Компютерні мережі

Чотири нижніх рівні утворюють  транспортну службу комп'ютерної  мережі, яка забезпечує передачу ("транспортування") інформації між абонентськими системами, вивільняючи більш високі рівні від розв'язання цих задач. 
В свою чергу, три верхніх рівні, які забезпечують логічну взаємодію прикладних процесів, функціонально об'єднуються у абонентську службу. 
Просте перерахування рівнів недостатньо для визначення правил взаємодії систем, тому в рамках еталонної моделі також визначаються послуги, які повинні забезпечувати її рівні. Послуги, по суті справи, є функціями, які виконуються на заданому рівні. 
Послуги різних рівнів визначаються за допомогою протоколів еталонної моделі взаємодії відкритих систем, які являють собою правила взаємодії об'єктів однойменних рівнів відкритих систем. У відповідності із семирівневою моделлю взаємодії відкритих систем вводиться сім типів протоколів, які йменуються так само, як і рівні.

Класифікація обчислювальних мереж.  
У силу ряда об’єктивних причин становлення і розвиток обчислювальних мереж йшло по двох основних напрямках, один з яких пов’язаний з розвитком і удосконаленням систем телеобробки даних. Цей напрямок підтримувався фірмами – виробниками засобів обчислювальної техніки. Так, найхарактернішим прикладом є мережа SNA, розроблена фірмою ІВМ.  
За другого підходу комп’ютерна мережа розглядається як мережа передачі даних, абонентами якої є комп’ютери. В цьому випадку основну увагу приділяється організації мережі передачі даних на основі мереж зв’язку загального користування, які існують. Поступово ці два напрямки почали зближуватись і на сьогоднішній день комп’ютерні мережі можна розглядати як результат об’єднання систем телеобробки на основі розвинутої мережі передачі даних. 
Міжнародна організація стандартів визначила комп’ютерну мережу як послідовне біторієнтоване передавання інформації між пов’язаними один з одним незалежними пристроями. 
Основним призначенням комп’ютерної мережі є надання великій кількості користувачів одночасного доступу до її обчислювальних ресурсів. Виходячи з цього, комп’ютерна мережа може бути визначена як система розосередженої обробки інформації, яка складається з територіально-розосереджених комп’ютерів, що взаємодіють між собою за допомогою засобів зв’язку. Комп’ютери, що входять до складу мережі, виконують достатньо широке коло функцій, основними серед яких є: організація доступу до мережі; управління передаванням інформації; надання обчислювальних ресурсів та послуг абонентам мережі. 
За функціональною ознакою всю множину систем комп’ютерної мережі можна поділити на абонентські, комутаційні та головні (Host) системи. 
Абонентська система – це комп’ютер, орієнтований на роботу у складі комп’ютерної мережі і такий, що забезпечує користувачам доступ до її обчислювальних ресурсів. 
Комутаційні системи є вузлами комутації мережі передачі даних і забезпечують організацію складних каналів передавання даних між абонентськими системами. 
Великою різноманітністю відрізняються Host системи або мережні сервери. Сервером прийнято називати спеціальний комп’ютер, що виконує основні сервісні функції, такі як: управління мережею, збирання, обробку, зберігання і надання інформації абонентам комп’ютерної мережі. У зв’язку з великим числом сервісних функцій сервери поділяються за їх функціональним призначенням. Наприклад, файл-сервер визначається як мережний комп’ютер, який здійснює операції по зберіганню, обробці і наданню файлів даних абонентам комп’ютерної мережі. В свою чергу, комп’ютер, що забезпечує абонентським системам ефективний доступ до комп’ютерної мережі, отримав назву сервер доступу і т.д. 
У залежності від розмірів та ступеня територіальної розосередженості відрізняють глобальні, регіональні та локальні комп’ютерні мережі. У структурах глобальних та регіональних мереж є багато спільного. Найбільш характерною ознакою подібних мереж є достатньо розгалужена система передавання даних, що називається мережею передачі даних. Основними елементами мережі передачі даних є канали передачі даних та вузли комутації. За своєю структурою канали передачі даних комп’ютерних мереж аналогічні каналам передачі даних систем телеобробки і складаються з каналів зв’язку та апаратури передачі даних. Одним з найважливіших елементів комп’ютерної мережі є вузли комутації, які визначають її архітектуру та характер функціонування. За допомогою вузлів комутації організується складний канал передачі даних. Абонентські системи можуть підключатися або безпосередньо до вузлів комутації або входити до складу підсистеми телеобробки, як це реалізовано у мережах SNA. 
Управління комп’ютерною мережею може бути як децентралізованим, за яким функції управління розподіляються між декількома серверами, так і централізованим, в цьому випадку керує роботою мережі спеціально виокремлений для цієї мети сервер.  
Комп’ютерні мережі вельми різноманітні за призначенням, складом обладнання, програмним забезпеченням та функціональними можливостями, тому їх можна класифікувати за низкою ознак. 
За функціональною ознакою відрізняють обчислювальні, інформаційні та змішані (інформаційно-обчислювальні) мережі. 
Обчислювальні мережі призначені головним чином для розв’язання задач користувачів з обміном даними між її абонентами. 
Інформаційні мережі орієнтовані в основному на надання інформаційного обслуговування за запитами користувачів. 
Інформаційно-обчислювальні мережі поєднують функції обчислювальних і інформаційних мереж. 
За типом застосовуємих комп’ютерів відрізняють однорідні (гомогенні) комп’ютерні мережі, які містять програмно-сумісні комп’ютери, і неоднорідні (гетерогенні), що поєднують у своєму складі програмно-несумісні комп’ютери. Однорідними, як правило, є локальні обчислювальні мережі (ЛОМ). 
Залежно від управління мережними ресурсами комп’ютерні мережі поділяються на централізовані та децентралізовані. У централізованих комп’ютерних мережах управління усіма мережними ресурсами здійснює один з її серверів. Для децентралізованих мереж характерний автономний розподіл ресурсів, за яким кожний сервер, застосовуючи інформацію про стан мережі, самостійно визначає можливість доступу до її ресурсів.  
Комп’ютерні мережі за способом з’єднання та обробки даних поділяють на локальні, глобальні, континентальні та міжміські. 
Локальна обчислювальна мережа (LAN - Local Area Network) – це багатокористувацька система, з’єднана єдиним каналом передавання даних та обмежена територією або виробництвом, в якій кілька комп’ютерних систем пов’язані одна з одною за допомогою відповідних засобів комутації. 
Глобальна обчислювальна мережа (GAN – Global Area Network) – всесвітнє об’єднання локальних обчислювальних мереж. 
Континентальна обчислювальна мережа (WAN – Winde Area Network) – об’єднання локальних обчислювальних мереж на рівні держави або континенту. 
Міська обчислювальна мережа (MAN – Mitropoliten Area Network) – об’єднання локальних обчислювальних мереж міста. 
 
