Реферат на тему:

Структуризація як засіб побудови великих мереж

У мережах з невеликою (10-30) кількістю комп’ютерів частіше за все
використовується одна з типових топологій загальна шина, кільце, зірка
або повнозв’язна мережа. Всі перераховані топології володіють
властивістю однорідності, тобто всі комп’ютери в такій мережі мають
однакові права у відношенні доступу до інших комп’ютерів (за винятком
центрального комп’ютера при з’єднанні зірка). Така однорідність
структури робить простою процедуру нарощування числа комп’ютерів,
полегшує обслуговування і експлуатацію мережі.

Однак при побудові великих мереж однорідна структура зв’язків
перетворюється з переваги в недолік. У таких мережах використання
типових структур породжує різні обмеження, найважливішими з яких є:

обмеження на довжину зв’язку між вузлами;

обмеження на кількість вузлів в мережі;

обмеження на інтенсивність трафіка, що породжується вузлами мережі.

Наприклад, технологія Ethernet на тонкому коаксіальному кабелі дозволяє
використати кабель довжиною не більше за 185 метрів, до якого можна
підключити не більше за 30 комп’ютерів. Однак, якщо комп’ютери
інтенсивно обмінюються інформацією між собою, іноді доводиться знижувати
число підключених до кабелю комп’ютерів до 20, а то і до 10, щоб кожному
комп’ютеру діставалася прийнятна частка загальної пропускної
спроможності мережі.

Для зняття цих обмежень використовуються спеціальні методи
структуризації мережі і спеціальне структуроутворююче обладнання
повторювачі, концентратори, мости, комутатори, маршрутизатори.
Обладнання такого роду також називають комунікаційним, маючи на увазі,
що за допомогою нього окремі сегменти мережі взаємодіють між собою.

Фізична структуризація мережі

Найпростіший з комунікаційних пристроїв — повторювач (repeator)
використовується для фізичного з’єднання різних сегментів кабелю
локальної мережі з метою збільшення загальної довжини мережі. Повторювач
передає сигнали, що приходять з одного сегмента мережі, в інші її
сегменти (мал. 1.14). Повторювач дозволяє подолати обмеження на довжину
ліній зв’язку за рахунок поліпшення якості сигналу відновлення його
потужності, що передається і амплітуди, поліпшення фронтів і т.п.

МАЛ. 1.14. Повторювач дозволяє збільшити довжину мережі Ethernet

Повторювач, який має декілька портів і з’єднує декілька фізичних
сегментів, часто називають концентратором (concentrator) або хабом
(hub). Ці назви (hub основа, центр діяльності) відображають той факт, що
в даному пристрої зосереджуються всі зв’язки між сегментами мережі.

Концентраторы характерні практично для всіх базових технологій локальних
мереж Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit
Ethernet, l00VG-AnyLAN.

Треба підкреслити, що в роботі концентраторів будь-яких технологій
багато загального вони повторюють сигнали, що прийшли з одного з своїх
портів, на інших своїх портах. Різниця полягає в тому, на яких саме
портах повторюються вхідні сигнали. Так, концентратор Ethernet повторює
вхідні сигнали на всіх своїх портах, крім того, з якого сигнали
поступають (мал. 1.15, а). А концентратор Token Ring (мал. 1.15, б)
повторює вхідні сигнали, що поступають з деякого порту, тільки на одному
порту на тому, до якого підключений наступний в кільці комп’ютер.

Мал. 1.15. Концентратори різних технологій

УВАГА  Концентратор завжди змінює фізичну топологію мережі, але при
цьому залишає без зміни її логічну топологію.

