, названные в соответствии с годом (1980) и месяцем (февраль) своего издания. Стандарты ШЕЕ были опубликованы раньше модели О81, но оба проекта разрабатывались примерно в одно время и при полном об­мене информацией. Это и привело к созданию двух совместимых продуктов.

Рго)ес1 802 установил стандарты для физических компонентов сети — интерфейсных плат и кабельной системы, которые работают на Канальном и Физическом уровнях модели О81. Эти стандарты, называемые 802-спецификациями, распространяются на платы СА, компоненты ГВС, компоненты сетей, использующих коаксиальный кабель и витую пару. 802-спецификации определяют способы, в со­ответствии с которыми платы СА осуществляют доступ к физичес­кой среде и передают по ней данные. Это соединение, поддержка и разъединение сетевых устройств. Выбор протокола канального уров­ня — наиболее важное решение при проектировании ЛВС. Этот про­токол определяет скорость сети, метод доступа к физической среде, тип кабелей, сетевые платы и драйверы.

Стандарты ЛВС, определенные Рго^ес^ 802, делятся на 16 кате­горий, каждая из которых имеет свой номер (от 802.1 до 801.16, на­пример, 802.6 — сеть масштаба города, МА1Ч; 802.10 — безопасность сетей; 802.11 — беспроводные сети).

Два нижних уровня модели, Канальный и Физический, устанав­ливают, каким образом несколько компьютеров могут одновремен­но, не мешая друг другу, использовать сеть. ШЕЕ Рго]ес1 802 пред­назначен именно для этих двух уровней. На рис.7.7 показаны Канальный уровень и два его подуровня.

Подуровень Управление логической связью (Ьо&са1 ЫпЬ Соп1го1, ЫС) устанавливает и разрывает канал связи, управляет потоком дан­ных, производит упорядочение и вырабатывает подтверждение при­ема кадров.

Подуровень Управление доступом к среде (МесНа Ассем СоШго1,

357

Управление логической связью

Канальный уровень

Управление доступом к среде

Рис. 7.7. Подуровни Управление логической связью и Управление доступом к среде

МАС) контролирует доступ к среде передачи, определяет границы кадров, обнаруживает ошибки, распознает адреса кадров. Он также обеспечивает совместный доступ плат СА к Физическому уровню. Этот подуровень напрямую связан с платой СА и отвечает за безо­шибочную передачу данных между двумя компьютерами сети.

7.5.3. ПрайВеры устройств и О/1

Сетевые драйверы обеспечивают связь между платами СА и ра­ботающими на компьютере редиректорами. Редиректор — это часть сетевого ПО, которое принимает запросы ввода/вывода, относящи­еся к удаленным файлам, и переадресовывает их по сети на другой компьютер.

Драйверы платы СА располагаются на подуровне Управления доступом к среде Канального уровня. Подуровень МАС отвечает за совместный доступ плат СА к Физическому уровню. Таким образом, драйвер платы СА обеспечивает связь между компьютером и самой платой, связывая, в конечном итоге, компьютер с сетью.

Производители плат СА обычно предоставляют драйверы разра­ботчикам сетевого ПО, которые включают их в состав своих продук­тов. Производители сетевых ОС публикуют списки совместимого оборудования — перечень устройств, драйверы которых протестиро­ваны на совместимость с ОС. Список совместимого оборудования НСЬ (НагсЬуаге СотраИЪПНу 1Л&1) для сетевой ОС содержит сотни моделей плат СА от разных производителей.

358

7,6, СетеВые арнитектуры

Сетевые архитектуры — это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.

7.6.1, МетоЭы Эоступо к сетевому ресурсу

Для использования сетевого ресурса необходимо получить дос­туп к нему. Существуют три метода доступа: множественный доступ с контролем несущей, доступ с передачей маркера, доступ по приори­тету запроса. Метод доступа — набор правил, которые определяют, как компьютер должен отправлять и принимать данные по сетевому кабелю.

Компьютеры получают доступ к сети поочередно на короткое время. Обычно несколько компьютеров в сети имеют совместный доступ к кабелю. Однако если два компьютера попытаются переда­вать данные одновременно, их пакеты столкнутся и будут испорче­ны. Возникает так называемая коллизия. Все компьютеры в сети дол­жны использовать один и тот же метод доступа, иначе произойдет сбой в работе сети, когда отдельные компьютеры, чьи методы доми­нируют, не позволят остальным осуществлять передачу.

Множественный доступ с контролем несущей подразделяется на:

• множественный доступ с обнаружением коллизий;

• множественный доступ с предотвращением коллизий.

Рассмотрим особенности каждого метода доступа.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением кол­лизий (Сатег-8еп$е МиШр1е Ассе$$ шЙ1 СоШ$юп Ве1есйоп, С8МА/СП). Все компьютеры в сети — и клиенты, и серверы — прослушивают ка­бель, стремясь обнаружить передаваемые данные, т.е. трафик. Ком­пьютер может начать передачу только тогда, когда убедится, что ка­бель свободен — трафик отсутствует. Пока кабель занят, ни один из компьютеров не может вести передачу. Если возникает коллизия, то эти компьютеры приостанавливают передачу на случайный интервал времени, а затем вновь стараются наладить связь. Причем периоды ожидания у них разные, что снижает вероятность одновременного во­зобновления передачи.

Название метода раскрывает его суть: компьютеры как бы про-

359

слушивают кабель, отсюда — контроль несущей. Чаще всего сразу не­сколько компьютеров в сети хотят передать данные, отсюда множе­ственный доступ. Прослушивание кабеля дает возможность обнару­жить коллизии, отсюда обнаружение коллизий.

Способность обнаруживать коллизии ограничивает область дей­ствия самого С8МА/СВ* При длине кабеля > 2,5 км механизм об­наружения коллизий становится неэффективным — некоторые ком­пьютеры могут не услышать сигнал и начнут передачу, что приведет к коллизии и разрушению данных.

С8МА/СО является состязательным методом, так как компью­теры конкурируют между собой за право передавать данные. Он яв­ляется громоздким, но современные реализации настолько быстры, что пользователи не замечают, что сеть работает, используя состяза­тельный метод. Однако чем больше компьютеров в сети, тем интен­сивнее сетевой трафик, и число коллизий возрастает, а это приво­дит к уменьшению пропускной способности сети. Поэтому в некоторых случаях метод С8МА/СВ все же оказывается недостаточ­но быстрым. Так, лавинообразное нарастание повторных передач способно парализовать работу всей сети. Вероятность возникновения подобной ситуации зависит от числа пользователей, работающих в сети, и приложений, с которыми они работают. Например, БД ис­пользуют сеть интенсивнее, чем ТП.

Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (Сагпег-8еп§е МиШр1е Ассезз \уШа СоШзюп АуоШапсе, С8МА/ СА). Этот метод самый непопулярный среди всех методов доступа. Каждый компьютер перед передачей данных в сеть сигнализирует о своем намерении, поэтому остальные компьютеры «узнают» о гото­вящейся передаче и могут избежать коллизий. Однако широковеща­тельное оповещение увеличивает общий трафик и уменьшает пропус­кную способность сети. Поэтому С8МА/СА работает медленнее, чем С8МА/СВ.

Доступ с передачей маркера. Суть метода заключается в следую­щем: пакет особого типа, маркер (1о1сеп), циркулирует от компьюте­ра к компьютеру. Чтобы послать данные в сеть, любой компьютер должен сначала «дождаться» прихода свободного маркера и «захва­тить» его. Захватив маркер, компьютер может передавать данные. Когда какой-либо компьютер наполнит маркер своей информацией и пошлет его по сетевому кабелю, другие компьютеры уже не смогут

360

передавать данные, так как в каждый момент времени только один компьютер использует маркер. В сети не возникает ни состязания, ни коллизий, ни временных задержек.

