Базовые сетевые технологии

    2.6.1 Адресация ARPANET 

    Хотя  детали адресации ARPANET и не важны, они  иллюстрируют, как формируются адреса в глобальных сетях. В отличие  от локальных сетей, таких как Ethernet или proNET-10, глобальные сети обычно вставляют  в адрес информацию, помогающую сети эффективно пересылать пакеты к получателю. В ARPANET каждому коммутатору пакетов назначено уникальное число, P, а каждому порту ЭВМ на этом коммутаторе - число от 0 до N-1. Поэтому адрес назначения состоит из пары целых чисел, (P,N). На практике оборудование использует одно большое целое число, часть бит которого используется для представления N, а оставшиеся - для P.

    2.7 Сети Национального  Научного Фонда(NSF) 

    Понимая, что взаимодействие вскоре будет  необходимой частью научных исследований, Национальный Научный Фонд создал Отдел Сетевых и Коммуникационных Исследований и Инфраструктуры, чтобы быть уверенным, что все необходимое для сетевого взаимодействия будет доступно ученым и инженерам США. Хотя этот отдел финансирует фундаментальные исследования в области сетей, его основной задачей является финансирование тех исследований, которые помогают расширять Интернет.  

    Расширения  Интернета NSFом образуют трехуровневую  иерархию, состоящую из новой национальной магистральной сети, группы сетей " среднего уровня" (или региональных), каждая из которых занимает определенный географический район, и группы сетей "университетских городков"(campus), или сетей доступа. В модели NSF сети среднего уровня присоединяются к магистральной сети, а сети университетских городков присоединяются к сетям среднего уровня. Исследователи соединяют свои компьютеры с сетью университетского городка. Они могут использовать это соединение для взаимодействия с компьютерами местных исследователей, подключенными к местной сети доступа, и они могут взаимодействовать с исследователями, находящимися дальше, так как их машина может отправить данные по местной локальной сети, сети среднего уровня и магистральной сети туда, куда ей нужно.  

    2.7.1 Старая магистральная  сеть NSFNET 

    Из  всех сетей, финансируемых NSF, магистральная сеть NSFNET имеет самую интересную историю и использует самую интересную технологию. Эта магистральная сеть в процессе своего развития прошла через три этапа; она увеличивалась в размерах и пропускной способности в то время, когда ARPANET приходила в упадок, пока наконец не стала доминирующей магистральной сетью Интернета. Первая версия ее была создана быстро, как временное решение. Одной из главных причин создания этой магистральной сети явилась необходимость обеспечения доступа ученым к суперкомпьютерам NSF. В результате первая сеть состояла из шести микрокомпьютеров LSI-11 фирмы DEC(их аналогами являются советские машины серии Электроника-60 и -85), размещенные в существующих суперкомпьютерных центрах NSF. Географически эта сеть занимала континентальную часть США от Принстона, штат Нью-Джерси, до Сан-Диего, штат Калифорния, и использовала выделенные линии со скоростью 56 Кбит/с.  

    В каждом месте на микрокомпьютере LSI-11 работало программное обеспечение, эффектно названное "летящий мячик" (точное происхождение этого термина выяснить не удалось). Разработанный Дейвом Миллзом, каждый "летящий мячик" взаимодействовал с компьютерами местного суперкомпьютерного центра, используя обычный интерфейс Ethernet. Он работал с выделенными линиями, связывающими его с "летящими мячиками" других суперкомпьютерных центров, используя контроллеры последовательных линий, которые применяли протоколы канального уровня производителя. "Летящие мячики" хранили таблицы адресов возможных получателей и использовали эти таблицы для направления каждого приходящего пакета к его получателю.  

    Основное  место соединения между первоначальной магистральной сетью NSF и оставшейся частью Интернета находилось в университете Карнеги-Меллона, где имелся как  узел сети NSFNET, так и PSN ARPANET. Когда пользователь, присоединенный к NSFNETу, посылал траффик в какое-либо место ARPANETа, его пакеты передавались по NSFNET в университет Карнеги-Меллона(CMU), где "летящий мячик" направлял их в ARPANET через местный Ethernet. Аналогично "летящий мячик" понимал, что пакеты, имеющие получателя в NSFNET, нужно принимать из Ethernetа и посылать по магистральной сети NSF в соответствующее место.  

