Компьютерные сети. 6-е изд.

Для начала рассмотрим проводные WAN на примере компании, филиалы которой находятся в разных городах. WAN на илл. 1.9 соединяет филиалы в Перте, Мельбурне и Брисбене5. В каждом филиале имеется несколько компьютеров для выполнения пользовательских (то есть прикладных) программ. Согласно общепринятому употреблению, будем называть эти компьютеры хостами (hosts). Оставшаяся часть сети, соединяющая хосты, называется подсетью связи (communication subnet), или просто подсетью (subnet). Подсеть осуществляет передачу сообщений между хостами, точно так же как телефонная система передает слова (на самом деле просто звуки) от говорящего слушающему.

В большинстве случаев подсеть состоит из двух отдельных компонентов: линий передачи и коммутирующих элементов. Линии передачи (transmission lines) отвечают за перемещения битов информации между устройствами. В их основе могут лежать медные провода, коаксиальный кабель, оптоволокно или каналы радиосвязи. У большинства организаций нет своих линий передачи, так что им приходится использовать уже существующие линии телекоммуникационных компаний. Коммутирующие элементы (switching elements), или просто коммутаторы (switches), представляют собой специализированные устройства, соединяющие две или более линии передачи. При поступлении данных по входящей линии коммутатор выбирает исходящую линию для их отправки.

Илл. 1.9. WAN, соединяющая три филиала компании в Австралии

Большинство WAN состоит из множества линий передачи, каждая из которых связывает пару маршрутизаторов (router). Два маршрутизатора, не связанные линией передачи, обязательно должны связываться через другие маршрутизаторы. В сети может быть множество путей, соединяющих два конкретных маршрутизатора. Для поиска наилучшего пути сеть использует алгоритм маршрутизации (routing algorithm). При этом каждый маршрутизатор использует алгоритм пересылки данных (forwarding algorithm), чтобы определить пункт назначения передачи пакета. Оба этих алгоритма подробнее обсуждаются в главе 5.

Здесь не помешает короткий комментарий относительно термина «подсеть». Изначально под ним понимался исключительно набор маршрутизаторов и линий передачи, производивших перемещение пакетов данных из хоста-источника в хост-получатель. Но читателям следует учесть, что недавно он приобрел и второе, более актуальное значение, связанное с сетевой адресацией. Мы поговорим об этом в главе 5, а до тех пор ограничимся исходным значением (набор линий и маршрутизаторов).

Может создаться впечатление, что WAN — это большая проводная LAN, но между ними существуют важные различия помимо длины проводов. Во-первых, в WAN за хосты и подсеть обычно отвечают разные люди. В нашем примере сотрудники компании отвечали бы за свои собственные компьютеры, а IT-отдел компании — за остальную часть сети. В приведенных ниже примерах границы обязанностей проведены более четко: за обслуживание сети отвечает поставщик сетевых услуг или телефонная компания. Отделение чисто коммуникационных аспектов сети (подсети) от прикладных аспектов (хосты) существенно упрощает ее общую архитектуру.

Во-вторых, маршрутизаторы обычно соединяют различные (в смысле используемых технологий) части сети. Например, внутренняя офисная сеть может оказаться коммутируемым Ethernet, а магистральная линия передачи — соединением по протоколу SONET (представленным в главе 2). И тут какому-нибудь устройству необходимо к ним присоединиться… Внимательный читатель сразу поймет, что это выходит за рамки нашего определения сети. Это значит, что многие WAN на самом деле представляют собой объединенные сети, или интерсети (internetworks), составленные из нескольких других сетей. Мы расскажем про объединенные сети подробнее в следующем разделе.

Главное различие определяется тем, что именно подключено к подсети. Это могут быть отдельные компьютеры, как в случае подключения к LAN, или целые локальные сети. Именно так из нескольких небольших сетей и формируются крупные сети. С точки зрения подсети при этом ничего не меняется.

Виртуальные частные сети и SD-WAN

Вместо аренды выделенных линий передачи организация может установить связь между филиалами, подключив их к интернету. Офисы соединяются посредством виртуальных каналов, использующих базовые возможности интернета. Как уже упоминалось ранее, эта схема, приведенная на илл. 1.10, называется виртуальной частной сетью (VPN, virtual private network). В отличие от сетей с выделенными физическими соединениями, у VPN есть свойственное виртуализации преимущество — гибкое переиспользование ресурсов (интернет-соединений). Есть у VPN и столь же типичный для виртуализации недостаток — отсутствие контроля базовых ресурсов. Потенциальные возможности выделенного соединения четко понятны. В случае же VPN производительность может меняться в зависимости от быстродействия используемого интернет-соединения. Обслуживание самой сети может производить коммерческий интернет-провайдер (ISP). Эта схема соединения сайтов WAN друг с другом, а также с остальным интернетом показана на илл. 1.11.

Остальные виды WAN активно используют беспроводные технологии. В спутниковых системах у всех наземных компьютеров есть антенны, посредством которых они обмениваются данными с находящимся на орбите спутником. Все компьютеры «видят» исходящие от спутника данные, а в некоторых случаях также и данные, отправляемые на спутник другими компьютерами системы. Спутниковые сети по своей природе являются широковещательными. Они наиболее удобны при необходимости широкого вещания или при отсутствии наземной инфраструктуры (скажем, представьте себе нефтяников, исследующих удаленную пустыню).

