1.4.Классификация информационно-вычислительных сетей

Информационно-вычислительные сети (ИВС) в зависимости от территории, ими охватываемой, подразделяются на:

1. Локальные (ЛВС или LAN — Local Area Network);

2. Региональные (РВС или MAN — Metropolitan Area Network);

3. Глобальные (ГВС или WAN — Wide Area Network).

Локальные сети – Local Area Networks (LAN).

Чаще всего термин "локальные сети", или "локальные вычислительные сети", понимают буквально, то есть это такие сети, которые имеют небольшие, локальные размеры, соединяют близко расположенные компьютеры. Однако достаточно посмотреть на характеристики некоторых современных локальных сетей, чтобы понять, что такое определение не точно. Например, некоторые локальные сети легко обеспечивают связь на расстоянии нескольких десятков километров. Это уже размеры не комнаты, не здания, не близко расположенных зданий, а, может быть, даже целого города.

Неверно и довольно часто встречающееся определение локальной сети как малой сети, которая объединяет небольшое количество компьютеров. Действительно, как правило, локальная сеть связывает от двух до нескольких десятков компьютеров. Но предельные возможности современных локальных сетей гораздо выше: максимальное число абонентов может достигать тысячи. Называть такую сеть малой неправильно.

Главное отличие локальной сети от любой другой — высокая скорость передачи информации по сети. Но это еще не все, не менее важны и другие факторы.

В частности, принципиально необходим низкий уровень ошибок передачи, вызванных как внутренними, так и внешними факторами. Ведь даже очень быстро переданная информация, которая искажена ошибками, просто не имеет смысла, ее придется передавать еще раз. Поэтому локальные сети обязательно используют специально прокладываемые высококачественные и хорошо защищенные от помех линии связи.

Особое значение имеет и такая характеристика сети, как возможность работы с большими нагрузками, то есть с высокой интенсивностью обмена (или, как еще говорят, с большим трафиком). Ведь если механизм управления обменом, используемый в сети, не слишком эффективен, то компьютеры могут подолгу ждать своей очереди на передачу. И даже если эта передача будет производиться затем на высочайшей скорости и безошибочно, для пользователя сети такая задержка доступа ко всем сетевым ресурсам неприемлема. Ему ведь не важно, почему приходится ждать. Механизм управления обменом может гарантированно успешно работать только в том случае, когда заранее известно, сколько компьютеров, допустимо подключить к сети. Иначе всегда можно включить столько абонентов, что вследствие перегрузки забуксует любой механизм управления.

Наконец, сетью можно назвать только такую систему передачи данных, которая позволяет объединять до нескольких десятков компьютеров, но никак не два, как в случае связи через стандартные порты.

Таким образом, сформулировать отличительные признаки локальной сети можно следующим образом:

1. Высокая скорость передачи информации, большая пропускная способность сети. Приемлемая скорость сейчас — от 100 Мбит/с. до 1 Гбит/с.

2. Низкий уровень ошибок передачи (или, что то же самое, высококачественные каналы связи). Допустимая вероятность ошибок передачи данных должна быть порядка Допустимая вероятность ошибок передачи данных должна быть порядка 10^-8 - 10^-12.

3. Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом по сети.

4. Заранее четко ограниченное количество компьютеров, подключаемых к сети⁴.

Региональные – Metropolitan Area Network (РВС или MAN). В нашей стране являются менее распространенным типом сетей. Эти сети появились сравнительно недавно.

1. Региональные сети связывают абонентов города, района, области или даже небольшой страны. Обычно расстояния между абонентами региональной ИВС составляют десятки — сотни километров.

2. В то время как локальные сети наилучшим образом подходят для разделения ресурсов на коротких расстояниях и широковещательных передач, а глобальные сети обеспечивают работу на больших расстояниях, но с ограниченной скоростью и небогатым набором услуг, сети мегаполисов занимают некоторое промежуточное положение.

3. Они используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями от 45 Мбит/с, и предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными.