Доступ по приоритету запроса (детапд рпогКу). Относительно новый метод доступа, разработанный для сети ЕШегпе1 со скоростью передачи 100 Мбит/с —ЮОУС-АпуЬап. Он стандартизован ШЕЕ в категории 802.12. Этот метод учитывает своеобразную конфигурацию сетей ЮОУС-АпуЬап, которые состоят только из концентраторов и оконечных узлов. Концентраторы управляют доступом к кабелю, последовательно опрашивая каждый узел в сети и выявляя запросы на передачу. Концентратор должен знать все адреса связи и узлы и про­верять их работоспособность. Оконечным узлом в соответствии со спецификацией ЮОУС-АпуЬап может быть компьютер, мост, марш­рутизатор или коммутатор.

При доступе по приоритету запроса, как и при С8МА/СВ, два компьютера могут конкурировать за право передать данные. Однако в этом методе реализуется принцип, по которому определенные типы данных, если возникло состязание, имеют соответствующий приори­тет. Получив одновременно два запроса, концентратор вначале от­дает предпочтение запросу с более высоким приоритетом. Если зап­росы имеют одинаковый приоритет, они будут выполнены в произвольном порядке.

Для сетей с использованием доступа по приоритету запроса раз­работана специальная схема кабеля, поэтому каждый компьютер мо­жет одновременно передавать и принимать данные. Применяется восьмипроводный кабель, по каждой паре проводов которого сигнал передается с частотой 25 Мгц.

7,6,2. Передача Эаннын по сети

Данные, состоящие из нулей и единиц, обычно содержатся в больших по размерам файлах. Однако сети не будут нормально ра­ботать, если компьютер будет посылать такой блок данных целиком. В это время другие компьютеры вынуждены долго ждать своей оче­реди. Такая ситуация похожа на монопольное использование сети. При этом, кроме монопольного использования сети, возникновение ошибок может привести к необходимости повторной передачи всего большого блока данных.

361

Чтобы быстро, не тратя времени на ожидание, передавать ин­формацию по сети, данные разбиваются на маленькие управляемые блоки, содержащие все необходимые сведения для их передачи. Эти блоки называются пакетами. Под термином «пакет» подразумевает­ся единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое.

При разбиении данных на пакеты сетевая ОС добавляет к каж­дому пакету специальную управляющую информацию, которая обес­печивает передачу исходных данных небольшими блоками, сбор дан­ных в определенном порядке (при их получении), проверку данных на наличие ошибок (после сборки).

Компоненты пакета группируются по трем разделам: заголовок, данные и трейлер.

Заголовок включает:

• сигнал о том, что передается пакет,

• адрес источника,

• адрес получателя,

• информацию, синхронизирующую передачу.

Для большинства сетей размер пакета составляет от 512 байт до 4 Кбайт.

Содержимое трейлера зависит от протокола связи (протокол — это набор правил или стандартов для осуществления связи и обмена информацией между компьютерами). Чаще всего трейлер содержит информацию для проверки ошибок, называемую избыточным цикли­ческим кодом (СусНса! КесШпйапсу СЬес1с, СЯС). СКС — это число, получаемое в результате математических преобразований данных па­кета и исходной информации. Когда пакет достигает места назначе­ния, эти преобразования повторяются. Если результат совпадает с СЯС — пакет принимается без ошибок. В противном случае переда­ча пакета повторяется.

Формат и размер пакета зависят от типа сети. Максимальный размер пакета определяет количество пакетов, которое будет созда­но сетевой ОС для передачи большого блока данных.

7,6,3, Сети ЕЫчегпеЬ

Е1Иегпе1 — самая популярная сейчас архитектура. Используется в сетях любого размера. ЕШегпе! — это промышленный стандарт,

362

нашедший широкую поддержку среди производителей сетевого обо­рудования. Поэтому проблем, связанных с использованием устройств разных производителей, почти не существует.

В конце 60-х гг. Гавайский университет разработал ГВС под на­званием АШНА. Университет, расположенный на обширной терри­тории, решил объединить в сеть все компьютеры. Одной из ключе­вых характеристик созданной сети стал метод доступа С8МА/СВ. Эта сеть послужила основой для современных сетей ЕШегпе!. В 1972 г. в исследовательском центре Пало Альто фирмы Хегох разработали ка­бельную систему и схему передачи сигналов, а в 1975 г. — первый продукт ЕЙ1егпе1. Первоначальная версия ЕШегпе! представляла со­бой систему со скоростью передачи 2,94 Мбит/с и объединяла более 100 компьютеров с помощью кабеля длиной 1 км. Сеть Е1Ьегпе1 фир­мы Хегох имела такой успех, что компании Хегох, 1п1е1 СогрогаНоп и В1§11;а1 ЕяшртеШ СогрогаНоп разработали стандарт ЕШегпе! со ско­ростью передачи 10 Мбит/с. Сегодня его рассматривают как специ­фикацию, описывающую метод совместного использования среды передачи компьютерами и системами обработки данных. Специфи­кация ЕШегпе! выполняет те же функции, что Физический и Каналь­ный уровни модели О81.

ЕШегпе! использует немодулированную передачу, топологию ши­на и метод доступа С5МА/СВ. Другие используемые топологии — звезда-шина. Спецификация — ШЕЕ 802.3. Скорость передачи дан­ных — 10 или 100 Мбит/с. Кабельная система — толстый и тонкий коаксиальный кабель, иТР.

ЕШегпе! разбивает данные на пакеты (кадры), формат которых отличается от формата пакетов в других сетях. Длина 64—1518 бай­тов, но сама структура использует 18 байтов, поэтому остается 46-1500 байтов.

Максимальная общая длина сети 925 м. Общее число компью­теров в сети достигает 1024.

7.6,4, Сети ТсЖеп Р1пд

Версия сети ТЫсеп Шп§ была представлена 1ВМ в 1984 г. как часть предложенного фирмой способа объединения в сеть всего ряда выпускаемых 1ВМ компьютеров и компьютерных систем. В 1985 г.

363

ТсЖеп Мгщ стала стандартом АЫ81/1ЕЕЕ (А№1 — представитель 18О в США).

Сеть ТЫсеп Кш& является реализацией стандарта ШЕЕ 802.5. От других сетей ее отличает не только наличие уникальной кабельной системы, но и использование метода доступа с передачей маркера. Топология типичной сети — звезда/кольцо. Соединение выполняет­ся через концентратор в виде звезды, а физическое кольцо реализу­ется в концентраторе. Кабельная система - 11ТР и 8ТР. Скорость передачи — 4 и 16 Мбит/с.

Когда в сети начинает работать первый компьютер, он генери­рует маркер. Маркер проходит по кольцу от компьютера к компью­теру (направление движения маркера зависит от оборудования), пока один из них не сообщит о готовности передать данные и не возьмет управление маркером на себя. Маркер — это предопределенная по­следовательность бит, которая позволяет компьютеру отправить дан­ные по кабелю. Когда маркер захвачен каким-либо компьютером, другие передавать данные не могут. Захватив маркер, компьютер от­правляет кадр данных в сеть. Кадр проходит по кольцу, пока не дос­тигнет узла с адресом, соответствующим адресу приемника в кадре. Компьютер-приемник копирует кадр в буфер приема и делает помет­ку в поле статуса кадра о получении информации. Кадр продолжает передаваться по кольцу, пока не достигнет отправившего его компь­ютера, который и удостоверяется, что передача прошла успешно. Компьютер изымает кадр из кольца и возвращает туда маркер. В сети одномоментно может передаваться только один маркер, причем толь­ко в одном направлении.