    2.7.2 Вторая магистральная  сеть NSFNET в 1988-1989 годах 

    Хотя  пользователи были возбуждены возможностями  компьютерного взаимодействия, пропускная способность первоначальной магистральной сети была слишком мала, чтобы обеспечить требуемый сервис. Спустя несколько месяцев после своего создания сеть оказалась перегруженной и ее создатель работал над быстрым решением навалившихся проблем, пока NSF не начала энергично разрабатывать вторую магистральную сеть.  

    В 1987 году NSF объявил, что ждет предложений  от групп, которые хотели бы создать  новую, более скоростную магистральную  сеть. Предложения появились в  августе 1987 и были оценены в конце этого года. 24 ноября 1987 года NSF заявил, что он выбрал предложение, представленное группой, в состав которой вошли MERIT Inc., компьютерная сеть штата, работающая в университете Мичигана в Ann Arbor, корпорация IBM, и MCI Incorporated. Эти партнеры предложили создать вторую магистральную сеть , разместить центр управления сетью в Ann Arbor и ввести эту сеть в строй к следующему лету. Так как NSF финансировал создание нескольких новых сетей среднего уровня, планировалось, что новая магистральная сеть будет обслуживать большее число узлов , чем старая. Каждая дополнительный узел должен был обеспечивать соединение между новой магистральной сетью и одной из сетей среднего уровня NSF.  

    Разделение  труда между тремя партнерами складывалось приблизительно следующим образом: MERIT отвечал за планирование, установку и работу сетевого центра; IBM помогала машинами и людскими ресурсами из своих исследовательских лабораторий, чтобы помочь MERIT разработать, сконфигурировать и протестировать требуемое оборудование и программное обеспечение.; MCI, поставщик услуг по связи на дальние расстояния, обеспечивала коммуникационные ресурсы, используя уже имеющийся оптоволоконный кабель своей телефонной сети. Конечно, на самом деле существовало тесное сотрудничество между всеми компаниями, включавшее совместные исследовательские проекты и участие представителей IBM и MCI при разработке проекта.  

    К середине лета 1988 года оборудование было установлено и NSFNET начал использовать вторую магистральную сеть. Вскоре после этого первая магистральная сеть прекратила свою работу и была отсоединена.  

    Технология, выбранная для второй магистральной  сети NSFNET, была довольно интересной. По существу магистральная сеть была глобальной сетью, состоящей из маршрутизаторов пакетов, соединенных между собой линиями связи. Как и в первой сети, маршрутизатор на каждом узле соединялся с локальным Ethernetом, а также с каналами связи, ведущими к другим узлам.  

    Вместо  использования "летящих мячиков" или коммерческих маршрутизаторов новая магистральная сеть использовала специальные маршрутизаторы, созданные на основе нескольких обычных компьютеров, помещенных в одну большую комнату и соединенных между собой так, как показано на рисунке 2.11. То, что получилось, было названо узловой коммутационной системой(NSS). Функции NSS были аналогичны тому, что делал обычный маршрутизатор.

           Узловая коммутационная система

     - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

     |                                                             |

     |                                                             |

     |                           -------                           |

     |                           | RCP |                           |

     | соединение с              -------                           |

     | локальной сетью узла       |                                |

     |     -------     ___________|_________________       ------- |

     |<----|E-PSP|-----| межпроцессорное |-------| AP | | | | взаимодействие | | | |___________________________|------ | | | | | | | | | |PSP 1| |PSP 2| |PSP n| | | | | | | | | |- | |- | | | выделенные каналы связи к другим узлам  

    Рисунок 2.11 Узловая Коммутационная Система(NSS), состоящая из нескольких процессоров, соединенных механизмом межпроцессорного взаимодействия.  

    Как показывает рисунок 2.11, NSS состоит из центрального механизма межпроцессорного взаимодействия и трех типов процессоров: Процессоров Коммутации Пакетов(PSP), Процессора Управления и Маршрутизации(RCP), и Процессора Приложений(AP). В первой реализации центральный механизм межпроцессорного взаимодействия был обычной локальной сетью(сетью IBM Token Ring), а процессорами были IBM RT-PC.  

