Задание 19.1: Глобальные КС. Глобальные сети с коммутацией пакетов. Технология ATM. 3 Задание 19.2: История развития глобальных сетей 11 Список литературы 15
Задание 19.1: Глобальные КС. Глобальные сети с коммутацией пакетов. Технология ATM
Глобальная КС (wide area network, WAN) — это КС, охватывающая большие территории (часто целую страну или даже континент) и включающая в себя большое число компьютеров. Она объединяет машины, предназначенные для выполнения программ пользователя (то есть приложений). Мы будем следовать традиционной терминологии и называть эти машиныхостами. Хосты соединяются коммуникационными подсетями, называемыми для краткости просто подсетями. Хосты обычно являются собственностью клиентов (то есть просто клиентскими компьютерами), в то время как коммуникационной подсетью чаще всего владеет и управляет телефонная компания или поставщик услуг Интернета. Задачей подсети является передача сообщений от хоста хосту, подобно тому как телефонная система переносит слова от говорящего слушающему. Таким образом, коммуникативный аспект сети (подсеть) отделен от прикладного аспекта (хостов), что значительно упрощает структуру сети. В большинстве глобальных сетей подсеть состоит из двух раздельных компонентов: линий связи и переключающих элементов. Линии связи, также называемые каналами или магистралями, переносят данные от машины к машине. Переключающие элементы являются специализированными компьютерами, используемыми для соединения трех или более линий связи. Когда данные появляются на входной линии, переключающий элемент должен выбрать выходную линию — дальнейший маршрут этих данных. В прошлом для названия этих компьютеров не было стандартной терминологии. Сейчас их называют маршрутизаторами (router), однако следует знать, что по поводу терминологии в данном случае единого мнения не существует. В модели, показанной на рисунок 1, каждый хост соединен с локальной сетью, в которой присутствует маршрутизатор, хотя в некоторых случаях хост может быть связан с маршрутизатором напрямую. Набор линий связи и маршрутизаторов (но не хостов) образует подсеть.
Рисунок 1 — Связь хостов и подсети в КС
Большинство глобальных сетей содержат большое количество кабелей или телефонных линий, соединяющих пару маршрутизаторов. Если какие-либо два маршрутизатора не связаны линией связи напрямую, то они должны общаться при помощи других маршрутизаторов. Когда пакет посылается от одного маршрутизатора другому через несколько промежуточных маршрутизаторов, он получается каждым промежуточным маршрутизатором целиком, хранится на нем, пока требуемая линия связи не освободится, а затем пересылается дальше. Подсеть, работающая по такому принципу, называется подсетью с промежуточным хранением (store-and-forward) или подсетью с коммутацией пакетов (packetswitched). Почти у всех глобальных сетей (кроме использующих спутники связи) есть подсети с промежуточным хранением. Небольшие пакеты фиксированного размера часто называют ячейками (cell). О принципе организации сетей с коммутацией пакетов стоит сказать еще несколько слов, поскольку они используются очень широко. В общем случае, когда у процесса какого-нибудь хоста появляется сообщение, которое он собирается отправить процессу другого хоста, первым делом отправляющий хост разбивает последовательность на пакеты, каждый из которых имеет свой порядковый номер. Пакеты один за другим направляются в линию связи и по отдельности передаются по сети. Принимающий хост собирает пакеты в исходное сообщение и передает процессу. Продвижение потока пакетов наглядно показано на рисунок 2.
