Передача информации между компьютерами существует с самого момента возникновения вычислительной техники. Она позволяет организовать совместную работу отдельных компьютеров, решать одну задачу с помощью нескольких компьютеров, специализировать каждый из компьютеров на выполнение какой-то одной функции, совместно использовать ресурсы и решать множество других проблем.
В настоящее время широкое распространение получил такой способ обмена информацией между компьютерами как организация системы передачи данных на основе локальной вычислительной сети (корпоративной сети предприятия).
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) представляют собой коммуникационную систему, позволяющую совместно использовать ресурсы компьютеров, подключенных к сети, таких как принтеры, плоттеры, диски, модемы, приводы CD-ROM и другие периферийные устройства. Локальная сеть обычно ограничена территориально одним или несколькими близко расположенными зданиями.
Отличительными признаками локальной вычислительной сети являются.
Высокая скорость передачи данных, большая пропускная способность.
Низкий уровень ошибок передачи (высококачественные каналы связи). Допустимая вероятность ошибок передач составляет 10 -7 -10 -8 .
Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом.
Ограниченное, точно определённое число компьютеров, подключаемых к сети.
ЛВС классифицируются по ряду признаков. В зависимости от расстояний между связываемыми узлами различают вычислительные сети:
Территориальные - охватывающие значительное географическое пространство;
Среди территориальных сетей можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы;
Региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей - WAN (Wide Area Network);
Локальные (ЛВС) - охватывающие ограниченную территорию (обычно в пределах удаленности станций не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже на 1…2 км);
Корпоративные (масштаба предприятия) - совокупность связанных между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или нескольких близко расположенных зданиях. Локальные и корпоративные вычислительные сети - основной вид вычислительных сетей, используемых в системах автоматизированного проектирования (САПР).
Особо выделяют единственную в своем роде глобальную сеть Internet (реализованная в ней информационная служба World Wide Web (WWW) переводится на русский язык как всемирная паутина). Это сеть сетей со своей технологией. В Internet существует понятие интрасетей (Intranet) - корпоративных сетей в рамках Internet .
В зависимости от типа топологии различают:
Шинная (bus) - локальная сеть, в которой связь между любыми двумя станциями устанавливается через один общий путь и данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станций, подключенных к этой же среде передачи данных (последнее свойство называют широковещательностью);
Кольцевая (ring) - узлы связаны кольцевой линией передачи данных (к каждому узлу подходят только две линии); данные, проходя по кольцу, поочередно становятся доступными всем узлам сети;
Звездная (star) - имеется центральный узел, от которого расходятся линии передачи данных к каждому из остальных узлов;
Иерархическая - каждое устройство обеспечивает непосредственное управление устройствами, находящимися ниже в иерархии.
а) - шинная, б) - кольцевая, в) - звёздная, г) - иерархическая
Рисунок 1.1 - Сетевые топологии
В зависимости от способа управления различают сети.
- «Клиент/сервер» - в них выделяется один или несколько узлов (их название - серверы), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети клиент / сервер различаются по характеру распределения функций между серверами, другими словами по типам серверов (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям имеем сеть распределенных вычислений. Такие сети отличают также от централизованных систем, построенных на мэйнфреймах.
Одноранговые - в них все узлы равноправны; поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером - объект, предоставляющий эти услуги, то каждый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.
Наконец появилась сетецентрическая концепция, в соответствии с которой пользователь имеет лишь оборудование для обращения к удаленным компьютерам, а сеть обслуживает заказы на выполнение вычислений и получения информации. То есть пользователю не нужно приобретать программное обеспечение для решения прикладных задач, ему нужно лишь платить за выполненные заказы. Подобные компьютеры называют тонкими клиентами или сетевыми компьютерами.
В зависимости от метода доступа различают случайные и детерминированные методы доступа. Среди случайных методов наиболее известен метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Англоязычное название метода - Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection (CSMA).
Протокол CSMA/CD воплотил в себе идеи вышеперечисленных алгоритмов и добавил важный элемент - разрешение коллизий. Поскольку коллизия разрушает все передаваемые в момент ее возникновения кадры, то и нет смысла станциям продолжать дальнейшую передачу своих кадров, так как они (станции) обнаружили коллизии. В противном случае, значительной была бы потеря времени при передаче длинных кадров. Поэтому для своевременного обнаружения коллизии станция прослушивает среду на всем протяжении собственной передачи.
