Лекция 19

Архитектура глобальных сетей

В предыдущих лекциях были рассмотрены основные сетевые средства, включая аппаратные компоненты, применяемые в локальных и распределенных сетях, а также общие принципы, такие как адресация и маршрутизация. Далее нам предстоит рассмотреть технологию объединения сетей, которая может использоваться для соединения нескольких физических сетей в большую, однородную систему связи. Мы ознакомимся с причинами объединения сетей, применяемыми аппаратными компонентами, опишем архитектуру, в которой используются эти компоненты и покажем значение концепции объединения сетей.

Причины объединения сетей

Каждая сетевая технология должна соответствовать определенным требованиям. Например, технологии локальных сетей предназначены для обеспечения высокоскоростной связи на короткие расстояния, а технологии распределенных сетей должны обеспечивать связь на больших территориях. Однако ни одна сетевая технология не может удовлетворить все потребности.

В большой организации с разнообразными требованиями к сетевому взаимодействию возникает потребность в нескольких сетях. Если для решения каждой задачи будет выбрана сеть наиболее подходящего типа, то образуется несколько типов сетей. Например, технология локальной сети наподобие Ethernet может оказаться наилучшим решением для соединения компьютеров одного офиса, а служба Frame Relay может применяться для обеспечения взаимодействия компьютеров, находящихся в разных городах.

Универсальная служба

Основная проблема, связанная с применением в организации нескольких сетей, очевидна: компьютер, подключенный к конкретной сети, может взаимодействовать только с компьютерами той же сети. Эта проблема встала на повестку дня в 70-х годах, когда крупные организации приступили к развертыванию многочисленных сетей. Каждая сеть в организации образовала отдельный "остров".

Большинство современных компьютерных систем связи обеспечивают взаимодействие между любыми двумя компьютерами, аналогично тому, как телефонная система обеспечивает связь между любыми двумя телефонами. Это понятие, получившее название универсальной службы, лежит в основе современных сетей. Отметим, что попытки создания универсальной службы предпринимались с использованием многих технологий, например, АТМ.

Универсальная служба позволяет пользователю любого компьютера в любом подразделении организации передавать сообщения или данные любому другому пользователю. Доступ ко всей информации можно получить с любого компьютера. Система связи, предоставляющая доступ к универсальной службе, обеспечивает взаимодействие любых компьютеров, подключенных к сети.

Есть ли возможность создать универсальную службу, которая охватывает несколько сетей с разными технологиями? Несовместимость электрических сигналов не позволяет создавать большие сети, просто соединив отдельные сети кабелями. Более того, такие методы расширения сетей, которые предусматривают, например, применение мостов, не могут использоваться с разнородными сетевыми технологиями, поскольку эти технологии основаны на несовместимых форматах пакетов и схемах адресации. Поэтому фрейм, созданный для одной сетевой технологии, не может быть передан в сеть, где применяется другая технология.

Архитектура объединенной сети

Несмотря на несовместимость разных сетевых технологий, был разработан принцип, позволяющий создать универсальную службу на основе разнородных сетей. Этот принцип, получивший название объединения сетей, предусматривает использование как аппаратных, так и программных средств. Для объединения сетей применяются дополнительные аппаратные системы. Затем во всех подключенных компьютерах устанавливается программное обеспечение, которое и образует универсальную службу. Система, возникшая в результате соединения сетей, называется объединенной сетью.

Объединенная сеть может быть неограниченной по своим размерам: существуют объединенные сети, которые включают лишь несколько сетей, и такие, которые включают тысячи сетей. Может изменяться и число компьютеров, подключенных к каждой подсети в объединенной сети: к некоторым подсетям вообще не подключены компьютеры, а к другим подключены сотни компьютеров.

Основным аппаратным компонентом, используемым для соединения разнородных сетей, является маршрутизатор. Каждый маршрутизатор представляет собой компьютер специального назначения, выделенный для соединения сетей. Маршрутизатор имеет процессор и память, а также отдельные интерфейсы ввода-вывода для каждой сети, к которой он подключен. Маршрутизатор может соединять сети с разными технологиями, в том числе с разной передающей средой, схемой физической адресации или форматом фрейма.

Рис. 1. Две сети, соединенные маршрутизатором, который имеет отдельный интерфейс для каждого сетевого соединения. К каждой сети могут подключаться компьютеры.

Маршрутизаторы позволяют соединять более двух сетей. Однако эта возможность используется редко. На это есть две причины:

Рис. 2. Объединенная сеть, созданная с использованием нескольких маршрутизаторов, соединяющих несколько сетей (локальных или распределенных) избыточными связями

Цель объединения сетей состоит в создании универсальной службы в разнородных сетях. Для обеспечения работы универсальной службы, доступной для всех компьютеров объединенной сети, маршрутизаторы должны обеспечить пересылку информации из одной сети в другую. Эта задача является сложной, поскольку форматы фреймов и схемы адресации, используемые в базовых сетях, могут быть разными. Таким образом, для создания универсальной службы в компьютерах и маршрутизаторах должно применяться программное обеспечение протокола. Протоколы объединенной сети преодолевают различия в форматах фреймов и физических адресах для взаимодействия между сетями, в которых используются разные технологии.