Передача маркера — детерминистический процесс. Это значит, что самостоятельно начать работу в сети (как при методе доступа С8МА/СО) компьютер не может. Он может передавать данные толь­ко после получения маркера. Каждый компьютер действует как од­нонаправленный повторитель, регенерируя маркер и посылая его дальше по кольцу.

Основным компонентом сетей ТЫсеп Кт& является концентра­тор, реализующий физическое кольцо. В сети с передачей маркера вышедший из строя компьютер или соединение останавливают дви­жение маркера, что ведет к прекращению работы всей сети. Концен­траторы разработаны таким образом, чтобы обнаруживать вышедшую из строя плату СА и вовремя отключать ее. Эта процедура позволяет

364

обойти отказавший компьютер, поэтому маркер продолжает цирку­лировать по сети.

7,7. СетеВые протоколы

Протоколы — это набор правил и процедур, регулирующих по­рядок осуществления некоторой связи. Протоколы реализуются во всех областях деятельности человека, например, дипломатических. В сетевой среде — это правила и технические процедуры, позволяю­щие нескольким компьютерам общаться друг с другом.

Различают три определяющих свойства протоколов:

1. Каждый протокол предназначен для различных задач и имеет свои преимущества и недостатки.

2. Протоколы работают на разных уровнях модели О81. Функ­ ции протокола определяются уровнем, на котором он работает.

3. Несколько протоколов могут работать совместно. В этом слу­ чае они образуют так называемый стек, или набор протоколов. Как сетевые функции распределяются по всем уровням модели О81, так и протоколы совместно работают на различных уровнях стека. На­ пример, Прикладной уровень протокола ТСР/1Р соответствует уров­ ню Представления модели О81. В совокупности протоколы опреде­ ляют полный набор функций и возможностей стека.

Передача данных по сети должна быть разбита на ряд последо­вательных шагов, каждому из которых соответствует свой протокол. Эти шаги должны выполняться на каждом сетевом компьютере в одной и той же последовательности. На компьютере-отправителе они выполняются сверху вниз, а на компьютере-получателе — снизу вверх.

Компьютер-отправитель в соответствии с протоколом выполня­ет следующие действия: разбивает данные на небольшие блоки — пакеты, с которыми может работать протокол; добавляет к пакетам адресную информацию, чтобы компьютер-получатель мог опреде­лить, что эти данные предназначены именно ему; подготавливает данные к передаче через плату СА по сетевому кабелю.

Компьютер-получатель в соответствии с протоколом выполняет те же действия, но в обратном порядке. Он принимает пакеты дан­ных из сетевого кабеля и через плату СА передает пакеты в компью­тер. Затем он удаляет из пакета всю служебную информацию, добав-

365

ленную компьютером-отправителем; копирует данные из пакета в бу­фер для их объединения в исходный блок данных; передает прило­жению собранный из пакетов блок данных в том формате, который использует это приложение.

И компьютеру-отправителю, и компьютеру-получателю необхо­димо выполнять каждое действие одинаковым способом, чтобы от­правленные данные совпали с полученными.

До середины 80-х гг. большинство ЛВС были изолированными. С развитием ЛВС и увеличением объема передаваемой ими инфор­мации они стали компонентами больших сетей. Данные, передавае­мые из одной локальной сети в другую по одному из возможных мар­шрутов, называются маршрутизированными, а протоколы, поддерживающие передачу данных между сетями по нескольким мар­шрутам, — маршрутизируемыми. Такие протоколы служат для объе­динения локальных сетей, поэтому их роль постоянно возрастает.

Модель О81 помогает определить, какие протоколы нужно ис­пользовать на каждом ее уровне. Продукты разных производителей, которые соответствуют этой модели, способны вполне корректно взаимодействовать друг с другом. 18О, ШЕЕ, А№1, ГШ (ШегпаНопа! Те1есоттишса1юп8 ишоп) и другие организации по стандартизации разработали протоколы, соответствующие некоторым уровням моде­ли О81.

ТСР/1Р — стандартный промышленный набор протоколов, обеспе­чивающий связь в неоднородной среде, т.е. между компьютерами разных типов. Совместимость — одно из основных преимуществ ТСР/1Р, поэтому его поддерживают большинство ЛВС. Кроме того, ТСР/1Р предоставляет маршрутизируемый протокол для корпоратив­ных сетей и доступ в Интернет. Из-за своей популярности ТСР/1Р стал стандартом де-факто для межсетевого взаимодействия. У ТСР/ 1Р есть два главных недостатка: большой размер и недостаточная скорость работы. Но для современных ОС это не является пробле­мой (проблема только у ОО8-клиентов), а скорость работы сравни­ма со скоростью работы протокола 1РХ.

Стек ТСР/1Р включает и другие протоколы:

• 8МТР (81тр1е МаП ТгапзГег Рго1осо1) — для обмена Е-таП;

• РТР (Р11е ТгапзГег Рго1осо1) - для обмена файлами;

• 8NМР (81тр1е №1\уог1( Мапа^етеп! Рго1:осо1) — для управле­ ния сетью.

366

ТСР/1Р разрабатывался специалистами МО США как маршру­тизируемый, надежный и функциональный протокол. Он также пред­ставляет собой набор протоколов для ГВС. Его назначение — обес­печивать взаимодействие между узлами даже в случае ядерной войны. Сейчас ответственность за разработку ТСР/1Р возложена на сообще­ство Интернет в целом. Установка и настройка ТСР/1Р требует зна­ний и опыта со стороны пользователя, однако применение ТСР/1Р предоставляет ряд существенных преимуществ.

Протокол ТСР/1Р в точности не соответствует модели О81. Вме­сто семи уровней в нем используется только четыре:

1. Уровень сетевого интерфейса.

2. Межсетевой уровень.

3. Транспортный уровень.

4. Прикладной уровень.

Каждый из них соответствует одному или нескольким уровням модели О81.

Уровень сетевого интерфейса, относящийся к Физическому и Канальному уровням модели О81, напрямую взаимодействует с се­тью. Он реализует интерфейс между сетевой архитектурой (Е1Ьегпе1 или ТЫсеп К1п&) и Межсетевым уровнем.

Межсетевой уровень, относящийся к Сетевому уровню модели О81, использует несколько протоколов для маршрутизации и достав­ки пакетов. Для этого используются маршрутизаторы, которые ра­ботают на Сетевом уровне и могут переадресовывать и маршрутизи­ровать пакеты через множество сетей, обмениваясь информацией между отдельными сетями.

Транспортный уровень, соответствующий Транспортному уровню модели О81, отвечает за установку и поддержание соединения меж­ду двумя хостами. Транспортный уровень отвечает также за отправ­ку уведомлений о получении данных, управление потоком, упорядо­чение пакетов и их повторную передачу. Тгатттюп Соп1го1 Рго\осо1 (ТСР) отвечает за надежную передачу данных между узлами. Это ори­ентированный на соединение протокол, поэтому он устанавливает се­анс связи между двумя компьютерами прежде, чем начать передачу.

Прикладной уровень, соответствующий Сеансовому, Представи­тельскому и Прикладному уровням модели О81, соединяет в сети приложения.

367

7,8, СреЭо клиент-серВер

Раньше сетевые системы основывались на модели централизован­ных вычислений, в которой один мощный сервер — мейнфрейм вы­полнял основную работу в сети, а пользователи получали доступ к нему при помощи недорогих и низкопроизводительных компьюте­ров — терминалов. В результате развития персональных компьюте­ров централизованную модель заменила модель клиент-сервер, пре­доставляющая при той же производительности возможности сетевой обработки данных.