4. Первоначально были разработаны для передачи данных, но сейчас они поддерживают и такие услуги, как видеоконференции и интегральную передачу голоса и текста.

Глобальные сети - Wide Area Networks (WAN). Отличительные признаки глобальной сети:

1. Объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах.

2. Обычно используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей (прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, например, на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения).

3. Низкие скорости передачи данных (десятки килобит в секунду) (связано с линиями связи).

4. Соответственно, набор предоставляемых услуг обычно ограничивается передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме, с использованием электронной почты.

5. Применение методов и оборудования повышающих надежность передачи данных по сети (существенно отличающиеся от методов и оборудования, характерных для локальных сетей). Как правило, здесь применяются сложные процедуры контроля и восстановления данных, так как наиболее типичный режим передачи данных по территориальному каналу связи связан со значительными искажениями сигналов.

По принципу организации передачи данных сети можно разделить на две группы:

1. Широковещательные;

2. Последовательные.

Широковещательные сети обладают единым каналом связи, совместно используемым всеми машинами сети. Короткие сообщения, называемые в некоторых случаях пакетами, которые посылаются одной машиной, получают все машины. Поле адреса в пакете указывает, кому направляется сообщение. При получении пакета машина проверяет его адресное поле. Если пакет адресован этой машине, она его обрабатывает. Пакеты, адресованные другим машинам, игнорируются⁵.

В качестве иллюстрации представьте себе человека, стоящего в конце коридора с большим количеством комнат и кричащего: «Ватсон, идите сюда. Вы мне нужны». И хотя это сообщение может быть получено (услышано) многими людьми, ответит только Ватсон. Остальные просто не обратят на него внимания.

Широковещательные сети также позволяют адресовать пакет одновременно всем машинам с помощью специального кода в поле адреса. Когда передается пакет с таким кодом, его получают и обрабатывают все машины сети. Такая операция называется широковещательной передачей. Некоторые широковещательные системы также предоставляют возможность посылать сообщения подмножеству машин, и это называется многоадресной передачей. Одной из возможных схем реализации этого может быть резервирование одного бита для признака многоадресной передачи. Оставшиеся и-1 разрядов адреса могут содержать номер группы. Каждая машина может «подписаться» на одну, несколько или все группы. Когда пакет посылается определенной группе, он доставляется всем машинам, являющимся членами этой группы.

Последовательные сети, напротив, состоят из большого количества соединенных пар машин. В сети подобного типа пакету, чтобы добраться до пункта назначения, необходимо пройти через ряд промежуточных машин. Часто при этом

существует несколько возможных путей от источника до получателя, поэтому алгоритмы вычисления таких путей играют очень важную роль в последовательных сетях⁶.

Обычно (хотя имеются и исключения) небольшие, географически локализованные в одном месте сети используют широковещательную передачу, тогда как в более крупных сетях применяется последовательная передача. В последнем случае имеется один отправитель и один получатель, и такую систему иногда называют однонаправленной передачей.

По геометрии построения (топологии) сети делятся на:

1. Шина (линейные, bus);

2. Звезда (радиальные, star);

3. Кольцо (петлевая, ring);

4. Иерархические сети (древовидная, hierarchy);

5. Ячеистые сети;

6. Смешанные сети.

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети.

Прежде чем перейти к анализу особенностей базовых сетевых топологий, необходимо выделить некоторые важнейшие факторы, влияющие на физическую работоспособность сети и непосредственно связанные с понятием топология:

1. Исправность компьютеров (абонентов), подключенных к сети. В некоторых случаях поломка абонента может заблокировать работу всей сети. Иногда неисправность абонента не влияет на работу сети в целом, не мешает остальным абонентам обмениваться информацией.

2. Исправность сетевого оборудования, то есть технических средств, непосредственно подключенных к сети (адаптеры, трансиверы, разъемы и т.д.). Выход из строя сетевого оборудования одного из абонентов может сказаться на всей сети, но может нарушить обмен только с одним абонентом.