Основные правила алгоритма CSMA/CD для передающей станции.
Станция, собирающаяся передавать, прослушивает среду, и передает, если среда свободна. В противном случае (т.е. если среда занята), переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд станция выдерживает определённую паузу между посылками кадров - межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1).
Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу.
Каждая станция, ведущая передачу, прослушивает среду, и, в случае обнаружения коллизии не прекращает сразу же передачу, а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии - jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу.
После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки, а затем возвращается к шагу 1 .
Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет 9,6 мкс, (12 байт). С одной стороны, он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и, тем самым, лишила другие станции возможности передачи.
Jam-сигнал (jamming - дословно глушение). Передача jam-сигнала гарантирует, что ни один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в ожидании новой попытки передать кадры. Jam-сигнал должен быть достаточной длины, чтобы он дошел до самых удаленных станций коллизионного домена с учетом дополнительной задержки SF (safety margin) на возможных повторителях.
Коллизионный домен (collision domain) - множество всех станций в сети, одновременная передача любой пары из которых приводит к коллизии.
На рисунке 1.2 проиллюстрирован процесс обнаружения коллизии применительно к топологии «шина».
Рисунок 1.2 - Обнаружение коллизии в шине при использовании схемы CSMA/CD стандарта Ethernet
В момент времени t0 узел А начинает передачу, естественно прослушивая свой же передаваемый сигнал. В момент времени t1, когда кадр почти дошел до узла B, этот узел, не зная о том, что уже идёт передача, сам начинает передавать. В момент времени t2=t1+, узел В обнаруживает коллизию (увеличивается постоянная составляющая электрического сигнала в прослушиваемой линии). После этого узел В передаёт jam-сигнал и прекращает передачу. В момент времени t3 сигнал коллизии доходит до узла А, после чего А также передаёт jam-сигнал и прекращает передачу.
По стандарту Ethernet узел не может передавать очень короткие кадры, или, иными словами, вести очень короткие передачи. Даже если поле данных заполнено не до конца, то появляется специальное дополнительное поле, удлиняющее кадр до минимальной длины 64 байта без учета преамбулы.
Время канала ST (slot time) - это минимальное время, в течение которого узел обязан вести передачу, занимать канал. Это соответствует передаче кадра минимально допустимого размера, принятого стандартом Ethernet IEEE 802.3. Время канала связано с максимально допустимым расстоянием между узлами сети - диаметром коллизионного домена.
Допустим, что в приведенном выше примере реализуется наихудший сценарий, когда станции А и В удалены друг от друга на максимальное расстояние. Время распространения сигнала от А до В обозначим через tp. Узел А начинает передавать в нулевой момент времени. Узел В начинает передавать в момент времени t1 = tp + и обнаруживает коллизию спустя интервал после начала своей передачи. Узел А обнаруживает коллизию в момент времени t3 = 2tp - . Для того, чтобы кадр, испущенный А, не был потерян, необходимо, чтобы узел А не прекращал вести передачу к этому моменту, так как тогда, обнаружив коллизию, узел А будет знать, что его кадр не дошел, и попытается передавать его повторно. В противном случае кадр будет потерян. Максимальное время, спустя которое с момента начала передачи узел А еще может обнаружить коллизию, равно 2tp - это время называется задержкой на двойном пробеге RTD (round-trip delay). В более общем случае, RTD определяет суммарную задержку, связанную как с задержкой из-за конечной длины сегментов, так и с задержкой, возникающей при обработке кадров на физическом уровне промежуточных повторителей и оконечных узлов сети. Далее удобно использовать также другую единицу измерения времени: битовое время BT (bit time). Время 1 BT соответствует времени, необходимому для передачи одного бита, т.е. 0,1 мкс при скорости 10 Мбит/с.
Стандартом Ethernet регламентированы следующие правила обнаружения коллизий конечным узлом сети:
узел А должен обнаружить коллизию до того, как передаст свой 512-й бит, включая биты преамбулы;
узел А должен прекратить передачу раньше, чем будет передан кадр минимальной длины - передано 576 бит (512 бит после ограничителя начала кадров SFD);
перекрытие между передачами узлов А и В-битовый интервал, начиная с момента передачи первого бита преамбулы узлом А и заканчивая приемом узлом А последнего бита, испущенного узлом В, - должно быть меньше, чем 575 BT.