1.4. Основні проблеми побудування мереж. 
Топологія фізичних зв'язків. 
В першу чергу необхідно обрати спосіб організації фізичних зв'язків, тобто топологію. Під топологією обчислювальної мережі розуміють конфігурацію графа, вершинам якого відповідають комп'ютери мережі (іноді ще й інше обладнання, наприклад, концентратори), а ребрам - фізичні зв'язки між ними. Комп'ютери, підключені до мережі, часто називають станціями або вузлами мережі. 
Зауважимо, що конфігурація фізичних зв'язків визначається електричними з'єднаннями комп'ютерів між собою і може відрізнятися від конфігурації логічних зв'язків між вузлами мережі. Логічні зв'язки являють собою маршрути передачі даних між вузлами мережі і утворюються шляхом відповідного налагодження комунікаційного обладнання. 
Вибір топології електричних зв'язків істотно впливає на більшисть характеристик мережі. Наприклад, наявність резервних зв'язків підвищує надійність мережі і дає можливість балансувати завантаження окремих каналів. Простота під'єднання нових вузлів, властива деяким топологіям, робить мережу такою, що легко розширюється.  
Залежно від способу поєднання фізичних компонентів у мережі можуть застосовувати такі топології:

• топологія зірки (Star topology);
• кільцева топологія (Ring network);
• шинна топологія (Bus topology);

Рис. 1.4.1. ЛОМ з топологією зірки.