3. Целостность кабеля сети. При обрыве кабеля сети (например, из-за механических воздействий) может нарушиться обмен информацией во всей сети или в одной из ее частей. Для электрических кабелей столь же критично короткое замыкание в кабеле.

4. Ограничение длины кабеля, связанное с затуханием распространяющегося по нему сигнала. Как известно, в любой среде при распространении сигнал ослабляется (затухает). И чем большее расстояние проходит сигнал, тем больше он затухает. Необходимо следить, чтобы длина кабеля сети не была больше предельной длины Lпр , при превышении которой затухание становится уже неприемлемым⁷.

Топология «шина» (см. приложение 1 рис.1) (или, как ее еще называют, общая шина) самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов по доступу к сети. Компьютеры в шине могут передавать сеть только по очереди, так как линия связи в данном случае единственная.

Быстродействие сети во многом определяется числом подключенных к общей шине компьютеров. Чем больше таких компьютеров, тем медленнее работает сеть. Кроме того, подобная топология может стать причиной разнообразных коллизий, которые возникают, когда несколько компьютеров одновременно пытаются передать информацию в сеть. Коллизия - нормальное явление, которое появляется при работе сети. Чтобы проанализировать и устранить коллизию, все компьютеры одновременно изучают возникающие на кабеле сигналы. Если сигналы, которые передаются и реально наблюдаются, не совпадают, то отмечается присутствие коллизии. Те компьютеры, которые заметили коллизию, отправляют в сеть 32-битную последовательность, которая называется jam-последовательностью. Вероятность появления коллизии возрастает с увеличением количества подключенных к шине компьютеров.

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррелконнектору — для увеличения длины кабеля. К любому свободному — неподключенному — концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Преимущества шинной топологии:

1. Надежно работает в небольших сетях, проста в использовании.

2. Требует меньше кабеля для соединения компьютеров и потому дешевле, чем другие схемы соединений.

3. Легко расширяется за счет состыковки кабельных сегментов с помощью цилиндрического соединителя ВНС и использования повторителей⁸.

Недостатки шинной топологии

1. Интенсивный сетевой трафик снижает производительность сети. При большом числе компьютеров в сети станции часто прерывают друг друга, и немалая часть полосы пропускания теряется понапрасну. При добавлении компьютеров к сети резко падает производительность.

2. Цилиндрические соединители ослабляют электрический сигнал и большое их число вызывает нарушения в передаче информации по шине.

3. Разрыв кабеля или неправильное функционирование одной из станций может привести к нарушению работоспособности всей сети. Сеть трудно диагностировать.

Топология «звезда» (см. приложение 1 рис.2). При использовании звездообразной топологии каждый кабельный сегмент, идущий от любого компьютера сети, будет подключаться к центральному коммутатору или концентратору. Все пакеты будут транспортироваться от одного компьютера к другому через это устройство. Допускается использование как активных, так и пассивных концентраторов. В случае разрыва соединения между компьютером и концентратором остальная сеть продолжает работать. Если же концентратор выйдет из строя, то сеть работать перестанет. С помощью звездообразной структуры можно подключать друг к другу даже локальные сети.

Использование данной топологии удобно при поиске поврежденных элементов: кабеля, сетевых адаптеров или разъемов. «Звезда» намного удобнее «общей шины» и в случае добавления новых устройств. Следует учесть и то, что сети со скоростью передачи 100 и 1000 Мбит/с построены по топологии «звезда».

Если в самом центре «звезды» расположить концентратор, то логическая топология изменится на «общую шину».

Преимущества топологии «звезда»:

1. Центральный концентратор звездообразной сети удобно использовать для диагностики. Интеллектуальные концентраторы (устройства с микропроцессорами, добавленными для повторения сетевых сигналов) обеспечивают также измерение параметров (мониторинг) и управление сетью.

2. Отказ одного компьютера не обязательно приводит к остановке всей сети. Концентратор способен выявлять отказы и изолировать такую машину или сетевой кабель, что позволяет остальной сети продолжать работу.

