Введение (стр. 3 )

Аналогично по мере того, как каждый пакет поступает (и запоминается) в каждый из расположенных вдоль выбранного маршрута ЦКП, он передается по требуемому звену вперемежку с другими пакетами. После поступления в конечный ЦКП, определяемый по содержащемуся в пакете адресу получате­ля, пакет передается приемному ООД.

Описанную процедуру иллюстрирует рисунок3.1. Как видно из него, каждая полная транзакция занимает лишь (случайную) долю времени передачи каж­дого звена, так как пакеты от одного источника перемежаются на различных звеньях с пакетами от других источников. В крайних случаях требуемое время передачи транзакции по звену колеблется от нуля, когда пользователь не передает никаких данных, до непрерывной передачи данных.

Как видно из рисунок 3.1, может возникнуть ситуация, при которой в ЦКП одновременно по разным звеньям прибывают несколько пакетов, причем все они должны быть переданы по одному и тому же звену. Очевидно, что если несколько особенно длинных пакетов ждут передачи по одному и тому же звену, то другим пакетам придется ждать непредсказуемо долго. Во избежание таких ситуаций и, следовательно, для обеспечения устойчиво быстрого ответа уста­навливается максимально допустимая длина пакета. Именно по этой причине при использовании сетей с коммутацией пакетов сообщение, поступающее внутри ООД в транспортный уровень, может быть перед отправкой сначала расчленено исходным элементом транспортного протокола на более мелкие порции; наоборот, в приемном ООД корреспондирующий элемент транспорт­ного протокола соберет эти порции в одно сообщение. Конечно, все это должно быть прозрачно для пользователя транспортного уровня.

Другое отличие между СДКП и СДКК заключается в том, что в СДКК сеть не позволяет управлять ошибками и потоком передаваемых данных и, следо­вательно, это должно быть реализовано самим пользователем. Наоборот, в СДКП сетевые ЦКП обеспечивают в каждом звене сложные процедуры управ­ления ошибками и потоком, а потому класс служб СДКП значительно выше класса служб СДКК.

Из приведенных рассуждений можно заключить, что для коммутации па­кетов и каналов пользователи задействуют службы двух разных типов. Следо­вательно, даже в полностью цифровых сетях следует применять оба типа служб, выбор которых будет зависеть от самого пользователя.

Рис. 3.1-Схема коммутации пакетов

1.1.5 Датаграммы и виртуальные каналы

Как правило, СДКП обеспечи­вает два режима обслуживания: датаграмм и виртуального вызова (канала). Разница между ними аналогична разнице между обменом сообщениями по­средством посылки писем и посредством телефонного вызова. В первом случае письмо, содержащее сообщение, рассматривается почтовым ведомством как самостоятельный элемент, поставка которого независима от любых других писем. В случае же телефонного вызова сначала в сети устанавливается ком­муникационный путь и только потом имеет место обмен сообщениями.

Служба датаграмм аналогична посылке сообщений с помощью писем, так как каждый пакет, поступающий в сеть, рассматривается как самостоятель­ный, замкнутый элемент, никак не связанный с другими пакетами. Каждый пакет просто принимается и передается дальше только что описанным мето­дом, и, следовательно, служба датаграмм используется главным образом для передачи коротких однопакетных сообщений.

Рисунок 3.2- Логические каналы и виртуальные вызовы

Если пакет содержит несколько сообщений, то, как правило, применяется виртуальный вызов. Он аналогичен передаче сообщений с помощью телефон­ного вызова, так как до посылки какой-либо информации (пакетов данных), связанной с вызовом, исходный ООД сначала передает своему локальному ЦКП специальный пакет запроса, который помимо сетевого адреса приемного ООД содержит определенный номер, называемый идентификатором логиче­ского канала (ИЛК). Сначала ЦКП отмечает у себя этот идентификатор, а потом, как и ранее, передает пакет дальше по сети. В приемном ЦКП пакету запроса на вызов присваивается новый ИЛК, после чего пакет передается затребованному приемному ООД. Далее, если вызов принят, вызывающему ООД возвращается соответствующий ответный пакет. Говорят, что в этот мо­мент между двумя ООД установлен виртуальный вызов. Затем наступает фаза передачи данных и всем последующим пакетам данных, связанным с этим вызовом, на каждом из интерфейсов подключения к сети присваиваются те же идентификаторы. Данным способом и исходный, и приемный ООД могут легко различать пакеты, поступающие по одному и тому же звену, но принадлежа­щие разным вызовам. Таким образом, пакеты, принадлежащие одному и тому же вызову, могут быть переданы пользователю (транспортному уровню) в том же порядке, в котором они были введены. Связь между логическим и виртуаль­ным каналами можно проследить по рисунку 3.3.