В настоящее время большинство сетей использует модель клиент-сервер. Сеть архитектуры клиент-сервер — это сетевая среда, в кото­рой компьютер-клиент инициирует запрос компьютеру-серверу, вы­полняющему этот запрос. Рассмотрим работу модели на примере системы управления БД — приложения, часто используемого в среде клиент-сервер. В модели клиент-сервер ПО клиента использует язык структурированных запросов 8(}Ь (81гисШге(1 (Зиегу Ьан^иа^е), кото­рый переводит запрос с языка, понятного пользователю, на язык, понятный машине. 8(ЗЬ близок к естественному английскому.

Клиент (пользователь) генерирует запрос с помощью интерфейс­ного приложения, которое обеспечивает интерфейс пользователя, формирует запросы и отображает данные, полученные с сервера. В клиент-серверной среде сервер не наделяется пользовательским ин­терфейсом. Представлением данных в удобной форме занимается сам клиент. Компьютер-клиент получает инструкции от пользователя, готовит их для сервера, а затем по сети посылает ему запрос. Сервер обрабатывает запрос, проводит поиск необходимых данных и отсы­лает их клиенту. Клиент в удобной для пользователя форме отобра­жает полученную информацию. В клиент-серверной среде пользова­тель компьютера-клиента имеет дело с экранной формой. В ней он задает необходимые параметры информации. Интерфейсная часть одну и ту же информацию может представлять в различном виде.

Сервер в клиент-серверной среде обычно предназначен для хра­нения данных и управления ими. Именно сервер выполняет боль­шинство операций с данными. Сервер называют также прикладной частью модели клиент-сервер, так как именно он выполняет запро­сы клиентов. Обработка данных на сервере состоит из их сортиров-

368

ки, извлечения затребованной информации и отправки ее по адресу пользователя. ПО предусматривает также обновление, удаление, до­бавление и защиту информации.

Технология клиент-сервер создает мощную среду, обладающую множеством реальных преимуществ. В частности, хорошо спланиро­ванная клиент-серверная система обеспечивает относительно недо­рогую платформу, которая обладает в то же время вычислительными возможностями мэйнфрейма и легко настраивается на выполнение конкретных задач. Кроме того, в среде клиент-сервер резко умень­шается сетевой трафик, так как по сети пересылаются только резуль­таты запросов. Файловые операции выполняются в основном более мощным сервером, поэтому запросы лучше обслуживаются. Это оз­начает, что нагрузка на сеть распределяется более равномерно, чем в традиционных сетях на основе файл-сервера. Уменьшается потреб­ность компьютеров-клиентов в ОЗУ, так как вся работа с файлами выполняется на сервере. По этой же причине на компьютерах-кли­ентах уменьшается потребность в дисковом пространстве. Упро­щается управление системой, контроль ее безопасности становится проще, так как все файлы и данные размещаются на сервере. Упро­щается резервное копирование.

7,9, (пЬегпеЬ кок иерарния сетей

Слово Шегпе1 происходит от выражения т1егсоппес1ей (связанные сети). Это глобальное сообщество малых и больших се­тей. В широком смысле - это глобальное информационное простран­ство, хранящее огромное количество информации на миллионах ком­пьютеров, которые обмениваются данными.

К концу 1969 г. в США был завершен проект АКРАпе! подклю­чением в одну компьютерную сеть 4 исследовательских центров: оГ СаНГогша Ьоз Ап&е1е8, 81апГогс1 КезеагсЬ 1п§(1Ш1е, оГ СаНГогша а* 8ап1а ВагЬага, ишуегсйу оГ 1ЛаЬ. Проект также предусматривал проведение экспериментов в области компь­ютерных коммуникаций, изучение способов поддержания связи в ус­ловиях ядерного нападения и разработку концепции децентрализо­ванного управления военными и гражданскими объектами в период

369

ведения войн. В 1972 г. Минобороны США начало разработку но­вой программы 1п1егпеШп§ Рго]ес1 с целью изучения методов соеди­нения сетей между собой. Выдвигались требования максимальной на­дежности передачи данных при заведомо низком качестве коммуникаций, средств связи и оборудования и возможности пере­дачи больших объемов информации. В 1974 г. была поставлена зада­ча разработки универсального протокола передачи данных, которая была решена созданием протокола передачи данных и объединения сетей - Тгапзтшззюп Соп1го1 РгоЮсо1/1п1егпе1 Рго1осо1 (ТСР/1Р). В 1983 г. был осуществлен перевод АКРАпе1 на ТСР/1Р. В 1989 г. в Европейской лаборатории физики элементарных частиц (СЕКМ, Швейцария, Женева) Тим Бернерс-Ли разработал технологию гипер­текстовых документов — \УогШ Мс1е \УеЬ, позволяющую пользовате­лям иметь доступ к любой информации, находящейся в сети Интер­нет на компьютерах по всему миру. К 1995 г. темпы роста сети показали, что регулирование вопросов подключения и финансиро­вания не может находиться в руках одного Национального научного фонда США, и в этом же году произошла передача региональным сетям оплаты за подсоединение многочисленных частных сетей к на­циональной магистрали.

Рассмотрим схему подключения компьютера к Интернет и про­следим, по каким каналам передается информация, посылаемая в Сеть и принимаемая из Сети. Подключение к Интернету домашнего компьютера выполняется, как правило, с помощью модема (рис. 7.8). При этом чаще всего осуществляется так называемое сеансовое со­единение с провайдером по телефонной линии. Набирается один из телефонных номеров, предоставленных провайдером, для соединения с одним из его модемов. У провайдера имеется набор модемов, так называемый модемный пул. После того, как вы соединились с 15Р (1п1егпе1 8етсе РгоуШег), ваш компьютер становится частью сети данного 18Р Каждый провайдер имеет свою магистральную линию или Ьас/сЬопе.

18Р-провайдеры имеют так называемые точки присутствия РОР (Рощ* оГ Ргезепсе), где происходит подключение локальных пользо­вателей. Провайдер может иметь точки присутствия РОР в несколь­ких городах. В каждом городе находятся аналогичные модемные пулы, на которые звонят локальные клиенты этого провайдера в дан­ном городе. Провайдер обычно арендует волоконно-оптические ли-

370

Магистральная сеть 13Р-В

Магистральная сеть 13Р-А

Высоко-пропускные каналы

Выделенная линия

Варианты доступа в 1п(егпе(

Высоко­производительные марш руги заторы

Точка обмена

большого трафика

(МАР)

Модемный пул

Связь с другими сетями

Сервиоь»!

Точка присутствия провайдера (РОР) 13Р-А

Рис. 7.8. Схема подключения компьютера к 1п1егпе1

нии у телефонной компании для соединения всех своих точек при­сутствия. Крупные коммуникационные компании имеют собствен­ные высокопропускные каналы.

Пусть имеются опорные сети двух Интернет-провайдеров. Оче­видно, что все клиенты провайдера А могут взаимодействовать меж­ду собой по собственной сети, а все клиенты провайдера В — по сво­ей, но при отсутствии связи между сетями А и В клиенты разных провайдеров не могут связаться друг с другом. Для реализации та­кой услуги провайдеры А и В подключаются к так называемым точ­кам доступа NАР (№1луог1с Ассезз Рот1з) в разных городах, и трафик между двумя сетями течет через NАР. Аналогично организуется под­ключение к другим магистральным сетям, в результате чего образу­ется объединение множества сетей высокого уровня. В Интернете

371

действуют сотни крупных провайдеров, их магистральные сети свя­заны через NАР в различных городах, и миллиарды байтов данных текут по разным сетям через ШР-узлы.

