Комутовану топологію.

Недоліки моделі OSI

• Протягом багатьох років поширеною була думка, що архітектура OSI стане домінуючою серед усіх комерційних конкуруючих між собою стеків протоколів, таких, як Системна мережева архітектура (Systems Network Architecture, SNA) компанії IBM і стек TCP/IP. Однак, оскільки в стек TCP/IP увійшли протоколи, які мають статус стандартів Інтернета, більшість розробників нових мережевих продуктів почали спиратися саме на нього.

• За архітектурою OSI закріпився статус приписчої моделі. Це відбулося, по-перше через несвоєчасність появи стандартних протоколів OSI (до моменту їхньої появи розповсюдилися конкуруючі з ними протоколи стеку TCP/IP), а по-друге – через складність і недосконалість моделі (представницький і сеансовий рівні порожні, а мережевий і канальний – перевантажені).

Переваги моделі TCP/IP:

• Це найбільш апробований, і у той же час популярний стек протоколів, який став стандартом де-факто.

• Майже всі існуючі великомасштабні мережі функціонують на основі стека TCP/IP.

• Це основний спосіб отримання доступу в Інтернет.

• Усі сучасні операційні системи підтримують стек TCP/IP.

• Стек TCP/IP знайшов широке застосування при створенні корпоративних мереж, які використовують транспортні послуги Інтернета і гіпертекстову технологію WWW.

• Стек TCP/IP є основою гнучкої технології для поєднання різнорідних систем і мереж, як на рівні реалізації транспортної функції, так і на рівні взаємодії прикладних процесів.

• Стек TCP/IP забезпечує добремасштабоване середовище для застосовань клієнт-сервер.

Недоліки моделі TCP/IP:

• Відсутність розмежувань концептуальних понять інтерфейсу, протоколу та рівневого сервісу, що досить чітко зроблено в моделі ISO/OSI. Внаслідок цього модель TCP/IP не може застосовуватися для розробки нових мереж.

• За допомогою моделі TCP/IP неможливо описати жоден інший стек протоколів, окрім TCP/IP.

• У моделі не диференційовано фізичний та канальний рівні, хоча вони абсолютно різні, що в коректній моделі обов’язково враховується.

• Найбільш ретельно продумано й опрацьовано протоколи IP і TCP. Більшість інших протоколів стека розроблено студентами (студентам для роздумів!) та вільно впроваджено, внаслідок чого вони настільки міцно вкоренилися в практиці, що зараз їх важко замінити на нові, пропоновані за комерційною схемою.

• Стек TCP/IP не може розглядатися як повноцінна модель, однак самі протоколи добре апробовані та надзвичайно популярні.

Резюме Розглядаючи еталонну модель ISO/OSI відповідно до нових вимог, дотримання яких до процесу перенесення інформаційних потоків у інфокомунікаційній мережі є надзвичайно важливим, варто зосередитися на двох основних проблемах.

• По–перше, на транспортному й канальному рівнях реалізуються два незалежних механізми перенесення.

Такий поділ задачи з транспортування інформації свого часу був зумовлений необхідністю об'єднати велику кількість мереж, які використовують різні технології доступу до каналу зв'язку. Проте наявність двох неузгоджених механізмів передавання створює проблему забезпечення якості обслуговування.

Домогтися узгодженої поведінки транспортного й канального рівнів (через мережевий рівень) не можливо у зв’язку з принципом автономності рівнів у моделі ISO/OSI. Однак сучасні концепції розвитку мереж на мультисервісній основі (зокрема концепція NGN) передбачають стратегії узгодженої поведінки транспортного й канального рівнів у обхід мережевого рівня, що формально порушує принцип автономності а виходить за межі еталонної моделі.

• По-друге, в результаті конвергенції мереж та об'єднання інформаційних потоків різних служб у спільний передавальний потік гетерогенного трафіку, виникає необхідність ідентифікації його змісту. До того, як вузькоспеціалізовані мережі передавали інформаційні потоки конкретних типів, даної проблеми не існувало.

3. Архітектура мережі. Топології фізичних і логічних зв’язків. Організаційна структура мережі.

Усі мережі зв'язку належать до класу об'єктів, які називають великими чи складними системами. Складні системи за своїм складом є гетерогенними, тобто характеризуються величезною кількістю неоднорідних елементів і зв'язків між ними. Вивченням та дослідженням складних систем, як відомо, займається наука системологія.

Мережам зв'язку властиво мати всі ознаки складних систем і підпорядковуватися відповідним їм закономірностям.

Перелічимо найбільш характерні з них.

