Компьютерные сети

Развитие терминальных комплексов положило основу развития компьютерных сетей. И следующим шагом стала замена терминальных устройств компьютерами.

Компьютерная сеть — это объединение компьютеров (или вычислительных систем), взаимодействующих через коммуникационную среду (Рис. 57).

Коммуникационная среда — каналы и средства передачи данных.

Можно выделить следующие свойства компьютерных сетей. Во-первых, сеть может состоять из значительного числа связанных между собой автономных компьютеров. Два компьютера называются связанными между собой, если они могут обмениваться информацией. Требование автономности используется, чтобы исключить из рассмотрения компьютерные системы, в которых один компьютер может принудительно запустить, остановить другой компьютер или управлять его работой.

Рис. 57. Компьютерные сети.

Во-вторых, компьютерная сеть предполагает возможность распределенной обработки информации, когда пользователь компьютерной сети может получать в качестве результата может получать данные, обработанные за счет интеграции этапов обработки данных на разных компьютерах сети.

Следующее свойство — расширяемость. Компьютерная сеть должна обеспечивать возможность развития по протяженности, по расширению пропускной способности канала, по составу и производительности компонентов сети.

И, наконец, возможность применения симметричных интерфейсов обмена информацией между компьютерами сети, позволяющих произвольным способом распределять функции сети.

Будем говорить, что логически компьютеры, составляющие сеть, состоят из абонентских машин (или основных компьютеров — хостов) и коммуникационных (или вспомогательных) компьютеров (шлюзы, маршрутизаторы и пр.). Последние выполняют фиксированные функции по обеспечению функционирования сети. Это деление логическое. На практике может оказаться, что одна машина выполняет роль как абонентской машины, так и коммуникационной.

Традиционно для функционирования компьютерных сетей используются 3 модели организации каналов, или 3 модели сетей, — это сети коммутации каналов, сети коммутации сообщений и сети коммутации пакетов. Сразу отметим, что большинство современных сетей являются комбинациями этих основных моделей сетей.

В сети коммутации каналов 2 абонента сети взаимодействуют при помощи сеанса связи, любой из которых является обменом сообщениями. Под сообщением будем понимать логически целостный набор данных произвольного размера. Коммутация каналов происходит на весь сеанс связи.

К достоинствам данных сетей можно отнести следующие свойства:

- канал находится всегда в состоянии готовности;

- требования к коммуникационному оборудованию минимальны: по сути, нет требований к обеспечению буферизации;

- обмены происходят порциями данных произвольной длины — сообщениями — что ведет к уменьшению накладных расходов по передаче информации;

- детерминированная пропускная способность сети.

Среди недостатков данной модели можно отметить следующие:

- дороговизна: любой выделенный канал требует больших материальных затрат;

- наличие высокой избыточности в сети: должно быть либо много каналов, чтобы не было коллизий, либо в сети будут коллизии. При этом период ожидания свободного канала недетерминирован;

- неэффективность использования коммутационного канала: в отдельно взятом сеансе может быть низкая интенсивность обменов сообщениями;

- при отказах и сбоях повторение переданной информации является сложной задачей.

Сети коммутации сообщений — это сети, которые оперируют термином «передача сообщения», а не «сеанс связи», т.е. один абонент другому отправляет сообщение. Выделение канала для передачи каждого сообщения происходит поэтапно от одного узла к другому. На каждом узле на пути следования принимается решение, свободен ли канал к следующему узлу. Если свободен, то сообщение передается далее, иначе происходит ожидание освобождения канала. К достоинствам и недостаткам данной модели можно отнести:

- отсутствие выделенного канала и, соответственно, занятости ресурса коммутируемого канала на неопределенный промежуток времени, т.е. устранена деградация системы, возникающая при организации сетей коммутации каналов;

- в связи с тем, что сообщения могут быть произвольного размера, возникает необходимость наличия в коммутационных узлах средств буферизации (в общем случае неизвестно, какой мощности, поскольку сообщение имеет произвольную длину). Таким образом, данная сеть имеет недетерминированные характеристики;

- обеспечение буферизации требует дорогостоящего коммутационного оборудования;

- необходимость повторения сообщения в случае сбоя при передаче, что само по себе является сложной задачей, хотя менее трудоемкой, чем для сетей коммутации каналов.