Программное обеспечение объединенной сети создает впечатление единой, безукоризненно взаимодействующей системы связи, к которой подключено много компьютеров. Эта система обеспечивает создание универсальной службы: каждому компьютеру присвоен адрес и любой компьютер может передать пакет на любой другой компьютер. Программное обеспечение протокола объединенной сети скрывает такие подробности, как схемы сетевых соединений, физические адреса и информация маршрутизации: ни пользователи, ни прикладные программы не имеют сведений о базовых сетях или соединяющих их маршрутизаторах.

Рис. 3. Концепция объединенной сети: а) Иллюзия единой сети, создаваемая программным обеспечением TCP/IP; б) Базовая физическая структура, в которой компьютеры подключаются к сетям, а маршрутизаторы соединяют сети

Объединенную сеть называют виртуальной сетевой системой, поскольку эта система связи представляет собой просто абстракцию. Это значит, что такой сети в действительности не существует, несмотря на то, что сочетание аппаратных и программных средств создает иллюзию существования однородной сетевой системы.

Протоколы объединенных сетей

Для объединения сетей наиболее широко применяется набор протоколов TCP/IP. Этот стек протоколов был первым, разработанным для использования в объединенных сетях. Исследователи, которые создали протоколы TCP/IP, разработали также архитектуру объединенной сети, описанную в предыдущем разделе лекции. Работа над протоколами TCP/IP началась в 70-х годах примерно в то же время, когда проводилась разработка технологии локальных сетей. Основное финансирование исследований по TCP/IP и объединению сетей осуществлялось Министерством обороны США через Агентство перспективных научных проектов. В подразделениях Министерства обороны появилось множество физических сетей. Поэтому возникла необходимость создания универсальной службы. К середине 80-х годов Национальный научный фонд (National Science Foundation) и другие правительственные агентства США занимались финансированием разработки протоколов TCP/IP и большой объединенной сети, которая применялась для проверки этих протоколов.

Объединение сетей является одним из наиболее важных принципов создания современных сетей. Технология TCP/IP предоставила возможность создания не только частных объединенных сетей, но и глобальной объединенной сети Internet, охватывающей десятки миллионов компьютеров всего мира.

В терминологию глобальных сетей входит понятие хост-компьютер, который обозначает компьютерную систему, подключенную к объединенной сети и используемую для выполнения приложений. Хост-компьютер может представлять собой небольшое аппаратное устройство, например, персональный компьютер, или крупную систему, такую как мэйнфрейм. Процессор хоста может быть медленным или быстрым, память - большой или малой, а сеть, к которой непосредственно подключен хост, может работать на высокой или низкой скорости.

Протоколы TCP/IP обеспечивают взаимодействие между любыми хостами, независимо от различий в их аппаратном обеспечении. Программное обеспечение протоколов TCP/IP должно быть установлено и в хостах, и в маршрутизаторах. Однако в маршрутизаторах не используются протоколы всех уровней.

Таким образом, по своей структуре объединенная сеть представляет собой совокупность сетей, которые соединены устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор - это специализированный компьютер, который подключен к двум или нескольким сетям. Маршрутизатор имеет память и процессор, как и компьютер общего назначения, но он предназначен исключительно для перемещения данных между сетями, к которым он подключен.

Обычные компьютеры, которые подключены к объединенной сети, называются хостами. Хостом может быть большой компьютер (например, мощная ЭВМ) или малый компьютер (например, персональный компьютер). Каждый хост в объединенной сети подключен к одной из физических сетей.

Внешне объединенная сеть выглядит как единая, безукоризненно взаимодействующая система связи. Подключенные к объединенной сети компьютеры могут обмениваться данными, как будто они подключены к одной сети. Это значит, что любой компьютер может отправить пакет на любой другой компьютер, который подключен к объединенной сети.

Иллюзия существования единой системы связи создается программным обеспечением протоколов объединенной сети. Это программное обеспечение должно работать на каждом хосте или маршрутизаторе объединенной сети и обеспечивать обмен пакетами между прикладными программами. Программное обеспечение протоколов обеспечивает передачу пакетов к месту назначения либо непосредственно, либо через маршрутизаторы.

Наиболее важными протоколами, разработанными для объединения сетей, являются протоколы стека TCP/IP. Программное обеспечение протоколов TCP/IP работает очень надежно и позволяет создавать крупные объединенные сети. Протоколы TCP/IP используются не только во многих частных объединенных сетях, но и в глобальной сети Internet.

Сайт управляется системой uCoz