Обзор локальных и глобальных сетей По прочтении этой главы и после выполнения практических заданий вы сможете

По прочтении этой главы и после выполнения практических заданий вы сможете:

• 
  разбираться в определениях и идентифицировать различные типы сетей;
  
• 
  рассказать об истории развития локальных и глобальных сетей;
  
• 
  обсуждать вопросы интеграции локальных и глобальных сетей, включая основные принципы работы мостов, маршрутизаторов, шлюзов и коммутаторов;
  
• 
  описать методы интеграции сетевых протоколов;
  
• 
  рассказать о предварительных этапах процесса проектирования сети.
  

Задачи общения людей и идеи информационных сетей отражают многовековую потребность людей в средствах коммуникации. В VII веке до нашей эры древние греки использовали прирученных голубей для организации простейшей службы доставки сообщений. Спустя много лет, в 1819 году, Ханс Эрстед (Hans Oersted) обнаружил, что проволока, через которую пропускается электрический ток, отклоняет намагниченную стрелку, что послужило основой для создания сетей проволочного телеграфа. В настоящее время компьютерные информационные сети доступны миллионам людей, находящимся в разных уголках нашей планеты.

В этой главе вы познакомитесь с основными сетевыми терминами и концепциями, используемыми в книге. Также вы узнаете об истории возникновения и эволюции технологий локальных и глобальных сетей. И, наконец, в главе будет рассказано о способах объединения информационных сетей малого и большого радиуса действия, а также о подходах к проектированию сетей.

Виды сетей. Основные понятия

Простейшей "сетью" является речевой обмен, при котором слова передаются от одного человека к другому. Этой "технологией" люди овладевают сразу же, как только начинают говорить. Другим типом сетей, с которым люди знакомятся с детского возраста, является телефон. Два телефона отделяют друг от друга многие километры провода и разнообразное коммуникационное оборудование. Телефонные линии, связывающие дома и города, легко увидеть вдоль улиц и дорог, в то время как сотовые телефоны могут взаимодействовать через спутниковые сети.

По сути, компьютерные сети представляют собой более сложный случай тех элементов, которые лежат в основе речевых и телефонных коммуникаций. Как и при речевом диалоге, компьютерная сеть передает информацию от одного человека (или группы людей) другому. Помимо этого, как и телефонные системы, для передачи информации от одного узла к другому компьютерные сети используют коммуникационный кабель и радиоволны, при)
этом специальное оборудование между узлами обеспечивает гарантированную доставку каждого сообщения.

Компьютерная сеть – это совокупность компьютеров, устройств печати, сетевых устройств и компьютерных программ, связанных между собой кабелями или радиоволнами. Большинство первых сетей передавали данные по медному проводу, а сегодня они могут обеспечивать обмен данными, речевыми и видеосигналами, используя провода, оптоволоконную среду, радио и УКВ-волны, что проиллюстрировано на рис. 1.1. Компьютерные сети развиваются со скоростью света, если сравнивать их с другими коммуникационными технологиями, такими как радио, телевидение и телефония.

Компьютерные сети, обычно классифицируемые по их радиусу действия и сложности, делятся на три группы: локальные сети, региональные сети и глобальные сети (рис. 1.2). На одном конце этой классификации находятся локальные сети (local area network, LAN), состоящие из связанных между собой компьютеров, принтеров и другого компьютерного оборудованиям причем все эти устройства совместно используют аппаратные и программные ресурсы, расположенные на небольшом удалении друг от друга. Радиус действия (область обслуживания) локальной сети может представлять небольшой офис, этаж здания или все здание целиком. Примером такой сети может служить химический факультет университета, в котором компьютеры, расположенные в офисах и лабораториях, соединены коммуникационным кабелем, как показано на рис. 1.3.

Примером простейшей глобальной сети может служить модемное подключение к поставщику сетевых услуг по обычным телефонным линиям. Более сложная глобальная сеть – спутниковый мост между локальными сетями, расположенными в разных странах. Самой известной всемирной глобальной сетью является Интернет, состоящий из тысяч локальных и региональных сетей, связанных между собой с помощью разнообразных технологий глобальных коммуникаций.

Помимо рассмотренной классификации сетей, существует еще один тип – корпоративная сеть. Подобные сети объединяют различных пользователей в пределах одной или нескольких организаций и предоставляют им множество ресурсов. Несмотря на то, что большую локальную сеть можно рассматривать как корпоративную, все же корпоративная сеть обычно состоит из нескольких локальных сетей, образующих региональную или глобальную сеть.

Одной из главных характеристик корпоративной сети является наличие разных ресурсов, позволяющих пользователям решать офисные, исследовательские и образовательные задачи. Примером корпоративной сети может служить университет, объединяющий в своем составе самые различные службы, представленные на рис. 1.5, и имеющий в локальной сети множество различных компьютеров и устройств печати. В практическом задании 1-1 вы познакомитесь с ресурсами, имеющимися в корпоративной сети университетского кампуса.