Последнее условие для сети Ethernet является наиболее важным, поскольку, его выполнение ведет к выполнению и первых двух. Это третье условие задает ограничение на диаметр сети. Применительно к задержке на двойном пробеге RTD третье условие можно сформулировать в виде: RTD < 575 BT .
При передаче больших кадров, например 1500 байт, коллизия, если она вообще возникнет, обнаруживается практически в самом начале передачи, не позднее первых 64 переданных байт (если коллизия не возникла в это время, то позже она уже не возникнет, поскольку все станции прослушивают линию и, «слыша» передачу будут молчать). Так как jam-сигнал значительно короче полного размера кадра, то при использовании алгоритма CSMA/CD количество вхолостую израсходованной емкости канала сокращается до времени, требуемого на обнаружение коллизии. Раннее обнаружение коллизий приводит к более эффективному использованию канала. Позднее обнаружение коллизий, свойственное более протяженным сетям, когда диаметр коллизионного домена составляет несколько километров, снижает эффективность работы сети. На рисунке 1.3 представлены алгоритмы приема и передачи данных в одном из узлов при помощи метода CSMA/CD.
Среди детерминированных методов преобладают маркерные методы доступа.
Маркерный метод - метод доступа к среде передачи данных в ЛВС, основанный на передаче полномочий передающей станции с помощью специального информационного объекта, называемого маркером. Под полномочием понимается право инициировать определенные действия, динамически предоставляемые объекту, например станции данных в информационной сети.
Рисунок 1.3 - Алгоритмы доступа по методу CSMA/CD
Применяется ряд разновидностей маркерных методов доступа. Например, в эстафетном методе передача маркера выполняется в порядке очередности; в способе селекторного опроса (квантированной передачи) сервер опрашивает станции и передает полномочие одной из тех станций, которые готовы к передаче. В кольцевых одноранговых сетях широко применяется тактируемый маркерный доступ, при котором маркер циркулирует по кольцу и используется станциями для передачи своих данных.
Тема. Сетевые информационные технологии
Лекция 1 Компьютерные сети
Классификация компьютерных сетей.
Программное обеспечение компьютерных сетей.
Общие сведения о сетях, принципы построения компьютерных сетей.
В настоящее время наиболее важным применением компьютеров является использование сетей, обеспечивающих единое информационное пространство для многих пользователей. Особенно наглядно этот процесс проявляется на примере всемирной компьютерной сети Internet.
Децентрализация процессов обработки данных реализовывалась по двум направлениям:
1. путем подключения к отдельным ЭВМ (или комплексу ЭВМ, объединенных в рамках вычислительного центра (ВЦ)) множества абонентских пунктов пользователей, т.е. создания систем телеобработки данных
2. путем создания вычислительных сетей, в которых осуществлялось объединение между собой множества территориально удаленных друг от друга ЭВМ или ВЦ.
Компьютерной сетью называется совокупность взаимосвязанных через каналы передачи данных компьютеров, обеспечивающих пользователей средствами обмена информацией и коллективного использования ресурсов сети: аппаратных, программных и информационных.
Объединение компьютеров в сеть позволяет совместно использовать дорогостоящее оборудование - диски большой емкости, принтеры, основную память, иметь общие программные средства и данные.
Основным назначением сети является обеспечение простого, удобного и надежного доступа пользователя к распределенным общесетевым ресурсам и организация их коллективного использования при надежной защите от несанкционированного доступа, а также обеспечение удобных и надежных средств передачи данных между пользователями сети.
Кроме того, компьютерные сети позволяют автоматизировать управление производством, транспортом, материально-техническим снабжением в масштабе отдельных регионов и страны в целом.
Возможность концентрации в сетях больших объемов данных, общедоступность этих данных, а также программных и аппаратных средств обработки и высокая надежность их функционирования позволяет улучшить информационное обслуживание пользователей и резко повысить эффективность применения вычислительной техники.