Модель сети коммутации пакетов строится на предположении, что в основе лежит сеть, использующая ненадежные средства связи. Функционирования данной сети состоит в следующем: любое сообщение дробится на блоки фиксированной длины, которые называются пакетами. Соответственно, на стороне отправителя происходит разбиение сообщения на пакеты, а на стороне получателя — сборка. Любой пакет помимо непосредственно самого сообщения (или его части) имеет служебную информацию (которая обычно представлена в заголовке пакета), обеспечивающую внутреннюю целостность пакета (контрольная сумма пакета и пр.), адресную составляющую (данные об отправителе и адресате), а также информацию для сборки.

При передаче пакета используется следующая стратегия: любой узел, получив пакет, пытается сразу от него избавиться. Поскольку любая сеть имеет фиксированную топологию, а также фиксированные количество и расположение абонентов, то возможно просчитать ее характеристики и предъявить требования к коммуникационным узлам. Данная модель допускает буферизацию в узлах передачи: пакет, придя на узел, может быть послан несколько позже, если все необходимые выходные каналы заняты. Но период занятости канала при известной стратегии обработки буфера предопределен, поэтому можно оценить предельный размер буфера, а также предельные периоды ожидания пакетов при передаче их по сети. Таким образом, если известна стратегия передачи, пропускная способность является детерминированной величиной.

Среди положительных свойств данной системы можно отметить ее детерминированность (детерминированность перемещений, детерминированность требований к коммуникационному оборудованию), а также то, что при сбое достаточно заново послать потерянные пакеты, а не все сообщение целиком.

К недостаткам модели можно отнести то, что по сети перемещается накладная информация, которая прибавляется к каждому пакету при разбиении сообщения. Еще одной проблемой, связанной с разбиением сообщения на пакеты, является их сборка — это аккумуляция пакетов, а также сама сборка (необходимо обеспечить наличие всех переданных пакетов и их правильный порядок).

1.2.10 Организация сетевого взаимодействия. Эталонная модель ISO/OSI

Теперь речь пойдет об одном аспекте сетевого взаимодействия, который во многом является ключевым, причем важность этого аспекта прослеживается очень давно — с момента появления компьютерных сетей и их массового распространения. Этот аспект связан со стандартизацией, применяемой в вычислительной технике.

На сегодняшний день почти все производственные или технологические процессы, которыми пользуется человек, строятся на достаточно глубокой эшелонированной стандартизации. Стандартизация позволяет современным производствам и организациям производственных процессов быть развиваемыми, ремонтоспособными, обслуживаемыми.

Аналогичная картина и в вычислительной технике. Была введена стандартизация на компьютерные комплектующие, а также на программные интерфейсы. Стандартизация интерфейсов дает возможность взаимозаменяемости компонентов и их работоспособности.

Изначально компьютерные сети развивались на основе терминальных комплексов, которые строились по внутрикорпоративным правилам. Это означает, что коммуникационное программное обеспечение, аппаратура сопряжения и пр. были «своими», и при необходимости модернизации этой сети возникали сложные физические и технологические проблемы.

Развитие сетей определило массовость их использования. Возникла необходимость создания сетей, которые могли бы достаточно прочно расширяться без привлечения существенных переделок, модернизироваться, в которых могли бы меняться ПО, добавляться новые службы. В связи с этим появился целый спектр моделей организации сетей (т.н. «открытых» сетей), в основе которых используется модель системы открытых интерфейсов (OSI — Open Systems Interconnection), предложенная Международной организацией по стандартизации (ISO — International Organization for Standardization). Эта модель ISO/OSI рассматривает сеть и взаимодействие компьютеров в сети в виде семи функциональных уровней. Стоит отметить, что данная модель является рекомендацией, а не стандартом: ISO выделила их на основе анализа исторического развития компьютерных сетей (Рис. 58).

Рис. 58. Модель организации взаимодействия в сети ISO/OSI.

Сначала более детально рассмотрим назначение каждого уровня, а затем сформулируем основные понятия.

Физический уровень. На этом уровне происходит непосредственно передача неструктурированной двоичной информации. Для передачи используется конкретная физическая среда (кабель, радиоволны и т.п.). На данном уровне обеспечивается стандартизация сигналов и соединений.