Архітектуру мережі, у якій усі вузли мережі сполучені з одним центральним вузлом, називають топологією зірки (рис.1.4.1). 
Мережа з топологією зірки - одна з найпоширеніших структур передавання. У мережах такого типу один пристрій (Switch), як правило, відповідає за маршрутизацію трафіка через себе до інших компонентів, а також відповідає за локалізацію несправностей. 
До позитивних властивостей мережі з топологією зірки можна віднести такі:

• легкість керування;
• достатньо просте програмне забезпечення;
• простий потік трафіка;
• можливість швидкого пошуку несправностей;
• відносну простоту та незначні витрати при потребі нарощування мережі.

Ця топологія має ряд недоліків:

• виникнення “вузьких місць” у разі, коли трафіком керує пристрій, який розташований найвище;
• мала надійність за відсутності технічного резервування;
• часте виникнення конфліктних ситуацій, пов’язаних із втратою інформації в напрямі “згори - донизу” та “знизу -угору”.

Архітектуру мережі, при якій кожний вузол пов’язаний з двома іншими, а всі вузли разом утворюють кільце, називають кільцевою топологією (рис. 1.4.2).

Рис. 1.4.2. ЛОМ з кільцевою топологією.

У мережі з кільцевою топологією вузол отримує повідомлення від одного зі своїх сусідів і далі або обробляє його сам, або ретраслює іншому сусідові, причому дані поширюються колом і здебільшого лише в одному напрямі. До позитивних властивостей мережі з кільцевою топологією можна віднести такі:

• нечасті перевантаження, притаманні ієрархічний або зіркоподібній топології;
• логічна організація кільцевої мережі є відносно простою.

Ця топологія має недолік, що полягає в наявності одного каналу, який поєднує всі компоненти в  кільце. Якщо відмовляє канал між двома вузлами, настає відмова всієї мережі.

 
Рис. 1.4.3. ЛОМ з шинною топологією.

Для усунення зазначеної ситуації необхідно  зарезервуати канал або застосувати перемикачі для обходу вузлів, що відмовили. 
Архітектуру мережі, за якої усі вузли підімкнені до спільного лінійного інформаційного каналу, називають шинною топологією (рис. 1.4.3). Мережі із шиною топологією досить популярні в локальних мережах. Шина дозволяє, щоб кожне повідомлення приймалось усіма станціями. Відповідно в момент передавання працює одна-єдина станція у широкомовному режимі на кілька станцій.  
Серед позитивних властивостей мережі із шинною топологією можна назвати такі:

• відносно просте керування трафіком між підімкненими пристроями;
• легше додати абонента до “шини”, ніж до зірки та кільця, яке має бути розірваним;
• більша надійність, оскільки на функціонування справних вузлів не зможуть впливати несправні вузли або тракти, що поєднують їх із шиною.

Дана топологія має й окремі недоліки, а саме:

• наявність одного каналу, що поєднує всі компоненти. Якщо відмовляє канал між двома вузлами, настає відмова всієї мережі;
• для усунення такої ситуації необхідно зарезервуати канал або застосувати перемикачі для обходу вузлів, що відмовили;
• важкість локалізації відмов із точністю до окремої компоненти, яку підімкнено до шини. Це зумовлюється відсутністю точок концентрації, через що проблема пошуку несправності стає важкорозвязаною.

На практиці застосовують і гібридні технології. До них можна віднести, наприклад, коміркову топологію, топологію  сніжинка і т.ін. Коміркова топологія  знайшла застосування лише останніми  роками, і тому недостатньо досліджена на практиці. Її привабливість полягає у відносній стійкості до перевантажень та відмов. Завдяки множиності шляхів, створюваних з компонентів мережі, трафік може бути спрямований в обхід вузлів, які відмовили або зайняті. Незважаючи на те що такий підхід характеризується складністю та високою вартістю (протоколи є порівняно складними з погляду логіки роботи), численні користувачі надають перевагу комірковим мережам як надійнішим за мережі інших типів.

Адресація комп'ютерів. 
Ще однією новою проблемою, яку треба враховувати при об'єднанні трьох і більше комп'ютерів, є проблема їх адресації. До адреси вузла мережі і схемі її призначення можна пред'явити декілька вимог.