    Концептуально каждый Процессор Коммутации Пакетов  в NSS управляет одной из выделенных линий, ведущих от NSS к другому узлу. Физически выделенная линия соединяется с интерфейсом ввода-вывода на шине PSP. PSP выполняет две задачи: он принимает пакеты, которые приходят по сети межпроцессорного взаимодействия и передает их по своей выделенной линии, а также принимает пакеты, которые приходят по его выделенной линии и направляет их по сети межпроцессорного взаимодействия к выходящей линии(т.е. процессор управляет линией, по которой их нужно посылать). Так как Процессоры Коммутации Пакетов работают одновременно, NSS может маршрутизировать пакеты параллельно. NSS в целом можно считать мультипроцессорной системой, которая использует свои каналы межпроцессорного взаимодействия как шину.  

    Хотя NSS и имела возможность параллельной работы, самым важным была эффективность. Первоначальные выделенные линии работали со скоростью 448 Кбит/с, но конечной целью была работа Процессоров Коммутации Пакетов с линиями, работающими со скоростями от DS-1(1.544 Мбит/с) до DS-3(45 Мбит/с). При таких скоростях процессор имел лишь небольшой промежуток времени для выполнения вычислений над одним пакетом. Поэтому, чтобы эффективно принимать решения о маршруте пакета, PSP использовал обращение к таблице, аналогичное тому, которое описано в более поздних главах этой книги. Чтобы еще больше снизить вычислительную нагрузку, каждый NSS содержал дополнительные Процессоры Маршрутизации и Управления, которые использовались для вычисления новых таблиц маршрутизации, а также других управляющих функций NSS. Процессоры приложений выполняют другие задачи, такие как слежение за работой сети.  

    2.7.3 Магистральная сеть NSFNET в 1989-1990 годах 

    После проведения измерений траффика во второй магистральной сети NSFNET в течение  года, управляющий центр переконфигурировал сеть, добавил некоторые каналы и  удалив другие. Помимо этого, он увеличил скорость каналов до DS-1(1.544 Мбит/с).  
 

    2.7.4 Мультиплексирование  и программируемые  соединения 

    В то время как точная топология NSFNET несущественна, технология, используемая ею, представляет большой интерес. Как  часть своего проекта, MERIT, IBM и MCI обещали исследовать новые способы как сделать сеть переконфигурируемой. Предлагаемый ими план является более интересным, чем другие сетевые планы, так как он предполагал участие в его реализации MCI, производителя, который предоставлял средства связи на большие расстояния.  

    Чтобы понять возможности реконфигурации, рассмотрим, что обычно происходит, когда заказчик обращается к производителю  средств дальней связи, чтобы  тот выделил ему цифровой канал  связи. Хотя заказчик может думать, что провод соединяет напрямую нужные ему два места, производитель выбирает путь для этого канала, который использовал бы уже имеющиеся кабели. Например, производитель может соединить заказчика через локальную станцию, оттуда через ближайший большой город, где производитель имеет магистральные линии связи, по магистральным линиям до другого большого города вблизи получателя, и наконец через локальную станцию с нужным ему местом. Более того, при современной технологии производитель предоставляет отдельный физический канал. На самом деле электронное оборудование на одном конце магистрального оптоволоконного кабеля мультиплексирует (объединяет) несколько каналов в этом оптоволоконном кабеле, а оборудование на другом конце демультиплексирует (разделяет) их, делая возможным для производителя добавление или переконфигурацию каналов с помощью электронной аппаратуры. Поэтому каналы магистральной сети NSFNET мультиплексировались в уже имеющемся оптоволоконном кабеле, принадлежащем MCI.  

    Предложение MERIT/IBM/MCI привело к возникновению интересного вопроса: "Если бы пользователи имели возможность переконфигурировать каналы с помощью электронной аппаратуры, то как бы они улучшили при этом работу сети?" Одним из путей является следующий. Владелец сети может следить за сетевым траффиком в течение долгого времени, а затем переконфигурировать каналы, чтобы обеспечить прямой путь между парами узлов, генерирующих наибольший траффик. Помимо добавления каналов, которые нужны, динамическая реконфигурация может позволить пользователю сэкономить деньги, освободив его платы за прямые пути между парами узлов с маленьким траффиком. Конечно, нельзя переконфигурировать базовые каналы, не перевычислив путей для коммутации пакетов.