Информационно-телекоммуникационная инфраструктура, сети ЭВМ

Информационной (компьютерной) сетью называется группа ком­пьютеров, соединенных между собой с помощью специальной аппаратуры, обеспечивающей обмен данными. Компьютеры, рас­положенные в пределах одного или нескольких рядом стоящих зда­ний и объединенные с помощью высокоскоростного сетевого обо­рудования, называют локальной сетью (ЛС).

Для подключения компьютера к ЛС необходимо устройство, называемое сетевым адаптером. Современные сетевые адаптеры обеспечивают передачу информации со скоростью 10—100 Мбит в секунду. При объединении компьютеров, расположенных на зна­чительном расстоянии друг от друга (в разных городах, странах), говорят о глобальной сети.

Основным (наиболее массовым в настоящее время, но далеко не единственным) каналом передачи данных в этом случае явля­ется телефонный канал. Устройство, необходимое для подключе­ния компьютера к телефонной линии, называется модемом. Ско­рость передачи данных здесь меньше, чем в ЛС, и находится в существенной зависимости от качества каната связи и типа моде­ма. В настоящее время наблюдается тенденция к подключению ЛС к мировой глобальной сети Интернет.

Выбор технологии магистрали для крупных ЛС предприятия определяется используемыми протоколами нижнего уровня, та­кими как Ethernet, TokenRing, FDDI, FastEthernet и т.п., и суще­го оборудования.

Магистраль — это одна из наиболее дорогостоящих частей лю­бой сети. Поскольку через нее проходит значительная часть трафи­ка сети, ее свойства сказываются практически на всех сервисах корпоративной сети, которыми пользуются конечные пользовате­ли. Поэтому выбор технологии работы магистрали явно относится к разряду стратегических решений.

Передача данных по сети регламентируется определенными пра­вилами. Набор правил взаимодействия между компьютерами сети называют протоколами передачи данных, или сетевыми протокола­ми (см. также 3.3.2). Протоколы определяют формат, способ син­хронизации, порядок следования, методы обработки ошибок при передаче данных. Передача данных между компьютерами требует выполнения многих шагов. Например, для передачи файла с од­ного компьютера на другой, файл должен быть разбит на части, эти части должны быть определенным образом сгруппированы (рис. 3.3).

Компьютер, принимающий файл, должен получить дополни­тельную информацию о том, каким образом связаны между собой образованные группы, о способе синхронизации, корректировке ошибок, связанных с передачей данных и т.д.

С учетом сложности осуществления коммуникаций между ком­пьютерами этот процесс обычно разбивается на шаги. Каждый та­кой шаг выполняется в соответствии со своими правилами, т.е. со своим протоколом. Работая в ЛС, пользователи могут посылать друг другу текстовые сообщения, получать доступ к файлам, находя­щимся на локальных дисках других компьютеров сети, использо­вать различные устройства (ресурсы) сети. Примером может слу­жить использование принтера, подключенного к другому компьютерами этот процесс обычно разбивается на шаги. Каждый такой шаг выполняется в соответствии со своими правилами, т. е. со своим протоколом. Работая в ЛС, пользователи могут посылать друг другу текстовые сообщения, получать доступ к файлам, находящимся на локальных дисках других компьютеров сети, использовать различные устройства (ресурсы) сети. Примером может служитть использование принтера, подключенного к другому компьютеру сети.

Кроме протокола, который будет работать на магистрали, не­обходимо также выбрать рациональную структуру магистрали. Эта структура будет затем положена в основу структуры кабельной системы, стоимость которой может составлять 15% всей стоимо­сти сети и более.

Рациональная структура магистрали должна обеспечить комп­ромисс между качеством передачи трафика (пропускная способ­ность, задержки, приоритеты для ответственных приложений) и стоимостью.

На структуру магистрали сильное влияние оказывает выбран­ная технология, так как она определяет максимальные длины ка­белей, возможность использования резервных связей, типы кабе­лей и т.п. Так как магистраль крупной сети строится практически всегда на основе активного коммуникационного оборудования (коммутаторов и маршрутизаторов), фильтрующего и перераспре­деляющего трафик между подсетями, то в понятие рациональной структуры входит и выбор активного оборудования.

При этом вопрос состоит не столько в выборе модели оборудо­вания и производителя, а в основном в выборе типа оборудования (маршрутизатор, коммутатор) и режима работы этою оборудова­ния по объединению подсетей и установлению защиты от нежела­тельного межсетевого трафика.

Сегодня существует несколько режимов работы маршрутизато­ров и коммутаторов, отличающихся от стандартных: образование коммутаторами виртуальных сетей, ускоренная маршрутизация при передаче различных видов информации. Пока что эти режимы, ча­сто весьма полезные для работы на магистралях современных се­тей, каждый производитель реализует по-своему, хотя работы по стандартизации идут и некоторые приемы и алгоритмы уже близ­ки к тому, чтобы обрести свое стандартное выражение.

Интенсивности потоков данных в разных сегментах ЛС порой значительно разнятся. Следовательно, имеется потребность в экономичном решении, предоставляющем сегментам и подсетям ту пропускную способность, которая им требуется. Тем не менее, 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на Протяжении около 15 лет.

Однако в начале 1990-х годов стала ощущаться недостаточная пропускная способность каналов Ethernet. Для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами 15А (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet соcтавляла 1/8 или 1/32 канала «память—диск», и это хорошо согласовывалось с соотношением объемов локальных данных и внешних данных для компьютера.

Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium или PentiumPRO и шиной РСI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно для передачи аудио-, видеоинформации, распространения мультимедийных приложений. Еще больший недостаток в пропускной способности стали ощущать серверы как на основе RISC-, так и на основе Intel-процессоров. Основным решением в этой области стало использование нескольких адаптеров, работающих на разные подсети. В начале 1990-х годов наметились сдвиги и в характере передаваемой по сети информации. Наряду с алфавитно-цифровымидан­ными появились графические, звуковые и видеоданные, хранящиеся в многомегабайтных файлах. Это еще больше усугубило «ситуацию, так как теперь даже несколько ПК, работающих с мультимедийной информацией, могли перегрузить 10-мегабитный сегмент сети. Поэтому многие сегменты 10-мегабитного Ethernet стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая номинальную пропускную способность.

Самое простое решение - повышение битовой скорости единственного протокола, работающего во всех сегментах сети, как происходило ранее с сетями на основе Ethernet — не является уже национальным для скоростей, больших 30 — 40 Мбит/с. Это стало ясно после разработки и применения первого высокоскоростного протокола Л С — протокола FDDI, работающего на битовой скорости 100 Мбит/с.

Стоимость сегментов FDDI оказалась для этого слишком высо­кой, поэтому протокол FDDI стал применяться в основном только для построения магистралей крупных ЛС и подключения централизованных серверов предприятия. Для связи сегментов Ethernet с сегментами FDDI потребовалось применение маршрутизаторов или транслирующих коммутаторов.

Схема построения ЛВС с использованием нескольких сегментов (в случае применения коммутаторов) или подсетей (в случае применения маршрутизаторов или умеющих маршрутизирован коммутаторов), в каждой из которых применяется один из двух протоколов в зависимости от пропускной способности, иноходи мой компьютерам, работающим в этой части сети, является про образом схемы, к которой сегодня стремятся производители сете­вого оборудования и сетевые интеграторы.

Более совершенная схема построения ЛС должна опираться не на две доступные скорости, а на более сложную иерархическую линейку скоростей для компьютеров сети. Тогда можно будет бо­лее точно и с меньшими затратами учесть потребности каждой группы компьютеров, объединенных в сегмент, или даже каждого отдельного компьютера.

Для согласования скоростей работы каналов между сегментами сети необходимо применять устройства, обрабатывающие трафик с буферизацией пакетов — коммутаторы или маршрутизаторы, но не концентраторы, которые организуют побитную передачу дан­ных из сегмента в сегмент.

Обеспечение для абонентов сети требуемого уровня задержек — это частный случай обеспечения нужного качества обслуживания.

Анализ типов трафика, создаваемого современными приложения­ми, позволил выделить несколько основных типов, для которых понятие качества обслуживания имеет различный смысл и харак­теризуется различными параметрами. Трафик реального времени с постоянной битовой скоростью обычно требует предоставления ему постоянной полосы пропускания, причем в понятие качества обслуживания входит не только величина предоставляемой ему пропускной способности. Но и величина задержек передачи каждого пакета — обычно среднее время задержки и величина ее вариа­ции.

Для пульсирующей компьютерного трафика, который не является трафиком реального времени, так как не чувствителен к задержкам, обычно достаточно обеспечить параметры пропускной способности, а о величинах задержек можно не заботиться.

Для случая, когда трудно точно оценить среднюю скорость пе­редачи данных приложением и максимальный всплеск интен­сивности, применяют упрошенное толкование понятия качества обслуживания, как верхний и нижний пределы пропускной спо­собности, предоставляемой сетью абоненту в течение достаточно длительного промежутка времени.

Компьютерный трафик при отсутствии специальных каналов связи передавали по телефонным каналам с помощью модемов. Однако при этом определенные неудобства испытывали компьютерные абоненты сети — канат с постоянной пропускной способ­ностью не может хорошо передавать пульсации трафика. Если нужно передать трафик со средней интенсивностью 10 Кбит/с и пульса­цией до 500 Кбит/с на протяжении одной секунды, то, очевидно,
что канал с пропускной способностью 28,8 Кбит/с не сможет хорошо справиться с этой задачей.

Такое положение дел всегда сохраняется при использовании сетей с коммутацией каналов, в том числе и сетей, которые изна­чально проектировались, как сети с интегральными услугами, в которых компьютерный трафик должен передаваться наравне с телефонным, трафиком факсов, службы телетекста и трафиками других служб (ISDN — цифровые сети интегрального обслужива­ния).

С учетом большого числа клиентов, пользующихся сервисом удаленного доступа, основным видом телекоммуникационного транспорта, подходящего для этих целей, остаются телефонные сети — как аналоговые, так и 15ОМ.

Для быстрой передачи данных сети ISDN подходят в гораздо большей степени, чем узкополосные и зашумленные каналы аналоговых сетей.

Для передачи компьютерного трафика через сети ISDN используется сервис коммутации каналов со скоростью до 2 Мбит/с, а значит, все проблемы с передачей пульсаций остаются.

При более низких скоростях передачи данных задержки могут быть достаточно чувствительными.

Даже в ненагруженной сети framerelay при скорости передачи данных по каналу в 1,5 Мбит/с передача пакета компьютерных данных длиной 4096 байт может задержать пакет голосовых данных на 22 мс, что скорее всего очень сильно снизит качество передачи голоса.

Существует несколько способов объединения компьютеров в ЛС. Наиболее широко используются топологии «звезда», «общая шина», «кольцо» (рис. 3.4).

Топология «звезда» предполагает, что каждый компьютер подключен с помощью отдельного кабеля к объединяющему устройству. Топология «общая шина» предполагает использование одного кабеля, к которому подключены все компьютеры сети. В топологии «кольцо» данные передаются от одного компьютера к другому как бы по эстафете. Несколько ЛС, выполненных с помощью различных топологий, можно объединить в единую сеть.