Сеть сотовой связи — еще один пример WAN, использующей беспроводные технологии. Эта система уже насчитывает пять поколений. Первое поколение было аналоговым и предназначалось исключительно для голосовой связи. Второе поколение было уже цифровым и также предназначалось только для передачи голоса. Третье поколение было цифровым и предназначалось для передачи как голоса, так и данных. Четвертое поколение — чисто цифровое, даже в случае передачи голоса. Пятое поколение (также чисто цифровое) отличается намного более высоким быстродействием по сравнению с четвертым, а также более короткими задержками.

Илл. 1.10. WAN на основе виртуальной частной сети

Любая сотовая базовая станция покрывает гораздо большую площадь, чем беспроводная LAN; радиус ее действия исчисляется километрами, а не десятками метров. Базовые станции соединяются друг с другом опорной сетью, обычно проводной. Скорость передачи данных в сотовых сетях обычно составляет порядка 100 Мбит/с, то есть намного меньше, чем в беспроводных LAN, где она может достигать 7 Гбит/с. Подробная информация об этих сетях представлена в главе 2.

В последнее время географически распределенные организации, которым необходимо связывать друг с другом свои филиалы, проектируют и развертывают так называемые программно-определяемые WAN (SD-WAN). Несмотря на использование различных дополняющих друг друга технологий, для всей сети обеспечивается единое соглашение о качестве предоставления услуги (SLA, Service Level Agreement). Например, может использоваться сочетание дорогостоящих арендованных выделенных линий и вспомогательных, более дешевых, стандартных интернет-соединений. Заключенная в ПО логика перепрограммирует коммутирующие элементы в режиме реального времени для оптимизации стоимости и быстродействия сети. SD-WAN — пример программно-определяемой сети (SDN, Software-Defined Network), технологии, активно набирающей обороты в последнее десятилетие. Она представляет собой общее описание сетевых архитектур, в которых сеть контролируется путем сочетания программируемых коммутаторов с логикой управления, реализованной в виде отдельной программы.

Илл. 1.11. WAN на основе предоставляемой ISP сети

1.3.6. Объединенные сети

В мире существует множество сетей, нередко использующих разные технологии аппаратного и программного обеспечения. При этом люди, использующие различные сети, хотят общаться между собой. Для этого необходима возможность соединения зачастую несовместимых сетей. Набор взаимосвязанных между собой сетей называется объединенной сетью (internetwork), или просто интерсетью (internet). Обратите внимание, что глобальный интернет является лишь одной из многих интерсетей. Интернет соединяет поставщиков контента, сети доступа, корпоративные, домашние и многие другие сети между собой. Мы детально обсудим интернет далее в этой книге.

Сеть представляет собой сочетание подсети и хостов. Впрочем, термин «сеть» часто применяется также в более расплывчатом (и вводящем в заблуждение) смысле. Например, сетью можно считать подсеть, как в случае с cетью интернет-провайдера (ISP) на илл. 1.11. Интерсеть можно также считать сетью, как в случае WAN на илл. 1.9. Мы будем следовать этой логике, а там, где нужно отличать сеть от других архитектур, будем придерживаться определения сети как набора вычислительных устройств, соединенных между собой при помощи одной и той же технологии.

Объединенная сеть подразумевает взаимосвязи отдельных, независимо функционирующих сетей. На наш взгляд, соединение LAN и WAN или соединение двух LAN — обычный способ формирования интерсети. Однако стоит уточнить терминологию. По большому счету, если две или более независимые сети платят за взаимное соединение либо две или более сети используют принципиально разные базовые технологии (например, широковещание и двухточечное соединение либо проводную и беспроводную технологии), то речь, вероятно, идет об интерсети.

Устройство, которое реализует соединение между двумя или более сетями и обеспечивает необходимые преобразования с точки зрения аппаратного и программного обеспечения, называется шлюзом (gateway). Шлюзы различаются по уровню в иерархии протокола, на котором они функционируют. Более подробно уровни и иерархии протоколов рассмотрены в следующем разделе. Пока что примите к сведению, что высшие уровни сильнее связаны с приложениями (например, Web), а низшие — с каналами передачи (например, Ethernet). Весь смысл интерсети заключается в соединении компьютеров из разных сетей. Поэтому использовать слишком низкоуровневый шлюз нежелательно — он не сработает для различных типов сетей. Также не подойдет шлюз излишне высокого уровня, так как соединение будет работать только для определенных приложений. Оптимальный уровень, золотую середину, часто называют сетевым уровнем. Шлюзом, производящим коммутацию пакетов на сетевом уровне, служит маршрутизатор. Как правило, интерсети соединяются шлюзами сетевого уровня — маршрутизаторами; впрочем, даже отдельная крупная сеть обычно содержит много маршрутизаторов.

5Города, расположенные на разных побережьях Австралии. — Примеч. пер.

1.4. Примеры сетей

Предмет изучения сетей включает множество их видов, крупных и небольших, популярных и малоизвестных. У них могут быть разные задачи, масштабы и технологии. В следующих разделах мы рассмотрим несколько примеров, чтобы составить представление о разнообразии сферы вычислительных сетей.