Определение типа сети

Иногда различия между локальными, региональными и глобальными сетями (или границы между рабочей группой или корпоративной сетью) являются размытыми, бывает трудно определить, где заканчивается одна сеть и начинается другая. Однако тип сети чаще всего можно определить по результатам анализа следующих четырех сетевых характеристик:

• 
  коммуникационная среда;
  
• 
  протокол;
  
• 
  топология;
  
• 
  тип использования сети (частная или общедоступная).
  

Перейдем ко второй характеристике. Границу локальных и глобальных сетей можно определить по типу используемых протоколов. Протокол определяет способ форматирования сетевых данных в виде пакетов или фреймов, а также методы передачи каждого блока данных и способы интерпретации Данных на принимающем узле. Пакет — это модуль данных, имеющий определенный формат, пригодный для передачи информации по сети в виде некоторого сигнала.

В сетевых коммуникациях каждый пакет состоит из двоичных разрядов, располагающихся в информационных полях, представляющих команды управления обменов, адреса источника и назначения, полезные данные и контрольные суммы для обнаружения ошибок. Пакеты соответствуют сетевой информации, передаваемой на Сетевом уровне (Уровне 3) эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection), который определяет выбор маршрута, по которому пакет следует к узлу назначения. Подробнее этот уровень рассматривается в главе 2.

Иногда информационные поля в модуле данных, передаваемом по сети, не содержат сведений о маршрутизации, поскольку соответствующий протокол или устройство функционируют на Канальном уровне (см. главу 2). В этом случае подобный модуль данных называется не пакетом, а фреймом.

Среди специалистов по сетям существует разногласие по поводу точных определений терминов "пакет" и "фрейм". Некоторые не делают различия между этими понятиями, однако многие специалисты соглашаются с тем, что фреймы представляют информацию, используемую на Уровне 2 модели OSI, а пакеты относятся к Уровню 3 модели OSI.

Обратите внимание на то, что в одной локальной сети могут существовать несколько протоколов, однако границу сетей определяет только изменение типа используемых протоколов или увеличение их количества. Например, для сетей Ethernet используется один протокол, а для сети с маркерным кольцом — другой; подробнее об этом рассказывается в главе 2. Такие сети можно объединить, однако на границе сетей необходимо поместить устрой­ства, преобразующие фреймы или пакеты Ethernet во фреймы или пакеты маркерного кольца, и наоборот.

Третьей характеристикой, позволяющей определить границы сетей, является топология. Сетевая топология имеет две составляющих: физическую разводку кабеля и логические маршруты, по которым следуют пакеты или фреймы, передаваемые по сетевому кабелю. Разводка кабеля определяется реальным расположением кабеля в коробах на потолке и стенах. Логический маршрут соответствует направлению передачи пакетов или фреймов, и это направление может как соответствовать, так и не соответствовать физической разводке.

Рассмотрим пример, когда физическая конфигурация сети совпадает с логической. Физическая разводка может иметь звездообразную форму, при этом в центре звезды располагается сетевое устройство. Логические маршруты могут соответствовать звездообразной конфигурации, когда пакеты и фреймы передаются всем конечным узлам одновременно. Это напоминает одновременное зажигание всех лампочек в иллюминации.

Описанную топологию можно изменить и посылать фреймы и пакеты в некоторой логической последовательности (притом, что физическая разводка по-прежнему представляет собой звезду). Фреймы или пакеты могут поступать сначала одному узлу, а потом другому. Такая конфигурация будет напоминать "бегущий огонь" в иллюминации, когда лампочки зажигаются поочередно.

Изменения топологии определяются изменениями физической конфигурации и/или логических маршрутов. Например, пакеты и фреймы в сети могут физически перемещаться в шинной топологии, имеющей конечные точки, а затем через некоторое сетевое устройство могут подключаться к топологии, где они будут передаваться по кольцу, у которого конечные точки отсутствуют.

Четвертой характеристикой, определяющей границы сетей, является тип их использования; например, граница проходит там, где заканчивается частная сеть и начинается сеть общего пользования, или наоборот. Частная сеть принадлежит одной организации и поддерживается ею; примером может служить университетская сеть, которой управляет один из колледжей. Общедоступной называется такая сеть, которая предлагает свои услуги всем членам некоторого сообщества (например, сеть, поддерживаемая телекоммуникационной компанией или компанией кабельного телевидения).

