Архитектура компьютерных сетей. Архитектура терминал – главный компьютер
Современные организации стремятся внедрять новые сервисы и приложения, но зачастую камнем преткновения становится устаревшая сетевая инфраструктура, неспособная поддерживать инновации. Решить эту проблему призваны технологии, созданные на основе открытых стандартов.
Сегодня в ИТ прочные позиции завоевал подход, основанный на стандартах, – заказчики почти всегда отдают предпочтения стандартным решениям. С уходом эпохи, когда господствовали мейнфреймы, стандарты завоевали прочные позиции. Они позволяют комбинировать оборудование разных производителей, выбирая «лучшие в своем классе» продукты и оптимизировать стоимость решения. Но в сетевой отрасли не все так однозначно.
На сетевом рынке до сих пор доминируют закрытые системы, а совместимость решений разных производителей обеспечивается в лучшем случае на уровне интерфейсов. Несмотря на стандартизацию интерфейсов, стеков протоколов, сетевых архитектур, сетевое и коммуникационное оборудование разных вендоров нередко представляет собой проприетарные решения. Например, даже развертывание современных «сетевых фабрик» Brocade Virtual Cluster Switch, Cisco FabricPath или Juniper QFabric предполагает замену имеющихся коммутаторов, а это не дешевый вариант. Что уж говорить про технологии «прошлого века», которые еще работают, но тормозят дальнейшее развитие сетей и функционирующих в них приложений.
Эволюция сетей. От проприетарных к открытым решениям.
Проводимые в последние годы исследования показывают, что существует разрыв между предложениями вендоров сетевого оборудования и предпочтениями его покупателей. Например, по данным одного из опросов, 67% заказчиков считают, что проприетарных продуктов по возможности следует избегать, 32% допускают их использование. Лишь 1% респондентов уверены, что проприетарные продукты и средства обеспечивают лучшую интеграцию и совместимость, чем стандартные. То есть в теории большинство заказчиков предпочитает основанные на стандартах решения, но предлагаются в основном проприетарные сетевые продукты.
На практике же при покупке нового оборудования или расширении сетевой инфраструктуры заказчики нередко выбирают решения того же вендора или то же семейство продуктов. Причины – инерция мышления, желание свести к минимуму риски при обновлении критичных систем. Однако основанные на стандартах продукты намного проще заменить, даже если это продукты разных производителей. К тому же при определенных условиях комбинация систем разных вендоров позволит получить функциональное сетевое решение за разумную цену и снизить совокупную стоимость владения.
Это не означает, что не стоит покупать проприетарные, фирменные технологии, не описываемые открытым стандартом, а являющиеся уникальной технологией определенного вендора. Именно они обычно реализуют инновационные функции и средства. Использование проприетарных решений и протоколов зачастую позволяет получить лучшие показатели по сравнению с открытыми стандартами, но при выборе подобных технологий, необходимо максимально сокращать (а лучше - исключать) их применение на границах отдельных сегментов или технологических узлов сетевой инфраструктуры, что особенно важно в мультивендорных сетях. Примерами таких сегментов могут служить уровни доступа, агрегации или ядра сети, граница между локальной и глобальной сетями, сегменты, реализующие сетевые с приложения (например, балансировка нагрузки, оптимизация трафика) и т.п.
Проще говоря, применение проприетарных технологий должно ограничиваться их использованием внутри границ сегментов, реализующих специализированные сетевые функции и/или приложения (своего рода типовые «строительные блоки» сети). В случаях, когда нестандартные фирменные технологии используются в качестве основы всей корпоративной сети или больших сетевых доменов, это увеличивает риск «привязки» заказчика к одному производителю.
Иерархические и плоские сети
Цель построения корпоративных сетей передачи данных (КСПД), будь то сеть географически распределенной компании или сеть ЦОД, – обеспечение работы бизнес-приложений. КСПД - один из важнейших инструментов развития бизнеса. В компании с территориально-распределенной структурой бизнес нередко зависит от надежности и гибкости совместной работы ее подразделений. В основе построения КСПД лежит принцип разделения сети на «строительные блоки» – каждый характеризуется свойственными ему функциями и особенностями реализации. Принятые в отрасли стандарты позволяют использовать в качестве таких строительных блоков сетевое оборудование разных вендоров. Частные (проприетарные) протоколы ограничивают свободу выбора для заказчиков, что в результате приводит к ограничению гибкости бизнеса и повышает издержки. Применяя стандартизированные решения, заказчики могут выбрать лучший продукт в интересующей их области и интегрировать его с другими продуктами, используя открытые стандартные протоколы.Современные крупные сети очень сложны, поскольку определяются множеством протоколов, конфигурациями и технологиями. С помощью иерархии можно упорядочить все компоненты в легко анализируемой модели. Иерархическая модель помогает в разработке, внедрении и обслуживании масштабируемых, надежных и эффективных в стоимостном выражении объединенных сетей.
Трехуровневая архитектура корпоративной сети.
Традиционная архитектура корпоративной сети включает в себя три уровня: уровень доступа, агрегирования/распределения и ядра. На каждом из них выполняются специфические сетевые функции.
Уровень ядра – основа всей сети. Для достижения максимальной производительности функции маршрутизации и политики управления трафиком выносятся на уровень агрегирования/распределения. Именно он отвечает за надлежащую маршрутизацию пакетов, политики трафика. Задачей уровня распределения является агрегирование/объединение всех коммутаторов уровня доступа в единую сеть. Это позволяет существенно уменьшить количество соединений. Как правило, именно к коммутаторам распределения подключаются самые важные сервисы сети, другие ее модули. Уровень доступа служит для подключения клиентов к сети. По аналогичной схеме строились и сети ЦОД.
Устаревшая архитектура трехуровневой сети в центре обработки данных.
Традиционные трехуровневые архитектуры ориентированы на клиент-серверную парадигму сетевого трафика. С дальнейшим развитием технологий виртуализации и интеграции приложений возрастает поток сетевого трафика между серверами. Аналитики говорят () о смене парадигмы сетевого трафика с направления «север-юг», на «восток-запад», т.е. на существенное преобладание трафика между серверами в отличие от обмена между сервером и клиентами.
То есть трафик между серверами проходит через уровни доступа, агрегации, ядра сети и обратно неоптимальным образом, за счет необоснованного увеличения общей длины сетевого сегмента и количества уровней обработки пакетов сетевыми устройствами. Иерархические сети недостаточно приспособлены для обмена данными между серверами, не вполне отвечают требованиям современных ЦОД с высокой плотностью серверных ферм и интенсивным межсерверным трафиком. В такой сети обычно используются традиционные протоколы защиты от петель, резервирования устройств и агрегированных соединений. Ее особенности: существенные задержки, медленная сходимость, статичность, ограниченная масштабируемость и т.п. Вместо традиционной древовидной топологии сети необходимо использовать более эффективные топологии (CLOS/ Leaf-Spine/ Collapsed), позволяющие уменьшить количество уровней и оптимизировать пути передачи пакетов.
HP упрощает архитектуру сети с трёхуровневой (характерной для традиционных сетевых архитектур Cisco) до двух- или одноуровневой.
Сейчас тенденция такова, что все больше заказчиков при построении своих сетей ориентируются на построение сетей передачи данных второго уровня (L2) с плоской топологией. В сетях ЦОД переход к ней стимулируется увеличением числа потоков «сервер – сервер» и «сервер – система хранения». Такой подход упрощает планирование сети и внедрение, а также снижает операционные расходы и общую стоимость вложений, делает сеть более производительной.
В ЦОД плоская сеть (уровня L2) лучше отвечает потребностям виртуализации приложений, позволяя эффективно перемещать виртуальные машины между физическими хостами. Еще одно преимущество, которое реализуется при наличии эффективных технологий кластеризации/стекирования – отсутствие необходимости в протоколах STP/RSTP/MSTP. Такая архитектура в сочетании с виртуальными коммутаторами обеспечивает защиту от петель без использования STP, а в случае сбоев сеть сходится на порядок быстрее, чем при использовании традиционных протоколов семейства STP.
Архитектура сети современных ЦОД должна обеспечивать эффективную поддержку передачи больших объемов динамического трафика. Динамический трафик обусловлен существенным ростом количества виртуальных машин и уровня интеграции приложений. Здесь необходимо отметить все возрастающую роль различных технологий виртуализации информационно-технологической (ИТ) инфраструктуры на базе концепции программно-определяемых сетей (SDN).
Концепция SDN в настоящее время широко распространяется не только на уровень сетевой инфраструктуры отдельных площадок, но и на уровни вычислительных ресурсов и систем хранения как в рамках отдельных, так и географически-распределенных ЦОД (примерами последних являются HP Virtual Cloud Networking – VCN и HP Distributed Cloud Networking – DCN).