Канальный уровень (или уровень передачи данных). На этом уровне решаются задачи обеспечения передачи данных по физической линии, обеспечения доступности физической линии, обеспечение синхронизации (например, передающего и принимающего узлов), а также задачи по борьбе с ошибками. Канальный уровень манипулирует порциями данных, которые называются кадрами. В кадрах присутствует избыточная информация для фиксации и устранения ошибок.

Сетевой уровень. На этом уровне обеспечивается управление операциями сети (в т.ч. адресация абонентов, маршрутизация), а также обеспечивается связь между взаимодействующими сетевыми устройствами. Также на этом уровне происходит управление движением пакетов, и при необходимости поддерживается их буферизация.

Транспортный уровень. На данном уровне обеспечивается корректная транспортировка данных, а также программное взаимодействие (а не взаимодействие устройств). Тут же принимается решение о выборе типа услуг (транспортировка данных с установлением виртуального канала или же без оного). В случае установления виртуального канала осуществляется контроль за доставкой и отсутствием ошибок. Если же виртуальный канал не устанавливается, то уровень не несет ответственности за доставку.

Сеансовый уровень. Этот уровень обеспечивает управление сеансами связи. На этом уровне решаются задачи подтверждения полномочий, т.е. осуществляется работа со всякого рода ролями и пр., а также решаются задачи организации меток, или контрольных точек, по сеансу, которые позволяют в случае возникновения сбоя повторять передачу не с начала, а с последней установленной контрольной точки.

Уровень представления данных обеспечивает унификацию используемых в сети кодировок и форматов передаваемых данных.

Уровень прикладных программ. На этом уровне формализуются правила по взаимодействию с прикладными системами.

Теперь на основе рассмотренных уровней можно дать определения основных понятий (Рис. 59).

Рис. 59. Логическое взаимодействие сетевых устройств по i-ому протоколу.

Протокол — формальное описание сообщений и правил, по которым сетевые устройства (вычислительные системы) осуществляют обмен информацией. Таким образом, протокол обеспечивает взаимодействие в сети между различными машинами на одном уровне. Любой из уровней может содержать произвольное число протоколов, но общаться могут лишь протоколы одного уровня. Также под протоколом будут пониматься правила взаимодействия одноименных, или одноранговых, уровней.

Интерфейс — правила взаимодействия вышестоящего уровня с нижестоящим.

Служба или сервис — набор операций, предоставляемых нижестоящим уровнем вышестоящему.

Стек протоколов — перечень разноуровневых протоколов, реализованных в системе. Стек может быть произвольной глубины, т.е. в нем, возможно, не будут представлены протоколы некоторых уровней модели ISO/OSI.

1.2.11 Семейство протоколов TCP/IP. Соответствие модели ISO/OSI

Рассмотрим еще одну модель организации сетевого взаимодействия — семейство протоколов TCP/IP (Рис. 60). Это классическая четырехуровневая модель организации сетевого взаимодействия. Протоколы семейства TCP/IP основаны на сети коммутации пакетов. Изначально данные протоколы были разработаны как стандарт военных протоколов министерства обороны США в агентстве перспективных разработок МО США DARPA. Это агентство разработало сеть ARPA-net, которая в своем развитии легла в основу современной сети Internet (поскольку это семейство протоколов было интегрировано в ОС BSD Unix).

Рис. 60. Семейство протоколов TCP/IP.

Попытаемся сопоставить модели TCP/IP и ISO/OSI.

Уровень доступа к сети. Этот уровень соответствует физическому и канальному уровням модели ISO/OSI. На нем решаются проблемы сетевого адаптера, драйвера сетевого адаптера и проблемы среды передачи данных.

Межсетевой уровень (или internet-уровень). В некотором смысле ему соответствует сетевой уровень модели ISO/OSI. Т.е. на этом уровне решаются проблемы адресации и маршрутизации по сети.

Транспортный уровень. Он покрывает сеансовый и транспортный уровни модели ISO/OSI. На этом уровне имеется возможность использования протоколов, которые устанавливают виртуальное соединение или не устанавливают его.

Уровень прикладных программ. Он разрешает проблемы уровня представления и уровня прикладных программ модели ISO/OSI.

Эти уровни модели TCP/IP являются пакетными: на каждом уровне система оперирует порциями данных, обладающими характеристиками соответствующего уровня (Рис. 61). Имея содержательную информацию на прикладном уровне, двигаясь от верхнего уровня модели к нижнему, эта информация при необходимости дробится на пакеты фиксированного размера, и к каждому из них добавляется заголовочная информация.