Ієрархічність – розташування частин та елементів цілого в порядку від вищого до нижчого. Дотримуючись цієї закономірності, ми можемо розчленовувати мережу на окремі підмережі (сегменти) нижчого порядку. Наприклад, глобальна мережа може бути представлена сукупністю територіальних мереж різного масштабу: континентальних, регіональних, міських, локальних та ін.

Комунікаційність – закономірність, яка вказує на численність зв'язків (комунікацій) системи: зовнішніх – з навколишнім середовищем і внутрішніх – із власними підсистемами та елементами. Це означає, що мережу будьякого рівня ієрархії не можна розглядати ізольовано, без урахування факторів, які впливають ззовні (вищерозташованих систем) і, водночас, не можна розчленовувати її без урахування типу взаємозв'язку підмереж й елементів нижчого порядку.

Емержентність – закономірність, що полягає в прояві системою інтегрованої риси – цілісності, яка не притаманна окремим її елементам. Так, наприклад, у мережі ми можемо виокремити такі функціонально важливі й відносно незалежні підсистеми, як система мережевих застосовань, транспортна система, система керування мережею та ін. Жодну з цих систем не можна ототожнити з мережею зв'язку в цілому, і тільки їх взаємозв'язок відображає це поняття. З іншого боку, розглядаючи та вивчаючи структури окремих підсистем, ми поглиблюємо своє уявлення про систему.

Системний підхід, системний аналіз, як наукові методи пізнання, засновані на методологічних принципах системології, передбачають, насамперед, усебічний розгляд складної системи в багатьох аспектах. Для кожного аспекту до уваги береться група найбільш типових елементів і визначається різновид зв'язків між ними, які створюють певну, окрему структуру системи.

Процес побудови ряду окремих структур системи має назву «структуризація».

Отримані в результаті структуризації окремі структури системи взаємопов'язані між собою. Щоб відобразити міжструктурні зв'язки, ізольовані структури розташовують у певному порядку, наприклад, ієрархічному, де ієрархія відбудовується відповідно до пріоритету аспектів дослідження системи.

Структуризація складної системи не піддається формалізації та є творчим процесом, тому її часто ототожнюють з найдавнішим мистецтвом проектування й будівництва – архітектурою.

Отже, архітектура – це багаторівневий опис системи, отриманий шляхом структуризації.

Уявлення про будову та функціонування мережі зв'язку, як складної системи, також може бути сформовано в результаті формування та дослідження її архітектури. При цьому доцільним є розгляд таких відокремлених структур:

• топологічної, яка визначає розташування пунктів мережі та ліній зв'язку;

• організаційної, яка визначає тип, призначення, статус елементів мережі залежно від виконуваних ними функцій;

• логічної, яка описує роботу мережі на рівні взаємодії мережевих функцій та правил встановлення зв'язку між кінцевими системами, взаємодіючими через телекомунікаційну мережу;

• фізичної, яка відображає фізичні пристрої та програмні засоби, в котрих реалізовано функціональні елементи мережі, фізичні середовища передавання сигналів.

Кожна з конкретних структур може бути відповідно змодельована. Модель дозволяє відобразити найбільш важливі компоненти та зв'язки об'єкта, і не враховувати несуттєві, відповідно до мети дослідження, деталі.

Сукупність таких моделей будемо називати системним описом мережевої архітектури (див. рис.).

(рисунок: Топологічні моделі < Моделі організаційнної структури < Моделі логічної структури < Моделі фізичної структури).

На рівні найбільш узагальненого уявлення, будь-яка мережа складається з сукупності пунктів і з'єднуючих їх ліній, взаємне розташування яких характеризує зв'язність мережі та здатність забезпечувати інформаційний обмін між різними адресатами. Така відокремлена структура мережі має назву «топологія».

Розрізняють топології фізичних зв'язків і логічних зв'язків.

Топологія фізичних зв'язків відображає схему з'єднань елементів мережі.

Для дослідження топологічних особливостей мережі її зручно зображувати у вигляді точок і з'єднуючих їх дуг. Така геометрична фігура має назву граф. Точки в графі називають вершинами, а дуги, якщо не враховується їх спрямованість, – ребрами. Граф є моделлю топологічної структури мережі.

Вибір топології – це завдання, вирішення якого є першочерговим при побудові мережі. Він здійснюється з урахуванням таких вимог, як економічність і надійність зв'язку.

Задача вибору топології мережі вирішується порівняно нескладно, якщо відомим є набір типових топологій (примітивів), які можна використовувати як окремо, так і в комбінації.

Розглянемо ряд таких типових топологій (назвемо їх базовими) та охарактеризуємо їх особливості.

