Сетевое оборудование

Теперь пора от вопросов применения сетей и социальных аспектов перейти к рассмотрению технической стороны разработки сетей. Единой общепринятой системы, которой удовлетворяют все сети, не существует, однако есть два важнейших параметра: технология передачи и размеры. Рассмотрим оба параметра по очереди. В общих чертах существует два типа технологии передачи.

1. Широковещательные сети.

2. Сети с передачей от узла к узлу.

Широковещательные сети обладают единым каналом связи, совместно используемым всеми машинами сети. Короткие сообщения, называемые в некоторых случаях пакетами, посылаемые одной машиной, получаются всеми машинами. Поле адреса в пакете указывает, кому направляется сообщение. При получении пакета машина проверяет его адресное поле. Если пакет адресован этой машине, она обрабатывает пакет. Пакеты, адресованные другим машинам, игнорируются.

В качестве иллюстрации представьте себе человека, стоящего в конце коридора с большим количеством комнат, кричащего: “Ватсон, идите сюда. Вы мне нужны”. И хотя это сообщение может быть получено (услышано) многими людьми, ответит только Ватсон. Остальные просто не обратят на него внимания. Другим примером может быть объявление в аэропорту, предлагающее всем пассажирам рейса 544 подойти к выходу номер 12.

Широковещательные сети также позволяют адресовать пакет одновременно всем машинам с помощью специального кода в поле адреса. Когда передается пакет с таким кодом, он получается и обрабатывается всеми машинами сети. Такая операция называется широковещанием. Некоторые широковещательные системы также предоставляют возможность посылать сообщения подмножеству машин, называемые многоадресной передачей. Одной из возможных схем может быть резервирование одного бита для признака многоадресной передачи. Оставшиеся п - 1 разрядов адреса могут содержать номер группы. Каждая машина может “подписаться” на одну, несколько или все группы. Когда пакет посылается определенной группе, он распространяется всем машинам, являющимся членами этой группы.

Сети с передачей от узла к узлу, напротив, состоят из большого количества соединенных пар машин. В сети подобного типа пакету, чтобы добраться до пункта назначения, необходимо пройти через ряд промежуточных машин. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника до получателя, поэтому алгоритмы вычисления таких путей играют очень важную роль в сетях с передачей от узла к узлу. Обычно (хотя имеются и исключения) небольшие, географически локализованные в одном месте сети используют широковещательную передачу, тогда как в более крупных сетях применяется передача от узла к узлу.

Другим критерием классификации сетей является их размер. На рис. 1.2 приведена классификация мультипроцессорных систем в зависимости от их размеров.

В верхней строке таблицы помещаются потоковые вычислительные машины— компьютеры с высокой степенью распараллеливания, в которых несколько функциональных единиц одновременно выполняют одну программу. Следом идут многомашинные вычислительные системы— системы, общающиеся по очень коротким и быстрым шинам. После многомашинных вычислительных систем в таблице располагаются настоящие сети, то есть компьютеры, соединенные длинными кабелями. Их можно разделить на локальные, муниципальные и глобальные сети. И замыкают таблицу объединения двух и более сетей. Хорошо известным примером такого объединения является Интернет. Размеры сетей являются весьма важным классификационным фактором, поскольку в сетях различного размера применяется различная техника. В данной лекции будут рассматриваться только настоящие сети и их объединения. Ниже мы дадим краткое описание сетевого оборудования.

Локальными сетяминазывают частные сети, размещающиеся, как правило, в одном здании или на территории какой-либо организации размерами до нескольких километров. Их часто используют для объединения компьютеров и рабочих станций в офисах компании или предприятия для предоставления совместного доступа к ресурсам (например, принтерам) и обмена информацией. Локальные сети отличаются от других сетей тремя характеристиками: (1) размерами, (2) технологией передачи данных и (3) топологией.

Локальные сети ограничены в размерах — это означает, что время пересылки пакета ограничено сверху и этот предел заранее известен. Знание этого предела позволяет применять определенные типы дизайна, которые были бы невозможны в противоположном случае. Кроме того, это упрощает управление локальной сетью.

В локальных сетях часто применяется технология передачи данных, состоящая из единственного кабеля, к которому присоединены все машины. Подобно тому, как ранее в сельской местности использовались телефонные линии. Обычные локальные сети имеют пропускную способность канала связи от 10 до 100 Мбит/с, невысокую задержку (десятые доли микросекунды) и очень мало ошибок. Наиболее современные локальные сети могут обмениваться информацией на более высоких скоростях, до сотен мегабит в секунду. В этой лекции мы будем придерживаться традиции и измерять скорость линий в мегабитах в секунду (Мбит/с), а не в мегабайтах в секунду (Мбайт/с). Мегабитом называют 1 000 000 бит, а не 1 048 576 (2²⁰) бит.

В широковещательных сетях могут применяться различные топологии. На рис 1.3 показаны две возможные топологии. В сети с общей шиной (линейный кабель) в каждый момент одна из машин является хозяином (master) шины и имеет право на передачу. Все остальные машины должны в этот момент воздержаться от передачи. Если две машины захотят передавать одновременно, то возникнет конфликт, для разрешения которого требуется специальный механизм. Этот механизм может быть централизованным или распределенным. Например, стандарт IEEE 802.3, называемый Ethernet™, описывает широковещательную сеть с топологией общей шины с децентрализованным управлением, работающую на скоростях от 10 до 100 Мбит/с. Компьютеры в сети Ethernet могут выполнять передачу в любое время. При столкновении двух или более пакетов каждый компьютер просто ждет в течение случайного интервала времени, после которого снова пытается передать пакет.

В зависимости от способа назначения канала широковещательные сети подразделяются на статические и динамические. При статическом назначении все время делится между всеми машинами на равные интервалы, так что машина может передавать только в течение выделенного ей интервала времени. При этом емкость канала расходуется неэкономно, так как временной интервал предоставляется машинам независимо от того, есть им что сказать или нет. Поэтому чаще используется динамическое (то есть по требованию) предоставление доступа к каналу.

Методы динамического предоставления доступа к каналу также могут быть централизованными либо децентрализованными. При централизованном методе предоставления доступа к каналу должен существовать арбитр шины, определяющий машину, получающую право на передачу. Арбитр должен принимать решение на основании получаемых запросов и некоего внутреннего алгоритма. При децентрализованном методе каждая машина должна сама решать, передавать ей или нет. Можно подумать, что подобный метод обязательно приводит к хаосу, однако это не так. Ниже мы рассмотрим различные алгоритмы, созданные для внесения порядка в возможный хаос.

Другие разновидности сетей строятся на основе линий с попарными соединениями. При этом каждая линия соединяет две какие-либо машины. Подобные локальные сети представляют собой уменьшенные копии глобальных сетей. Мы рассмотрим их ниже.