Ключевой особенностью концепции SDN является объединение физических и виртуальных сетевых ресурсов и их функционала в рамках единой виртуальной сети. При этом важно понимать, что несмотря на то, что решения сетевой виртуализации (overlay) могут работать поверх любой сети, производительность/доступность приложений и сервисов в значительной степени зависят от работоспособности и параметров физической инфраструктуры (underlay). Таким образом, объединение преимуществ оптимизированной физической и адаптивной виртуальной сетевых архитектур, позволяет строить унифицированные сетевые инфраструктуры для эффективной передачи больших потоков динамического трафика по запросам приложений.
Архитектура HP FlexNetwork
Для построения плоских сетей вендоры разрабатывают соответствующее оборудование, технологии и сервисы. В числе примеров – Cisco Nexus, Juniper QFabric, HP FlexFabric. В основе решения HP – открытая и стандартизированная архитектура HP FlexNetwork.HP FlexNetwork включает в себя четыре взаимосвязанных компонента: FlexFabric, FlexCampus, FlexBranch и FlexManagement. Решения HP FlexFabric, HP FlexCampus и HP FlexBranch оптимизируют сетевые архитектуры, соответственно центров обработки данных, кампусов и филиалов предприятий, позволяя по мере роста поэтапно мигрировать от традиционных иерархических инфраструктур к унифицированным виртуальным, высокопроизводительным, конвергентным сетям или сразу строить такие сети на основе эталонных архитектур, рекомендованных НР.
HP FlexManagement предоставляет возможности комплексного мониторинга, автоматизации развертывания/настройки/контроля мультивендорных сетей, унифицированного управления виртуальными и физическими сетями с единой консоли, что ускоряет развертывание сервисов, упрощает управление, повышает доступность сети, избавляет от сложностей, связанных с применением множества систем администрирования. Причем система может управлять устройствами десятков других производителей сетевого оборудования.
HP FlexFabric поддерживает коммутацию в сетях до 100GbE на уровне ядра и до 40GbE на уровне доступа, использует технологию HP Virtual Connect. Внедряя архитектуру FlexFabric, организации могут поэтапно перейти от трехуровневых сетей на оптимизированные двух- и одноуровневые сети.
Заказчики могут поэтапно переходить от проприетарных устаревших сетей к архитектуре HP FlexNetwork с помощью HP Technology Services. HP предлагает услуги по миграции от проприетарных сетевых протоколов, например Cisco EIGRP (хотя в Cisco этот протокол называют «открытым стандартом»), к действительно стандартным протоколам маршрутизации OSPF v2 и v3. Кроме того, HP предлагает сервисы администрирования FlexManagement и набор услуг, касающихся жизненного цикла каждого модульного «строительного блока» HP FlexNetwork, включая планирование, проектирование, внедрение и сопровождение корпоративных сетей.
HP продолжает улучшать возможности своего оборудования, как на уровне аппаратных платформ, так и на основе концепции Software Defined Network (SDN), внедряя различные протоколы динамического управления коммутаторами и маршрутизаторами (OpenFlow, NETCONF, OVSDB). Для построения масштабируемых Ethernet фабрик в ряде моделей сетевых устройств HP внедрены такие технологии как TRILL, SPB, VXLAN (перечень устройств с поддержкой этих протоколов постоянно расширяется). В дополнение к стандартным протоколам категории DCB (в частности VPLS), HP разработаны и активно развиваются фирменные технологии эффективного объединения географически распределенных ЦОД в единую L2 сеть. Например, текущая реализация протокола HP EVI (Ethernet Virtual Interconnect) позволяет подобным образом объединить до 64-площадок ЦОД. Совместное же использование HP EVI и протокола виртуализации устройств HP MDC (Multitenant Device Context) предоставляет дополнительные возможности по расширению, повышение надежности и безопасности распределенных виртуализированных L2 сетей.
Выводы
В каждом конкретном случае выбор архитектуры сети зависит от множества факторов – технических требований к КСПД или ЦОД, пожеланий конечных пользователей, планов развития инфраструктуры, опыта, компетенции и т.д. Что касается проприетарных и стандартных решений, то первые подчас позволяют справиться с задачами, для которых не подходят стандартные решения. Однако на границе сегментов сети, построенной на оборудовании разных вендоров, возможности их использования крайне ограничены.Масштабное применение проприетарных протоколов в качестве основы для корпоративной сети, может серьезно ограничить свободу выбора, что в конечно счете влияет на динамичность бизнеса и увеличит его издержки.
Открытые, основанные на стандартах решения помогают компаниям переходить с унаследованных архитектур к современным гибким сетевым архитектурам, отвечающие таким актуальным задачам как облачные вычисления, миграция виртуальных машин, унифицированные коммуникации и доставка видео, высокопроизводительный мобильный доступ. Организации могут выбирать лучшие в своем классе решения, отвечающие потребностям бизнеса. Использование открытых, стандартных реализаций протоколов снижает риски и стоимость изменений сетевой инфраструктуры. Кроме того, открытые сети, с объединенными физическими и виртуальными сетевыми ресурсами и их функционалом, упрощают перенос приложений в частное и публичное облако.
Наши предыдущие публикации:
»
Внедрение MSA в виртуализированном окружении предприятия
»
Добавить метки
15.02.1997 Мирослав Макстеник
Требования к современным компьютерным сетям Примеры сетевых архитектур Методика оценки сетевых архитектур Корреляционный анализ Совместная обработка изображений Моделирование окружающей среды Построение сетей В связи с развитием компьютерных технологий разработка сетей усложнилась.
Рисунок 2.
Маршрутизируемая магистраль.
Недостатком такой сети является ее ограниченная масштабируемость. Кроме того, для поддержания в маршрутизируемой магистрали достаточно большой скорости передачи данных необходим очень производительный маршрутизатор. Эта архитектура не предусматривает никакой
иерархической структуры магистрали, поскольку сервер напрямую подключается к ней через 10 Мбит/с Ethernet. Такое подключение может создавать заторы, например когда большое число пользователей хочет получить доступ к совместно используемой базе данных.
FDDI-магистраль (рисунок 3) - это единый канал, связывающий FDDI-серверы с рабочими группами Ethernet через один или несколько маршрутизаторов среднего класса. Такая сеть может объединять компьютеры, расположенные в отдельном здании или небольшом университетском городке.
(1x1)
Рисунок 3.
FDDI-магистраль.
Простота управления протоколами и возможность установки защитного экрана на границе между рабочей группой и магистралью - основные достоинства такой архитектуры. Высокоскоростная магистраль обрабатывает общий поток информации и высокоскоростные операции сервер-сервер. Хорошая масштабируемость обеспечивается тем, что к FDDI-магистрали можно подключить много рабочих групп и маршрутизаторов, прежде чем будут полностью исчерпаны ресурсы этой архитектуры.
Однако изменение конфигурации сети приводит к появлению большого количества портов на маршрутизаторах, каждый со своим адресом подсети. Управление всеми устройствами и адресами - тяжелая работа, с которой может справиться только опытный администратор. Ретрансляция между маршрутизатором Ethernet и FDDI-сетью может снизить производительность программного обеспечения. Проблема усугубляется, если FDDI-магистраль необходимо сегментировать для передачи больших объемов информации.
Сеть с коммутацией кадров 10/100 (рисунок 4) строится на основе коммутаторов, каждый из которых имеет двенадцать 10 Мбит/с интерфейсов с концентраторами рабочих групп (или рабочими станциями) и два 100 Мбит/с интерфейса для связи с серверами. Такая архитектура может использоваться для обеспечения высокой производительности сети в рабочих группах или для создания магистрали.
(1х1)
Рисунок 4.
Сеть с коммутацией кадров 10/100.
Эта архитектура очень проста, что облегчает управление сетью. При этом "чистые" Ethernet-сети обычно работают по принципу plug-and-play. "Virtual LAN" позволяет создавать логические рабочие группы и устанавливать защитный экран. Высокая производительность сети обеспечивает хорошее время реакции клиент-серверного программного обеспечения при передаче информации между серверами и централизованными ресурсами.
К сожалению, продукты для такой архитектуры, поддерживающие сети Token Ring, появились только к концу 1995 г., поэтому их "развитие" несколько запоздало. Кроме того, способы объединения пользователей и устройств в логические группы с помощью коммутаторов не стандартизированы, и реализация этой возможности у различных производителей может различаться. Поэтому при создании сети очень важно правильно выбрать производителя продуктов для коммутации кадров.
ATM-коммутатор связывает ATM-серверы, адаптеры Adj Path и 150 Мбит/с ATM-каналы с коммутатором ячеек магистрали (рисунок 5). Адаптеры Adj Path обеспечивают 10 Мбит/с Ethernet-связи серверов с рабочими группами или отдельными компьютерами. Такая архитектура может использоваться для обеспечения высокой производительности в рабочих группах или создания магистралей в одном или нескольких зданиях.
(1х1)
Рисунок 5.
ATM и коммутацией кадров.
Созданная в соответствии с такой архитектурой высокоскоростная магистраль позволяет обрабатывать большое количество информации и эффективно осуществлять операции сервер-сервер. Отличная масштабируемость этой архитектуры позволяет создавать смешанную систему коммутаторов кадров или ячеек. Скорость отдельного интерфейса можно увеличить с помощью Fast Ethernet или более скоростных ATM-связей. "Virtual LAN" позволяет создавать рабочие группы управления, а серверы могут быть централизованы, хотя логически будут оставаться близко к пользователям, что упрощает администрирование сети.
