Общие принципы построения сетей

Компьютерные сети.Лекция 2. Общие принципы построения сетей

Часть 1. Простейшие сети
Часть 2. Сетевое программное обеспечение
Часть 3. Физическая передача данных по линиям связи
Часть 4. Проблемы связи
Часть 5. Обобщенная задача коммутации

Часть 1. Простейшие сети

Совместное использование ресурсов
Сетевые интерфейсы
Связь компьютера с периферийными устройствами
Обмен данными между двумя компьютерами
Доступ к периферийным устройствам через сеть

Часть 1. Простейшие сети

Чтобы обеспечить пользователей разных компьютеров возможностью совместного использования ресурсов сети, компьютеры необходимо оснастить некими дополнительными сетевыми средствами.

3

Часть 1. Простейшие сети

Интерфейс — в широком смысле — формально определенная логическая и/или физическая граница между отдельными объектами, которые обмениваются информацией. Интерфейс задает параметры, процедуры и характеристики взаимодействия объектов.

Наряду с внешними электронные устройства могут использовать внутренние интерфейсы, определяющие логические и физические границы между входящими в их состав модулями: оперативной памятью, процессором.

4

Часть 1. Простейшие сети

интерфейсы

физические

логические

5

Часть 1. Простейшие сети

6

Пусть приложению В в какой-то момент потребовалось вывести на печать некоторые данные. Для этого приложение обращается с запросом на выполнение операции ввода-вывода к операционной системе (как правило, драйвер не может быть запущен на выполнение непосредственно приложением). В запросе указываются адрес данных, которые необходимо напечатать (адрес буфера ОП), и информация о том, на каком периферийном устройстве эту операцию требуется выполнить

7

Часть 1. Простейшие сети

8

На стороне компьютера А приложение, следуя логике протокола, размещает в буфере ОП либо собственное очередное сообщение, либо данные и обращается к ОС с запросом на выполнение операции межкомпьютерного обмена данными. ОС запускает соответствующий драйвер сетевой карты, который загружает байт из буфера ОП в буфер интерфейсной карты, после чего инициирует ее работу. Сетевая интерфейсная карта последовательно передает биты в линию связи, дополняя каждый новый байт стартовым и стоповым битами

Часть 1. Простейшие сети

На стороне компьютера В сетевая интерфейсная карта принимает биты, поступающие со стороны внешнего интерфейса, и помещает их в собственный буфер. После того как получен стоповый бит, интерфейсная карта устанавливает признак завершения приема байта и выполняет проверку корректности приема, например, путем контроля бита четности. Факт корректного приема байта фиксируется драйвером сетевой интерфейсной карты компьютера В. Драйвер переписывает принятый байт из буфера интерфейсной карты в заранее зарезервированный буфер ОП компьютера В. Приложение В извлекает данные из буфера и интерпретирует их в соответствии со своим протоколом либо как сообщение, либо как данные. Если согласно протоколу приложение В должно передать ответ приложению А, то выполняется симметричная процедура.

9

В соответствии с принятым протоколом приложение А формирует сообщение-запрос к приложению В, помещает его в буфер ОП компьютерах и обращается к ОС, снабжая ее необходимой информацией.

Часть 1. Простейшие сети

ОС запускает драйвер сетевой интерфейсной карты, сообщая ему адрес буфера ОП, где хранится сообщение

Драйвер и сетевая интерфейсная карта компьютера А, взаимодействуя с драйвером и интерфейсной картой компьютера В, передают сообщение байт за байтом в буфер ОП компьютера В

ОС запускает драйвер принтера, который в кооперации с интерфейсной картой и контроллером принтера выполняет требуемую операцию печати.