Рис. 61. Взаимодействие между уровнями протоколов TCP/IP.

Остановимся на каждом из уровней модели TCP/IP более подробно.

На уровне доступа к сети протоколы обеспечивают систему средствами для передачи данных другим устройствам в сети. В качестве примера можно привести протокол Ethernet, являющегося разработкой исследовательского центра компании Xerox (1976 г.), который основывается на единой шине (это широковещательная сеть). Для сетевых устройств обеспечивается множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — CSMA/CD). Термины широковещательный и множественный доступ означают, что любой пакет, «выкинутый» в сеть, виден всем абонентам этой сети. Каждый абонент «слушает» сеть, и тот, кому предназначен пакет, забирает его. Контроль несущей означает, что каждый абонент, «слушая» сеть, распознает, свободна она или занята. Как только сеть становится свободной, устройство может «закидывать» очередную порцию данных. При этом устройство «слушает» как свою передачу, так и передачи других абонентов. «Бросая» в сеть, устройство способно распознать искажения, которые означают, что какое-то еще устройство также пытается послать данные в сеть. В этом случае обычно реализуется следующая стратегия: оба абонента прекращают вещание и берут тайм-аут на некоторый случайный промежуток времени (чтобы минимизировать повторные коллизии), а затем повторяют свои попытки. Данная сеть обладает типичными недостатками широковещательной сети: при интенсивной работе часто возникает ситуация, когда линия занята. Также при интенсивной работе возрастает частота конфликтов, что ведет к снижению производительности системы.

В качестве физической среды передачи данных используются самые разные источники: это может быть «толстый» Ethernet, «тонкий» Ethernet, витая пара, оптоволокно, радиосигнал.

Межсетевой[R10] уровень. Протокол IP — это один из основных протоколов. Данный протокол реализует следующие функции:

- формирование дейтаграмм;

- поддержание системы адресации;

- обмен данными между транспортным уровнем и уровнем доступа к сети;

- организация маршрутизации дейтаграмм;

- разбиение и обратная сборка дейтаграмм.

Основная функция этого протокола — поддержание системы адресации, позволяющей объединять различные (или гетерогенные) сети в единое целое (т.е. это межсетевая адресация — internet-адресация), а также поддержание маршрутизации. IP-адрес — это 32-разрядное число, которое кодирует информацию о конкретной сети и компьютере внутри этой сети. Имеются три категории содержательных IP-адресов сетей (Рис. 62).

Рис. 62. Система адресации протокола IP.

Формат класса A позволяет задавать адреса до 126 сетей с 16 млн. хостов в каждой, класса B — до 16382 сетей с 64 Кбайт хостами, и, наконец, класса C — 2 млн. сетей с 254 хостами в каждой. Формат класса D предназначен для многоадресной рассылки. Остальные адреса используются для служебных целей. Отметим, что на сегодняшний момент в мире складывается ситуация, когда 32-битных IP-адресов не хватает, и ведутся разработки по использованию более длинной адресации.

Как отмечалось выше, каждый из уровней взаимодействует с соседними уровнями в соответствии с теми или иным протоколами порциями данных, имеющими специфичными для каждого уровня названия. Так, для межсетевого уровня пакет называется дейтограммой.

Протокол IP подразумевает использование некоторых специализированных компьютеров. Это компьютеры, предназначенные для организации физического объединения различных сетей, и они называются шлюзами. В общем случае шлюз имеет два и более сетевых адаптера, на которых функционирует соответствующее число (два или более) стеков протоколов.

Перед межсетевым уровнем также стоит задача маршрутизации— определить по имеющему IP-адресу получателя определить маршрут следования пакета. Эта задача распадается на две подзадачи. Первая подзадача — это проблема организации адресации в локальной сети, в рамках которой происходит взаимодействие. И здесь особых сложностей не возникает, поскольку специфика межсетевого уровня позволяет относительно просто организовать взаимодействие машин в рамках одной локальной сети. Вторая подзадача — это организация адресации между различными сетями. Для решения этой задачи используются шлюзы, которые одновременно принадлежат разным сетям, а также маршрутизаторы, которые решают задачу, через какой шлюз необходимо отправить пакет. Отметим, что стек протоколов TCP/IP позволяет совмещать компьютерам несколько функций: одна и та же машина может быть одновременно и шлюзом, и маршрутизатором, и хостом, причем работающий за ним пользователь может не догадываться об организации локальной сети, в которой он работает.