ATM - сравнительно молодая технология, поэтому стандарты для нее еще не до конца сформированы. Следовательно, ATM-решения потребуют контактов с поставщиками оборудования.
Методика оценки сетевых архитектур
Сравнение сетей, построенных на основе описанных выше сетевых архитектур, производилось по скорости выполнения трех различных операций:
- классического обмена информацией между клиентом и сервером;
- совместной обработки изображений;
- математического моделирования.
Результаты сравнения обощаются на рисунках (они будут приведены в следующих разделах), где показаны зависимости времени реакции сети от количества обслуживаемых пользователей при выполнении каждой из указанных операций и предложены различные архитектуры сетей для их поддержания. Для построения зависимостей использовались данные, полученные в результате моделирования сетевых операций с помощью процесса планирования Traffic Mappingo фирмы NCRI. Эти данные не универсальны и предназначены только для сравнения средней относительной производительности разных сетевых архитектур. Скорости передачи информации в реальных сетях могут отличаться от указанных. Это зависит от конкретной реализации продукта, дизайна и настройки программного обеспечения, а также способов их применения.
При моделировании сетевых операций были приняты следующие важные допущения и ограничения.
Число пользователей, которые могут одновременно работать в сети с каждой конкретной архитектурой, определялось по следующей схеме.
1. Подсчитывалось количество пользователей в рабочей группе, которые могут одновременно запустить исследуемую операцию.
2. Определялся объем информации, который может сгенерировать одна рабочая группа.
3. Подсчитывалось количество рабочих групп, которые могут одновременно использовать ресурсы магистрали.
4. Число рабочих групп в магистрали умножалось на число пользователей в одной рабочей группе.
С помощью этой схемы можно достаточно точно оценить число пользователей, которых может обслужить каждая сетевая архитектура. Максимальное число пользователей означает, что производительность какой-либо части сети достигла своего предела. Следует отметить, что число пользователей указано для обычной, а не "расщепленной" сетевой архитектуры.
Итак, проведем сравнительный анализ характеристик описанных выше архитектур.
Корреляционный анализ
Для примера рассмотрим выполнение программы корреляционного анализа в реальной сети, работающей на целлюлозно-бумажной фабрике. Данная программа позволяет вместо ежедневного сбора данных о качестве продукции и их анализа (вручную) использовать операции типа "клиент-сервер". При этом предполагается, что будут сокращены потери и улучшено качество продукции более чем на 10%.
Контроль качества при производстве целлюлозы и бумаги могут выполнять одновременно 20 пользователей. Оператор или инженер получает необходимую информацию с серверов, расположенных в разных местах большой фабрики. В процессе работы осуществляется анализ качества продукции и эффективности ее изготовления, а затем подготавливаются статистические отчеты, которые сохраняются на локальном файл-сервере. Корреляционный анализ может потребовать выполнения следующих операций:
- передачи форм, триггеров и правил, используемых базой данных;
- установки удаленной связи;
- осуществления запроса на сервер и получения ответа с него;
- записи результатов статистического анализа.
Загрузка сети - умеренная. Большинство операций типа "клиент-сервер" выполняется между рабочей группой и магистралью, то есть между клиентами ЛВС и подключенным к магистрали сервером. Поскольку качество продукции контролируется в реальном времени, то информационный поток также зависит от времени. Поэтому для уменьшения количества ретрансляций необходима "плоская" сетевая архитектура. Максимальная нагрузка на сеть приходится на время пересменок, когда линия переключается на обслуживание новых продуктов, особых ситуаций на фабрике и проектов долговременного планирования.
На рисунке 6 показано, какое время реакции сети необходимо для завершения большой программой корреляционного анализа операции типа "клиент-сервер". И хотя время реакции является важным параметром (поскольку программа работает в производственной среде), в данном случае он не является критичным, т.к. сеть должна одновременно поддерживать только 20 пользователей. Нужно учесть, что для вычисления истинного времени реакции системы следует ко времени передачи данных по сети добавить время обработки запроса на сервере. Например, если сервер обрабатывает запрос за 30 с, то на одну операцию в FDDI-среде тратится примерно 50 с (19 с сетевого времени плюс 30 с работы сервера), а в ATM-сети - только 40 с.
(1x1)
Рисунок 6.
Характеристики цепей, обслуживающих программу корреляционного анализа.
За точку отсчета взята производительность в рабочей группе Ethernet. Один сегмент Ethernet обеспечивает лучшее время реакции из всех возможных вариантов, поскольку между клиентом и сервером нет посредников, кроме собственно CSMA/CD-связи по Ethernet. К одной Ethernet-линии можно подключить более 40 клиентов, поэтому логично ожидать, что сеть сможет обслуживать 20 пользователей одновременно. К сожалению, длина кабеля Ethernet ограничена, поэтому вряд ли удастся подключить все компьютеры целлюлозно-бумажной фабрики к одному сегменту Ethernet. Следовательно, в данном случае такое решение не подходит.
Время реакции в обеих коммутируемых архитектурах почти на 50% меньше, чем в традиционных FDDI-сетях с маршрутизацией или совместным доступом. Это достигается с помощью специализированных механизмов коммутации. Практически все разработчики согласны, что коммутаторы кадров будут обеспечивать меньшее время задержки, чем большинство мостов и маршрутизаторов, предлагаемых сегодня на рынке и используемых в корпоративных сетях. Более быстрые сети обеспечивают меньшее время реакции при выполнении клиент-серверных приложений.
Маршрутизируемая фрагментированная магистраль поддерживает более 50 пользователей - немногим больше, чем обычный сегмент Ethernet. Ограничивающим фактором является Ethernet-канал между маршрутизатором и сервером, который работает с той же скоростью, что и остальная сеть, - 10 Мбит/с. Естественно, что когда пользователи нескольких рабочих групп пытаются одновременно получить доступ к серверу, в этом канале образуется затор. К сожалению, даже самый быстрый маршрутизатор не способен предотвратить этот затор, поскольку передача информации в стандартной Ethernet-связи не может осуществляться быстрее, чем со скоростью10 Мбит/с. Разработчики сети могут устранить затор, добавив более скоростное подключение к серверу, например FDDI или 100 Мбит/с Ethernet. Это может ускорить выполнение корреляционного анализа, даже если его будет осуществлять гораздо большее число пользователей.
Использование коммутатора кадров 10/100 для выполнения программы корреляционного анализа позволяет избежать заторов на сервере, если установить на него коммутируемый 100 Мбит/с интерфейс. Поскольку в данной архитектуре к серверу может получить одновременный доступ большее количество пользователей из нескольких рабочих групп, то такая сеть обеспечивает поддержку 150 пользователей вместо 50. Кроме того, пользователи смогут оценить преимущества скоростной передачи, характерной для технологии коммутации.
Даже если 12 рабочих групп Ethernet одновременно получат доступ к магистральному серверу, выделенный серверный 100 Мбит/с Ethernet-интерфейс не будет переполнен. Каждый из двенадцати 10 Мбит/с Ethernet-портов насыщается запросами и ответами клиентов, отправляемыми на сервер. Единственный фактор, ограничивающий число обслуживаемых пользователей, - количество коммутируемых 10 Мбит/с портов, к которым подключаются рабочие группы. Как только портов для подключения рабочих групп не остается, архитектура исчерпывает свои возможности. Чтобы обеспечить большее число Ethernet-портов, нужно подключить несколько коммутаторов, и тогда количество одновременно работающих пользователей можно будет увеличить.
FDDI-решение обеспечивает высокоскоростную связь с серверами. В исследуемом случае это кольцо FDDI с совместным доступом, работающее со скоростью 100 Мбит/с. К FDDI-кольцу, в отличие от коммутатора кадров 10/100, можно подключать значительно больше рабочих групп, так как эта технология не имеет ограничений по количеству портов. Сетевые администраторы могут с помощью маршрутизатора, расположенного между Ethernet и FDDI, подключать рабочие группы к 100 Мбит/с кольцу, пока магистраль не будет полностью насыщена. Это решение позволяет обслуживать более 1300 пользователей.
К сожалению, время реакции FDDI выше, чем в коммутируемой архитектуре, и оно будет увеличиваться, если сегментировать магистраль после ее насыщения. Это объясняется тем, что в сегментированной FDDI-магистрали информация во время каждого запроса серверу должна проходить через два маршрутизатора.
ATM-решение обеспечивает отличное время реакции и обслуживает предельно большое количество пользователей. В сущности, ATM-решение поддерживает такое число пользователей, которое более чем в 400 раз превышает необходимое. Поэтому такая архитектура не является оптимальной.