Может показаться, что виртуальный канал совпадает с соединением, ус­тановленным в сети с коммутацией каналов; между тем виртуальный канал, как это следует из самого названия, — чисто концептуальное понятие. Более того, поскольку СДКП может дополнительно использовать процедуры управ­ления потоком и ошибка-ми как на пакетном уровне, так и на уровне звена, класс служб, поставляемых виртуальным каналом, очень высок. Это обеспечивает очень высокую вероятность того, что все пакеты, относящиеся к некоторому конкретному вызову, будут доставлены без ошибок, в правильном порядке и без дубликатов. Обычно после обмена всеми данными, связанными с вызовом, виртуальный канал и соответствующие идентификаторы логического канала освобождаются. Однако виртуальный канал может быть сохранен, так что пользователь, нуждающийся в частом общении с другим пользователем, не будет вынужден устанавливать виртуальный канал каждый раз заново. Это называется постоянным виртуальным каналом, и хотя пользователь должен платить за это средство, стоимость каждого вызова определяется только объ­емом переданных данных. Как отмечалось выше, для сетей с коммутацией каналов, как правило, плата зависит от дальности и длительности вызова.

Одним из старейших методов передачи данных является использование выделенных каналов связи [7]. Оператор связи выделяет фиксированный канал, который постоянно доступен для передачи данных с определенной скоростью. Изначально выделенные каналы связи использовались только для осуществле­ния связи между двумя точками (то есть для связи типа точка-точка). Однако в настоящее время применение интеллектуальных устройств, таких как маршру­тизаторы, позволяет осуществлять динамическое управление полосой пропус­кания между несколькими пользователями, что необходимо при организации связи двух локальных сетей.

Проведём сравнения виртуального и дейтаграммного методов КП по следующим характеристикам:

–  установление соединения;

–  адресация;

–  процедура передачи пакета по сети;

–  управление входным потоком сообщений;

–  эффективность использования сетевых ресурсов.

Установление соединения. При виртуальной КП до передачи сообщения устанавливается логическое соединение между взаимодействующими объектами транспортного уровня (а возможно и более высоких уровней ЭМВОС). Этот логический канал запоминается в маршрутных таблицах всех центров коммутации пакетов (ЦКП), которые участвуют в соединении. Пакеты передаются только по установленному логическому каналу, поэтому порядок их следования при этом не нарушается.

При дейтаграммной КП логического соединения не устанавливается, поэтому пакеты одного сообщения передаются по тем маршрутам, которые оптимальны в данный момент, т. е. возможно разными маршрутами. Проблема сборки сообщения из пакетов решается на транспортном уровне (4 уровень по ЭМВОС).

Адресация. При виртуальном режиме КП полный адрес объекта-получателя передаётся только при установлении логического соединения, т. е. с первым пакетом. Получив этот пакет, объект-получатель извещает отправителя о согласии на проведение сеанса связи (или несогласии). Создаётся логическое соединение и передаются остальные пакеты, содержащие только номер логического канала.

При дейтаграммном режиме КП каждый передаваемый пакет обязательно должен содержать полный адрес получателя (и отправителя) и номер пакета в сообщении.

Передача пакета по базовой сети ПД. Виртуальный режим КП предусматривает выделение специальной базовой сети передачи данных (ПД) и передачу пакетов в этой сети ПД по готовому логическому каналу, создаваемому по инициативе транспортного уровня.