Топологія «точка - точка» є найбільш простим прикладом базової топології й уявляє собою сегмент мережі, який зв'язує фізично й логічно два пункти (рис. 3.2).

Надійність зв'язку в такому сегменті може бути підвищена за рахунок долучення резервного зв'язку, який забезпечує стовідсоткове резервування, яке називають захистом типу 1 + 1. У разі виходу з ладу основного зв'язку мережа автоматично під’єднується до резервного. Незважаючи на всю простоту, саме ця базова топологія найбільш широко використовується при передачі великих потоків інформації високошвидкісними магістральними каналами, наприклад, трансокеанськими підводними кабелями, які обслуговують цифровий телефонний трафік. Вона також використовується як складова частина радіально-кільцевої топології (у якості радіусів). Топологія «точка-точка» з резервуванням типу 1+1 може розглядатися як варіант топології «кільце» (див. нижче).

Деревоподібна топологія може мати різні варіанти (рис. 3.3).

Особливістю сегменту мережі, що має деревоподібну топологію, будь-якого з перелічених варіантів, є те, що зв'язність n пунктів на рівні фізичної топології тут досягається числом ребер R = n-1, що забезпечує високу економічність такої мережі. На логічному рівні, кількість зв'язних шляхів передавання інформації між кожною парою пунктів у такому сегменті завжди дорівнює h=1. З точки зору надійності, це досить низький показник. Підвищення надійності в таких мережах досягається введенням резервних зв'язків (наприклад, захисту типу 1 +1).

Деревоподібна топологія застосовується в локальних мережах, мережах абонентського доступу.

Топологія «кільце» (рис. 3.4) характеризує мережу, в якій до кожного пункту приєднано дві (і тільки дві) лінії.

Кільцева топологія широко використовується в локальних мережах, у сегментах міжвузлових з'єднань територіальних мереж, а також у мережах абонентського доступу, організованих на базі волоконно-оптичного кабелю.

Число ребер графа, яке відображає фізичну топологію, дорівнює кількості вершин: R= n і вказує на порівняно незначні витрати на мережу.

На логічному рівні між кожною парою пунктів можна організовувати h=2 незалежних зв'язних шляхи (прямий та альтернативний), що забезпечує підвищення надійності зв'язку в такому сегменті, особливо при використанні резервування типу 1 +1, так званого «подвійного кільця» (рис. 3.5). Подвійне кільце утворюється фізичними з'єднаннями між парами пунктів, при яких інформаційний потік направляється в двох протилежних напрямках (східному та західному), причому один напрям використовується як основний, другий – як резервний.

Повнозв'язна топологія (рис. 3.6) забезпечує фізичне та логічне з'єднання пунктів за принципом «кожен з кожним».

Граф, який включає n вершин, містить R = n(n-1)/2 ребер, що впливає на високу вартість мережі. Кількість незалежних зв'язних шляхів між кожною парою пунктів у такому сегменті мережі дорівнює h = n-1. Повнозв'язна топологія на логічному рівні забезпечує максимальну надійність зв'язку завдяки можливості організовувати велику кількість обхідних шляхів.

Така топологія притаманна територіальним мережам при формуванні сегментів базових і опорних (магістральних) мереж. Максимальної надійності зв'язку в сегменті можна досягти, використовуючи на обхідних напрямках альтернативні середовища поширення сигналів (наприклад, волоконно-оптичний кабель і радіорелейна лінія).

Коміркова топологія (рис. 3.7). Кожен пункт сегмента має безпосередній зв'язок із невеликою кількістю пунктів, найближчих за відстанню.

При великій кількості вершин число ребер R ≈ r n/2, де r кількість ребер, інцидентних кожній вершині. Коміркові сегменти мають високу надійність зв'язку при меншій кількості ребер у порівнянні з повнозв’язним сегментом.

Використання повнозв’язної та коміркової топологій є доцільним лише в сегментах із високою концентрацією трафіку, тому що їх реалізація пов'язана зі значними витратами.

Складні (змішані) топології. Реальні мережі часто мають складні топології, що є розширеннями та/або комбінаціями базових фізичних топологій (рис. 3.8). За рахунок використання складних топологій вдається забезпечувати вимоги до розширюваності та масштаббованості мереж.

Топологія логічних зв'язків дає уявлення про шляхи переміщення інформаційних повідомлень у мережі від джерел до одержувачів відповідно до адресної інформації. Зв'язані шляхи можуть бути визначені лише в зв'язних фізичних топологіях (методи знаходження зв'язуючих шляхів із урахуванням різних критеріїв розглядаються в п. 6.4).

Під зв'язуючим шляхом розуміють послідовність ліній і вузлових пунктів, через які проходить маршрут перенесення інформації в мережі.