Вероятно, лучшим выбором для работы данного программного обеспечения является либо коммутация кадров 10/100, либо FDDI. Эти решения поддерживают высокоскоростные линии и могут передавать данные по оптоволоконному кабелю для подключения пользователей на значительном расстоянии. Заметим, что FDDI является более "традиционной" технологией для производственной сети, а решение с коммутацией кадров 10/100 обеспечивает лучшую производительность и, скорее всего, является более экономически выгодным, поскольку не требует дополнительных затрат на FDDI-интерфейсы.
Совместная обработка изображений
Цель рассматриваемого в данном разделе проекта - автоматизация обработки, хранения и получения графических изображений. Автоматическая обработка изображений экономит более 20% рабочего времени. Возможная область применения такой системы - инженерно-строительная фирма, в которой необходимо упростить электронное хранение, обработку и получение разрабатываемых документов. Одновременно в сети могут работать до 300 пользователей.
При обработке изображений централизованная база данных служит депозитарием всех документов. Инженеры используют в сети электронную почту и программы совместной работы, а также запрашивают базы данных, чтобы определить, над каким проектом они должны работать. Система должна поддерживать следующие операции:
- загрузку файлов САПР из депозитария изображений;
- просмотр деталей изображения;
- обновление записей и файлов;
- проверку документов разработки;
- отправку файлов на центральный сервер для преобразования;
- запись обновленных файлов САПР на центральный сервер;
- просмотр "почтового ящика" пользователя для получения новых заданий.
Нагрузка на сеть в такой системе может быть различной - от умеренной до высокой (из-за частой передачи файлов САПР). Система, как это часто бывает с программным обеспечением для групповой работы, используется круглосуточно и ежедневно.
На рисунке 7 показано, какое сетевое время необходимо для записи оптического изображения в базу данных центрального сервера с помощью программы групповой обработки изображений. В этой системе время реакции сервера будет сильно зависеть от выбора эффективной сетевой технологии. Медленная передача данных может привести компанию к существенным финансовым издержкам. Например, для 300 инженеров разница в скорости передачи, составляющая всего две минуты, приводит к общей потере 80 рабочих часов в день. Если рабочее время инженера оценивается в 100 дол. /ч, то за год только из-за медленной работы сети компания может потерять 2 млн дол.
(1х1)
Рисунок 7.
Характеристики цепей, используемых для программ групповой обработки
изображений.
Ethernet-сегмент, естественно, имеет отличное время реакции, но, как и в примере с корреляционным анализом, он не может объединить 300 инженерных рабочих станций, серверы и соответствующее периферийное оборудование.
Маршрутизируемая фрагментированная магистраль может поддерживать несколько сегментов и, соответственно, значительно больше пользователей, чем просто Ethernet-сеть, но она не обладает пропускной способностью, необходимой для обработки больших объемов чувствительной к задержкам информации между рабочими группами и "магистральным" сегментом Ethernet. Маршрутизатор просто не справится с огромным потоком информации, прежде чем интерфейсы будут насыщены. Маршрутизаторы среднего класса, разработанные за последние несколько лет, не предназначены для обеспечения производственного процесса с интенсивным использованием сети. Ни наличие единого сегмента, ни маршрутизируемая магистраль не способны поддерживать требуемое количество пользователей и не могут служить решением для данной системы.
Сеть с коммутацией кадров 10/100 обеспечивает скорость передачи данных, аналогичную скорости в архитектуре Ethernet-сегмента. При этом к серверам может получить одновременный доступ необходимое количество пользователей, т.е. 300. К сожалению, такое число подключений - предел этой технологии, и поэтому в ней сложно работать с другими программами. Как и в случае с программой корреляционного анализа, число портов ограничивает количество обслуживаемых пользователей. Однако, в отличие от технологии маршрутизации, коммутация кадров 10/100 была разработана для обеспечения передачи сообщений на максимальной для всех каналов скорости, причем использование самого механизма коммутации не приводит к возникновению затора.
Концепция кластеризации базы данных предполагает, что централизованные данные распределяются по нескольким более мелким серверам, расположенным в местах наибольшей концентрации пользователей. Благодаря приближению сервера к рабочим группам на уровне предприятия уменьшаются время реакции и количество передаваемой по сети информации. Используя такую архитектуру, необходимо разрабатывать сети и программы одновременно.
Проектировщик сети, если он хочет добиться отличного времени реакции, характерного для технологии коммутации кадров 10/100, может прийти к решению разделить пользователей на сетевые кластеры, каждый со своим собственным "централизованным" сервером (рисунок 8). И хотя кластеризация является популярной технологией в архитектурах с коммутацией кадров, процесс ее проектирования достаточно сложен. Чтобы создать кластеры, необходимо распределить базу данных по трем или четырем серверам, а затем подключить пользователей и серверы к высокоскоростному коммутатору. Для проектирования кластеров необходимо правильно сбалансировать потоки информации между серверами и рабочими группами, а также разработать схемы репликации баз данных. Это требует тесного сотрудничества между разработчиками программного обеспечения и сетей.
(1х1)
Рисунок 8.
Использование кластерной архитектуры.
FDDI и ATM обслуживают необходимое количество пользователей. Сеть FDDI поддерживает примерно 700 пользователей, но ее время реакции сравнительно велико. FDDI-сеть требует для завершения любой операции по передаче файлов на 20 с больше, чем коммутатор кадров 10/100 или ATM-коммутатор. Однако для указанной компании 20 смогут привести к ежегодным потерям в 327 тыс. дол. Для сравнения, при использовании технологии ATM можно окупить затраты на ее внедрение за год.
Моделирование окружающей среды
Цель проекта - перевод программного обеспечения для моделирования окружающей среды с суперкомпьютера на стандартную клиент-серверную систему. Предполагаемая экономия - более 1 млн дол. в год (он затрачивается на эксплуатацию суперкомпьютера). Эта задача поставлена перед специалистами по сетям из консультационной фирмы, занимающейся вопросами защиты окружающей среды. В клиент-серверной системе предполагается запускать программы для моделирования атмосферы, обслуживающие одновременно 180 пользователей. Программы предназначены для анализа загрязнений окружающей среды от дымовых труб, заводских сбросов воды, выхлопов автомобилей и так далее. Программы должны выполнять следующие операции:
- создание модели среды, установку имитационных параметров;
- конфигурацию файлов ввода данных о топографии и атмосфере;
- запуск программы моделирования;
- загрузку дополнительных файлов;
- обмен рабочими файлами;
- запись выходных файлов моделирования;
- запись имитационных результатов на файл-сервер рабочей группы;
- просмотр результатов.
Сеть используется очень напряженно. Необходимо загружать на серверы файлы для математического моделирования объемом до 60 Мбайт. Напряженный поток информации между серверами служит для обмена рабочими файлами (примерно 1000 раз за время обработки одной модели). Компания предполагает, что эта компьютерная система будет выполнять вычисления 99% времени, используя сеть для передачи данных 1% времени. Система должна обеспечить высокую производительность работы. Вычисления выполняются круглосуточно, не менее 360 дней в году.
На рисунке 9 показана относительная производительность пяти сетевых архитектур и их способность поддерживать приложение моделирования окружающей среды. Координаты по оси Y показывают время, необходимое для выполнения 1000 обменов рабочими файлами между двумя центральными серверами. Этот обмен файлами происходит при любом математическом моделировании. Чтобы перенести эту программу с суперкомпьютера в клиент-серверную среду, необходима очень высокая производительность сети и вычислений.
Рисунок 9.
Возможности сетевых архитектур при выполнении программ моделирования
окружающей среды.
В Ethernet-сегменте, даже отделенном от рабочих групп защитным экраном, передается слишком большой объем информации. Сегмент может поддерживать всего трех пользователей. Примерно то же можно сказать и о сети Ethernet и маршрутизируемой фрагментированной магистрали. В обеих архитектурах используются Ethernet-магистрали, и в результате они поддерживают одинаковое количество пользователей. Обе архитектуры также имеют одинаковое время реакции. При выполнении описанных выше операций сервер-сервер не используется маршрутизатор даже в архитектуре маршрутизирумой магистрали, поскольку оба сервера находятся в одном и том же сегменте Ethernet.
FDDI-сеть в данном случае может поддерживать примерно 110 пользователей, что значительно меньше необходимого числа. Если использовать кластеризацию, которая подробно обсуждалась в предыдущем разделе, то можно добиться требуемых результатов. FDDI-кластеры, однако, будут менее эффективны, чем кластеры с коммутацией кадров 10/100, поскольку каждый кластер потребовал бы для связи кольца FDDI с рабочими группами одного или нескольких маршрутизаторов.
Время реакции FDDI-сети в операциях сервер-сервер великолепно. Транзакция имеет место в одном FDDI-кольце, поэтому никакой ретрансляции на маршрутизаторе нет. В результате FDDI-кольцо обеспечивает лучшее время реакции, чем решение с коммутацией кадров 10/100 или АТМ. Хотя FDDI отлично подходит для такой чисто магистральной работы, при осуществлении операций клиент-магистраль эта технология работает в четыре раза медленнее, чем коммутация кадров 10/100 или ATM.