При дейтаграммном режиме каждый пакет передаётся по разным маршрутам, что позволяет эффективнее использовать сетевые ресурсы, т. к. в больших сетях загрузка каналов меняется очень быстро, поэтому маршрут доставки желательно корректировать чаще. В данном случае можно построить глобальную сеть без выделения отдельной базовой сети ПД.

Управление входящим потоком. При виртуальном режиме КП управление потоком входящих сообщений (но не пакетов) возможно лишь на входе виртуального канала, т. е. на конкретном центре коммутации пакетов для данного сообщения.

Дейтаграммный режим КП является более гибким и позволяет управлять входящим потоком сообщений практически с любого ЦКП, что улучшает гибкость управления.

Эффективность использования сетевых ресурсов. В виртуальном режиме КП оптимальный маршрут выбирается только в момент установления логического соединения, поэтому при быстром изменении ситуации на сети путь, оптимальный для первого пакета сообщения, может быть не оптимальным для последующих пакетов одного и того же сообщения.

При дейтаграммном режиме коррекция маршрута производится чаще, что позволяет более равномерно загрузить каналы всей сети и, в конечном счёте, уменьшить время доставки сообщения.

1.2. Анализ приложений сетевых архитектур

Сфера применения архитектур Х.200 и TCP/IP определяется их свойствами, которые порождают основные достоинства и недостатки используемых сетевых архитектур.

Так к основным достоинствам архитектуры МСЭ-Т следует отнести:

–  возможность реализации сетей даже на плохих каналах связи, за счёт развитой системы защиты от ошибок и сбоев;

–  возможность работать в реальном масштабе времени, простота реализации режима диалога и передачи речи в цифровой форме, поскольку задержки в доставке пакетов одного и того же сообщения незначительны;

–  высокая степень стандартизации протоколов на всех уровнях, что упрощает построение ИВС заданных размеров с требуемыми показателями качества обслуживания.

Недостатки архитектуры МСЭ-Т следующие:

–  высокая избыточность за счёт большого объёма необходимой служебной информации;

–  необходимость реализации большого набора достаточно сложных протоколов взаимодействия, причём отсутствие хотя бы одного протокола приводит к невозможности передачи данных;

–  существенные трудности при организации взаимодействия различных сетей, особенно при различной сетевой архитектуре.

Рассмотрим теперь основные достоинства и недостатки архитектуры TCP/IP.

Достоинства архитектуры TCP/IP:

–  небольшие затраты на реализацию протоколов взаимодействия за счёт меньшего набора требуемых протоколов;

–  существенное упрощение процедуры маршрутизации, что снижает стоимость базовой сети передачи данных за счёт использования более простых ЦКП;

–  возможность построения крупномасштабной ИВС с использованием разнотипного оборудования;

–  возможность реализации взаимодействия различных сетей с применением простых алгоритмов согласования.

К недостаткам архитектуры TCP/IP можно отнести:

–  возможность реализации только при использовании «хороших» каналов связи (желательно выделенных);

–  необходимость решения проблемы сборки пакетов, которые могут поступать на транспортный уровень в произвольном порядке;

–  возможность потери сообщения из-за несвоевременной доставки одного из пакетов этого сообщения;

–  усложнение прикладных программ пользователя за счёт введения процедур контроля и исправления ошибок в получаемых сообщениях.

Теперь, опираясь на проведённый анализ, можно определить сферу применения сетевых архитектур.

Сетевая архитектура МСЭ-Т эффективна при применении «плохих» каналов связи, необходимости работы в реальном масштабе времени и однородной структуре оборудования, причём основным выступает качество каналов связи. Поэтому у нас получили распространение сети с использованием архитектуры МСЭ-Т (например, сеть РОСПАК).

При построении глобальных сетей, когда решающим фактором выступает простота согласования работы различных национальных сетей, реализуемых, как правило, на разнотипном оборудовании, наиболее эффективно применение архитектуры TCP/IP, данный вывод подтверждается практикой, т. к. в Internet используют именно архитектуру TCP/IP.

Контрольные вопросы по главе

1.  Каковы основные требования к сетевым архитектурам?

2.  Проведите сравнение сетевых архитектур по стекам протоколов.

