Функции и обобщенная структура глобальной сети

Введение

Глобальные сети (Wide Area Networks, WAN), которые также называют территориальными компьютерными сетями, служат для того, чтобы предоставлять свои сервисы большому количеству конечных абонентов, разбросанных по большой 
территории — в пределах области, региона, страны, континента или всего земного 
шара. Ввиду большой протяженности каналов связи построение глобальной сети 
требует очень больших затрат, в которые входит стоимость кабелей и работ по их 
прокладке, затраты на коммутационное оборудование и промежуточную усилительную аппаратуру, обеспечивающую необходимую полосу пропускания канала, 
а также эксплуатационные затраты на постоянное поддержание в работоспособном 
состоянии разбросанной по большой территории аппаратуры сети.

Типичными абонентами глобальной компьютерной сети являются локальные сети 
предприятий, расположенные в разных городах и странах, которым нужно обмениваться данными между собой. Услугами глобальных сетей пользуются также и отдельные компьютеры. Крупные компьютеры класса мэйнфреймов обычно обеспечивают 
доступ к корпоративным данным, в то время как персональные компьютеры используются для доступа к корпоративным данным и публичным данным Internet.

Глобальные сети обычно создаются крупными телекоммуникационными компаниями для оказания платных услуг абонентам. Такие сети называют публичными или общественными. Существуют также такие понятия, как оператор сети и 
поставщик услуг сети. Оператор сети (network operator) — это та компания, которая поддерживает нормальную работу сети. Поставщик услуг, часто называемый 
также провайдером (service provider), — та компания, которая оказывает платные 
услуги абонентам сети. Владелец, оператор и поставщик услуг могут объединяться 
в одну компанию, а могут представлять и разные компании.

Гораздо реже глобальная сеть полностью создается какой-нибудь крупной корпорацией (такой, например, как Dow Jones или «Транснефть») для своих внутренних нужд. В этом случае сеть называется частной. Очень часто встречается и 
промежуточный вариант — корпоративная сеть пользуется услугами или оборудованием общественной глобальной сети, но дополняет эти услуги или оборудование 
своими собственными. Наиболее типичным примером здесь является аренда каналов связи, на основе которых создаются собственные территориальные сети.

Кроме вычислительных глобальных сетей существуют и другие виды территориальных сетей передачи информации. В первую очередь это телефонные и телеграфные сети, работающие на протяжении многих десятков лет, а также телексная сеть.

Ввиду большой стоимости глобальных сетей существует долговременная тенденция создания единой глобальной сети, которая может передавать данные любых типов: компьютерные данные, телефонные разговоры, факсы, телеграммы, 
телевизионное изображение, телетекс (передача данных между двумя терминала- 
ми), видеотекс (получение хранящихся в сети данных на свой терминал) и т. д., 
и т. п. На сегодня существенного прогресса в этой области не достигнуто, хотя 
технологии для создания таких сетей начали разрабатываться достаточно давно — 
первая технология для интеграции телекоммуникационных услуг ISDN стала развиваться с начала 70-х годов. Пока каждый тип сети существует отдельно и наиболее тесная их интеграция достигнута в области использования общих первичных 
сетей — сетей PDH и SDH, с помощью которых сегодня создаются постоянные 
каналы в сетях с коммутацией абонентов. Тем не менее каждая из технологий, как 
компьютерных сетей, так и телефонных, старается сегодня передавать «чужой» 
для нее трафик с максимальной эффективностью, а попытки создать интегрированные сети на новом витке развития технологий продолжаются под преемственным 
названием Broadband ISDN (B-ISDN), то есть широкополосной (высокоскоростной) сети с интеграцией услуг. Сети B-ISDN будут основываться на технологии 
ATM, как универсальном транспорте, и поддерживать различные службы верхнего 
уровня для распространения конечным пользователям сети разнообразной информации — компьютерных данных, аудио- и видеоинформации, а также организации 
интерактивного взаимодействия пользователей.

В основе локальных и глобальных вычислительных сетей лежит один и тот 
же метод — метод коммутации пакетов, глобальные сети имеют достаточно много 
отличий от локальных сетей. Эти отличия касаются как принципов работы (например, принципы маршрутизации почти во всех типах глобальных сетей, кроме 
сетей TCP/IP, основаны на предварительном образовании виртуального канала), 
так и терминологии.

1.  Функции и обобщенная структура глобальной сети

1.1 Транспортные функции глобальной сети

В идеале глобальная вычислительная сеть должна передавать данные абонентов 
любых типов, которые есть на предприятии и нуждаются в удаленном обмене информацией. Для этого глобальная сеть должна предоставлять комплекс услуг: 
передачу пакетов локальных сетей, передачу пакетов мини-компьютеров и мейнфреймов, обмен факсами, передачу графика офисных АТС, выход в городские, междугородные и международные телефонные сети, обмен видеоизображениями для 
организации видеоконференций, передачу графика кассовых аппаратов, банкоматов и т. д. Нужно подчеркнуть, что когда идет речь о передаче трафика офисных АТС, то 
имеется в виду обеспечение разговоров только между сотрудниками различных 
филиалов одного предприятия, а не замена городской, национальной или международной телефонной сети. Трафик внутренних телефонных разговоров имеет невысокую интенсивность и невысокие требования к качеству передачи голоса, поэтому 
многие компьютерные технологии глобальных сетей, например frame relay, справляются с такой упрощенной задачей.