Решение с коммутацией кадров поддерживает более 150 пользователей, и это больше, чем при использовании FDDI. Этому есть объяснение: пока FDDI использует только одно кольцо совместного доступа, коммутатор кадров 10/100 предлагает каждому из магистральных серверов свой коммутируемый 100 Мбит/с интерфейс. Это позволяет коммутатору достаточно быстро перемещать данные с сервера на сервер. Однако лишь немногие разработчики сетей предложили бы использовать коммутатор кадров 10/100 вместо FDDI, хотя коммутация - лучшее решение. Как уже было сказано, коммутация кадров не поддерживает требуемых 180 пользователей. Поэтому остается всего два варианта: либо создавать кластеры из коммутаторов 10/100, либо переходить на ATM.
Только ATM-архитектура обеспечивает поддержку необходимого числа пользователей. Позволяя создавать коммутируемую сеть, она демонстрирует отличное время реакции и для операций клиент-магистраль, и для операций, полностью происходящих в магистрали.
Построение сетей
Исследование различных архитектур и возможностей их применения выявило ряд важных проблем. Дизайнеры сетей, которые используют только интуицию и прошлый опыт, могут оказаться в трудном положении. "Искусство" сетевой разработки должно преобразиться в науку. Если принимать решения без тщательного учета свойств программного обеспечения, которое будет использоваться в сети, то это может привести к плохому исполнению проекта.
Тот факт, что Ethernet с коммутацией кадров 10/100 поддерживает больше пользователей при моделировании окружающей среды, чем магистральная FDDI-сеть, может вызвать удивление у многих разработчиков сетей. При разработке сети для такого программного обеспечения "интуиция" наверняка привела бы к разработке FDDI-сети - то есть к более дорогостоящему решению. При этом сеть могла бы обслуживаь меньшее число пользователей. При использовании программ групповой обработки изображений сети с коммутацией кадров или ATM могли бы сэкономить компании 300 тыс. дол. в год, обеспечивая лучшее время реакции и большую продуктивность работы команды инженеров.
В современных условиях для правильной разработки сети и ее обслуживания администраторы должны научиться решать следующие проблемы.
Прежде чем появились технологии коммутации кадров и ячеек, было отмечено несколько этапов увеличения сетевой производительности. Сегменты Ethernet и Token Ring подключались к маршрутизаторам. Сети Token Ring, для которых требовалась большая производительность, имели пропускную способность кольца до 16 Мбит/с. Затем предприятия развернули FDDI-магистрали для передачи информации между рабочими группами.
Сегодня в некоторых вычислительных системах коммутаторы Ethernet с 10 Мбит/с портами дополняют или заменяют маршрутизаторы, а коммутаторы кадров 10/100 конкурируют с FDDI. Как показывают приведенные в статье примеры, коммутация кадров в среднем обеспечивает гораздо лучшее время реакции и поддерживает большее количество пользователей по сравнению с маршрутизируемыми сетями и FDDI-магистралью. Коммутаторы можно установить в кластерной конфигурации, что обеспечивает высокоскоростное взаимодействие с серверами или магистралью на уровне предприятия. С помощью коммутации можно создавать более масштабируемые и управляемые сети.
Архитектура сетей сейчас изменяется, поэтому маршрутизаторы больше не стоят на пути между клиентом и сервером. Большинство из них не было предназначено для поддержки операций клиент-сервер с низким временем задержки и высокой производительностью. Теперь маршрутизаторы возвращаются к своей первоначальной роли - обеспечению связи между разнородными сетями (например, Ethernet и Token Ring) и межсетевой защиты.
Хотя FDDI по-прежнему остается главной составляющей в больших магистральных сетях, коммутация ячеек в ATM начала вытеснять FDDI как более эффективная магистральная технология. Возможно, к концу десятилетия технология АТМ получит широкое распространение.
Наконец, технология коммутации кадров и ячеек позволяет изменить соотношение цены и производительности. Ее использование уменьшает расходы на эксплуатацию сети. Часто затраты на создание сетей оцениваются по стоимости на один порт. Раньше, когда обеспечение связи и взаимодействия было главной целью сети, такой способ оценки затрат был оправдан, но теперь он устарел. Сегодня основная задача разработки сетей заключается не в обеспечении связи, а в перемещении больших объемов данных, необходимом для распределенных вычислений. Поэтому новый принцип определения стоимости сети должен отражать ее способность пересылать данные. Стоимость порта не играет роли, так как не позволяет оценить производительность, которую обеспечивает ЛВС. При использовании более современного способа оценки учитываются затраты на переданный мегабит и скорость передачи данных по сети. В технологии коммутации каждый компьютер получает канал с известной скоростью передачи данных. Если оценивать коммутацию в соответствии с новыми принципами, то она является более экономичной, чем традиционные ЛВС совместного доступа. Коммутация обеспечивает высокую производительность, отличное время реакции и позволяет разработчикам сетей делать их более управляемыми - три качества, которые имеют принципиальное значение для современных и будущих сетей.
Архитектура
сети
Архитектурой
компьютера называется его описание
на некотором общем уровне, включающее
описание пользовательских возможностей
программирования, системы команд,
системы адресации, организации
памяти и т.д. Архитектура определяет
принципы действия, информационные связи
и взаимное соединение основных логических
узлов компьютера: процессора, оперативного
ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.
Общность архитектуры разных компьютеров
обеспечивает их совместимость с
точки зрения пользователя.
Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.
Наиболее распространены
следующие архитектурные решения.
Классическая
архитектура (архитектура фон Неймана)
- одно арифметико-логическое устройство
(АЛУ), через которое проходит поток
данных, и одно устройство управления
(УУ), через которое проходит поток
команд - программа.Это однопроцессорный
компьютер.
К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами.
Контроллер - устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.
Сетевая архитектура
сродни архитектуре строений. Архитектура
здания отражает стиль конструкций
и материалы, используемые для постройки.
Архитектура сети описывает не только
физическое расположение сетевых устройств,
но и тип используемых адаптеров
и кабелей. Кроме того, сетевая
архитектура определяет методы передачи
данных по кабелю.
Архитектура сетей
Архитектура сети
определяет основные элементы сети, характеризует
ее общую логическую организацию, техническое
обеспечение, программное обеспечение,
описывает методы кодирования. Архитектура
также определяет принципы функционирования
и интерфейс пользователя.
В данном курсе будет рассмотрено три вида архитектур:
архитектура терминал – главный компьютер;
одноранговая архитектура;
архитектура клиент
– сервер.
Архитектура
терминал – главный
компьютер
Архитектура терминал
– главный компьютер (terminal – host computer
architecture) – это концепция информационной
сети, в которой вся обработка данных осуществляется
одним или группой главных компьютеров.
Рассматриваемая
архитектура предполагает два типа
оборудования:
Главный компьютер,
где осуществляется управление сетью,
хранение и обработка данных.
Терминалы, предназначенные
для передачи главному компьютеру команд
на организацию сеансов и выполнения
заданий, ввода данных для выполнения
заданий и получения результатов.
Главный компьютер
через мультиплексоры передачи данных
(МПД) взаимодействуют с терминалами.
Классический
пример архитектуры сети с главными
компьютерами – системная сетевая
архитектура (System Network Architecture – SNA).
Одноранговая
архитектура
Одноранговая архитектура
(peer-to-peer architecture) – это концепция информационной
сети, в которой ее ресурсы рассредоточены
по всем системам. Данная архитектура
характеризуется тем, что в ней все системы
равноправны.
К одноранговым
сетям относятся малые сети, где любая
рабочая станция может выполнять одновременно
функции файлового сервера и рабочей станции.
В одноранговых ЛВС дисковое пространство
и файлы на любом компьютере могут быть
общими. Чтобы ресурс стал общим, его необходимо
отдать в общее пользование, используя
службы удаленного доступа сетевых одноранговых
операционных систем. В зависимости от
того, как будет установлена защита данных,
другие пользователи смогут пользоваться
файлами сразу же после их создания. Одноранговые
ЛВС достаточно хороши только для небольших
рабочих групп.
Архитектура
клиент – сервер
Клиент-сервер (англ.
Client-server) - вычислительная или сетевая
архитектура, в которой задания или сетевая
нагрузка распределены между поставщиками
услуг (сервисов), называемыми серверами,
и заказчиками услуг, называемыми клиентами.
Нередко клиенты и серверы взаимодействуют
через компьютерную сеть и могут быть
как различными физическими устройствами,
так и программным обеспечением.Содержание
Преимущества
Делает возможным, в большинстве случаев, распределить функции вычислительной системы между несколькими независимыми компьютерами в сети. Это позволяет упростить обслуживание вычислительной системы. В частности, замена, ремонт, модернизация или перемещение сервера, не затрагивают клиентов.
Все данные хранятся на сервере, который, как правило, защищён гораздо лучше большинства клиентов. На сервере проще обеспечить контроль полномочий, чтобы разрешать доступ к данным только клиентам с соответствующими правами доступа.