3.  Проведите сравнение архитектур Х.200 и TCP/IP по идеологии защиты от ошибок.

4.  Проведите сравнение виртуального и дейтаграммного режимов КП.

5.  Дайте анализ достоинств и недостатков сетевых архитектур Х.200 и TCP/IP. Приведите область их применения.

2. АРХИТЕКТУРА ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ Internet

2.1. Общие сведения. История появления Internet

Internet является крупнейшей в мире некоммерческой структурой и представляет собой объединение национальных сетей с целью достаточно быстрой доставки информации между пользователями, расположенными практически в любой точке Земного Шара.

Дословно термин «Internet» означает «между сетей». Это отражает основную функцию Internet — объединение не только отдельных ЭВМ (хост-машин), но и обеспечение связи между различными сетями в глобальном масштабе. Это объединение даёт возможность обмена информацией между всеми ЭВМ, входящими в сети, подключённые к Internet. При этом не важно в какой операционной системе работают хост-машины (Windows, UNIX и т. п.).

Определение. Internet — сеть, объединяющая отдельные локальные, региональные, национальные и глобальные сети.

Сеть Internet начала своё существование в 1982 году, когда были объединены такие крупнейшие национальные сети, как ARPANET, NFSNET и ряд других государственных сетей США, причём основной являлась ARPANET.

Сеть ARPANET была принята в эксплуатацию в 1969 году для целей министерства обороны США и обеспечила объединение больших и супер-ЭВМ военных и научно-исследовательских центров. В середине 70-х годов правительство США и крупные научно-исследовательские фонды начали развитие крупной компьютерной сети NFSNET, которая объединила ведущие научно-исследовательские центры и университеты США, затем к ним подключилась и организация по проведению космических исследований NASA.

Объединение ARPANET и NFSNET послужило началом создания Internet, причём логической основой (сетевой архитектурой) выступили протоколы сети ARPANET, т. е. TCP/IP. Сейчас Internet составляют 11000 различных национальных сетей, связывая более 1 млн. ПЭВМ различных типов в 110 странах мира. Более 10 млн. пользователей регулярно используют ресурсы Internet, а число получающих сообщения через эту сеть достигает 20 млн. человек.

Сама сеть Internet не имеет владельца, однако, она соединяет множество сетей ЭВМ, которые имеют своих владельцев. Многие из таких сетей ЭВМ (либо отдельные хост-ЭВМ) предоставляют на коммерческой основе различную информацию, полезную во многих сферах жизнедеятельности человека. Эта информация накапливается в информационных банках национальных сетей, а доступ обеспечивается средствами Internet, что, собственно, и обеспечивает всемирную популярность Internet.

Кратко рассмотрим основные службы Internet. Самой массовой и простой службой Internet является электронная почта (e-mail), которая по принципам работы во многом напоминает обычную почту.

Другая служба — служба телеконференций USENET. Фактически это набор различных групп пользователей по интересам, где возможно обсуждение практически любых вопросов (литература, наука и т. д.).

Следующей мощной службой Internet являются системы доступа к библиотечным банкам данных. Так через сеть Internet можно получить доступ к Большой Британской Энциклопедии, библиотеке Конгресса США, а также к основным библиотекам университетов всего мира, что позволяет найти практически любую информацию, которая имеется в книгах, журналах, статьях, диссертациях и т. д.

Следующей службой является технология World Wide Web (дословно «всемирная паутина»), которая с помощью гипертекстовой системы обеспечивает удобный графический интерфейс практически любой информации.

Другой мощной службой Internet является доступ к FTP-архивам, которые содержат различное программное обеспечение.

Наиболее «старым» сервисом является служба Telnet, которая обеспечивает интерактивный доступ к удалённым вычислительным ресурсам, причём пользователь воспринимает работу на удалённой ЭВМ, как взаимодействие со своей ПЭВМ.

В последнее время Internet реализует некоторые чисто коммерческие службы, например, заказ товаров, резервирование авиабилетов, доставка подарков и т. д.

В разделе 3 сервисные возможности Internet будут рассмотрены подробнее.