Большинство территориальных компьютерных сетей в настоящее время обеспечивают только передачу компьютерных данных, но количество сетей, которые 
могут передавать остальные типы данных, постоянно растет. 

Отметим, что термин «передача данных» в территориальных сетях используется в узком смысле и означает передачу только компьютерных данных, а передачу речи и изображения обычно к передаче данных не относят.

1.2 Высокоуровневые услуги глобальных сетей

Из рассмотренного списка услуг, которые глобальная сеть предоставляет конечным пользователям, видно, что в основном она используется как транзитный транспортный механизм, предоставляющий только услуги трех нижних уровней модели OSI. Действительно, при построении корпоративной сети сами данные хранятся и вырабатываются в компьютерах, принадлежащих локальным сетям этого предприятия, а глобальная сеть их только переносит из одной локальной сети в другую. 
Поэтому в локальной сети реализуются все семь уровней модели OSI, включая 
прикладной, которые предоставляют доступ к данным, преобразуют их форму, организуют защиту информации от несанкционированного доступа.

Однако в последнее время функции глобальной сети, относящиеся к верхним 
уровням стека протоколов, стали играть заметную роль в вычислительных сетях. 
Это связано в первую очередь с популярностью информации, предоставляемой публично сетью Internet. Список высокоуровневых услуг, который предоставляет 
Internet, достаточно широк. Кроме доступа к гипертекстовой информации Web-узлов с большим количеством перекрестных ссылок, которые делают источником 
данных не отдельные компьютеры, а действительно всю глобальную сеть, здесь 
нужно отметить и широковещательное распространение звукозаписей, составляющее конкуренцию радиовещанию, организацию интерактивных «бесед» — chat, организацию конференций по интересам (служба News), поиск информации и ее доставку 
по индивидуальным заказам и многое другое.

Эти информационные (а не транспортные) услуги оказывают большое влияние 
не только на домашних пользователей, но и на работу сотрудников предприятий, 
которые пользуются профессиональной информацией, публикуемой другими предприятиями в Internet, в своей повседневной деятельности, общаются с коллегами с 
помощью конференций и chat, часто таким образом достаточно быстро выясняя 
наболевшие нерешенные вопросы.

Информационные услуги Internet оказали влияние на традиционные способы 
доступа к разделяемым ресурсам, на протяжении многих лет применявшиеся в 
локальных сетях. Все больше корпоративной информации «для служебного пользования» распространяется среди сотрудников предприятия с помощью Web-службы, заменив многочисленные индивидуальные программные надстройки над базами 
данных, в больших количествах разрабатываемые на предприятиях. Появился специальный термин — intranet, который применяется в тех случаях, когда технологии 
Internet переносятся в корпоративную сеть. К технологиям intranet относят не 
только службу Web, но и использование Internet как глобальной транспортной 
сети, соединяющей локальные сети предприятия, а также все информационные 
технологии верхних уровней, появившиеся первоначально в Internet и поставленные на службу корпоративной сети.

В результате глобальные и локальные сети постепенно сближаются за счет взаимопроникновения технологий разных уровней — от транспортных до прикладных. В данной лекции основное внимание уделяется транспортным технологиям глобальных сетей, как основе любой высокоуровневой службы верхнего уровня. Кроме того, глобальные сети при построении корпоративных сетей в основном пока 
используются именно в этом качестве.

1.3 Структура глобальной сети

Типичный пример структуры глобальной компьютерной сети приведен на рис.2 
Здесь используются следующие обозначения: S (switch) — коммутаторы, К — компьютеры, R (router) — маршрутизаторы, MUX (multiplexor) — мультиплексор, UNI 
(User-Network Interface) — интерфейс пользователь - сеть и NNI (Network-Network 
Interface) — интерфейс сеть - сеть. Кроме того, офисная АТС обозначена аббревиатурой РВХ, а маленькими черными квадратиками — устройства DCE, о которых 
будет рассказано ниже.

Сеть строится на основе некоммутируемых (выделенных) каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Коммутаторы называют 
также центрами коммутации пакетов (ЦКП), то есть они являются коммутаторами пакетов, которые в разных технологиях глобальных сетей могут иметь и другие 
названия — кадры, ячейки (cell). Как и в технологиях локальных сетей принципиальной разницы между этими единицами данных нет, однако в некоторых технологиях есть традиционные названия, которые к тому же часто отражают специфику 
обработки пакетов. Например, кадр технологии frame relay редко называют пакетом, поскольку он не инкапсулируется в кадр или пакет более низкого уровня и 
обрабатывается протоколом канального уровня.