Для понимания классификации деления сетей по типу использования рассмотрим пример некоторой компании, имеющей локальные сети в трех своих подразделениях, связанных между собой через региональную телефонную службу. Граница между частными локальными сетями и общедоступной глобальной сетью будет проходить там, где локальные сети подключаются к региональной телефонной сети. В другом случае компания может предложить своим сотрудникам виртуальную частную сеть (virtual private network, VPN), передающую данные через Интернет и позволяющую им обращаться к конфиденциальным данным и файлам так, будто они работают в сети из дома, используя компьютер и модем. VPN – это частная сеть, функционирующая как туннель через большую сеть (такую как Интернет или корпоративная сеть), и доступная только для авторизованных клиентов. Границы сетей будут рассматриваться при выполнении практических заданий 1-2, 1-3 и 1-4.

Совет

Понимание границ между сетями может быть чрезвычайно важно при разработке мер безопасности, поскольку, например, для защиты сети от вторжения или вирусов вы можете поместить сетевые устройства в некоторые или во все точки пересечения этих границ.

История и развитие сетевых технологий отражают запросы общества, которое нуждается в быстрых средствах связи, используемых в деловой сфере, образовании, для развлечений и взаимного общения. Несмотря на появление все новых и новых, более совершенных коммуникаций, основные требования к ним остаются одними и теми же необходимо иметь простые и быстрые средства взаимодействия со многими людьми, находящимися в разных точках. В 1800 году требовались месяцы на то, чтобы передавать новости или пересылать продукцию между США и Европой. Сегодня можно в течение минуты переслать сообщение по электронной почте из Висконсина в Норвегию, после чего компания в Атланте сможет через Интернет послать разнарядку в компанию, расположенную в Торонто, которая после этого обработает заявку и отпустит товар прямо в этот же день.

Два последующих раздела описывают наиболее значимые события в истории компьютерных сетей. Некоторые сведения взяты из хронологии Роберта Закона "Hobbes’ Internet Timeline" (Hobbes¹ Internet Timeline Copyright! (c) 1993-2003 by Robert H Zakon); ее можно найти в Интернете по адресу http://www.zakon.org/robert/internet/timeline/. Хронологию событий можно также найти в запросе на комментарии (Request for Comments, RFC) RFC 2235.»

Примечание

Запрос на комментарии (RFC) — это некоторый документ, подготовленный и распространенный одним человеком или группой людей с целью продвижения идей по развитию сетей, Интернета и компьютерных коммуникаций. Каждый RFC имеет уникальный номер. После того как некоторый RFC получает широкое одобрение в компьютерном и сетевом сообществе, он зачастую принимается в качестве стандарта. В настоящее время документами RFC управляет Проблемная группа проектирования Интернета (Internet Engineering Task Force, IETF). Это международная организация, участвующая в подготовке стандартов для Интернета. Документы RFC призваны укрепить взаимодействие между равноправными разработчиками, и играют значительную роль в продвижении сетевых технологий.

В процессе чтения хронологии событий вы увидите, что в ней представлена не просто технологические открытия, а последовательность взаимосвязанных, социальных, политических и научных событий, отражающих человеческую потребность в более быстрых коммуникациях. Первый раздел описывает историю событий, которые постепенно привели к изобретению локальных глобальных сетей, а второй непосредственно охватывает этапы их развития. Эта хронология весьма наглядно показывает, насколько быстро сокращались интервалы между следующими друг за другом достижениями.

Хронология основных событий, предшествующих появлению компьютерных сетей

1819

Ханс Эрстед (Hans Oersted) пропускает электрический ток по проволоке для того, чтобы отклонить намагниченную иглу, открывая тем самым путь изобретению телеграфа.

Сэмьюэль Морзе (Samuel F.B. Morse) в США, а также Чарльз Уитстоун (Charles Wheatstone) и Уильям Кук (William Cooke) в Англии, изобретают электрический телеграф. Уитстоун и Кук патентуют телеграф в Англии и используют его для передачи информации на железных дорогах.

Морзе посылает телеграмму с текстом "What hath God wrought!" ("Как сотворил Господь!") из Балтимора в Вашингтон. Морзе использует код, состоящий из коротких и длинных импульсов, которые представляют собой буквы и сло­ва. Этот код был назван азбукой Морзе и явился основой для повсеместно применяемого ныне международного кода Морзе (International Morse Code).

Канада и Ирландия делают первые попытки передачи сигналов через Атлантический океан по подводному кабелю. Из-за сильных фоновых шумов и относительно слабого 600-вольтового сигнала за несколько часов можно передать лишь несколько слов. После усиления сигнала до 2000 вольт плавится изоляция кабеля, что делает его непригодным к использованию.

Компания Pony Express начинает доставку почты между штатами Калифорния и Миссури, при этом каждая поездка длится 10 дней и требует усилий 80 ездовых.

В октябре компания Pony Express выполняет последний почтовый рейс, будучи не в силах конкурировать со скоростью передачи нового телеграфного оборудования фирмы Pacific Telegraph Company.