Нагадаємо, що під фізичною топологією розуміється конфігурація зв’язків,
утворених окремими частинами кабелю, а під логічною конфігурація
інформаційних потоків між комп’ютерами мережі. У багатьох випадках
фізична і логічна топології мережі співпадають. Наприклад, мережа,
представлена на мал. 1.16, а, має фізичну топологію кільце. Комп’ютери
цієї мережі отримують доступ до кабелів кільця за рахунок передачі один
одному спеціального кадру маркера, причому цей маркер також передається
послідовно від комп’ютера до комп’ютера в тому ж порядку, в якому
комп’ютери утворять фізичне кільце, тобто комп’ютер А передає маркер
комп’ютеру В, комп’ютер В комп’ютеру Сит. д. Мережа, показана на мал.
1.16,б, демонструє приклад, коли неспівпадають фізичної і логічної
топології. Фізично комп’ютери сполучені по топології загальна шина.
Доступ же до шини відбувається не по алгоритму випадкового доступу, що
застосовується в технології Ethernet, а шляхом передачі маркера в
кільцевому порядку: від комп’ютера А комп’ютеру В, від комп’ютера В
комп’ютеру С і т. д. Тут порядок передачі маркера вже не повторює
фізичні зв’язки, а визначається логічним конфігуруванням драйверів
мережевих адаптерів. Ніщо не заважає настроїти мережеві адаптери і їх
драйвери так, щоб комп’ютери утворили кільце в іншому порядку,
наприклад: В, А, С… При цьому фізична структура мережі ніяк не
змінюється.

МАЛ. 1.16. Логічна і фізична топології мережі

Іншим прикладом неспівпадання фізичної і логічної топологій мережі є вже
розглянута мережа на мал. 1.15, а. Концентратор Ethernet підтримує в
мережі фізичну топологію зірка. Однак логічна топологія мережі
залишилася без змін це загальна шина. Оскільки концентратор повторює
дані, що прийшли з будь-якого порту, на всіх інших портах, то вони
з’являються одночасно на всіх фізичних сегментах мережі, як і в мережі з
фізичною загальною шиною. Логіка доступу до мережі абсолютно не
міняється: всі компоненти алгоритму випадкового доступу визначення
незайнятості середи, захоплення середи, розпізнавання і відробляння
колізій залишаються в силі.

Фізична структуризація мережі за допомогою концентраторів корисна не
тільки для збільшення відстані між вузлами мережі, але і для підвищення
її надійності. Наприклад, якщо який-небудь комп’ютер мережі Ethernet з
фізичною загальною шиною через збій починає безперервно передавати дані
по загальному кабелю, то вся мережа виходить з ладу, і для розв’язання
цієї проблеми залишається тільки один вихід вручну від’єднувати
мережевий адаптер цього комп’ютера від кабелю. У мережі Ethernet,
побудованій з використанням концентратора, ця проблема може бути
вирішена автоматично концентратор відключає свій порт, якщо виявляє, що
приєднаний до нього вузол дуже довго монопольно займає мережу.
Концентратор може блокувати некоректно працюючий вузол і в інших
випадках, виконуючи роль деякого керуючого вузла.

Логічна структуризація мережі

Фізична структуризація мережі корисна в багатьох відносинах, однак в
ряді випадків, що звичайно відносяться до мереж великого і середнього
розміру, неможливо обійтися без логічної структуризації мережі. Найбільш
важливою проблемою, що не вирішується шляхом фізичної структуризації,
залишається проблема перерозподілу трафіка, що передається між різними
фізичними сегментами мережі.

У великій мережі природним образом виникає неоднорідність інформаційних
потоків: мережа складається з безлічі підмереж робочих груп, відділів,
філіалів підприємства і інших адміністративних підрозділів. Дуже часто
найбільш інтенсивний обмін даними спостерігається між комп’ютерами, що
належать до однієї підмережі, і тільки невелика частина звертань
відбувається до ресурсів комп’ютерів, що знаходяться поза локальними
робочими групами. (Донедавна таке співвідношення трафіків не бралося під
сумніву, і був навіть сформульований емпіричний закон “80/20”,
відповідно до якого в кожній підмережі 80 % трафіка є внутрішнім і
тільки 20 % зовнішнім.) Зараз характер навантаження мереж багато в чому
змінився, широко впроваджується технологія intranet, на багатьох
підприємствах є централізовані сховища корпоративних даних, активно
підприємства, що використовуються всіма співробітниками. Все це не могло
не вплинути на розподіл інформаційних потоків. І тепер не рідкі
ситуації, коли інтенсивність зовнішніх звертань вище за інтенсивність
обміну між “сусідніми” машинами. Але незалежно від того, в якій
пропорції розподіляються зовнішній і внутрішній трафік, для підвищення
ефективності роботи мережі неоднорідність інформаційних потоків
необхідно враховувати.