• Адреса повинна унікально ідентифікувати комп'ютер у мережі будь-якого масштабу.
• Схема призначення адрес повинна зводити до мінімума ручну працю адміністратора та ймовірність дублювання адрес.
• Адреса повинна мати їєрархічну структуру, зручну для побудування великих мереж. Цю проблему добре ілюструють міжнародні поштові адреси, які дозволяють поштовій службі, яка організує доставку листів між країнами, користуватися тільки назвою країни адресату і не враховувати назву його міста , а тим більш вулиці. У великих мережах, що складаються з багатьох тисяч вузлів, відсутність ієрархії адреси може привести до значних витрат - кінцевим вузлам і комунікаційному обладнанню прийдеться оперувати із таблицями адрес, які складаються з тисяч записів.
• Адреса повинна бути зручною для користувачів мережі, а це значить, що вона повинна мати символьне представлення наприклад, Server3 або www.cisco.com.
• Адреса повинна мати по можливості компактне зображення, щоб не перевантажувати пам'ять комунікаційної апаратури - мережних адаптерів, маршрутизаторів і т. ін.

Так як всі перелічені вимоги важко  поєднати у рамках однієї схеми адресації, то на практиці звичайно використовуються водночас декілька схем адресації, так що комп'ютер одночасно має декілька адрес-імен. Кожна адреса використовується у тій ситуації, коли відповідний вид адресації найзручніший. А щоб не виникало путанини і комп'ютер завжди однозначно визначався своєю адресою, використовуються спеціальні допоміжні протоколи, які по адресі одного типу визначають адреси інших типів. 
Найбільшого розповсюдження отримали три схеми адресації вузлів. 
Апаратна (hardware) адреса. Ці адреси призначені для мережі невеликого або середнього розміру, тому вони не мають ієрархічної структури. Така адреса звичайно використовується тільки апаратурою, наприклад, у мережні адаптери вбудовують шестибайтну, так звану МАС-адресу, під час виготовлення. При установці у комп'ютер декількох адаптерів, він матиме декілька апаратних адрес. Отже апаратна адреса адресує певний інтерфейс підключення до мережі, яка змінюється при заміні мережного адаптера. 
Символьні адреси або імена. Ці адреси призначені для запам'ятовування людьми і тому звичайно несуть змістове навантаження. Символьні імена легко використовувати як у невеликих, так і у великих мережах. Для роботи у великих мережах символьне ім'я може мати складну ієрархічну структуру, напрклад, www.cisco.com. 
Числові складені адреси. Символьні імена зручні для людей, але з-за змінного формату і потенціально великої довжини їх передача по мережі не дуже економна. Тому у багатьох випадках для роботи у великих мережах в якості адрес вузлів використовують числові складені адреси фіксованого і компактного форматів. Типовими представниками адрес цього типу є ІР- та ІРХ-адреси. В них підтримується двохрівнева ієрархія, адреса поділяється на старшу частину - номер мережі та молодшу - номер вузла. Такий поділ дозволяє передавати повідомлення між мережами тільки на підставі номера мережі, а номер вузла використовується тільки після доставки повідомлення у потрібну мережу. В останній час, щоб зробити маршрутизацію у крупних мережах більш ефективною, пропонується більш складні варіанти числової адресації, у відповідності з якими адреса має три і більше складових. Такий підхід реалізований у новій версії протоколу IPv6, призначеного для роботи у мережі Internet.  
У сучасних мережах для адресації вузлів застосовуються, як правило, одночасно всі три схеми адресації. Користувачі адресують комп'ютери символьними іменами, які автоматично замінюються у повідомленнях, що передаються по мережі, на числові номери. За допомогою цих числових номерів повідомлення передаються з однієї мережі до іншої, а після доставки повідомлення у мережу призначення замість числового номера використовується апаратна адреса комп'ютера. Сьогодні така схема характерна даже для невеликих автономних мереж, де, здавалося б, вона явно зайва - це робиться для того, щоб при під'єднанні цієї мережі до великої мережі не треба було б змінювати склад операційної системи.  
 
