Книга Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

персональных компьютеров и бытовой электроники, позволяя совместно использовать различные ресурсы (например, принтеры) и обмениваться информацией.

На сегодняшний день беспроводные LAN применяются повсеместно. Изначально они были популярны в жилых помещениях, старых офисных зданиях, кафе и других местах, где прокладка кабелей обошлась бы слишком дорого. В подобных системах компьютеры обмениваются информацией с помощью встроенного радиомодема и антенны. Чаще всего компьютер обращается к специальному устройству, которое называется точкой доступа (AP, Access Point), беспроводным маршрутизатором (wireless router) или базовой станцией (base station), как показано на илл. 1.7. Это устройство осуществляет передачу пакетов данных между беспроводными компьютерами, а также между компьютером и интернетом. Точка доступа напоминает популярного ребенка в школе, поскольку все хотят с ней «поговорить». Еще один часто встречающийся сценарий — близко расположенные устройства обмениваются пакетами в конфигурации так называемой ячеистой сети (mesh network). Иногда конечные узлы выступают в роли передатчиков. Однако в большинстве случаев в ячеистую сеть входит специальный набор узлов, единственная функция которых — передача трафика. Ячеистые сети часто применяются в развивающихся регионах, где развертывать соединение по всей территории неудобно и дорого. Кроме того, растет их популярность в качестве решения для домашних сетей, особенно в больших зданиях.

Одним из самых популярных стандартов беспроводных LAN является IEEE 802.11, более известный как Wi-Fi. Он работает со скоростью от 11 Мбит/с (802.11b) до 7 Гбит/с (802.11ad). Обратите внимание, что в этой книге мы придерживаемся традиции и измеряем скорость передачи данных по линии в мегабитах в секунду, где 1 Мбит/с равен 1 000 000 бит/с, и гигабитах в секунду, где 1 Гбит/с равен 1 000 000 000 бит/с. Степени двойки мы будем использовать только при описании хранения информации, в этом случае 1 МБ памяти равен 220, то есть 1 048 576 байт. Стандарт 802.11 подробнее обсуждается в главе 4.

Илл. 1.7. Беспроводные и проводные LAN. (а) 802.11. (б) Коммутируемая сеть Ethernet

В проводных LAN используется множество различных технологий передачи; наиболее распространенные физические среды — медные провода, коаксиальный кабель и оптоволокно. Размеры LAN ограниченны, а значит, наихудшее время прохождения сигнала имеет предел и известно заранее. Знание этих ограничений помогает разрабатывать сетевые протоколы. Обычно проводные LAN работают на скорости от 100 Мбит/с до 40 Гбит/с. Они отличаются низкой задержкой (не более десятков миллисекунд, а зачастую намного меньше), при этом ошибки передачи случаются редко. Проводные LAN обычно обладают меньшим значением задержки и процентом потери пакетов, а также более высокой пропускной способностью, чем беспроводные. И хотя с течением времени этот разрыв в показателях сократился, передавать сигналы по проводам или через оптоволокно намного проще, чем по воздуху.

Многие проводные LAN включают двухточечные проводные соединения. Стандарт IEEE 802.3, более известный как Ethernet, однозначно самая популярная разновидность проводной LAN. На илл. 1.7 (б) показан пример коммутируемой сети Ethernet (switched Ethernet). Любой компьютер может использовать протокол Ethernet и подключаться к устройству, называемому коммутатором (switch), посредством двухточечного соединения. Задача этого устройства в том, чтобы передавать пакеты между связанными с ним компьютерами. Каждый пакет содержит адрес, по которому коммутатор определяет, на какой компьютер отправить данные.

Коммутатор содержит несколько портов, каждый из которых может быть подключен к одному устройству, например компьютеру или даже другому коммутатору. Для создания более крупных LAN коммутаторы можно подключать друг к другу через порты. Что произойдет, если случайно их зациклить? Сохранится ли работоспособность сети? К счастью, специалисты об этом уже подумали, и теперь все коммутаторы в мире используют соответствующий алгоритм против зацикливания (Перлман; Perlman, 1985). За выбор пути, по которому должен идти пакет, чтобы в целости и сохранности достичь нужного компьютера, отвечает протокол. В главе 4 мы увидим, как это происходит на деле.

Одну физически большую LAN можно разбить на две меньших логических. Наверное, вам интересно, зачем это может понадобиться. Иногда схема сетевого оборудования не соответствует структуре организации. Например, компьютеры инженерного и финансового отделов компании могут физически находиться в одной сети, поскольку они размещаются в одном крыле здания. Но если бы у каждого из этих отделов была своя виртуальная LAN (VLAN, Virtual LAN), администрирование системы значительно упростилось бы. При такой архитектуре каждый порт будет помечен своим «цветом», скажем, финансовый отдел зеленым, а инженерный — красным. Коммутатор направляет пакеты таким образом, что компьютеры, подключенные к зеленым портам, отделены от подключенных к красным. Зеленый порт не будет получать широковещательные пакеты, отправляемые на красный порт, как будто это две физически отдельные LAN. VLAN подробнее рассматривается в конце главы 4.

Существуют и другие топологии проводных LAN. Известно, что коммутируемая сеть Ethernet представляет собой современный вариант первоначальной архитектуры Ethernet с широковещательной передачей всех пакетов по одному линейному кабелю. Успешно производить передачу сигнала могла только одна машина за раз, а для разрешения конфликтов использовался распределенный механизм арбитража. Применялся простой алгоритм: компьютеры могли осуществлять передачу в любое время, когда кабель не использовался. При конфликте двух или более пакетов каждый компьютер просто ожидал в течение случайного промежутка времени и повторял попытку отправки. Для ясности мы будем называть эту архитектуру классической Ethernet (classic Ethernet). Как вы уже догадались, о ней можно прочитать в главе 4.

И беспроводные, и проводные широковещательные LAN могут выделять ресурсы как статически, так и динамически. Типичный вариант статического выделения ресурсов — разбиение времени на дискретные интервалы и использование циклического алгоритма, при котором каждая машина может передавать сигнал только в свой временной слот. При статическом выделении ресурсов возможности канала тратятся впустую, если машине нечего передавать или получать в отведенный ей временной слот. Поэтому большинство систем стараются выделять каналы динамически (то есть по требованию).

Методы динамического выделения ресурсов для общего канала делятся на централизованные и децентрализованные. При централизованном методе за определение очередности вещания отвечает единая структура, например базовая станция в сотовых сетях. К примеру, при получении нескольких пакетов она расставляет их в порядке, соответствующем какому-либо внутреннему алгоритму. При децентрализованном методе выделения канала никакой центральной структуры нет; каждая машина сама определяет, когда передавать данные. Может показаться, что такой подход приведет к хаосу, но позднее мы изучим несколько алгоритмов, предназначенных для наведения порядка (при условии, конечно, что все машины соблюдают установленные правила).

1.3.3. Домашние сети

Имеет смысл уделить особое внимание LAN для домашних пользователей, то есть домашним сетям (home networks). Домашние сети могут включать широкий диапазон подключенных к интернету устройств и должны быть чрезвычайно легкими в управлении, надежными и безопасными, особенно в руках неспециалистов.