Рисунок 2 — Поток пакетов от отправляющего процесса к принимающему
На рисунке видно, что все пакеты следуют по пути АСЕ, а не ABDE или ACDE. В некоторых сетях путь всех пакетов данного сообщения вообще является строго определенным. В других сетях путь пакетов может прокладываться независимо. Решения о выборе маршрута принимается на локальном уровне. Когда пакет приходит на маршрутизатор А, именно последний решает, куда его перенаправить — на В или на С. Метод принятия решения называется алгоритмом маршрутизации. Не все глобальные сети используют коммутацию пакетов. Второй возможностью соединить маршрутизаторы глобальной сети является радиосвязь с использованием спутников. Каждый маршрутизатор снабжается антенной, при помощи которой он может принимать и посылать сигнал. Все маршрутизаторы могут принимать сигналы со спутника, а в некоторых случаях они могут также слышать передачи соседних маршрутизаторов, передающих данные на спутник. Иногда все маршрутизаторы соединяются обычной двухточечной подсетью, и только некоторые из них снабжаются спутниковой антенной. Спутниковые сети являются широковещательными и наиболее полезны там, где требуется широковещание. Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, АТМ) разработана как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополосными сетями ISDN (Broadband-ISDN, B-ISDN). По планам разработчиков единообразие, обеспечиваемое АТМ, будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечисленных ниже возможностей. • Передачу в рамках одной транспортной системы компьютерного и мультимедийного (голос, видео) трафика, чувствительного к задержкам, причем для каждого вида трафика качество обслуживания будет соответствовать его потребностям. • Иерархию скоростей передачи данных, от десятков мегабит до нескольких гага-бит в секунду с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений. • Общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей. • Сохранение имеющейся инфраструктуры физических каналов или физических протоколов: Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ, SDH STM-n, FDDI. • Взаимодействие с унаследованными протоколами локальных и глобальных сетей: IP, SNA, Ethernet, ISDN. Технология АТМ совмещает в себе подходы двух технологий - коммутации пакетов и коммутации каналов. От первой она взяла на вооружение передачу данных в виде адресуемых пакетов, а от второй - использование пакетов небольшого фиксированного размера, в результате чего задержки в сети становятся более предсказуемыми. С помощью техники виртуальных каналов, предварительного заказа параметров качества обслуживания канала и приоритетного обслуживания виртуальных каналов с разным качеством обслуживания удается добиться передачи в одной сети разных типов трафика без дискриминации. Хотя сети ISDN также разрабатывались для передачи различных видов трафика в рамках одной сети, голосовой трафик явно был для разработчиков более приоритетным. Технология АТМ с самого начала разрабатывалась как технология, способная обслуживать все виды трафика в соответствии с их требованиями. Службы верхних уровней сети B-ISDN должны быть примерно такими же, что и у сети ISDN - это передача факсов, распространение телевизионного изображения, голосовая почта, электронная почта, различные интерактивные службы, например проведение видеоконференций. Высокие скорости технологии АТМ создают гораздо больше возможностей для служб верхнего уровня, которые не могли быть реализованы сетями ISDN - например, для передачи цветного телевизионного изображения необходима полоса пропускания в районе 30 Мбит/с. Технология ISDN такую скорость поддержать не может, а для АТМ она не составляет больших проблем. Разработку стандартов АТМ осуществляет группа организаций под названием АТМ Forum под эгидой специального комитета IEEE, а также комитеты ITU-T и ANSI. АТМ - это очень сложная технология, требующая стандартизации в самых различных аспектах, поэтому, хотя основное ядро стандартов было принято в 1993 году, работа по стандартизации активно продолжается. Технология АТМ привлекает к себе общее внимание, так как претендует на роль всеобщего и очень гибкого транспорта, на основе которого строятся другие сети. И хотя технология АТМ может использоваться непосредственно для транспортировки сообщений протоколов прикладного уровня, пока она чаще переносит пакеты других протоколов канального и сетевого уровней (Ethernet, IP, IPX, frame relay, X.25), сосуществуя с ними, а не полностью заменяя. Поэтому протоколы и спецификации, которые определяют способы взаимодействия технологии АТМ с другими технологиями, очень важны для современных сетей. А так как протокол IP является на сегодня основным протоколом построения составных сетей, то стандарты работы IP через сети АТМ являются стандартами, определяющими взаимодействие двух наиболее популярных технологий сегодняшнего дня. Протокол Classical IP (RFC 1577) является первым (по времени появления) протоколом, определившим способ работы интерсети IP в том случае, когда одна из промежуточных сетей работает по технологии АТМ. Из-за классической концепции подсетей протокол и получил свое название - Classical. Одной из основных задач, решаемых протоколом Classical IP, является традиционная для IP-сетей задача - поиск локального адреса следующего маршрутизатора или конечного узла по его IP-адресу, то есть задача, возлагаемая в локальных сетях на протокол ARP. Поскольку сеть АТМ не поддерживает широковещательность, традиционный для локальных сетей способ широковещательных ARP-запросов здесь не работает. Технология АТМ, конечно, не единственная технология, в которой возникает такая проблема, - для обозначения таких технологий даже ввели специальный термин - «Нешироковещательные сети с множественным доступом» (Non-Broadcast networks with Multiple Access, NBMA). К сетям NBMA относятся, в частности, сети X.25 и frame relay. В общем случае для нешироковещательных сетей стандарты TCP/IP определяют только ручной способ построения ARP-таблиц, однако для технологии АТМ делается исключение - для нее разработана процедура автоматического отображения IP-адресов на локальные адреса. Такой особый подход к технологии АТМ объясняется следующими причинами. Сети NBMA (в том числе X.25 и frame relay) используются, как правило, как транзитные глобальные сети, к которым подключается ограниченное число маршрутизаторов, а для небольшого числа маршрутизаторов можно задать ARP-таблицу вручную. Технология АТМ отличается тем, что она применяется для построения не только глобальных, но и локальных сетей. В последнем случае размерность ARP-таблицы, которая должна содержать записи и о пограничных маршрутизаторах, и о множестве конечных узлов, может быть очень большой. К тому же, для крупной локальной сети характерно постоянное изменение состава узлов, а значит, часто возникает необходимость в корректировке таблиц. Все это делает ручной вариант решения задачи отображения адресов для сетей АТМ мало пригодным. В соответствии со спецификацией Classical IP одна сеть АТМ может быть представлена в виде нескольких IP-подсетей, так называемых логических подсетей (Logical IP Subnet, LIS) (рисунок 3). Все узлы одной LIS имеют общий адрес сети. Как и в классической IP-сети, весь трафик между подсетями обязательно проходит через маршрутизатор, хотя и существует принципиальная возможность передавать его непосредственно через коммутаторы АТМ, на которых построена сеть АТМ. Маршрутизатор имеет интерфейсы во всех LIS, на которые разбита сеть АТМ.