Как уже отмечалось, Internet не имеет владельца, поэтому расчёт за услуги этой сети производится с хозяином информационных ресурсов, ну и конечно оплачиваются используемые связные ресурсы национальной сети.

2.2. Обобщённая структура сети Internet

Все сети, входящие в состав Internet делятся на три класса:

–  локальные вычислительные сети. Они обозначаются — LAN (Local Area Network);

–  региональные (корпоративные) сети, обозначаются — MAN (Metropolitan Area Network);

–  глобальные национальные вычислительные сети, обозначаются — WAN (Wide Area Network).

Если ЛВС имеет непосредственное подключение к Internet, то каждая рабочая станция ЛВС тоже имеет выход в Internet.

Определение. ЭВМ, имеющая самостоятельное подключение к Internet, называется хост-машиной или просто хост (от английского host — хозяин).

Каждая хост-машина получает в Internet свой адрес, по которому эту ЭВМ можно найти практически из любой точки мира.

Таким образом, Internet представляет собой совокупность взаимосвязанных хост-машин и локальных вычислительных сетей (ЛВС).

В архитектуре Internet отдельные сети (ЛВС, региональные и глобальные) соединяются друг с другом специальными устройствами — коммутаторами IP-пакетов.

Определение. Устройства объединения сетей в рамках Internet называются IP-шлюзами, или IP-маршрутизаторами, или (чаще) Router.

Шлюзы обычно реализуются программно на ПЭВМ общего назначения. Шлюз подключается к двум или более сетям, каждая из которых воспринимает этот шлюз как хост-ЭВМ. Поэтому шлюз имеет физический интерфейс и специальный IP-адрес в каждой из подключаемых сетей. Передача пакетов требует от шлюза определение IP-адреса следующего шлюза или, на последнем участке, IP-адреса хост-машины, которой направляется IP-пакет. Функция шлюза, которая обычно называется маршрутизацией, основана на анализе специальных маршрутных таблиц (матриц маршрутов), которые находятся в специальной базе данных. База данных в каждом из шлюзов должна постоянно обновляться, чтобы отражать текущую топологию сети Internet.

На рис. 2.1. представлена обобщённая структура Internet, где показано подключение различного вида сетей к глобальной сети.

Как видно из рис. 2.1, с помощью IP-шлюзов могут быть объединены сети произвольной топологии, одноранговые (кольцевая ЛВС) и с выделенным файл-сервером (шинная ЛВС на рис. 2.1), хост-машина и MAN, кроме того, все эти объекты подключаются к глобальной сети, например, Internet.

 

Обозначения:

LAN — локальная вычислительная сеть; MAN — региональная ИВС; WAN — глобальная ИВС;
WS (Work Station) — рабочая станция ЛВС; FS (File Server) — файл-сервер; Router — IP-маршрутизатор (шлюз/ЦКП).

Рис. 2.1. Фрагмент сети Internet

Основные протоколы семейства TCP/IP приведены на рис. 2.2. Согласно рис. 2.2 одни протоколы верхнего уровня (например, Telnet и FTP) зависят от ТСР, а другие (например, TFTP и RPS) — от UDP. Большинство из них используют только один из этих транспортных протоколов, но некоторые (например, DNS) — оба.

2.3. Система адресации в Internet

К адресам всех хост-машин, подключённых к Internet, предъявляются следующие требования:

–  все адреса должны допускать автоматическую обработку;

–  адреса должны содержать хотя бы минимальную информацию об их владельце.

По приведённым причинам в Internet у каждой хост-машины имеется два адреса: это дружественный (удобный) для ЭВМ цифровой IP-адрес и дружественный пользователю доменный адрес. Обе системы адресов применяются равноценно.

2.3.1. Система IP-адресов (цифровые адреса)

IP-адрес является некоторым числом, выраженным в двоичной системе. Этот адрес содержит 4 байта или 32 двоичных разряда. Принято каждый байт адресной последовательности записывать в виде десятичного числа, например, IP-адрес одной из хост-машин Российского научного центра — «Курчатовский институт», выглядит следующим образом: 144.206.160.32.