В офисе компьютеры, скорее всего, подключены к локальной сети. В этом случае рассмотренная схема видоизменяется. Варианты подключения к провайдеру могут быть различными, хотя чаще всего это выделенная линия.

На сегодняшний день существует множество компаний, имею­щих собственные опорные сети (бэкбоуны), которые связываются с помощью ЫАР с сетями других компаний по всему миру. Благодаря этому каждый, кто находится в Интернете, имеет доступ к любому его узлу, независимо от того, где он расположен территориально.

Скорость передачи информации на различных участках Интер­нета существенно различается. Магистральные линии — это высоко­скоростные каналы, построенные на основе волоконно-оптических кабелей. Кабели обозначаются ОС (орИса! сагпег), например ОС-3, ОС-12 или ОС-48. Так, линия ОС-3 может передавать 155 Мбит/с, а ОС-48 — 2488 Мбит/с (2,488 Гбит/с). Но максимальная скорость по­лучения информации на домашний компьютер с модемным подклю­чением не превышает 56 Кбит/с.

Как же происходит передача информации по всем этим много­численным каналам? Доставка информации по нужному адресу вы­полняется с помощью маршрутизаторов, определяющих, по какому маршруту передавать информацию. Маршрутизатор — это устрой­ство, которое работает с несколькими каналами, направляя в выб­ранный канал очередной блок данных. Выбор канала осуществляет­ся по адресу, указанному в заголовке поступившего сообщения.

Таким образом, маршрутизатор выполняет две взаимосвязанные функции. Во-первых, он направляет информацию по свободным ка­налам, предотвращая закупорку узких мест в Сети; во-вторых, про­веряет, что информация следует в нужном направлении. При объе­динении двух сетей маршрутизатор включается в обе сети, пропуская информацию из одной в другую. В некоторых случаях он осуществ­ляет перевод данных из одного протокола в другой, при этом защи­щая сети от лишнего трафика. Эту функцию маршрутизаторов мож­но сравнить с работой службы ГИБДД, которая ведет наблюдение за автомобильным движением с вертолета и сообщает водителям опти­мальный маршрут.

372

7,9,1, Протоколы интернет

Различают два типа протоколов: базовые и прикладные. Базовые протоколы отвечают за физическую пересылку сообщений между компьютерами в сети 1п1егпе1. Это протоколы 1Р и ТСР. Прикладны­ми называют протоколы более высокого уровня, они отвечают за функционирование специализированных служб. Например, протокол НТТР служит для передачи гипертекстовых сообщений, протокол РТР — для передачи файлов, 5МТР — для передачи электронной почты.

Набор протоколов разных уровней, работающих одновременно, называют стеком протоколов. Каждый нижележащий уровень стека протоколов имеет свою систему правил и предоставляет сервис вы­шележащим. Аналогично каждый протокол в стеке протоколов вы­полняет свою функцию, не заботясь о функциях протокола другого уровня.

На нижнем уровне используются два основных протокола: 1Р (1п1;егпе1 Рго1осо1 — протокол Интернет) и ТСР (Тгапзпшзюп Соп1го1 Рго1осо1 — протокол управления передачей). Архитектура протоколов ТСР/1Р предназначена для объединения сетей. В их качестве могут выступать разные ЛВС (ТЫсеп Клщ>, Е1Ьегпе1 и др.), различные на­циональные, региональные и глобальные сети. К этим сетям могут подключаться машины разных типов. Каждая из сетей работает в соответствии со своими принципами и типом связи. При этом каж­дая сеть может принять пакет информации и доставить его по ука­занному адресу. Таким образом, требуется, чтобы каждая сеть имела некий сквозной протокол для передачи сообщений между двумя вне­шними сетями.

Предположим, имеется некое послание, отправляемое по элект­ронной почте. Передача почты осуществляется по прикладному про­токолу 5МТР, который опирается на протоколы ТСР/1Р. Согласно протоколу ТСР, отправляемые данные разбиваются на небольшие пакеты фиксированной структуры и длины, маркируются таким об­разом, чтобы при получении данные можно было бы собрать в пра­вильной последовательности.

Обычно длина одного пакета не превышает 1500 байт. Поэтому одно электронное письмо может состоять из нескольких сотен таких пакетов. Малая длина пакета не приводит к блокировке линий свя-

373

зи и не позволяет отдельным пользователям надолго захватывать ка­нал связи.

К каждому полученному ТСР-пакету протокол 1Р добавляет ин­формацию, по которой можно определить адреса отправителя и по­лучателя. Это аналогично помещению адреса на конверт. Для каж­дого поступающего пакета маршрутизатор, через который проходит пакет, по данным 1Р-адреса определяет, кому из ближайших соседей необходимо переслать данный пакет, чтобы он быстрее оказался у получателя, т.е. принимает решение об оптимальном пути следова­ния очередного пакета. При этом географически самый короткий путь не всегда оказывается оптимальным (быстрый канал на другой континент может быть лучше медленного в соседний город). Очевид­но, что скорость и пути прохождения разных пакетов могут быть различными. Взаимосвязанные пакеты данных могут передаваться различными путями. Возможно, что пакеты будут путешествовать через разные континенты с различной скоростью. При этом пакеты, отправленные позже, могут дойти раньше. Независимо от длины пути в результате конечного числа пересылок ТСР-пакеты достигают ад­ресата.

Наконец, ТСР-модуль адресата собирает и распаковывает 1Р-конверты, затем распаковывает ТСР-конверты и помещает дан­ные в нужной последовательности. Если чего-либо не достает, он тре­бует переслать этот пакет снова. Пакеты не только теряются, но и могут искажаться при передаче из-за наличия помех на линиях свя­зи. ТСР решает и эту проблему. В конце концов, информация соби­рается в нужном порядке и полностью восстанавливается.

Таким образом, протокол 1Р осуществляет перемещение данных в сети, а протокол ТСР обеспечивает надежную доставку данных, используя систему кодов, исправляющих ошибки. Причем два сете­вых сервера могут одновременно передавать в обе стороны по одной линии множество ТСР-пакетов от различных клиентов.

Необходимо подчеркнуть основное различие передачи информа­ции по телефонной сети и по Интернету. Телефонная система при звонке по телефону в другой регион или даже на другой континент устанавливает канал между вашим телефоном и тем, на который вы звоните. Канал может состоять из десятков участков разной физи­ческой природы — медные провода, волоконно-оптические линии, беспроводные участки, спутниковая связь и т.д. Эти участки неиз-

374

менны на протяжении всего сеанса связи. Это означает, что линия между вами и тем, кому вы звоните, постоянна в течение всего раз­говора, поэтому повреждения на любом участке линии способны прервать ваш разговор. При этом выделенная вам часть сети для дру­гих уже недоступна. Речь идет о сети с коммутацией каналов. Ин­тернет же является сетью с коммутацией пакетов. Процесс пересыл­ки электронной почты принципиально иной.

Итак, 1п1егпе1-данные в любой форме — электронное письмо, \УеЬ-страница или скачиваемый файл — путешествуют в виде груп­пы пакетов. Каждый пакет посылается на место назначения по оп­тимальному из доступных путей. Поэтому даже если какой-то учас­ток Интернет окажется нарушенным, то это не повлияет на доставку пакета, который будет направлен по альтернативному пути. Таким образом, во время доставки данных нет необходимости в фиксиро­ванной линии связи между двумя пользователями. Принцип пакет­ной коммутации обеспечивает основное преимущество 1п1егпе( — надежность. Сеть может распределять нагрузку по различным участ­кам за тысячные доли секунды. Если какой-то участок оборудования сети поврежден, пакет может обойти это место и пройти по другому пути, обеспечив доставку всего послания. Прототип Интернет — сеть АКРАпе!, разработанная по заказу Минобороны США, задумывалась именно как сеть, устойчивая к повреждениям (например, в случае военных действий), способная продолжать нормальное функциони­рование при выходе из строя любой ее части.