Александр Белл (Alexander Graham Bell) Создает первую телефонную систему, состоящую из передатчика и приемника, подключенных к проводу. Качество передаваемого сигнала достаточно для того, чтобы ассистент Белла услышал сообщение "Мистер Уотсон, идите сюда, я жду вас".

Первый коммерческий телефон введен в эксплуатацию банкиром Росвеллом Даунером (Roswell Downer), который установил связь на расстоянии трех миль между своим домом и офисом в банке. В том же году Е. Т. Holmes (Холмс) конструирует первый телефонный коммутатор, соединивший завод и четыре банка в Бостоне. Поскольку Холмс был производителем охранных сигнализаций, коммутатор по ночам работал так же как банковская сигнализация.

Ли Дефорест (Lee Deforest) изобрел вакуумную лампу-триод и использовал ее для усиления тока.

Исследователи компании AT&T осуществили первый трансконтинентальный телефонный звонок между Нью-Йорком и Сан-Франциско. Эта компания также начинает исследования по трансатлантическим передачам голоса

по радио.

i

1927

Компания AT&T открывает коммерческую трансатлантическую телефонную связь с Лондоном. Звонки стоят 75 долларов за 5 минут.

1937

Алекс Ривз (Alex Reeves) разрабатывает метод дискретизации голосового сигнала, названный импульсно-кодовой модуляцией (Pulse Code Modulation, PCM), этот метод впоследствии применяется в телефонных сетях в США. ИКМ-модуляция для передачи голоса использует 8-разрядную схему кодирования, являющуюся предшественницей методов кодирования данных, созданных в 1960-х годах. На основе ИКМ-модуляции реализуется базовый коммуникационный канал, являющийся основой для разработки метода высокоскоростной передачи сигналов с уплотнением каналов, который ныне известен как 24-канальная ИКМ-система типа Т (T-carrier).

Получив грант в размере 7000 долларов, Джон Атанасов (John Atanasoff) и, Клиффорд Бэрри (Clifford Berry) из Университета штата Айова изобретают электронный цифровой компьютер, названный в их честь – Atanasoff-Berry Computer.

Ванневар Буш (Vannevar Bush), советник по науке президента Рузвельта во время Второй мировой войны, разрабатывает компьютер Метех, способный хранить большие объемы информации.

Первый электронный цифровой компьютер появился на свет благодаря усилиям Эккерта (J. Presper Eckert) и Мошли (John W Mauchly), и команды разработчиков из Школы инженеров-электротехников имени Мура Университета штата Пенсильвания. Их компьютер, названный Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) (Электронный цифровой интегратор и вычислитель), состоял из 18 000 электронных ламп и занимал площадь, равную 1500 квадратным футам (приблизительно 135 кв. м).

Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Братейн (Walter Brattain) и Уильям Шокли (William Shockley) из лаборатории Bell Labs изобрели транзистор. Их открытие принесло им Нобелевскую премию по физике 1956 года.

Проложен первый успешно работающий трансатлантический кабель, ТАТ1, и компания IBM создала первый накопитель на жестком диске. Привод имел размеры двух холодильников и запоминал 5 Мбайт данных при стоимости хранения 10 000 долларов за мегабайт.

Советский Союз запустил в космос первый искусственный спутник Земли (Sputnik). Обеспокоенные отставанием в области науки и для обеспечения своего лидерства, США в составе Министерства обороны (Department of Defense, DoD) образуют Управление перспективных исследовательских программ (Advanced Research Projects Agency, ARPA). В последующие годы это управление играет важную роль в развитии сетевых технологий.

Открывая путь для оптоволоконных коммуникационных средств, лаборатория Bell Labs разрабатывает первый лазер (laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света посредством принудительного генерирования излучения). Джек Килби (Jack Kilby) из Texas Instrument демонстрирует первую интегральную схему (ИС), состоящую из шести транзисторов на кремниевой подложке размером с ноготь.

США запускают первый спутник связи, названный Echo ("Эхо"). В этом же году Иозеф Ликлидер (Joseph Licklider) публикует книгу "Man-Computer Symbiosis" ("Симбиоз человека и компьютера"), которая предвосхищает появление "консолей домашних компьютеров". Также в 1960 году усовершенствуются методы кодирования для передачи данных, что создает почву для разработки 8-разрядного кода для отдельных символов, например, букв и цифр. В 1960-х годах также входят в обиход электронно-лучевые трубки (ЭЛТ – Cathode Ray Tube, CRT), используемые в мониторах для интерактивной работы с компьютерными системами.

Леонард Клайнрок (Leonard Kleinrock) из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) публикует первую статью по сетям с коммутацией пакетов - "Information Flow in Large Communication Nets" ("Информационные потоки в больших коммуникационных сетях").