Позволяет объединить различные клиенты. Использовать ресурсы одного сервера часто могут клиенты с разными аппаратными платформами, операционными системами и т.п.
Недостатки
Неработоспособность сервера может сделать неработоспособной всю вычислительную сеть.
Поддержка работы данной системы, требует отдельного специалиста - системного администратора.
Высокая стоимость оборудования.
Многоуровневая архитектура клиент-сервер
Многоуровневая архитектура клиент-сервер - разновидность архитектуры клиент-сервер, в которой функция обработки данных вынесена на один или несколько отдельных серверов. Это позволяет разделить функции хранения, обработки и представления данных для более эффективного использования возможностей серверов и клиентов.
Частные случаи многоуровневой архитектуры:
Трёхуровневая архитектура
Сеть с выделенным сервером
Сеть с выделенным сервером (англ. Client/Server network) - это локальная вычислительная сеть (LAN), в которой сетевые устройства централизованы и управляются одним или несколькими серверами. Индивидуальные рабочие станции или клиенты (такие, как ПК) должны обращаться к ресурсам сети через сервер(ы).
Сетевые архитектуры
Сетевые архитектуры разделяются по скорости передачи данных, среде передачи, вариантах реализации, топологии
Ethernet. 10Мбит/с.
- 10BaseT (Витая пара);
- 10Base2 (Тонкий коаксиал);
- 10Base5 (Толстый коаксиал);
- 10BaseFL (Оптоволокно) .
10Base2 или Тонкий Ethernet
10Base5
IEEE 10Base5 или "толстый" Ethernet - самый старый стандарт среди остальных. В настоящее время затруднительно найти в продаже новое оборудование для построения сети на этом стандарте. Основные его параметры:
10Base-T или Ethernet на витой паре
В 1990 году IEEE опубликовал спецификацию 802.3 для построения сети Ethernet на основе витой пары. l0BaseT (10 - скорость передачи 10 Мбит/с, Base - узкополосная, Т - витая пара) - сеть Ethernet, которая для соединения компьютеров обычно использует неэкранированную витую пару (UTP). Тем не менее и экранированная витая пара (STP) также может применяться в топологии lOBaseT без изменения каких-либо ее параметров. Большинство сетей этого типа строятся в виде звезды, но по системе передачи сигналов представляют собой шину, как и другие конфигурации Ethernet. Обычно концентратор сети lOBaseT выступает как многопортовый (multiport) репитер и часто располагается в распределительной стойке здания. Каждый компьютер подключается к другому концу кабеля, соединенного с концентратором, и использует две пары проводов: одну - для приема, другую - для передачи. Максимальная длина сегмента l0BaseT - 100 м (328 футов). Минимальная длина кабеля - 2,5 м (около 8 футов). Сеть l0BaseT может обслуживать до 1024 компьютеров.
10BaseFL
10BaseFL (10 - скорость передачи 10 Мбит/с, Base - узкополосная передача, FL - оптоволоконный кабель) представляет собой сеть Ethernet, в которой компьютеры и репитеры соединены оптоволоконным кабелем. Основная причина причина популярности 10BaseFL - возможность прокладывать кабель между репитерами на большие расстояния (например между зданиями). Максимальная длина сегмента 10BaseFL - 2000м.
Ethernet. 100Мбит/с.
Новые стандарты Ethernet позволяют преодолеть скорость передачи в 10 Мбит/с.Известны несколько стандартов Ethernet, которые могут удовлетворить возросшие требования, рассмотрим 2 из них:
- 100BaseVG-AnyLAN Ethernet;
- 100BaseX Ethernet(Fast Ethernet).
И Fast Ethernet, и 100 Base VG-Any LAN работают примерно в пять-десять раз быстрее, чем стандартный Ethernet. Кроме того, они совместимы с существующей кабельной системой 10BaseT. Это означает, что перейти от l0BaseT к этим стандартам достаточно просто и быстро.
100VG-AnyLAN
100VG (Voice Grade) AnyLAN - новая сетевая технология, которая сочетает в себе элементы Ethernet и Token Ring. Эта технология, разработанная фирмой Hewlett-Packard, в настоящее время совершенствуется стандартом IEEE 802.12. Спецификация 802.12 -стандарт передачи кадров Ethernet 802.3 и пакетов Token Ring 802.5. Эта технология имеет несколько названий:
- l00VG-AnyLAN;
- 100Base VG;
- AnyLAN.
Спецификации
Перечислим возможности некоторых из существующих в настоящее время спецификаций l00VG-AnyLAN:
- минимальная скорость передачи данных 100 Мбит/с;
- поддержка каскадируемой топологии «звезда» на основе витой пары категории 3, 4 или 5 и оптоволоконного кабеля;
- метод доступа по приоритету запроса (различаются два уровня приоритета: низкий и высокий);
- поддержка средств фильтрации персонально адресованных кадров в концентраторе (для повышения степени конфиденциальности);
- поддержка передачи кадров Ethernet и Token Ring.
Топология
Сеть 100VG-AnyLAN строится по топологии «звезда», где все компьютеры соединены с концентратором. Сеть можно расширять, добавляя «дочерние» (child) концентраторы к центральному, «родительскому» (parent), который относится к ним так же, как и к компьютерам, т.е. родительские концентраторы управляют передачей компьютеров, соединенных со своими «детьми».
Некоторые соображения
Представленная технология требует использования специальных концентраторов и плат. Кроме того, длина кабеля 100BaseVG, по сравнению с 10BaseT и другими реализациями Ethernet, ограничена: общая длина пары кабелей от концентратора 100BaseVG до компьютеров не может превышать 250 м. Чтобы преодолеть это ограничение, надо использовать специальное оборудование. Ограничения длины кабеля приведут к тому, что для 100BaseVG потребуется больше кабельных стоек, чем для 10BaseT.
100BaseX Ethernet
Этот стандарт, иногда называемый Fast Ethernet, является расширением существующего стандарта Ethernet. Он строится на UTP категории 5, использует метод доступа CSMA/CD и топологию «звезда-шина» (подобно 10BaseT), где все кабели подключены к концентратору.
Наиболее распространённые архитектуры:
· Ethernet (англ. ether – эфир) – широковещательная сеть. Это значит, что все станции сети могут принимать все сообщения. Топология – линейная или звездообразная. Скорость передачи данных 10 или 100 Мбит/сек.
· Arcnet (Attached Resource Computer Network – компьютерная сеть соединённых ресурсов) – широковещательная сеть. Физическая топология – дерево. Скорость передачи данных 2,5 Мбит/сек.
· Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей маркера) – кольцевая сеть, в которой принцип передачи данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает прибытия некоторой короткой уникальной последовательности битов – маркера – из смежного предыдущего узла. Поступление маркера указывает на то, что можно передавать сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Скорость передачи данных 4 или 16 Мбит/сек.
· FDDI (Fiber Distributed Data Interface ) – сетевая архитектура высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи – 100 Мбит/сек. Топология – двойное кольцо или смешанная (с включением звездообразных или древовидных подсетей). Максимальное количество станций в сети – 1000. Очень высокая стоимость оборудования.
· АТМ (Asynchronous Transfer Mode ) – перспективная, дорогая архитектура, обеспечивает передачу цифровых данных, видеоинформации и голоса по одним и тем же линиям. Скорость передачи до 2,5 Гбит/сек. Линии связи оптические.
Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем – Model of Open System Interconnections). Модель OSI была создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).
Согласно модели OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней – до семи). Самый верхний уровень – прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний.
Рис. 8. Уровни управления и протоколы модели OSI
Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов). Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют протоколами.
Каждый уровень архитектуры подразделяется на две части:
· спецификацию услуг;
· спецификацию протокола.
Спецификация услуг определяет, что делает уровень, а спецификация протокола – как он это делает, причем каждый конкретный уровень может иметь более одного протокола.
Рассмотрим функции, выполняемые каждым уровнем программного обеспечения:
1. Физический уровень осуществляет соединения с физическим каналом, так, отсоединения от канала, управление каналом. Определяется скорость передачи данных и топология сети.
2. Канальный уровень добавляет в передаваемые массивы информации вспомогательные символы и контролирует правильность передаваемых данных. Здесь передаваемая информация разбивается на несколько пакетов или кадров. Каждый пакет содержит адреса источника и места назначения, а также средства обнаружения ошибок.
3. Сетевой уровень определяет маршрут передачи информации между сетями, обеспечивает обработку ошибок, а так же управление потоками данных. Основная задача сетевого уровня – маршрутизация данных (передача данных между сетями).
4. Транспортный уровень связывает нижние уровни (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами. Этот уровень разделяет средства формирования данных в сети от средств их передачи. Здесь осуществляется разделение информации по определенной длине и уточняется адрес назначения.
5. Сеансовый уровень осуществляет управление сеансами связи между двумя взаимодействующими пользователями, определяет начало и окончание сеанса связи, время, длительность и режим сеанса связи, точки синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче данных; восстанавливает соединение после ошибок во время сеанса связи без потери данных.