3. В одной сети допускается применение нескольких типов кабелей (если их позволяет использовать концентратор).

Недостатки сети со звездообразной топологией:

1. При отказе центрального концентратора вся сеть становится неработоспособной.

2. Все компьютеры должны соединяться с центральной точкой, это увеличивает расход кабеля, следовательно, такие сети обходятся дороже, чем сети с иной топологией⁹.

Топология «кольцо» (см. приложение 1 рис.3). В случае использования кольцевой топологии все компьютеры сети подключаются к единому кольцевому кабелю. Пакеты проходят по кольцу в одном направлении через все сетевые платы подключенных к сети компьютеров. Каждый компьютер будет усиливать сигнал, и отправлять его дальше по кольцу. Сеть с такой топологией изображена на следующем рисунке.

В представленной топологии передача пакетов по кольцу организована маркерным методом. Маркер представляет собой определенную последовательность двоичных разрядов, содержащих управляющие данные. Если сетевое устройство имеет маркер, то у него появляется право на отправку информации в сеть. Внутри кольца может передаваться всего один маркер.

Компьютер, который собирается транспортировать данные, забирает маркер из сети и отправляет запрошенную информацию по кольцу. Каждый следующий компьютер будет передавать данные дальше, пока этот пакет не дойдет до адресата. После получения адресат вернет подтверждение о получении компьютеру-отправителю, а последний создаст новый маркер и вернет его в сеть.

Данная топология подразумевает подключение каждого компьютера через отдельный кабель ко всем остальным компьютерам, находящимся в сети. Применение этого метода позволяет использовать дополнительные пути транспортировки данных. В случае обрыва какого-либо кабеля поток данных пойдет по другому пути, а сеть сможет нормально функционировать далее. Такая топология характерна для глобальных сетей и объединения нескольких удаленных сетей с применением оптоволоконных, выделенных или спутниковых каналов связи. Для локальных сетей данная топология не используется, так как требует присутствия одновременно нескольких сетевых интерфейсов на одной машине и больших объемов кабеля.

Преимущества сети с кольцевой топологией:

1. Поскольку всем компьютерам предоставляется равный доступ к маркеру, никто из них не сможет монополизировать сеть.

2. Справедливое совместное использование сети обеспечивает постепенное снижение ее производительности в случае увеличения числа пользователей и перегрузки (лучше, если сеть будет продолжать функционировать, хотя и медленно, чем сразу откажет при превышении пропускной способности).

Недостатки сети с кольцевой топологией:

1. Отказ одного компьютера в сети может повлиять на работоспособность всей сети.

2. Добавление или удаление компьютера вынуждает разрывать сеть¹⁰.

Иерархическая топология или «дерево» (см. приложение 1 рис.4). Данную топологию можно рассматривать как комбинациюнескольких звезд. Причем, как и в случае «звезды», «дерево» может быть активным и пассивным. При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном — концентраторы (хабы).

Ячеистая топология (см. приложение 1 рис.5). Для ячеистой топологии характерна схема соединения компьютеров, при которой физические линии связи установлены со всеми рядом стоящими компьютерами.

В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей. Достоинства данной топологии в ее устойчивости к отказам и перегрузкам, т.к. имеется несколько способов обойти отдельные узлы.

Преимущества ячеистой топологии:

1. Эффективную работу с большими потоками данных.

2. Высокий уровень стабильности сети из-за использования дополнительных каналов связи.

3. Высокий уровень безопасности.

4. Поток информации идет от компьютера-отправителя к получателю напрямую, что теоретически исключает перехват данных.

Недостатки ячеистой топологии:

1. Потребность в наличии нескольких сетевых интерфейсов на компьютерах, входящих в сеть.

2. Большая стоимость организации сети.

Смешанная топология (см. приложение 1 рис.6) соединяет в себе две или более топологии, образуя тем самым завершенную сетевую структуру. На данный момент такая сеть является самой распространенной; наиболее часто объединяют звездообразную и шинную топологии.