В условиях компьютерной сети предусмотрена возможность:
· организовать параллельную обработку данных многими компьютерами;
· создавать распределенные базы данных, размещаемые в памяти различных компьютеров;
· специализировать отдельные компьютеры (их группы) для эффективного решения определенных классов задач;
· автоматизировать обмен информацией и программами между отдельными компьютерами и пользователя сети;
· резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных на случай выхода из строя отдельных из них с целью быстрого восстановления нормальной работы сети;
· перераспределять вычислительные мощности между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;
· стабилизировать и повышать уровень загрузки компьютеров и дорогостоящего периферийного оборудования;
· сочетать работу в широком диапазоне режимов: диалоговом, пакетном, режимах «запрос-ответ», а также сбора, передачи и обмена информацией.
Как показывает практика, за счет расширения возможностей обработки данных, лучшей загрузки ресурсов и повышения надежности функционирования системы в целом стоимость обработки данных в вычислительных компьютерных сетях не менее чем в полтора раза ниже по сравнению с обработкой аналогичных данных на автономных ЭВМ.
В общем случае, в сеть могут объединяться компьютеры разных модификаций, а каналы связи - иметь разные характеристики. Поэтому важными являются: 1) разработка единых правил обмена информацией в сети (протоколов) и 2) стандартизация оборудования. Приоритет в области стандартизации связи принадлежит Международному комитету по телеграфии и телефонии (МКТТ). Он. Действуя совместно с комитетом 802 Института инженеров по электротехнике и электронике США (IEEE), принял эталонную логическую модель сети, которая предусматривает выделение семи уровней со строго определенными задачами:
Рис.– Базовая модель взаимодействия открытых систем OSI
(Open System Interconnection)
Логическая модель передачи информации в сети
| УРОВЕНЬ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ (ПРИКЛАДНОЙ) Программы пользователя; обслуживание бесперебойной работы | |
| УРОВЕНЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ Преобразование информации; настройка задач на операционную среду | |
| УРОВЕНЬ ОБМЕНА (СЕАНСОВЫЙ) Организация и синхронизация диалога; процесс обмена информацией | |
| УРОВЕНЬ ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ (ТРАНСПОРТНЫЙ) Обеспечение надежности обмена информацией между конечными пользователями | |
| СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ Конфигурация носителей информации при соединении участков сети | |
| УРОВЕНЬ КАНАЛА СВЯЗИ (КАНАЛЬНЫЙ) Обеспечение надежности передачи на участке сети | |
| ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ Передача цифровых данных через физический носитель |
Физический и канальный уровни образуют нижнюю группу и непосредственно связаны с каналом передачи данных: физический осуществляет сопряжение с каналом, а канальный – управление передачей информации по каналу. Сетевой и транспортный уровни «прокладывают» путь информации между системой-отправителем и системой-получателем и управляют процессом передачи по этому пути. Сеансовый , прикладной и уровень представления данных непосредственно связаны с организацией взаимодействия прикладных программ пользователей, а также с вводом, хранением, обработкой данных и выдачей результатов. Каждый из уровней выполняет указания уровня, расположенного над ним.
Сетевой протокол - набор правил и соглашений, используемых при передаче данных между компьютерами в сети. Протокольный стек – комплект протоколов нескольких смежных уровней (пример: TCP/IP).
Прикладной уровень – высший уровень модели, обеспечивающий прикладной программе пользователя доступ к сетевым ресурсам.
Примеры протоколов:
FTP (File Transfer Protocol) – пересылка файлов;
X.400 – передача сообщений электронной почты;
Telnet – эмуляция удаленного терминала.
Уровень представления данных обеспечивает преобразование кодов (например, из KOI8-P в Windows 1251), форматов файлов, сжатие и распаковку, шифрование и дешифрование.
Пример протокола: SSL (Secure Socket Layer) – обеспечивает конфиденциальность передачи данных в стеке TCP/IP.
Сеансовый уровень – обеспечивает инициализацию и завершение сеанса-диалога между устройствами, надежность соединения до конца сеанса, обработку ошибок, повторную передачу.
Пример протокола: NetBIOS (Network Basic Input/Output System).
Транспортный уровень – отвечает за передачу данных от источника к получателю. Здесь:
‒ данные разбиваются на несколько нумерованных пакетов;
‒ определяются пути передачи;
‒ на приемной стороне данные собираются и в нужном порядке передаются на сеансовый уровень
Примеры протоколов:
‒ TCP (Transmission Control Protocol) – протокол передачи данных с установлением соединения;
‒ UDP (User Datagram Protocol) - протокол передачи данных без установления соединения.