7,9,2, ПЭресоиия В интернет

Каждому компьютеру, подключенному к Интернету, присваива­ется идентификационный номер, который называется 1Р-адресом.

При сеансовом подключении к Интернету 1Р-адрес выделяется компьютеру только на время этого сеанса. Присвоение адреса ком­пьютеру на время сеанса связи называется динамическим распределе­нием 1Р-адресов. Оно удобно для провайдера, поскольку один и тот же 1Р-адрес в разные периоды времени может быть выделен разным пользователям. Таким образом, Интернет-провайдер должен иметь по одному 1Р-адресу на каждый обслуживаемый им модем, а не на каж­дого клиента.

1Р-адрес имеет формат ххх.ххх.ххх.ххх, где ххх — числа от 0 до

375

255. Рассмотрим типичный 1Р-адрес: 193.27.61.137. Для облегчения запоминания 1Р-адрес обычно выражают рядом чисел в десятичной системе счисления, разделенных точками. Но компьютеры хранят его в бинарной форме. Например, тот же 1Р-адрес в двоичном коде бу­дет выглядеть так:

11000001. 00011011. 00111101. 10001001.

Четыре числа в 1Р-адресе называются октетами, поскольку в каждом из них при двоичном представлении имеется восемь разря­дов: 4 • 8=32. Так как каждая из восьми позиций может иметь два различных состояния: 1 или 0, общий объем возможных комбина­ций составляет 2⁸ или 256, т.е. каждый октет может принимать зна­чения от 0 до 255. Комбинация четырех октетов дает 2³² значений, т.е. примерно 4,3 млрд комбинаций, за исключением некоторых за­резервированных адресов.

Октеты делят на две секции: №1 и НоМ. №1-секция используется для того, чтобы определить сеть, к которой принадлежит компьютер. НоМ, который называют узлом, определяет конкретный компьютер в сети.

Подобная система используется и в обычной почте.

На ранней стадии своего развития Интернет состоял из неболь­шого количества компьютеров, объединенных модемами и телефон­ными линиями. Тогда пользователи могли установить соединение с компьютером, набрав цифровой адрес, например 163. 25. 51. 132. Это было удобно, пока компьютеров было мало. По мере увеличения их количества цифровые имена стали заменять текстовыми, потому что текстовое имя проще запомнить, чем цифровое. Возникла проблема автоматизации этого процесса, и в 1983 г. в Висконсинском универ­ситете США была создана так называемая ^N5-система (Вотат Ыате 8у81ет), которая автоматически устанавливала соответствие между текстовыми именами и 1Р-адресами. Вместо чисел была пред­ложена ставшая сегодня для нас привычной запись типа \у\т тупате. §огой. га.

Подобным же образом осуществляется сортировка обычной по­чты. Люди привыкли ориентироваться по географическим адресам, в то время как автомат на почте быстро сортирует почту по индексу.

Таким образом, при пересылке информации компьютеры ис­пользуют цифровые адреса, люди — буквенные, а БЫЗ-сервер слу­жит своеобразным переводчиком.

376

7,9,3, Ооменные имена

Когда происходит обращение на \УеЬ или посылается е-таП, то используется доменное имя. Например, адрес Ъирг/^учтотюгозой.сот содержит доменное имя тшсгозой.сот. Аналогично е-та11-адрес а1§о1@гатЫег.ш содержит доменное имя гатЫепги.

В доменной системе имен реализуется принцип назначения имен с определением ответственности за их подмножество соответствую­щих сетевых групп.

Каждая группа придерживается этого простого правила. Имена, которые она присваивает, единственны среди множества ее непос­редственных подчиненных, поэтому никакие две системы, где бы они ни находились в Интернете, не смогут получить одинаковые имена. Так же уникальны адреса, указываемые на конвертах при доставке писем обычной почтой. Таким образом, адрес на основе географи­ческих и административных названий однозначно определяет точку назначения.

Домены имеют подобную иерархию. В именах домены отделя­ются друг от друга точками: асНгеззх.тшК.ш, асИгеззу.зрЬ.ш. В имени может быть различное количество доменов, но обычно их не боль­ше пяти. По мере движения по доменам в имени слева направо, ко­личество имен, входящих в соответствующую группу, возрастает.

Для перевода буквенного доменного имени в 1Р-адрес цифрового формата служат ОМ8-серверы.

В качестве примера рассмотрим адрес §гоир. ГасиН. ишуегз. Г81. ги.

Первым в имени стоит название рабочей машины — реального компьютера с 1Р-адресом. Это имя создано и поддерживается груп­пой ГасиН. Группа входит в более крупное подразделение ишуегз, да­лее следует домен гз! — он определяет имена ростовской части сети, а ш — российской.

Каждая страна имеет свой домен: аи — Австралия, Ье — Бельгия и т.д. Это географические домены верхнего уровня.

Помимо географического признака используется организационный признак, в соответствии с которым существуют следующие домен­ные имена первого уровня:

• сот — коммерческие предприятия,

• ейи — образовательные учреждения,

государственные учреждения,

377

• гш! — военные организации,

• пе1 — сетевые образования,

• ог& — учреждения других организаций и сетевых ресурсов. Внутри каждого доменного имени первого уровня находится це­ лый ряд доменных имен второго уровня. Домен верхнего уровня рас­ полагается в имени правее, а домен нижнего уровня — левее.

Так, в адресе худуду. сопйпеШ. га*, ш домен верхнего уровня га указывает на то, что адрес принадлежит российской части Интернет, гз! — определяет город, следующий уровень — домен конкретного предприятия.

Лавинообразное подключение в сети Интернет обнажило про­блему недостатка адресного пространства. В 1995 г. организация 1ЕТР (1п1егпе1 Еп§1пеепп§ Таз1с Рогсе - инженерные силы Интернет) опуб­ликовала рекомендации по протоколу 1Р следующего поколения — 1Р v. 6 (сейчас 1Р v. 4), которые предполагают постепенный переход с существующей 32-разрядной системы присвоения 1Р-адресов на 128-разрядную систему. Такая мера сулит увеличение адресного про­странства в 296 раз, что позволит каждому жителю планеты иметь несколько адресов. Переход уже начался. Вместе с использованием новых оптоволоконных каналов для увеличения скорости в сотни и тысячи раз расширение адресного пространства даст возможность осуществить проект Интернет 2. Эта сеть в настоящее время развер­тывается в США для ряда университетов, школ, федеральных агентств и крупных компьютерных компаний.

Во время приема запроса на перевод доменного имени в 1Р-ад-рес О^-сервер выполняет одно из следующих действий:

• отвечает на запрос, выдав 1Р-адрес, если знает 1Р-адрес запра­ шиваемого домена;

• взаимодействует с другим В№-сервером для того, чтобы найти 1Р-адрес запрошенного имени, если он его не знает (такой зап­ рос может проходить по цепочке О№-серверов несколько раз);

• выдает сообщение: «Я не знаю 1Р-а<1с1ге88 домена, запрашивае­ мого вами, но вот 1Р-а<1<1ге88 ВЫЗ-сервера, который знает боль­ ше меня»;

• сообщает, что такой домен не существует.

Предположим, вы набрали адрес §гоир. ГасиИ. ишуегз. Г81. сот, который имеет адрес в домене верхнего уровня СОМ. В простейшем варианте браузер контактирует с О№-сервером для того, чтобы по-

378

лучить 1Р-адрес искомого компьютера, и ОНЗ-сервер возвращает этот искомый 1Р-адрес.