Рассмотрим пример (Рис. 63). Пускай необходимо послать сообщение от машины A1 машине A2. Машина A1 находится в сети A, а машина A2 — в сети C, причем сеть A соединена лишь с сетью B посредством шлюза G1, а сеть C соединена также лишь с сетью B, но посредством шлюза G2. Соответственно, маршрутизатор должен учитывать эти особенности при решении задачи маршрутизации. Обратим ваше внимание, что на компьютерных шлюзах реализовано только два уровня протоколов, поскольку для решения задачи транспортировки пакетов из одной сети в другую достаточны лишь наличие этих двух уровней.

Рис. 63. Маршрутизация дейтаграмм.

Транспортный уровень. Одним из важнейших протоколов данного уровня является протокол TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей данных), который, равно как и протокол IP, дал свое название всему семейству протоколов. Этот протокол послужил некоторым «прародителем» этого семейства протоколов, поскольку Министерство Обороны США, когда начинало исследование ARPA-NET, ставило перед собой задачу разработку сети, устойчивой к недетерминированной физической среде передачи данных. И одним из условий было, чтобы полученная сеть работала корректно как на линиях с устойчивой передачей данных (в которых количество ошибок мало), так и на линиях, в которых возникает большое число ошибок. Это требование и его реализация обусловило распространение семейства протоколов TCP/IP и, в общем-то, развитие современных сетей, поскольку проблема дисбаланс различных сетей с точки зрения надежности каналов актуальна и по сей день, а разработанные протоколы решали эту проблему.

Среди протоколов транспортного уровня необходимо отметить протоколы TCP и UDP. Протокол TCP — это протокол, обеспечивающий установление виртуального канала, а это означает, что он обеспечивает последовательную передачу пакетов, контролирует доставку пакетов и отрабатывает сбои (пакет либо не доставляется, либо доставляется в целостном состоянии). Для обеспечения заявленных качеств данный протокол подразумевает отправку по сети подтверждающей информации, из-за чего содержательная пропускная способность может сильно падать, особенно в линиях связи с плохими техническими характеристиками. Итак, этот протокол подразумевает, что для каждого полученного пакета адресат обязан отправить подтверждение о доставке. К этому необходимо доставить, что в данном протоколе действует поддержка времени: если через некоторое время после отправки пакета подтверждение так и не пришло, то считается, что отправленный пакет пропал, и начинается повторная посылка пропавшего пакета.

Некоторой альтернативой служит протокол UDP (User Datagram Protocol — протокол пользовательских дейтаграмм). Данный протокол подразумевает отправку пакетов по сети без гарантии их доставки (он выбрасывает пакет и сразу же «забывает» о нем).

Уровень прикладных программ. На этом уровне находятся протоколы, часть которых опираются на протокол TCP, а часть — на UDP.

Протоколы, которые основываются на принципах работы протокола TCP, обеспечивают доступ и работу с заведомо корректной информацией, причем именно в среде межсетевого взаимодействия (internet), и эти протоколы требуют корректной доставки. В частности, это протокол TELNET (Network Terminal Protocol) — прикладной протокол, эмулирующий терминальное устройство; протокол перемещения файлов FTP (File Transfer Protocol); протокол передачи почтовых сообщений SMTP (Simple Mail Transfer Protocol).

Есть ряд прикладных протоколов, основанных на использовании протокола UDP. Эти протоколы оказываются относительно быстрыми, поскольку максимально снижены накладные расходы на передачу, но они допускают наличие ошибок.

Часть подобных протоколов действуют в рамках локальной сети. В частности, в большинстве случаев протокол NFS (Network File System) сетевой файловой системы функционирует именно в рамках локальной сети, и очень редко его запускают в межсетевом режиме.

Другая часть протоколов должны контролироваться, с одной стороны, на прикладном уровне, а с другой стороны, они предполагают обмен очень небольшими порциями данных. К таким протоколам относится DNS (Domain Name Service), который позволяет мнемоническим способом именовать сетевые устройства. В частности, этот протокол осуществляет преобразования IP-адресов в доменные имена и обратно.