Рисунок 3 — Логические IP-подсети в сети АТМ
В отличие от классических подсетей маршрутизатор может быть подключен к сети АТМ одним физическим интерфейсом, которому присваивается несколько IP-адресов в соответствии с количеством LIS в сети. Решение о введении логических подсетей связано с необходимостью обеспечения традиционного разделения большой сети АТМ на независимые части, связность которых контролируется маршрутизаторами, как к этому привыкли сетевые интеграторы и администраторы. Решение имеет и очевидный недостаток — маршрутизатор должен быть достаточно производительным для передачи высокоскоростного трафика АТМ между логическими подсетями, в противном случае он станет узким местом сети. В связи с повышенными требованиями по производительности, предъявляемыми сетями АТМ к маршрутизаторам, многие ведущие производители разрабатывают или уже разработали модели маршрутизаторов с общей производительностью в несколько десятков миллионов пакетов в секунду. Все конечные узлы конфигурируются традиционным образом — для них задается их собственный IP-адрес, маска и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. Кроме того, задается еще один дополнительный параметр — адрес АТМ (или номер VPI/VCI для случая использования постоянного виртуального канала, то есть PVC) так называемого сервера ATMARP. Введение центрального сервера, который поддерживает общую базу данных для всех узлов сети, — это типичный прием для работы через нешироковещательную сеть. Этот прием используется во многих протоколах, в частности в протоколе LAN Emulation, рассматриваемом далее. Каждый узел использует адрес АТМ сервера ATMARP, чтобы выполнить обычный запрос ARP. Этот запрос имеет формат, очень близкий к формату запроса протокола ARP из стека TCP/IP. Длина аппаратного адреса в нем определена в 20 байт, что соответствует длине адреса АТМ. В каждой логической подсети имеется свой сервер ATMARP, так как узел может обращаться без посредничества маршрутизатора только к узлам своей подсети. Обычно роль сервера ATMARP выполняет маршрутизатор, имеющий интерфейсы во всех логических подсетях. При поступлении первого запроса ARP от конечного узла сервер сначала направляет ему встречный инверсный запрос ATMARP, чтобы выяснить IP- и АТМ- адреса этого узла. Этим способом выполняется регистрация каждого узла в сервере ATMARP, и сервер получает возможность автоматически строить базу данных соответствия IP- и АТМ - адресов. Затем сервер пытается выполнить запрос ATMARP узла путем просмотра своей базы. Если искомый узел уже зарегистрировался в ней и он принадлежит той же логической подсети, что и запрашивающий узел, то сервер отправляет в качестве ответа запрашиваемый адрес. В противном случае дается негативный ответ (такой тип ответа в обычном широковещательном варианте протокола ARP не предусматривается). Конечный узел, получив ответ ARP, узнает АТМ-адрес своего соседа по логической подсети и устанавливает с ним коммутируемое виртуальное соединение. Если же он запрашивал АТМ-адрес маршрутизатора по умолчанию, то он устанавливает с ним соединение, чтобы передать IP-пакет в другую сеть. Для передачи IP-пакетов через сеть АТМ спецификация Classical IP определяет использование протокола уровня адаптации AAL5, при этом спецификация ничего не говорит ни о параметрах трафика и качества обслуживания, ни о требуемой категории услуг CBR, rtVBR, nrtVBR или UBR. В глобальных сетях АТМ применяется там, где сеть frame relay не справляется с большими объемами трафика, и там, где нужно обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени. Сегодня основной потребитель территориальных коммутаторов АТМ - это Internet. Коммутаторы АТМ используются как гибкая среда коммутации виртуальных каналов между IP-маршрутизаторами, которые передают свой трафик в ячейках АТМ. Сети АТМ оказались более выгодной средой соединения IP-маршрутизаторов, чем выделенные каналы SDH, так как виртуальный канал АТМ может динамически перераспределять свою пропускную способность между пульсирующим трафиком клиентов IP-сетей. Примером магистральной сети АТМ крупного поставщика услуг может служить сеть компании UUNET - одного из ведущих поставщиков услуг Internet Северной Америки (рисунок 4).