Мережа з типовою топологією (шина, кільце, зірка), в якій всі фізичні
сегменти розглядаються як одне середовище, що розділяється, виявляється
неадекватній структурі інформаційних потоків у великій мережі.
Наприклад, в мережі із загальною шиною взаємодія будь-якої пари
комп’ютерів займає її на весь час обміну, тому при збільшенні числа
комп’ютерів в мережі шина стає вузьким місцем. Комп’ютери одного відділу
вимушені чекати, коли закінчить обмін пари комп’ютерів іншого відділу, і
це при тому, що необхідність в зв’язку між комп’ютерами двох різних
відділів виникає набагато рідше і вимагає зовсім невеликої пропускної
спроможності.

Цей випадок ілюструє мал. 1.17,а. Тут показана мережа, побудована з
використанням концентраторів. Нехай комп’ютер А, що знаходиться в одній
підмережі з комп’ютером В, посилає йому дані. Незважаючи на розгалужену
фізичну структуру мережі, концентратори розповсюджують будь-який кадр по
всіх її сегментах. Тому кадр, що посилається комп’ютером А комп’ютеру В,
хоч і не потрібен комп’ютерам відділів 2 і 3, відповідно до логіки
роботи концентраторів поступає на ці сегменти також. І доти, поки
комп’ютер В не отримає адресований йому кадр, жоден з комп’ютерів цієї
мережі не зможе передавати дані.

Така ситуація виникає через те, що логічна структура даної мережі
залишилася однорідною вона ніяк не враховує збільшення інтенсивності
трафіка всередині відділу і надає всім парам комп’ютерів рівні
можливості по обміну інформацією (мал. 1.17, б).

МАЛ. 1.17. Суперечність між логічною структурою мережі і структурою
інформаційних потоків

Розв’язання проблеми складається у відмові від ідеї єдиного однорідного
середовища, що розділяється. Наприклад, в розглянутому вище прикладі
бажано було б зробити так, щоб кадри, які передають комп’ютери відділу
1, виходили б за межі цієї частини мережі в тому і тільки в тому
випадку, якщо ці кадри направлені якому-небудь комп’ютеру з інших
відділів. З іншого боку, в мережу кожного з відділів повинні попасти ті
і тільки ті кадри, які адресовані вузлам цієї мережі. При такій
організації роботи мережі її продуктивність істотно підвищиться,
оскільки комп’ютери одного відділу не будуть простоювати в той час, коли
обмінюються даними комп’ютери інших відділів.

Неважко помітити, що в запропонованому рішенні ми відмовилися від ідеї
загального середовища, що розділяється в межах всієї мережі, хоч і
залишили її в межах кожного відділу. Пропускна спроможність ліній
зв’язку між відділами не повинна співпадати з пропускною спроможністю
середи всередині відділів. Якщо трафік між відділами становить тільки 20
% трафіки всередині відділу (як вже відмічалося, ця величина може бути
іншою), то і пропускна спроможність ліній зв’язку і комунікаційного
обладнання, що з’єднує відділи, може бути значно нижче внутрішнього
трафіка мережі відділу.

УВАГА Поширення трафіка, призначеного для комп’ютерів деякого сегмента
мережі, тільки в межах цього сегмента, називається локалізацією трафіка.
Логічна структуризація мережі це процес разбиения мережі на сегменти з
локалізованим трафіком.

Для логічної структуризації мережі використовуються такі комунікаційні
пристрої, як мости, комутатори, маршрутизатори і шлюзи.

Міст (bridge) ділить середу передачі мережі, що розділяється на частині
(часто звані логічними сегментами), передаючи інформацію з одного
сегмента в інший тільки в тому випадку, якщо така передача дійсно
необхідна, тобто якщо адреса комп’ютера призначення належить інший
підмережі. Тим самим міст ізолює трафік однієї підмережі від трафіка
іншої, підвищуючи загальну продуктивність передачі даних в мережі.
Локалізація трафіка не тільки економить пропускну спроможність, але і
зменшує можливість несанкціонованого доступу до даних, оскільки кадри не
вийдуть за межі свого сегмента і їх складніше перехопити зловмиснику.