Каждое из этих чисел содержит определённую адресную информацию: адрес сети и номер хост-ЭВМ.

Существует 5 классов IP-адресов, которые описываются количеством разрядов в сетевом номере и номере хост-ЭВМ. Класс адреса определяется значением его первого байта. В табл. 2.1. приведены существующие классы IP адресов.

 

Обозначения:

NFS — Network File System — сетевая файловая система; NNTP — Network News Transfer Protocol — протокол сетевой передачи новостей; РОР — Post Office Protocol — протокол почтового отделения; TELNET — Terminal Networking — протокол и программные средства, позволяющие подключаться к удалённой машине и работать с ней через эмулируемый терминал; SMTP — Simple Mail Transfer Protocol — простой протокол электронной почты; FTP — File Transfer Protocol — протокол передачи файлов; RPC — Remote Procedure Call — вызов удалённых процедур; DNS — Domain Name Service — служба именования доменов; TFTP — Trivial File Transfer Protocol — простейший протокол передачи файлов; SNMP — Simple Network Management Protocol — простой протокол управления сетью; TCP — Transmission Control Protocol — протокол управления передачей данных; UDP — User Datagram Protocol — протокол пользовательских дейтаграмм; EGP — Exterior Gateway Protocol — протокол внешней маршрутизации; BGP — Border Gateway Protocol — протокол граничных маршрутизаторов; IP — Internet Protocol — межсетевой протокол; ICMP — Internet Control Message Protocol — межсетевой протокол управляющих сообщений; IGP — Interior Gateway Protocol — внутренний протокол маршрутизации; GGP — Gateway to Gateway Protocol — протокол маршрутизатор–маршрутизатор; RIP — Routing Information Protocol — протокол для передачи маршрутной информации; “Hello” — реализация протокола внутренней маршрутизации; OSPF — Open Shortest Path First — открытый протокол предпочтения кратчайшего пути; IS-IS — Intermediate System to Intermediate System Protocol — протокол маршрутизации, выполняющий маршрутизацию данных IP и МОС; ARP — Address Resolution Protocol — протокол преобразования адресов; RARP — Reverse Address Resolution Protocol — протокол обратного преобразования адресов; Х.25/3 — протокол пакетного уровня сети передачи данных; IEEE 802 — Institute of Electrical and Electronics Engineers 802 — Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике 802; SLIP — Serial Line Internet Protocol — межсетевой протокол для последовательного канала; РРР — Point-to-Point Protocol — протокол точка–точка; Frame Relay — сетевой механизм для быстрой пересылки кадров; ATM — Asynchronous Transfer Mode — режим асинхронной пересылки; Х.25/2 (LAP-B) — протокол для управления передачей кадров (Link Access Procedures Balanced — сбалансированные процедуры доступа к каналу); Х.20; Х.20 bis — сопряжение оборудования обработки данных с асинхронными модемами; Х.21; Х.21 bis — сопряжение оборудования обработки данных с синхронными модемами.

Рис. 2.2. Основные протоколы семейства TCP/IP

Таблица 2.1.

Класс	Диапазоны значений первого байта	Возможное количество сетей	Возможное количество хостов
А	1÷126	126	16
В	128÷191	16 382	65 534
С	192÷223	2	254
D	224÷239	—	—
E	240÷247	—	—

Адреса в цифровом виде представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2.

№ хост-ЭВМ (24р)   № сети (7р)	Разряды	0	1	2	3	4	5	6	7	8 15	16 23	24 31
Зарезервировано   Групповой адрес (28р)   № сети (21р) № хоста (8р)   № сети (14р) № хоста (16р)   Класс адреса	А	0
В	1	0
С	1	1	0
D	1	1	1	0
E	1	1	1	1	0

Адреса класса A предназначены для использования в больших сетях, содержащих более чем 216 хост-машин. Адреса класса B предназначены для сетей среднего размера, содержащих от 28 до 216 хост-машин. Адреса класса C применяются в сетях с небольшим количеством ПЭВМ до 28, например, в ЛВС. Адреса класса D предназначены для обращения к группам хост-машин. Адреса класса E были зарезервированы на будущее.