Сетевой уровень – отвечает за:
‒ адресацию;
‒ поиск пути от источника к получателю;
‒ установление и обслуживание логической связи между узлами.
Примеры протоколов:
‒ ARP (Address Resolution Protocol) – взаимное преобразование аппаратных и сетевых адресов;
‒ IP (Internet Protocol) - протокол доставки дейтаграмм, основа стека TCP/IP.
Канальный уровень – обеспечивает:
‒ формирование кадров, передаваемых через физический уровень;
‒ контроль ошибок;
‒ управление потоком данных.
Физический уровень – нижний уровень, обеспечивающий физическое кодирование бит кадра в электрические сигналы и передачу их по линиям связи. Определяет тип кабелей и разъемов,назначение контактов и формат физических сигналов.
Примеры протоколов:
IEEE 802.5 – Tokeng Ring;
IEEE 802.3 - Ethernet.
Задача всех семи уровней – обеспечить надежное взаимодействие прикладных (информационных) процессов. При этом каждый уровень выполняет возложенную на него задачу. Однако уровни работают так, чтобы в нужных случаях можно было проверить работу других уровней. Так, если канальный уровень случайно пропустит ошибку, появившуюся при передаче информации, то ее определит и исправит транспортный уровень.
Некоторое представление о различиях логических уровней сети можно получить при рассмотрении следующего примера. Представьте себе, что два человека (президенты разных стран) захотят обменяться своими мыслями и жизненным опытом, причем один из них живет в нашей стране, а другой - в США. Перед нашими героями возникнут две проблемы: язык общения и техническое обеспечение связи. Техническая сторона проблемы решается установлением связи, например, по проводной линии передач. Для решения проблемы языка придется прибегнуть к помощи двух переводчиков. В результате - на уровне президентов безразлично, какой язык общения выбрали для себя переводчики и как они об этом договорились, главное, что каждый президент общается со своим переводчиком на родном языке.
Для переводчиков безразлично то, как установлена связь: через спутник или через кабельную линию, главное, что они слышат друг друга. С точки зрения линии связи абсолютно не важно кто и что говорит, главное - обеспечить хорошую слышимость. Таким образом, у каждого уровня свои строго определенные функции, и каждый вышестоящий опирается на возможности нижестоящего.
Основная функция систем передачи данных в условиях функционирования компьютерных сетей заключается в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также в сокращении затрат на передачу данных. Последнее особенно важно, так как за прошедшее время произошло увеличение доли затрат на передачу данных в общей структуре затрат на организацию сетевой обработки информации. Это объясняется главным образом тем, что затраты на техническое обеспечение компьютерных сетей сократились за этот период примерно в десять раз, тогда как затраты на организацию и эксплуатацию каналов связи сократились только в два раза.
Аппаратные компоненты компьютерной сети:
– Рабочая станция – подключенный к сети компьютер, на котором пользователь выполняет свою работу. Каждая РС использует свою ОС.
– Сервер сети – мощный постоянно подключенный к сети компьютер, предоставляющий пользователям сети определенные услуги (хранение общих данных, печать заданий и т. д.)
Серверы сети.
Файловый сервер – компьютер, хранящий общие данные и обеспечивающий одновременный согласованный доступ пользователей к этим данным.
Сервер прикладных программ – компьютер, который используется для выполнения прикладных программ пользователей.
Сервер баз данных выполняет функции: хранение БД, поддержку их целостности, полноты, актуальности; прием, обработку запросов к БД и отправку результатов пользователям; обеспечение авторизованного доступа к БД, разграничение доступа; согласование изменений данных, вносимых разными пользователями; поддержку распределенных БД.
Коммуникационный сервер – компьютер, который предоставляет пользователям прозрачный доступ к своим последовательным портам ввода-вывода.
Сервер доступа – компьютер, позволяющий проводить удаленную обработку заданий.
Факс-сервер – компьютер, который осуществляет рассылку факсов.
Сервер резервного копирования данных – компьютер, который решает задачи создания, хранения и восстановления копий данных, расположенных на файловых серверах и рабочих станциях.
Коммуникационные узлы:
– повторитель – repeater (концентратор - hub) – устройство, усиливающее или регенерирующее пришедший сигнал;
– коммутатор – switch, (мост - bridge) – в отличие от повторителя, выполняет развязку присоединенных сегментов;
– маршрутизатор – router – соединяет сети с одинаковыми протоколами обмена данными. Анализируя адрес назначения, он выбирает оптимальный маршрут;
– шлюз – gateway – соединяет сети с разными протоколами обмена данными.