Одна из причин надежной работы этой системы — ее избыточ­ность. Существует множество ОЫ5-серверов на каждом уровне, и поэтому если один из них не может дать ответ, то точно существует другой, на котором есть необходимая информация.

Система кэширования делает поиск более быстрым. ОЫ5-сервер, однажды сделав запрос на корневой ОЫ5 и получив адрес нужного О№-сервера, кэширует полученный 1Р-адрес. В следующий раз он уже не будет повторно обращаться с подобным запросом. Подобное кэширование происходит с каждым запросом, что постепенно опти­мизирует скорость работы системы. Пользователям работа ОЫ5-сер-вера не видна, однако эти серверы каждый день выполняют милли­арды запросов, обеспечивая работу миллионов пользователей.

7,9.4, Варианты Зоступа В интернет

Провести соединение между 18Р-провайдером и пользователя­ми — задача не из простых. Обычно провайдер подключен к Интер­нет с помощью дорогостоящего оптоволоконного высокоскоростно­го канала. Один провайдер обслуживает множество клиентов, кото­рые рассредоточены на большой территории. Технология, по которой осуществляется связь между абонентами и местной телекоммуника­ционной службой, т.е. провайдером, получила название технологии последней мили. Название это условное (обычно расстояние от або­нента до провайдера не превышает 4 км).

Существует целый ряд технологий, позволяющих использовать имеющуюся инфраструктуру — телефонные линии, сети кабельного телевидения и т.д., — для осуществления доступа в Интернет.

Наиболее распространенный среди домашних пользователей в России способ доступа в Интернет — доступ по коммутируемой те­лефонной линии с помощью модема. Скорость доступа при таком спо­собе подключения не более 56 Кбит/с, но такая скорость сегодня мало кого устраивает. Какие же альтернативные технологии позво­ляют получить более высокую скорость доступа в Интернет?

Обычный телефон использует лишь низкочастотный диапазон линии. Однако провод телефонной линии способен передавать го-

379

раздо больше данных, если использовать более широкую полосу (по­лоса пропускания обычной телефонной линии 3400 КГц). Поэтому телефонную сеть, которая изначально предназначалась для переда­чи голосового сигнала, приспособили для высокоскоростной пере­дачи цифровых данных.

^8^-теx,нология (Ощ11а1 8иЪзспЪег Ыпе — цифровая абонентская линия) позволяет использовать более широкую полосу пропускания для передачи данных без ущерба для использования телефонной ли­нии по прямому назначению. Существует целое семейство техноло­гий под общим названием хВ81, где приставка х указывает на кон­кретную спецификацию семейства О8Ь. Эта технология весьма перспективна, она позволяет одновременно работать в Интернете и разговаривать по телефону. Скорость подключения по ней намного выше, чем при помощи обычного модема. О8Ь не требует проклад­ки новых проводов, так как использует уже имеющуюся телефонную динию.

Одним из основных преимуществ технологии хО8Ь является высокоскоростной доступ в Интернет. При работе в Интернет основ­ной поток информации идет из сети к пользователю, а в сеть пере­дается гораздо меньший объем данных. Действительно, при просмот­ре ^еЬ-страниц в ответ на небольшой запрос пользователь получает из Сети не только текст, но и изображения. Таким образом, инфор­мационный обмен является асимметричным.

АО8Ь (Азутте^пса! О8Ь), или асимметричный В8Ь, позволя­ет передавать данные пользователю со скоростью, на порядок пре­вышающую скорость передачи данных от пользователя. При этом сигнал от пользователя в Сеть передается на более низких частотах, чем сигнал из Сети к пользователю. Теоретически при этом можно иметь канал с пропускной способностью 1 Мбит/с в прямом направ­лении (в Сеть) и 8 Мбит/с — в обратном. При этом одна и та же линия может использоваться для передачи голоса и цифровых дан­ных. По сравнению с коммутируемым доступом АВ8Ь-линия рабо­тает, как минимум, на два порядка быстрее. Высокая скорость по­зволяет комфортно работать с \УеЪ-сайтами с мультимедийной информацией, быстро перекачивать большие файлы и полноценно использовать интерактивные приложения.

Достоинства АВ8Ь: легкость установки (используется уже име­ющаяся телефонная линия), постоянный доступ в Интернет (пользо-

380

ватели АВ8Ь не разделяют полосу пропускания с другими абонен­тами).

Недостаток АБ8Ь: ограничения по дальности. Скорость переда­чи потока данных в обратном направлении существенно зависит от расстояния. Если при расстоянии 3 км можно получить скорость около 8 Мбит/с, то на расстоянии 5 км — только 1,5 Мбит/с.

На стороне пользователя компьютер подключается к АВ8Ь-мо-дему. Принцип действия АВ8Ь-модема заключается в том, что диа­пазон частот в интервале 24—1100 КГц разбивается на 4 КГц поло­сы, на каждую из которых назначается виртуальный модем. Таким образом, каждый из этих 249 виртуальных модемов работает со сво­им диапазоном. АО8Ь-модем подключается к частотному разделите­лю. Частотный разделитель представляет собой фильтр низких час­тот, разделяющий низкочастотный сигнал обычной телефонной связи и высокочастотный АВ8Ь-сигнал. Конструктивно частотный разде­литель, или сплиттер, выполняется в виде блока, имеющего три гнез­да: для подключения АВ8Ь-модема, телефонного аппарата и линии. Частотный разделитель позволяет подключить к одной линии и ком­пьютер, и телефон. Таким образом, по одной линии могут переда­ваться и цифровые компьютерные сигналы, и аналоговые сигналы телефонной связи.

На телефонной станции такой же частотный разделитель позво­ляет разделять низкочастотные и высокочастотные сигналы на дру­гом конце абонентной линии. Голосовой аналоговый сигнал направ­ляется в телефонную сеть общего пользования, а цифровой сигнал — на мультиплексор доступа В8ЬАМ. На стороне провайдера сигнал от мультиплексора доступа В81АМ через модемный пул и сервер попадает в Интернет.

Мультиплексор доступа О81АМ (О1§1(а1 ЗиЬзспЬег 1лпе Ассе88 МиШр1ехег) — это устройство, установленное на телефонной станции, которое осуществляет подключение всех О8Ь-абонентов к одной высокоскоростной линии.

АВ8Ь — весьма экономичная технология. Обычно такая линия обходится потребителю намного дешевле, чем выделенный канал аналогичной пропускной способности. По данной технологии может быть подключен не только отдельный компьютер, но и локальная сеть.

В8Ь-технология позволяет также использовать широкополосный

381

доступ. Понятие «широкополосный доступ» означает, что канал пре­доставляет расширенную полосу частот для передачи информации. Высокая скорость передачи информации достигается благодаря тому, что с использованием широкой полосы частот информация может быть мультиплексирована и отправлена на нескольких различных частотах, позволяя, таким образом, передавать за единицу времени большее количество информации. Как известно, мультиплексирова­ние — это передача нескольких сигналов по одному физическому ка­налу путем разделения его на подканалы. Говоря о частотном муль­типлексировании, имеют в виду частотное разделение на подканалы.

Под термином узкополосный доступ обычно понимается канал, достаточный для передачи голоса. Скорость передачи по такому каналу не превышает 64 Кбит/с. Считается, что широкополосный до­ступ — это канал со скоростью передачи не менее 256 Кбит/с. Ши­рокополосный доступ позволяет передавать в одном канале различ­ные сигналы и одновременно пользоваться телефоном, телевизором и Интернетом.