Рисунок 4 — Магистральная сеть АТМ компании UUNET Сегодня по данным исследовательской компании Distributed Networking Associates около 85 % всего трафика, переносимого в мире сетями АТМ, составляет трафик компьютерных сетей (наибольшая доля приходится на трафик IP - 32 %). Хотя технология АТМ разрабатывалась для одновременной передачи данных компьютерных и телефонных сетей, передача голоса по каналам CBR для сетей АТМ составляет всего 5 % от общего трафика, а передача видеоинформации - 10 %. Телефонные компании пока предпочитают передавать свой трафик непосредственно по каналам SDH, не довольствуясь гарантиями качества обслуживания АТМ. Кроме того, технология АТМ пока имеет недостаточно стандартов для плавного включения в существующие телефонные сети, хотя работы в этом направлении идут. Что же касается совместимости АТМ с технологиями компьютерных сетей, то разработанные в этой области стандарты вполне работоспособны и удовлетворяют пользователей и сетевых интеграторов.
Задание 19.2: История развития глобальных сетей
Как и множество других технологических изобретений, глобальные компьютерные сети вышли из недр исследовательских проектов сугубо военного назначения. Запуск в Советском Союзе первого искусственного спутника Земли в 1957 году ознаменовал начало технологического соревнования между СССР и США. В 1958 году для проведения и координации научно-исследовательской деятельности в военной области при Министерстве обороны США было выделено специальное Агентство Передовых Исследовательских Проектов (Advanced Research Projects Agency - ARPA). В его ведении, в частности, находились и работы по обеспечению безопасности связи и коммуникации в случае начала ядерной войны. Такая система передачи данных должна была обладать максимальной устойчивостью к повреждениям и быть способной функционировать даже при полном выведении из строя большинства своих звеньев. В 1967 году для создания сети передачи данных было решено использовать разбросанные по всей стране компьютеры ARPA, соединив их обычными телефонными проводами. Работы по созданию первой глобальной компьютерной сети, получившей название ARPANet, велись быстрыми темпами и уже к 1968 году появились ее узлы, первый из которых был построен в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (University of California in Los-Angeles, UCLA), второй - в Стенфордском исследовательском институте (Stanford Research Institute, SRI). В сентябре 1969 года состоялась передача первого компьютерного сообщения между этими центрами, что фактически ознаменовало рождение сети ARPANet. К декабрю 1969 г. ARPANet насчитывала 4 узла, в июле 1970 г. - восемь, а в сентябре 1971 г. уже 15 узлов. В 1971 году программистом Рэем Томлисоном (Ray Tomlison) разработана система электронной почты, в частности, в адресации впервые использован значок @ ("коммерческая эт"). В 1974 году было открыто первое коммерческое приложение ARPANet - Telnet, обеспечивающее доступ к удаленным компьютерам в режиме терминала.
Рисунок 5 — Схема узлов и каналов связи сети ARPANet в 1980 году. Мало кто мог тогда предположить, во что это превратится через каких-нибудь двадцать лет.