Устройства для подключения компьютеров к линиям связи:
– Сетевая карта (адаптер) – устройство для физического подключения компьютера к локальной сети. Имеет уникальный номер.
– Модем – устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами по каналам связи (выполняет преобразование компьютерных данных в звуковой аналоговый сигнал для передачи по телефонной линии (модуляция), а также обратное преобразование (демодуляция))
Линии связи:
– Кабели (коаксиальный, витая пара);
– Телефонные линии;
– Оптоволоконные линии;
– Радиосвязь, спутниковая связь.
Характеристики линий связи :
– амплитудно-частотная характеристика
– полоса пропускания
– затухание
– помехоустойчивость
– перекрестные наводки на ближнем конце линии
– пропускная способность
– достоверность передачи данных
– удельная стоимость.
Основная характеристика: пропускная способность – Бит/с (кБит/с, МБит/с).
Важнейшая характеристика сетей передачи данных - время доставки информации - зависит от структуры сети передачи даны, пропускной способности линий связи, а также от способа соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети и способа передачи данных по этим каналам. В настоящее время различают системы передачи данных: 1) с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и 2) с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.
1) При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема-передачи абонентских пунктов и компьютеры постоянно соединены между собой, т.е. находятся в режиме «on-line». В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линии связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.
2) При коммутации абонентских пунктов и компьютеров только на время передачи информации (т.е. нормальным режимом, для которых является режим «off-line») принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: каналов, сообщений и пакетов
Коммутация каналов . Способ коммутации каналов заключается в установлении физического канала связи для передачи данных непосредственно между абонентами сети. При использовании коммутируемых каналов тракт (путь) передачи данных образуется из самих каналов связи и устройств коммутации, расположенных в узлах связи
Установление соединения заключается в том, что абонент посылает в канал связи заданный набор символов, прохождение которых по сети через соответствующие узлы коммутации вызывает установку нужного соединения с вызываемым абонентом. Этот транзитный канал образуется в начале сеанса связи, остается фиксированным на период передачи всей информации и разрывается только после завершения передачи информации.
Такой способ соединения используется в основном в сетях, где требуется обеспечить непрерывность передачи сообщений (например, при использовании телефонных каналов связи и абонентского телеграфа). В этом случае связь абонентов возможна только при условии использования ими однотипной аппаратуры, одинаковых каналов связи, а также единых кодов.
К достоинствам данного способа организации соединения абонентов сети следует отнести:
· гибкость системы соединения в зависимости от изменения потребностей;
· высокую экономичность использования каналов, достигаемую за счет их эксплуатации только в течение времени установления связи и непосредственно передачи данных;
· невысокие расходы на эксплуатацию каналов связи (на порядок.меньше, чем при эксплуатации некоммутируемых линий связи).
Способ коммутации каналов более оперативный, так как позволяет вести непрерывный двусторонний обмен информацией между двумя абонентами.
Недостатками коммутируемых каналов связи является необходимость использования специальных и коммутирующих устройств, которые снижают скорость передачи данных и достоверность передаваемой информации. Использование специальных методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности передачи информации в сети, влечет за собой снижение скорости передачи данных за счет:
· увеличения объема передаваемой информации, вызванного необходимостью введения избыточных знаков;
· потерь времени на кодирование информации в узле-передатчике и декодирование, логический контроль и другие преобразования - в узле-приемнике.
Наконец, сокращение потоков информации ниже пропускной способности аппаратной части и каналов связи ведет к недогрузке канала, а в период пиковой нагрузки может вызвать определенные потери вызовов.
Коммутация сообщений . При коммутации сообщений поступающая на узел связи информация передается в память узла связи, после чего анализируется адрес получателя. В зависимости от занятости требуемого канала сообщение либо передается в память соседнего узла, либо становится в очередь для последующей передачи. Таким образом, способ коммутации сообщений обеспечивает поэтапный характер передачи информации, В этом случае сообщения содержат адресный признак (заголовок), в соответствии с которым осуществляется автоматическая передача информации в сети от абонента-передатчика к абоненту-приемнику. Все функции согласования работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей сообщений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) коммутации сообщений. Основное функциональное назначение центра коммутации сообщений - обеспечить автоматическую передачу информации от абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и требованиями к качеству и надежности связи.
Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (которая в этом случае может достигать 80 - 90% от максимального значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется одновременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.
Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования возможно совместное применение перечисленных методов коммутации, основой которого служат следующие условия:
· использование в одном и том же узле связи аппаратуры для коммутации каналов и для коммутации сообщений (того или иного способа коммутации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);
· организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уровней иерархии и коммутации сообщений для нижних уровней.
Коммутация пакетов . Еще один способ коммутации абонентов сети - так называемая коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ методов коммутации каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В этом отношении указанный метод близок методу коммутации каналов.
При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, т.е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при методе коммутации сообщений.
К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.
Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов:
· в системах первого типа устройство коммутации анализирует адрес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необходимый для передачи информации;
· в системах второго типа пакеты рассылаются по всем каналам и терминалам, каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализировав адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным, осуществляет прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.
Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип применим для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.
Сопряжение компьютеров и устройств в сетях. Существенное влияние на организацию систем обработки данных оказывают технические возможности средств, используемых для сопряжения (комплексирования) компьютеров и других устройств. Основным элементом сопряжения является интерфейс, определяющий число линий, используемых для передачи сигналов и данных, а также способ (алгоритм) передачи информации по линиям связи.
Все интерфейсы, используемые в ВТ и сетях, разделяются на три вида: параллельные, последовательные, связные.
Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий, по которым передача данных осуществляется в параллельном коде (обычно в виде 8-128 разрядных слов). Параллельный интерфейс обладает большой пропускной способностью: порядка 10 4 -10 5 бод (бит/с). Столь большие скорости передачи данных обеспечиваются за счет ограниченной длины интерфейса (обычно от нескольких метров до десятков (очень редко до сотни) метров).
Последовательный интерфейс состоит, как правило, из одной линии, данные по которой передаются в последовательном коде. Пропускная способность последовательного интерфейса составляет 10 3 - 10 4 бит/с при длине линии интерфейса от десятков метров до километра.
Связные интерфейсы содержат каналы связи, работа которых обеспечивается аппаратурой передачи данных, повышающей (в основном с помощью специальных физических методов) достоверность передачи данных. Связные интерфейсы обеспечивают передачу данных на любые расстояния, однако с небольшой скоростью (в пределах 10 2 -10 3 бит/с). Применение связных интерфейсов экономически целесообразно на расстоянии не менее километра.
Похожая информация.
Главной целью объединения компьютеров в сеть было разделение ресурсов: пользователи компьютеров, подключенных к сети, или приложения, выполняемые на этих компьютерах, получают возможность доступа к ресурсам компьютеров сети, к таким как:
периферийные устройства, такие как диски, принтеры, плоттеры, сканеры и др.;
данные, хранящиеся в оперативной памяти или на внешних запоминающих устройствах;
вычислительная мощность.
Сетевые интерфейсы
Для связи устройств в них, прежде всего, должны быть предусмотрены внешние интерфейсы.
Интерфейс - в широком смысле - формально определенная логическая и/или физическая граница между взаимодействующими независимыми объектами. Интерфейс задает параметры, процедуры и характеристики взаимодействия объектов.
Разделяют физический и логический интерфейсы
Физический интерфейс (называемый также портом) - определяется набором электрических связей и характеристиками сигналов. Обычно он представляет собой разъем с набором контактов, каждый из которых имеет определенное назначение.
Логический интерфейс (называемый также протоколом) - это набор информационных сообщений определенного формата, которыми обмениваются два устройства или две программы, а также набор правил, определяющих логику обмена этими сообщениями.
Рис. 2.2. Совместное использование принтера в компьютерной сети
Интерфейс компьютер-компьютер позволяет двум компьютерам обмениваться информацией. С каждой стороны он реализуется парой:
аппаратным модулем, называемым сетевым адаптером, или сетевой интерфейсной картой;
драйвером сетевой интерфейсной карты - специальной программой, управляющей работой сетевой интерфейсной карты.