Выделенная телефонная линия — это арендованная телефонная линия связи, соединяющая без коммутации двух абонентов. Наибо­лее распространенной технологией выделенной линии является тех­нология I8^N (1п1е§га1ей 8егуюе8 ОщНа! №1мог1().

I5^N — это стандарт цифровой передачи. Основным компонен­том любой 18ВМ-линии является однонаправленный канал или В-канал с пропускной способностью 64 Кбит/с. По этому каналу могут пе­редаваться цифровые данные и, соответственно, оцифрованные ви­део- и аудиоданные. Для расширения полосы пропускания В-кана-лы группируются по два. В состав группы включается также О-канал (16 Кбит/с), управляющий передачей данных.

Передача информации может осуществляться по обычному мед­ному проводу. Пользователи, которые устанавливают 18ВМ-адаптер вместо модема, могут получить доступ в Интернет со скоростью до 128 Кбит/с. I8^N требует установки адаптеров на обоих концах ли­нии передачи. 18В1Ч-канал обычно предоставляется телефонными станциями. По линии I8^N можно вести телефонные разговоры и одновременно передавать данные в Интернет.

Сеть кабельного телевидения первоначально была разработана как система для передачи аналогового видеосигнала в одном направле­нии — в сторону пользователя. Позднее были созданы так называе-

382

мые кабельные модемы, которые кодируют и передают данные по ка­белю таким образом, что это не мешает передаче телевизионного сигнала. Основным достоинством этой технологии является то, что используются уже имеющиеся сети кабельного телевидения. При доступе в Интернет по сетям кабельного телевидения обеспечивает­ся высокая скорость передачи информации. Полосы пропускания те­левизионного кабеля вполне достаточно для предоставления услуг последней мили при скоростях, сравнимых с теми, что предоставляют операторы В8Ь.

В отличие от АВ8Ь, которая обеспечивает высокоскоростную передачу данных по одной телефонной линии, сети кабельного те­левидения являются сетями коллективного пользования. Кабельные модемы получают услугу от общего источника информации. Рабочая полоса частот кабельного модема разделяется между всеми пользо­вателями, подключенными к линии, и, следовательно, зависит от количества одновременно работающих пользователей. Обычно к од­ной модемной системе подключается несколько десятков абонентов. Чем больше клиентов одновременно посылают данные, тем меньше скорость их передачи. На практике скорость передачи данных от пользователей при применении кабельного модема часто меньше, чем при использовании АО8Ь.

Для организации связи между пользователем и опорной точкой радиосети провайдера используют радиоканал для высокоскоростно­го доступа в Интернет. С помощью этой технологии к Интернету можно подключить как индивидуальных пользователей, так и ЛВС. Для этого у абонента устанавливается радиомодем, который подклю­чается к сетевой карте ПК или к хабу/маршрутизатору (в случае под­ключения ЛВС). Радиомодем соединен с направленной антенной, ус­тановленной на крыше здания. Антенна абонента направляется на базовую станцию провайдера. Связь между точкой входа в Интернет провайдера и абонентом осуществляется по радиоканалу.

С помощью данной технологии можно также объединить в сеть несколько филиалов компании без кабельного соединения. Для это­го в каждом подразделении устанавливается абонентский комплект: направленная антенна и радиомодем. Провайдер обеспечивает связь между всеми точками доступа фирмы и правильную маршрутизацию данных.

Оборудование беспроводных сетей работает в диапазоне частот

383

2,4 ГГц. Сигналы такой частоты распространяются вдоль прямой линии, соединяющей антенны, поэтому радиоканал может быть орга­низован при условии прямой видимости между абонентской антен­ной и антенной провайдера. На практике направленные антенны обеспечивают дальность связи до 30 км.

Преимущества радиоканала: быстрая инсталляция, мобильность (нет кабеля), высокая скорость (несколько Мбит/с в зависимости от оборудования), затраты (первоначальные затраты на оборудование выше, чем в случае выделенной линии, но абонентская плата ниже).

В случае отсутствия телефонных станций и кабельного телеви­дения может помочь спутниковый доступ в Интернет. При этом ско­рость доступа на порядок выше, чем по обычному модему через коммутируемую телефонную линию, но несоизмеримо ниже А8ВЬ-доступа. Существует две разновидности организации высокоскорос­тного доступа в Интернет по спутниковому каналу: симметричная и асимметричная.

В случае симметричного доступа клиент осуществляет передачу запроса на спутник и прием данных со спутника. Подобное реше­ние является достаточно дорогим, как по части клиентского обору­дования, так и по стоимости абонентской платы.

В случае асимметричного доступа клиент осуществляет передачу запроса на получение требуемой информации по наземному каналу, а принимает информацию со спутника. Пользователь связывается с любым провайдером Интернета через обычный телефонный модем. Используя этот канал связи, он регистрируется на сервере провай­дера, который обеспечивает асимметричный доступ в Интернет. Пос­ле авторизации весь поток информации, поступающей в адрес пользователя через Интернет, направляется к нему не по обычной те­лефонной линии, а через спутниковый канал.

В последние годы активно разрабатываются технологии, направ­ленные на использование бытовой электрической сети для доступа в Интернет. Одно из важнейших преимуществ бытовой электрической сети состоит в ее распространенности. Поэтому идея передачи ин­формации по такой сети очень перспективна. Поскольку бытовая электрическая сеть первоначально не была предназначена для пере­дачи информации, то это создает ряд технических трудностей. Элек­тропроводка характеризуется высоким уровнем шумов, быстрым затуханием высокочастотного сигнала, а также изменением комму­никационных параметров в зависимости от текущей нагрузки.

384

Несмотря на технические трудности, сегодня уже имеются тех­нологии, позволяющие использовать силовую кабельную инфра­структуру. В частности, компании Мог.теЪ и 1М1ес1 11ШШе8 разрабо­тали технологию ^Р^ (О1§1(а1 Ро^ег 1лпе), позволяющую передавать голос и пакеты данных через простые электрические сети 120/220 В со скоростью до 1 Мбит/с.

Ожидается, что ВРЬ-технология сможет дать новый импульс развитию средств передачи данных по линиям электропитания и сде­лает возможным прямой доступ в Интернет практически из любой точки земного шара по минимальной стоимости. Пока эта техноло­гия не получила широкого распространения, однако в ближайшем будущем можно ожидать существенных изменений на рынке провай­дерских услуг и снижения расценок на доступ в Сеть, включая цены на коммутируемые и выделенные линии.

Если эта технология получит распространение, она сможет зна­чительно изменить расстановку сил на рынке предоставления 1п1егпе1-доступа. Технология будет способствовать и появлению но­вых принципов проектирования силовых электрических сетей с учетом как энергетических, так и коммуникационных требований.

7,9,5, Система аЭресаиии 11В1

Чтобы найти документ в сети Интернет, достаточно знать ссыл­ку на него — так называемый универсальный указатель на ресурс 11К1 (УтГогт Ке8оигсе Ьоса1ог — унифицированный указатель ре­сурса), который указывает местонахождение каждого файла, храня­щегося на компьютере, подключенном к Интернету.

Адрес 1)КЬ является сетевым расширением понятия полного име­ни ресурса, например, файла или приложения и пути к нему в опе­рационной системе. В 1ЖЦ кроме имени файла и директории, где он находится, указывается сетевое имя компьютера, на котором этот ресурс расположен, и протокол доступа к ресурсу, который можно использовать для обращения к нему.

Рассмотрим некоторые 1ЖЬ:

Ы1р://^VV^V.аЬс.с1еГ.^и/1саI1:^п1с^/8^I^Е.Ыт

Первая часть Ы1р:// (НуреПех! ТгапзГег РгсЛосо!) — протокол пе­редачи гипертекста, по которому обеспечивается доставка докумен-