6. Представительский – управляет представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, производит компрессию и декомпрессию данных. Задачей данного уровня является преобразование данных при передаче информации в формат, который используется в информационной системе. При приеме данных данный уровень представления данных выполняет обратное преобразование.
7. Прикладной уровень взаимодействует с прикладными сетевые программами, обслуживающими файлы, а также выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации, передачу почтовых сообщений и т.п. Главная задача этого уровня – обеспечить удобный интерфейс для пользователя.
На разных уровнях обмен происходит различными единицами информации: биты, кадры, пакеты, сеансовые сообщения, пользовательские сообщения.
Лекция 13-14. 7. СЕТЕВЫЕ АРХИТЕКТУРЫ
Сетевая архитектура – это комбинация стандартов, топологий и протоколов , необходимых для создания работоспособной сети. В соответствии со стандартными протоколами физического уровня выделяют три основные сетевые архитектуры: Ethernet (протокол 802,3) и Fast Ethernet (протокол 802,30); ArcNet (протокол 802,4); Token Ring (протокол 802.5). Рассмотрим каждую из сетевых архитектур более подробно.
7.1. Ethernet
Это самая популярная в настоящее время сетевая архитектура. Она использует:
физические топологии «шина», «звезда» или «звезда –шина»;
логическую топологию «шина»;
узкополосную передачу данных со скоростями 10 и 100 Мбит/с;
метод доступа – CSMA/CD.
Рис. 7.1. Формат кадра в Ethernet
Поле «Тип протокола» используется для идентификации протокола сетевого уровня (IPX и IP) – маршрутизируемый или нет. Спецификация Ethernet выполняет функции физического и канального уровня модели OSI. Различают несколько стандартов сетевых архитектур Ethernet:
10BaseT – на основе витой пары;
10Base2 – на тонком коаксиале;
10Base5 – на толстом коаксиале;
10BaseFL – на оптоволокне;
10BaseX – со скоростью передачи 100 Мбит/с, который включает в себя ряд спецификаций в зависимости от среды передачи.
7.1.1. Стандарт 10BaseT
Физическая топология представляет собой «звезду» на основе витой пары, соединяющей все узлы сети с концентратором, используя две пары проводов: одну для передачи, другую – для приема (рис. 7.2).
Логически (т.е. по системе передачи сигналов) данная архитектура представляет собой «шину» как и все архитектуры Ethernet. Концентратор выступает как многопортовый репитер. Длина сегмента от 2,5 до 100 м. ЛВС стандарта 10BaseT может обслуживать до 1024 компьютеров.
Концентратор
Концентратор
РС
РС
2,5 – 100 м сегмент
(витая пара UTP категории 3, 4, 5)
Рис. 7.2. Сеть стандарта 10BaseT
Достоинством является возможность использования распределительных стоек и панелей коммутации, что позволяет легко перекоммутировать сеть или добавить новый узел без остановки работы сети. Новейшие концентраторы позволяют расширять топологию сети, соединив отдельные концентраторы между собой магистралью на основе коаксиального или оптоволоконного кабеля и получить топологию «звезда – шина».
7.1.2. Стандарт 10Base2
С
до 30 рабочих станций mmdf
еть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 185 м и возможностью подключения к одному сегменту до 30 ЭВМ (рис. 7.3).
…
Рис. 7.3. Архитектура сети стандарта 10Base2
Эта сетевая архитектура физически и логически представляет собой «шину». С использованием репитеров может быть увеличена общая протяженность сети введением дополнительных сегментов. Однако при этом необходимо учитывать правило 5-4-3 . Сеть на тонком коаксиале может состоять максимум из 5 сегментов кабеля, соединенных 4 репитерами. При
этом только к 3 сегментам можно подключать рабочие станции. Два из пяти сегментов являются межрепитерными связями и служат только для увеличения длины сети (рис. 7.4). Максимальное число компьютеров до 1024, а общая длина сети до 925м.
… …
Рис. 7.4. Правило 5-4-3 для сети стандарта 10Base2.
7.1.3. Стандарт 10Base5
Сетевая архитектура на толстом Ethernet логически и физически представляет собой «шину» (рис. 7.5). Магистральный сегмент (т. е. главный кабель, к которому подключаются трансиверы для связи с РС) имеет длину до 500 м и возможность подключения до 100 компьютеров. С использованием репитеров, которые также подключаются к магистральному сегменту через трансиверы, общая длина сети может составить 2500 м.
Трансивер
Трансивер
до 100 РС
. . .
Рис. 7.5. Сеть стандарта 10Base5
При расширении сети справедливо правило 5–4–3 и возможно комбинирование тонкого и толстого кабеля. В этом случае в качестве магистрали, способной передавать данные не большие расстояния, используется толстый кабель, а в качестве ответвляющих сегментов используют тонкий.
7.1.4. Стандарт 10BaseFL
Данная архитектура строится на оптоволоконном кабеле, доступ к которому со стороны компьютеров и репитеров осуществляется с помощью трансиверов (рис. 7.6). На сегодняшний день в основном используются внешние трансиверы.
оптический ответвитель
Рис. 7.6. Сеть стандарта 10BaseFL
Особенность этих трансиверов в том, что их передатчики преобразуют электрические сигналы от ЭВМ в световые импульсы, а приемники – световые в электрические. Популярность использования 10BaseFL обусловлена:
высокой помехозащищенностью;
возможностью прокладки кабеля между репитерами на большие расстояния, т. к. длина сегмента до 2 – 4 км;
использование повторителей позволяющих реализовать «каскадные звезды» путем соединения оптических ответвителей.
7.1.5. Стандарт 100BaseX Ethernet
Этот стандарт, иногда называемый Fast Ethernet, является расширением существующей сетевой архитектуры Ethernet и соответствует протоколу физического уровня IEEE 802.30. Его особенностью является то, что он сохранил стандартный для Ethernet метод доступа CSMA/CD, от которого отходили разработчики других технологий повышенной скорости передачи в сети. Сохранение метода доступа означает, что имеющиеся в наличие драйверы для Ethernet будут работать без изменений.
Преимуществом этой технологии, появившейся в конце 1993 года, является то, что степень ее совместимости с Ethernet–сетями, позволяет интегрировать ее в эти сети с помощью двухскоростных сетевых адаптеров или мостов. Данная сетевая архитектура использует физическую топологию «звезда» или «звезда – шина» (подобно 10BaseT), где все кабели подключаются к концентратору (рис. 7.7). Различают три спецификации среды:
100BaseT4 (UTR категории 3, 4 или 5 с 4-мя парами);
100BaseTX (UTR или STP категории 5 с 2-мя парами);
100BaseFX (двужильный оптоволоконный кабель).
7.1.6. Сегментация сети
Мы уже рассматривали задачу построения сети из нескольких сегментов. В частности, если не хватает длины одного сегмента для соединения всех пользователей сети, то можно через репитер подключить еще один сегмент. Но иногда возникает и другая задача. Пусть имеем сегмент сети с очень интенсивным трафиком, который снижает производительность всей сети. Повысить ее производительность можно, если разделить перегруженный сегмент на два и соединить их с помощью моста или маршрутизатора (рис. 7.8). Тогда трафик в каждом сегменте уменьшится, т.к. меньшее число компьютеров в каждом из сегментов попытается осуществить передачу, и время доступа к кабелю сокращается. Сегментация может помочь и при ограничении доступа к конфиденциальной информации.
7.2. Сетевые архитектуры ArcNet и ArcNet Plus
Это простая, гибкая и недорогая сетевая архитектура, поддерживающая протокол физического уровня IEEE 802.4:
физическая топология - «звезда», «шина», «звезда – шина»;
логическая топология – упорядоченное «кольцо»;
широкополосная передача данных 2,5 Мбит/с и 20 Мбит/с (для ArcNet Plus);
метод доступа маркерный;
средой передачи может быть:
коаксиальный кабель (длиной 600 м при «звезде» и 300 м при «шине»);
витая пара (максимальная длина 244 м – при «звезде» и «шине»);
Рис. 7.9. Архитектура Arc Net
омпьютеры могут быть коаксиальным кабелем связаны в шину или в иных случаях подключены к концентраторам, которые могут быть: пассивными; активными; интеллектуальными. Пассивные концентраторы просто осуществляют коммутацию кабельных соединений сети. Активные – восстанавливают и ретранслируют сигнал. Интеллектуальные - обнаруживают изменения в сети и удаленно управляют работой сетевых устройств.
Особенность маркерного доступа ArcNet (рис.7.9) состоит в том, что:
все компьютеры имеют свои сетевые адреса;
маркер передается между компьютерами согласно их номерам;
маркер двигается от компьютера с меньшим номером к компьютеру с более высоким номером, хотя тот может находиться на другом конце сети;
приемник, получив маркер, добавляет к нему свой пакет, который, дойдя до адресата, освобождает маркер.