10

Часть 2. Сетевое программное обеспечение

Сетевые службы и сервисы
Сетевая операционная система
Сетевые приложения

Часть 2. Сетевое ПО

12

Клиент – модуль, предназначенный для формирования и передачи сообщений-запросов к ресурсам удаленного компьютера от разных приложений с последующим приемом результатов из сети и передачей их соответствующим приложениям

Часть 2. Сетевое ПО

Сервер – модуль, который постоянно ожидает прихода из сети запросов от клиентов и, приняв запрос, пытается его обслужить, как правило, с участием ОС; один сервер может обслуживать несколько запросов клиентов

Пара клиент-сервер, предоставляющая доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, образует сетевую службу

Услуги, предоставляемые службой, называют сервисом

13

Часть 2. Сетевое ПО

14

Сетевой операционной системой называют операционную систему компьютера, которая, помимо управления локальными ресурсами, предоставляет пользователям и приложениям возможность эффективного и удобного доступа к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров сети

Часть 2. Сетевое ПО

15

Сетевая служба может быть представлена в ОС либо обеими (клиентской и серверной) частями, либо только одной из них

Часть 2. Сетевое ПО

В первом случае операционная система, называемая одноранговой, не только позволяет обращаться к ресурсам других компьютеров, но и предоставляет собственные ресурсы в распоряжение пользователей других компьютеров

К другому типу операционных систем относится серверная ОС — она ориентирована на обработку запросов из сети к ресурсам своего компьютера и включает в себя в основном серверные части сетевых служб

16

Локальное приложение целиком выполняется на данном компьютере и использует только локальные ресурсы. Для такого приложения не требуется никаких сетевых средств, оно может быть выполнено на автономно работающем компьютере

Часть 2. Сетевое ПО

17

Централизованное сетевое приложение целиком выполняется на данном компьютере, но обращается в процессе своей работы к ресурсам других компьютеров сети

Часть 2. Сетевое ПО

18

Распределенное (сетевое) приложение состоит из нескольких взаимодействующих частей, каждая из которых выполняет какую-то определенную законченную работу по решению прикладной задачи, причем каждая часть может выполняться и, как правило, выполняется на отдельном компьютере сети

Часть 2. Сетевое ПО

19

Часть 2. Сетевое ПО

20

Часть 3. Физическая передача данных по линиям связи

Кодирование
Характеристики физических каналов

Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием.

Часть 3. Физическая передача данных

Сегодня существуют следующие способы кодирования двоичных цифр:

22

Часть 3. Физическая передача данных

Предложенная нагрузка — это поток данных, поступающий от приложения пользователя на вход сети, которая всегда готова принять данные

Пропускная способность, называемая также емкостью канала связи (capacity), представляет собой максимально возможную скорость передачи информации по данному каналу.

Скорость передачи данных (information rate, или throughput, оба английских термина используются равноправно) — это фактическая скорость потока данных, прошедшего через сеть или некоторые ее фрагменты

23

Часть 3. Физическая передача данных

Физические каналы связи

Дуплексный канал

Полудуплексный канал

Симплексный канал

24

Часть 4. Проблемы связи нескольких компьютеров

Топология физических связей
Адресация узлов сети
Коммутация

Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам — физические или информационные связи между вершинами

Часть 4. Проблемы связи

26

Часть 4. Проблемы связи

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых связей

Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными

27

В сетях с кольцевой топологией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому

Часть 4. Проблемы связи

Звездообразная топология образуется в случае, когда каждый компьютер подключается непосредственно к общему центральному устройству, называемому концентратором

28

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой звездообразными связями. Получаемую в результате структуру называют иерархической звездой, или деревом

Часть 4. Проблемы связи

Особым частным случаем звезды является общая шина

29

Пример смешанной топологии

Часть 4. Проблемы связи

30

уникальный адрес (unicast) используется для идентификации отдельных интерфейсов

Часть 4. Проблемы связи

По количеству адресуемых интерфейсов адреса можно классифицировать следующим образом

групповой адрес (multicast) идентифицирует сразу несколько интерфейсов, поэтому данные, помеченные групповым адресом, доставляются каждому из узлов, входящих в группу

данные, направленные по широковещательному адресу (broadcast), должны быть доставлены всем узлам сети

адрес произвольной рассылки (anycast), так же как и групповой адрес, задает группу адресов, однако данные, посланные по этому адресу, доставляются не всем узлам данной группы, а только одному из них