На мал. 1.18 показана мережа, яка була отримана з мережі з центральним
концентратором (див. мал. 1.17) шляхом його заміни на міст. Мережі 1-го
і 2-го відділів складаються з окремих логічних сегментів, а мережа
відділу 3 з двох логічних сегментів. Кожний логічний сегмент побудований
на базі концентратора і має найпростішу фізичну структуру, утворену
відрізками кабелю, зв’язуючи комп’ютери з портами концентратора.

МАЛ. 1.18. Логічна структуризації мережі за допомогою моста

Мости використовують для локалізації трафіка апаратні адреси
комп’ютерів. Це утрудняє розпізнавання приналежності того або іншого
комп’ютера до певного логічного сегмента сама адреса не містить ніякої
інформації з цього приводу. Тому міст досить спрощено представляє
розподіл мережі на сегменти він запам’ятовує, через який порт на нього
поступив кадр даних від кожного комп’ютера мережі, і надалі передає
кадри, призначені для цього комп’ютера, на цей порт. Точної топології
зв’язків між логічними сегментами міст не знає. Через це застосування
мостів приводить до значних обмежень на конфігурацію зв’язків мережі
сегменти повинні бути сполучені таким чином, щоб в мережі не
утворювалися замкнені контури.

Комутатор (switch, switching hub) за принципом обробки кадрів нічим не
відрізняється від моста. Основна його відмінність від моста полягає в
тому, що він є свого роду комунікаційним мультипроцесором, оскільки
кожний його порт оснащений спеціалізованим процесором, який обробляє
кадри по алгоритму моста незалежно від процесорів інших портів. За
рахунок цього загальна продуктивність комутатора звичайно набагато вище
за продуктивність традиційного моста, що має один процесорний блок.
Можна сказати, що комутатори це мости нового покоління, які обробляють
кадри в паралельному режимі.

Обмеження, пов’язані із застосуванням мостів і комутаторів по топології
зв’язків, а також ряд інших, привели до того, що серед комунікаційних
пристроїв з’явився ще один тип обладнання маршрутизатор (router).
Маршрутизатори більш надійно і більш ефективно, ніж мости, ізолюють
трафік окремих частин мережі один від одного. Маршрутизатори утворять
логічні сегменти за допомогою явної адресації, оскільки використовують
не плоскі апаратні, а складові числові адреси. У цих адресах є поле
номера мережі, так що всі комп’ютери, у яких значення цього поля
однакове, належать до одного сегмента, званого в цьому випадку
підмережею (subnet).

Крім локалізації трафіка маршрутизатори виконують ще багато інших
корисних функцій. Так, маршрутизатори можуть працювати в мережі із
замкненими контурами, при цьому вони здійснюють вибір найбільш
раціонального маршруту з декількох можливих. Мережа, представлена на
мал. 1.19, відрізняється від своєї попередниці (див. мал. 1.18) тим, що
між підмережами відділів 1 і 2 прокладений додатковий зв’язок, який може
використовуватися як для підвищення продуктивності мережі, так і для
підвищення її надійності.

МАЛ. 1.19. Логічна структуризація мережі за допомогою маршрутизаторів

Іншою дуже важливою функцією маршрутизаторів є їх здатність зв’язувати в
єдину мережу підмережі, побудовані з використанням різних мережевих
технологій, наприклад Ethernet і Х.25.

Крім перерахованих пристроїв окремі частини мережі може з’єднувати шлюз
(gateway). Звичайно основною причиною, по якій в мережі використовують
шлюз, є необхідність об’єднати мережі з різними типами системного і
прикладного програмного забезпечення, а не бажання локалізувати трафік.
Проте шлюз забезпечує і локалізацію трафіка як деякий побічний ефект.

Великі мережі практично ніколи не будуються без логічної структуризації.
Для окремих сегментів і підмереж характерні типові однорідні топології
базових технологій, і для їх об’єднання завжди використовується
обладнання, що забезпечує локалізацію трафіка, мости, комутатори,
маршрутизатори і шлюзи.

Похожие записи