К 1977 году Сеть объединяла уже десятки научных и военных организаций, как в США, так и в Европе, а для связи использовались уже не только телефонные, но также спутниковые и радиоканалы. 1 января 1983 года было ознаменовано принятием единых Протоколов Обмена Данными - TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol). Выдающееся значение этих протоколов заключалось в том, что с их помощью разнородные сети получили возможность производить обмен данными друг с другом. Именно этот день фактически явялется днем рождения Интернет, как сети, объединяющей глобальные компьютерные сети. Не даром одним из наиболее емких и точных определений Интернет является "сеть сетей". В 1986 году Национальным Фондом Науки США (The National Science Foundation - NSF) была запущена в эксплуатацию NSFNet, связавшая компьютерные центры по всем Соединенным Штатам с "суперкомпьютерами". NSFNet изначально базировалась на TCP/IP, то есть была открыта для включения новых сетей, но первоначально была доступна лишь для зарегистрированных пользователей, в основном, университетов. Вся военная часть выделилась в MILNet, которая отошла исключительно в ведение американских военных организаций. NSFNet являлась высокоскоростной компьютерной сетью, базирующейся на суперкомпьютерах, соединенных оптоволоконными кабелями, радио- и спутниковой связью. До 1995 года она составляла основу Интернет в Соединенных Штатах - была "хребтом" (backbone) американской части глобальных компьютерных сетей (у других стран имелись собственные "хребты"). В 1996 году NSFNet была приватизирована, а научным организациям было предписано договариваться о доступе к информационным магистралям с коммерческими Интернет-провайдерами. В академических кругах это решение признано ошибочным, и практически с того же года ведутся эксперименты по воссозданию некоммерческой сети научных и образовательных учреждений, под условным названием Интернет-2.
Рисунок 6 — NSFNet в середине 90-х годов. Мощное сочетание спутниковых и оптико-волоконных каналов позволило создать в США единое цифровое пространство.
До середины 1990 годов Интернет был доступен относительно узкому академическому сообществу, а его наполнение не отличалось богатством и разнообразием. Обмен электронными письмами, общение в группах новостей по интересам с помощью текстовых сообщений, доступ к ограниченному числу серверов по telnet и получение файлов по FTP (File Transfer Protocol - Протокол Передачи Файлов) были уделом энтузиастов до 1991 года, когда появился Gopher, приложение, впервые позволившее свободно перемещаться по глобальным сетям без предварительного знания адресов необходимых серверов. Поначалу не привлекло особого внимания и объявление о разработке нового приложения - Всемирной паутины (World Wide Web - WWW), сделанного в 1991 году в Европейском центре ядерных исследований (European Center for Nuclear Research, CERN). Созданный специалистом CERN Тимом Бернерсом-Ли (Tim Berners-Lee) Протокол Передачи Гипертекста (HyperText Transmission Protocol - HTTP) предназначался для обмена информацией среди физиков, трудившихся в удаленных друг от друга лабораториях. Однако в 1992-93 годах WWW еще по-прежнему представлял собой черно-белый текстовой ресурс. Ситуация значительно изменилась в 1993 году, после того как в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (National Center for Supercomputing Applications, NCSA) был создан первый графический интерфейс к World Wide Web - браузер Mosaic. Mosaic оказался настолько популярен, что один из разработчиков программы Марк Андриссен (Mark Andreessen) основал компанию Netscape, занявшуюся разработкой аналога Mosaic - браузера Netscape Navigator. Повсеместное использование Интернет широкими массами пользователей фактически началось в 1994 году с созданием нового браузера - Netscape Navigator. Его появление не только упростило доступ к информации Всемирной паутины, но, главное, позволило размещать в виртуальной вселенной практически все виды данных. На смену текстовым черно-белым приложениям пришла многокрасочная среда, наполненная графикой, анимацией, аудио- и видеоданными. Такая среда сразу же привлекла большее число пользователей, что в свою очередь стимулировало еще большее число организаций и частных граждан размещать в Сети свои данные. Получилась своеобразная замкнутая спираль, каждый последующий виток которой значительно превышает предшествующий. Этот процесс продолжается и поныне, захватывая все новые и новые страны. Еще в июле 2002 года Сеть насчитывала более 172 миллионов хостов (компьютеров, имеющих оригинальный IP-адрес), а число пользователей равнялось 689 миллионам человек, из более чем 170 стран мира, что составляло на тот момент 9 % населения Земли. По прогнозам компании Nua.com рубеж в 1 миллиард преодолен в 2005 году. В перспективе аудитория и число обращений к Интернет будут в значительной степени расширяться за счет увеличения возможностей мобильных компьютерных устройств: ноутбуков, карманных персональных компьютеров, сотовых телефонов. Динамичное развитие технологий мобильного и беспроводного доступа приводит к тому, что в мире возникает все больше мест, находясь в которых, пользователи в состоянии без труда подключаться к Сети, в том числе и обращаться к корпоративным интранет-сервисам, фактически - локальным сетям своих учреждений.
Список литературы
1. В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб, Питер, 2001 2. Сосновский О.А. Компьютерные сети и сетевые технологии. Курс лекций. Минск, БГЭУ, 2003 3. Экономическая информатика. Учебник. Под ред. Конюховского П.В., Колесова Д.Н. Питер, С.–Петербург, 2000 4. Э. Таненбаум. Компьютерные сети. —СПб: Питер, 2003.