31

Адреса могут быть числовыми

Часть 4. Проблемы связи

29.26.255.255

и символьными

site.domen.ru

Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством. Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) или иерархическую организацию

32

Часть 4. Проблемы связи

При плоской организации множество адресов никак не структурировано. Примером плоского числового адреса является МАС-адрес (00:26:57:00:1f:02), предназначенный для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях

При иерархической организации адресное пространство структурируется в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов, определяют отдельный сетевой интерфейс

33

Часть 4. Проблемы связи

Для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспомогательные протоколы, которые называют протоколами разрешения адресов

Проблема установления соответствия между адресами различных типов может решаться как централизованными, так и распределенными средствами

При централизованном подходе в сети выделяется один или несколько компьютеров (серверов имен), в которых хранится таблица соответствия имен различных типов — например, символьных имен и числовых адресов

При распределенном подходе каждый компьютер сам хранит все назначенные ему адреса разного типа. Такая схема использована в протоколе разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) стека TCP/IP

34

Часть 4. Проблемы связи

Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией. Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут.

35

Часть 4. Проблемы связи

36

Часть 5. Обобщенная задача коммутации

Определение информационных потоков
Маршрутизация
Продвижение данных
Мультиплексирование и демультиплексирование
Разделяемая среда передачи данных

Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать маршруты.

Часть 5. Задачи коммутации

Маршрутизация потоков — прокладка маршрутов

Продвижение потоков, то есть распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле

Мультиплексирование и демультиплексирование потоков

38

Информационным потоком, или потоком данных, называют непрерывную последовательность данных, объединенных набором общих признаков, выделяющих эти данные из общего сетевого трафика

Часть 5. Задачи коммутации

39

Метка потока — это особый тип признака. Она представляет собой некоторое число, которое несут все данные потока. Глобальная метка назначается данным потока и не меняет своего значения на всем протяжении его пути следования от узла источника до узла назначения, таким образом, она уникально определяет поток в пределах сети. В некоторых технологиях используются локальные метки потока, динамически меняющие свое значение при передаче данных от одного узла к другому

Часть 5. Задачи коммутации

Таким образом, распознавание потоков во время коммутации происходит на основании признаков, в качестве которых, помимо обязательного адреса назначения данных, могут выступать и другие признаки — такие, например, как идентификаторы приложений

40

Задачи маршрутизации:
Определение маршрута
Оповещение сети о выбранном маршруте

Часть 5. Задачи коммутации

Абстрактная оценка условного «расстояния» между двумя узлами сети называется метрикой.

41

После того как маршрут определен (вручную или автоматически), надо оповестить о нем все устройства сети

Часть 5. Задачи коммутации

Каждое подобное сообщение о маршруте обрабатывается транзитным устройством, в результате создается новая запись в таблице коммутации

42

Интерфейс коммутатора (называемый также портом) является физическим модулем, состоящим из приемника и передатчика. В том случае, когда передатчик и приемник работают на дуплексный канал связи, они работают независимо друг от друга, обеспечивая одновременную передачу данных в обоих направлениях. Иногда приемную часть интерфейса называют входным интерфейсом, а выходную часть — выходным интерфейсом

Часть 5. Задачи коммутации

43

Часть 5. Задачи коммутации

44

Демультиплексирование — разделение суммарного потока на несколько составляющих его потоков

Часть 5. Задачи коммутации

Мультиплексирование (агрегирование) — образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который передается по одному физическому каналу связи

45

Часть 5. Задачи коммутации

Одним из основных способов мультиплексирования потоков является разделение времени.

Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне

46

Частный случай коммутатора, у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где они мультиплексируются в один агрегированный поток, называется мультиплексором. Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором

Часть 5. Задачи коммутации

47

Часть 5. Задачи коммутации

48

Разделяемой средой называется физическая среда передачи данных, к которой непосредственно подключено несколько передатчиков узлов сети. Причем в каждый момент времени только один из передатчиков какого-либо узла сети получает доступ к разделяемой среде и использует ее для передачи данных приемнику другого узла, подключенному к этой же среде

Часть 5. Задачи коммутации

49

Часть 5. Задачи коммутации

50