Рис. 7.10. Пакт передачи информации в ArcNet
Общее количество узлов: 255 – ArcNet; 2047 – Arc Net Plus. ArcNet – это одна из самых старых сетевых архитектур, реализованная недавно фирмой DataPoint в более современную ArcNet Plus. Однако на смену этим архитектурам приходят более современные и производительные. Одной из таких архитектур является FDDI, которая будет рассмотрена ниже. А сейчас познакомимся с давно используемой и хорошо зарекомендовавшей себя архитектурой.
7.3. Token Ring (Маркерное кольцо)
Данная сетевая архитектура была разработана и внедрена фирмой IBM еще в 1984 г. как часть предложенного ею способа объединить в сеть весь ряд выпускаемых IBM компьютеров: персональные компьютеры; средние ЭВМ и мейнфреймы. Разрабатывая эту технологию, IBM ставила задачу обеспечить простоту монтажа кабеля – витой пары – соединяющего компьютер с сетью через розетку. Token Ring является реализацией протокола физического уровня IEEE 802.5:
физическая топология – «звезда»;
логическая топология – «кольцо»;
узкополосный тип передачи;
скорость передачи 4 и 16 Мбит/с;
соединение неэкранированной и экранированной витой пары;
метод доступа – маркерное кольцо.
Указывается: передается кадр маркера или кадр данных
Содержит информацию: кадр – для всех РС;
кадр - для одной РС
Сообщает: был ли распознан и скопирован кадр (доступен ли адрес приемника)
Рис. 7.11. Формат кадра, используемый в сетях Token Ring
7.3.1. Аппаратные компоненты
Логическое кольцо в этой сетевой архитектуре организуется концентратором, который называется модулем множественного доступа (MSAU – MultyStation Access Unit) или интеллектуальным модулем множественного доступа (SMAU – Smart Multystation Access Unit). Кабели (витые пары) соединяют клиентов и серверов с MSAU, который работает по принципу других концентраторов.
Рис. 7.12. Логическое кольцо
При соединении компьютеров он включается в кольцо (рис. 7.12). IBM MSAU имеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до 8 компьютеров. Каждое кольцо может содержать до 33 концентраторов.
Общее число компьютеров – 72 при использовании UTP и 260 при использовании STP. Другие производители выпускают MSAU большей емкости (в зависимости от модели). Расширение логического кольца на базе концентраторов позволяет увеличить общее количество узлов в сети (рис. 7.13).
При этом расстояние между концентраторами до 45м (152м), а каждая РС соединяется с MSAU: при UTP - сегментом до 45м; при STR - сегментом до 100м. Расстояние между MSAU можно увеличить до 365, установив репитер.
Репитер
Рис. 7.13. Расширение логического кольца
Известны две модели сетевых плат на 4 и 16 Мбит/с. Платы на 16Мбит/с могут обеспечить передачу более длинных кадров, что сокращает количество передач для одного и того же объема данных.
7.3.2. Мониторинг системы
Компьютер, который первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями. Этот компьютер:
должен наблюдать за работой всей системы;
осуществляет текущий ее контроль;
проверяет корректность отправки и получения кадров;
отслеживает кадры, проходящие по кольцу более одного раза;
гарантирует, что в кольце одновременно находится лишь один маркер.
В «теоретической» кольцевой топологии вышедший из строя компьютер останавливает движение маркера, что в свою очередь останавливает работу всей сети. В реальных сетевых архитектурах Token Ring используются интеллектуальные концентраторы, которые в состоянии обнаружить отказавшую сетевую плату (РС) и во время отключить ее.
Эта процедура позволяет “обойти” отказавший компьютер, поэтому маркер продолжает свое движение. Таким образом, отказавший компьютер не влияет на работу сети.
7.4. FDDI - распределенный волоконно-оптический интерфейс
передачи данных
7.4.1. Общие характеристики
Одной из современных сетевых архитектур является архитектура FDDI (Fiber Distributed Data Interface), которая определяет:
двухкольцевую топологию на основе оптоволокна;
с маркерным методом доступа;
со скоростью передачи 100 Мбит/с;
при общей длине колец до 200 км.
захватывает маркер на определенный интервал времени;
за этот интервал передает столько кадров, сколько успеет;
завершает передачу либо по окончании выделенного интервала времени, либо из-за отсутствия передаваемых кадров.
FDDI основана на технологии совместного использования сети. Это означает, что передавать данные одновременно могут несколько компьютеров. Хотя FDDI работает со скоростью 100 Мбит/с, технология совместного использования может стать причиной ее перегрузки. Так, если 10 компьютеров начнут передавать данные со скоростью 10 Мбит/с каждый, общий поток будет равен 100 Мбит/с. А при передачи видеоинформации или данных мультимедиа среда передачи окажется потенциально узким местом системы.
7.4.2. Топология и аппаратные компоненты
F
Рис. 7.14. Топология FDDI
DDI использует передачу маркера в двойном кольце. Трафик сети состоит из двух похожих потоков, движущихся в противоположных направлениях по двум кольцам: основному и дополнительному (рис. 7.14). Обычно данные передаются по основному кольцу. Если в основном происходит сбой, сеть автоматически реконфигурируется, и данные начинают передаваться по второму кольцу в другом направлении. Одно из достоинств FDDI – избыточность: одно кольцо является резервным.
При отказе кольца или разрыве кабеля сеть автоматически переконфигурируется и передача продолжится. Существуют ограничения:
длина кабеля объединенных колец до 200 км;
общее количество компьютеров до 1000 штук;
через каждые 2 км необходима установка репитера.
Так как второе кольцо предназначено для защиты от сбоев, то для высоконадежной передачи эти показатели надо делить на два (500 компьютеров при длине каждого кольца в 100 км). Компьютеры могут подключаться к одному или обоим кольцам (рис. 7.15): станции класса А подключены к обоим кольцам; станции класса В только к основному. Если происходит сбой сети, станции класса А участвуют в переконфигурации, а станции класса В – не участвуют.
Ф
концентратор
Рис. 7.15. Подключение РС к кольцам в FDDI
изически FDDI имеет топологию «звезда». При этом отдельные компьютеры могут иметь соединение «точка-точка» с концентратором. Такое решение позволяет использовать интеллектуальные концентраторы для сетевого управления и поиска неисправностей.
7.4.3. Мониторинг системы
Все компьютеры в среде FDDI отвечают за мониторинг передачи маркера. Чтобы изолировать серьезные сбои в кольце, используется метод, который называется «испускание маяка» («beaconing») (рис. 7.16). Суть метода заключается в следующем:
Компьютер, обнаруживший сбой, посылает в сеть сигнал, который получил название «маяк».
Он посылает его до тех пор, пока не примет маяк предшествующего ему компьютера в кольце.
Процесс продолжается до тех пор, пока в кольце не останется только один компьютер, испускающий маяк (т.е. тот, который находится за неисправным).
Когда компьютер примет свой собственный маяк, он «понимает», что неисправность устранена, восстанавливает маркер кольца и сеть возвращается к нормальной работе.
Компьютер 1 отказал. Компьютер 3 обнаружил сбой, изъял из кольца маркер (обозначен символом "м" на рисунке) и посылает маяк (обозначен символом "с" на рисунке). Он будет посылать маяк до тех пор, пока не примет свой сигнал или маяк от компьютера 2 (рис.7.16а).
Обнаружен сбой
Рис. 7.16. Мониторинг передачи маркера
Компьютер 2, не получив нормального маркерного сообщения, обнаруживает сбой и посылает новый сигнал - свой маяк - в сеть. Компьютер 3, получив маяк от компьютера 2, прекращает передавать свой маяк (рис.7.16б).
Так как компьютер 1 неисправен, то компьютер 2 продолжает посылать маяк. Этот сигнал указывает на то, что сбой произошел на компьютере 1 (рис.7.16в).
Если компьютер 1 восстановил свою работоспособность или отключен от сети, компьютер 2 принимает свой собственный маяк, что приводить к восстановлению работы сети (рис.7.16г).
7.4.4. Области применения FDDI
FDDI обеспечивает высокоскоростную связь между сетями различных типов и может применяться в сетях городского масштаба.
Используется для соединения больших или мини-компьютеров в традиционных компьютерных залах, обслуживая очень интенсивную передачу файлов.
Выступает в качестве магистральных сетей, к которым подключаются ЛВС малой производительности. Подключать все оборудование фирмы к одной ЛВС – не самое мудрое решение. Это может перегрузить сеть, а сбой какого-либо компонента – остановить работу всей фирмы.
Локальные сети, где нужна высокая скорость передачи данных. Это сети, состоящие из инженерных РС и компьютеров, где ведется видеообработка, работают системы автоматизированного проектирования, управления производством.
Любое учреждение, нуждающееся в высокоскоростной обработке. Даже в офисах коммерческих фирм производство графики или мультимедиа для презентаций и других документов нередко вызывает перегрузку сети.
Контрольные вопросы:
Архитектура Ethernet.
Формат кадра в Ethernet.
Сегментация сети.
Сетевые архитектуры ArcNet и ArcNet Plus.
FDDI - распределенный волоконно-оптический интерфейс передачи данных.
Общие характеристики FDDI/
Области применения FDDI.