Маршрут, у свою чергу, вказує на спрямованість шляху (траєкторію перенесення інформації по мережі).

Сукупність потоків інформації (службової та призначеної для користувача), які переміщаються в мережі за певними маршрутами та навантажують мережу протягом певного інтервалу часу, називається мережевим трафіком.

Таким чином, топологія логічних зв'язків є адекватною плану розподілу потоків мережевого трафіку.

Узагальнено планом розподілення потоків у мережі називають суперпозицію (накладання) маршрутів передачі інформації, визначених у мережі для кожної пари джерело/одержувач.

Елементами моделі логічної топології є логічні вузли та маршрути, які їх поєднують.

Логічними вузлами, або далі скорочено вузлами (Nodes) мережі на рівні топології логічних зв'язків називаються будь-які фізичні пристрої, яким призначені адресні ідентифікаторі.

Вузол може бути комп'ютером (робочою станцією або сервером), комунікаційним пристроєм, мережевим принтером – будь-яким пристроєм з мережевим інтерфейсом (встановленою мережевою платою (Network Interface Card, NIC)).

Вузол, у якому не передбачено виконання функцій вузлових пунктів (концентрації, мультиплексування, комутації або маршрутизації), називається хостом.

Хост (Host) – це вузол, який є кінцевою системою мережі і не може виконувати функції транзитного вузлового пункту. Для уточнення саме цього аспекту далі у тексті замість терміна «вузол» використовуватиметься термін «хост».

ПРИМІТКА. До відома, термін «хост» широко використовується в Інтернеті. Усі комп'ютери з унікальними IP-адресами та доменними іменами, які призначено для виконання програм користувачів та під’єднано до глобальної мережі, традиційно називаються хостами.

Адресні ідентифікатори підрозділяються на адреси вузлів і мережеві адреси.

Адреси вузлів мають назву – локальні чи апаратні адреси. Слово «локальний» означає «той, що діє в межах конкретного сегменту».

У локальних сегментах локальні адреси ще називають фізичними адресами, адресами точки доступу до середовища (Medium Access Control, МАС). Це унікальні числові значення, які можуть встановлюватися як програмно, так і апаратно. Наприклад, унікальні адреси на мережевих інтерфейсних платах Ethernet встановлено компанієювиробником, а адреси плат Token Ring і ARCnet – за допомогою спеціальних перемичок або перемикачів.

У територіальних сегментах локальні розширення ідентифікують мережеві інтерфейси взаємодіючих всередині них вузлів та формуються відповідно до схеми адресації, передбаченої використовуваною телекомунікаційною технологією (X.25, ATM, Frame Relay).

Мережева адреса – це логічна адреса, яка присвоюється адміністрацією (спеціальним міжнародним органом) і визначає сегмент приєднання пристрою. Повна мережева адреса складається зі спільного для всіх вузлів номера мережі й унікального в цій мережі номера вузла.

В інформаційній мережі (як логічній надбудові) застосовуються також ідентифікатори (адреси) прикладних процесів, які взаємодіють через мережу (але в даному випадку вони не розглядаються, оскільки процеси не є фізичними пристроями).

Моделями топологій логічних зв'язків прийнято вважати:

• логічну шину;

• логічне кільце;

комутовану топологію.

Принцип побудови тієї чи іншої моделі топологічних зв'язків ґрунтується на виборі механізму, який забезпечує зв'язність вузлів.

Узагальнюючи, варто зазначити, що топологія логічних зв'язків може збігатися з топологією фізичних зв'язків у мережі або відрізнятися. Більше того, на основі однієї й тієї ж топології фізичних зв'язків можна побудувати різні топології логічних зв'язків, використовуючи відповідне комунікаційне (мережеве) обладнання.

Організаційна структура мережі зв'язку визначає рольове призначення й статус мережевих елементів та утворених ними структурних компонентів залежно від поставленого завдання та займаного місця в мережі. Рольове призначення характеризує, умовно кажучи, «права та обов'язки» елементів або виділених структурних фрагментів мережі під час реалізації покладених на них функціональних завдань, а статус – рівень їх значимості відповідно до ієрархічної приналежності.

Організаційну структуру мережі можна порівняти, наприклад, із моделлю адміністративного устрою підприємства. Така модель узагальнено складається з адміністрації та виробничих підрозділів різного призначення.

У межах цієї структури визначено посади й функції співробітників, які беруть участь у виробничому процесі, ієрархію адміністративного управління та принципи структуризації підприємства (наявність робочих груп, відділів, філій та ін.). Крім того важливими чинниками є виробничі завдання, які вирішуються кожним підрозділом, а також його масштаб.