Фізична структуризація мережі. 
На сьогоднішній день розроблені і постійно удосконалюються декілька популярних базових мережних технологій. Такими є Ethernet, Token Ring, FDDI для локальних мереж, а також X.25 i Frame Relay для територіальних обчислювальних мереж. Адміністраторам обчислювальних мереж підприємств необхідно знати переваги та недоліки цих базових мережних технологій для правильного вибору обладнання для нової обчислювальної мережі, або для модернізації існуючої. Базові технології обчислювальних мереж - це узгоджений набір стандартних протоколів і програмно-апаратних засобів, що їх реалізують (наприклад, мережних адаптерів, драйверів, кабелів і з'єднувачів), достатній для побудування обчислювальної мережі.  
У мережах з невеликою кількістю комп'ютерів (10-30) найчастіше всього використовується одна з типових топіологій - зірка, загальна шина, кільце або гібрідна. Однак, при побудуванні великих мереж однорідна структура зв'язків перетворюється з переваги у 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 породжують вузли мережі.

Для зняття цих обмежень використовують спеціальні методи структуризації мережі і спеціальне обладнання - повторювачі, концентратори, мости, комутатори, маршрутизатори. 
Найпростішим з комутаційних пристроїв є повторювач (repeator), який використовується для фізичного з'єднання різних сегментів кабеля локальної мережі з метою збільшення загальної довжини мережі. Повторювач передає сигнали, що надходять з одного сегмента мережі, в інші її сегменти. Повторювач дозволяє подолати обмеження на довжину лінії зв'язку за рахунок покращення якості передаваємого сигнала - поновлення його потужності і амплітуди, покращення фронтів сигналів і таке інше. Повторювач, який має декілька портів та з'єднує декілька фізичних сегментів, часто називають концентратором (concentrator) або хабом (hub). Ці назви (hub-основа, центр діяльності) відображає той факт, що в даному пристрої зосереджуються всі зв'язки між сегментами мережі.  
Концентратори характерні практично для всіх базових технологій локальних мереж Ethernet, Arcnet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN. Залежно від області застосування цього пристрою у значній степіні змінюється склад його функцій та конструктивне виконання. Незмінною тільки залишається основна функція - це повторення кадру або на всіх портах (як визначено у стандарті Ethernet), або тільки на деяких портах, у відповідності з алгоритмом, визначеним відповідним стандартом.

Нагадаємо, що під фізичною топологією розуміють конфігурацію зв'язків, утворених  окремими частинами кабеля, а під  логічною - конфігурація інформаційних  потоків між комп'ютерами мережі. У більшості випадків фізична  та логічна топології співпадають.  
Фізична структуризація мережі за допомогою концентраторів корисна не тільки для збільшення відстані між вузлами мережі, але і для підвищення її надійності. Крім основних функцій концентратор може виконувати деяку кількість додаткових функцій, які не визначені стандартом, але полегшують контроль і експлуатацію мережі.  
 
Логічна структуризація мережі. 
Під логічною структуризацією мережі розуміють поділ середовища, що є загальновикористовуємим, на логічні сегменти, які стають самостійними загальновикористовуємими середовищами з меншою кількістю вузлів. Мережа, поділена на логічні сегменти, володіє більш високою продуктивністю та надійністю. Взаємодія між логічними сегментами на канальному рівні стеку протоколів організується за допомогою мостів і комутаторів. Мост (bridge) і комутатор(switch) - це функціональні пристрої-близнюки. Обидва ці пристрої просувають кадри на підставі одних алгоритмів. Мости і комутатори використовують два типи алгоритмів: алгоритм прозорого моста (transparent bridge), описаного у стандарті IEEE 802.1D, або алгоритм прозорого моста із маршрутизацією від джерела (source routing bridge) компаніі ІВМ для мереж Token Ring. Ці стандарти з'явилися задовго першого комутатора, тому в них використовується термін "міст". Основна відміна комутатора від моста полягає в тому, що міст обробляє кадри послідовно, а комутатор - паралельно. Ця обставина пов'язана з тим, що мости з'явилися в ті часи, коли мережу ділили на невелику кількість сегментів (найчастіше - на два), а міжсегментний трафік був невеликим.  
Із зміною ситуації наприкінці 80-х - на початку 90-х років - поява швидких протоколів, високопродуктивних комп'ютерів, мультімедійної інформації, поділ мережі на велику кількість сегментів - класичні мости перестали справлятися з роботою. Обслуговуваня потоків кадрів між портами у мості виконувалось за допомогою одного процесорного блоку. Це привело до появи комутатора - мультіпроцесорного моста, здатного паралельно просувати кадри водночас між всіма парами своїх портів.