Коммутаторы устанавливаются в тех географических пунктах, в которых требуется ответвление или слияние потоков данных конечных абонентов или магистральных каналов, переносящих данные многих абонентов. Естественно, выбор мест 
расположения коммутаторов определяется многими соображениями, в которые 
включается также возможность обслуживания коммутаторов квалифицированным 
персоналом, наличие выделенных каналов связи в данном пункте, надежность сети, 
определяемая избыточными связями между коммутаторами. Абоненты сети подключаются к коммутаторам в общем случае также с помощью выделенных каналов связи. Эти каналы связи имеют более низкую пропускную способность, чем магистральные каналы, объединяющие коммутаторы, иначе 
сеть бы не справилась с потоками данных своих многочисленных пользователей. 
Для подключения конечных пользователей допускается использование коммутируемых каналов, то есть каналов телефонных сетей, хотя в таком случае качество 
транспортных услуг обычно ухудшается. Принципиально замена выделенного канала на коммутируемый ничего не меняет, но вносятся дополнительные задержки, 
отказы и разрывы канала по вине сети с коммутацией каналов, которая в таком 
случае становится промежуточным звеном между пользователем и сетью с коммутацией пакетов. Кроме того, в аналоговых телефонных сетях канал обычно имеет 
низкое качество из-за высокого уровня шумов. Применение коммутируемых каналов на магистральных связях коммутатор—коммутатор также возможно, но по тем 
же причинам весьма нежелательно.

В глобальной сети наличие большого количества абонентов с невысоким средним 
уровнем графика весьма желательно — именно в этом случае начинают в наибольшей степени проявляться выгоды метода коммутации пакетов. Если же абонентов 
мало и каждый из них создает трафик большой интенсивности (по сравнению с 
возможностями каналов и коммутаторов сети), то равномерное распределение во 
времени пульсаций трафика становится маловероятным и для качественного обслуживания абонентов необходимо использовать сеть с низким коэффициентом 
нагрузки. 

Конечные узлы глобальной сети более разнообразны, чем конечные узлы локальной сети. Все эти устройства вырабатывают данные для передачи в глобальной сети, поэтому являются для нее устройствами типа 
DTE (Data Terminal Equipment). Локальная сеть отделена от глобальной маршрутизатором или удаленным мостом (который на рисунке не показан), поэтому для 
глобальной сети она представлена единым устройством DTE — портом маршрутизатора или моста.

При передаче данных через глобальную сеть мосты и маршрутизаторы работают в соответствии с той же логикой, что и при соединении локальных сетей. Мосты, 
которые в этом случае называются удаленными мостами (remote bridges), строят таблицу МАС-адресов на основании проходящего через них трафика, и по данным этой 
таблицы принимают решение — передавать кадры в удаленную сеть или нет. В отличие от своих локальных собратьев, удаленные мосты выпускаются и сегодня, привлекая сетевых интеграторов тем, что их не нужно конфигурировать, а в удаленных 
офисах, где нет квалифицированного обслуживающего персонала, это свойство оказывается очень полезным. Маршрутизаторы принимают решение на основании номера сети пакета какого-либо протокола сетевого уровня (например, IP или IPX) и, 
если пакет нужно переправить следующему маршрутизатору по глобальной сети, 
например frame relay, упаковывают его в кадр этой сети, снабжают соответствующим 
аппаратным адресом следующего маршрутизатора и отправляют в глобальную сеть.

Мультиплексоры «голос-данные» предназначены для совмещения в рамках одной 
территориальной сети компьютерного и голосового графиков. Так как рассматриваемая глобальная сеть передает данные в виде пакетов, то мультиплексоры «голосданные», работающие на сети данного типа, упаковывают голосовую информацию в 
кадры или пакеты территориальной сети и передают их ближайшему коммутатору 
точно так же, как и любой конечный узел глобальной сети, то есть мост или маршрутизатор. Если глобальная сеть поддерживает приоритезацию трафика, то кадрам 
голосового трафика мультиплексор присваивает наивысший приоритет, чтобы коммутаторы обрабатывали и продвигали их в первую очередь. Приемный узел на другом конце глобальной сети также должен быть мультиплексором «голос-данные», 
который должен понять, что за тип данных находится в пакете — замеры голоса или 
пакеты компьютерных данных, — и отсортировать эти данные по своим выходам. 
Голосовые данные направляются офисной АТС, а компьютерные данные поступают 
через маршрутизатор в локальную сеть. Часто модуль мультиплексора «голос-данные» встраивается в маршрутизатор. Для передачи голоса в наибольшей степени 
подходят технологии, работающие с предварительным резервированием полосы пропускания для соединения абонентов, — frame relay, ATM.