Интерфейс компьютер-периферийное устройство (в данном случае интерфейс компьютер-принтер) позволяет компьютеру управлять работой периферийного устройства (ПУ), Этот интерфейс реализуется:
со стороны компьютера - интерфейсной картой и драйвером ПУ (принтера), подобным сетевой интерфейсной карте и ее драйверу;
со стороны ПУ - контроллером ПУ (принтера), обычно представляющий собой аппаратное устройство, принимающее от компьютера как данные, например байты информации, которую нужно распечатать на бумаге, так и команды, которые он отрабатывает, управляя электромеханическими частями периферийного устройства, например, выталкивая лист бумаги из принтера или перемещая магнитную головку диска.
Проблемы связи нескольких компьютеров
Топология физических связей
Объединяя в сеть несколько (больше двух) компьютеров, необходимо решить, каким образом соединить их друг с другом, иначе, выбрать конфигурацию физических связей, или топологию.
Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам - физические или информационные связи между вершинами.
Можно соединять каждый компьютер с каждым или же связывать их последовательно, предполагая, что они будут общаться, передавая сообщения друг другу «транзитом». В качестве транзитного узла может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство.
От выбора топологии связей существенно зависят характеристики сети:
наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможным распределение нагрузки между отдельными каналами.
простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой.
экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.
Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и не полносвязные.
Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. В таком случае каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов. Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.
Рис. 2.10. Типовые топологии сетей
Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться транзитная передача данных через другие узлы сети.
Кольцевая топология. Данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главным достоинством кольца является то, что оно по своей природе обеспечивает резервирование связей. Данные в кольце, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому источник может контролировать процесс доставки данных адресату. Это свойство используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какого-либо компьютера не прерывался канал связи между остальными узлами кольца.
Звездообразная топология образуется в случае, когда каждый компьютер подключается непосредственно к общему центральному устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В качестве концентратора может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство. Недостатки звездообразной топологии: более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства; возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.
Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой звездообразными связями. Получаемую в результате структуру называют иерархической звездой, или деревом. В настоящее время дерево является самой распространенной топологией связи, как в локальных, так и глобальных сетях.
Особым частным случаем звезды является общая шина. Здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь - роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем компьютерам, присоединенным к этому кабелю. Достоинства: дешевизна и простота присоединения новых узлов к сети, а недостатками - низкая надежность (любой дефект кабеля полностью парализует всю сеть) и невысокая производительность (в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность делится здесь между всеми узлами сети).
Рис. 2.11. Смешанная топология
Небольшие сети имеют типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.
Адресация узлов сети
Одной из проблем, которую нужно учитывать при объединении трех и более компьютеров, является проблема адресации, а именно адресации их сетевых интерфейсов. Один компьютер может иметь несколько сетевых интерфейсов. Например, для создания полносвязной структуры из N компьютеров необходимо, чтобы у каждого из них имелся N - 1 интерфейс.
По количеству адресуемых интерфейсов адреса можно классифицировать следующим образом:
уникальный адрес (unicast) используется для идентификации отдельных интерфейсов;
групповой адрес (multicast) идентифицирует сразу несколько интерфейсов, поэтому данные, помеченные групповым адресом, доставляются каждому из узлов, входящих в группу;
данные, направленные по широковещательному адресу (broadcast), должны быть доставлены всем узлам сети;
адрес произвольной рассылки (anycast), определенный в новой версии протокола IPv6, так же, как и групповой адрес, задает группу адресов, однако данные, посланные по этому адресу, должны быть доставлены не всем адресам данной группы, а любому из них.
Адреса могут быть числовыми (например, 129.26.255.255 или 81. la . ff . ff ) и символьными (site.domen.ru).
Символьные адреса (имена) удобные для восприятия человеком и поэтому обычно несут смысловую нагрузку.
Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством.
Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) организацию или иерархическую организацию.
При плоской организации множество адресов никак не структурировано. Примером плоского числового адреса является МАС-адрес, предназначенный для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях. Такой адрес обычно используется только аппаратурой и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного числа, например 0081005е24а8. MAC-адреса встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем, поэтому их называют также аппаратными адресами (hardware address).
При иерархической организации адресное пространство структурируется в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов, определяют отдельный сетевой интерфейс.
Типичными представителями иерархических числовых адресов являются сетевые IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть - номер сети и младшую - номер узла. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла требуется уже после доставки сообщения в нужную сеть. На практике обычно применяют сразу несколько схем адресации, так что сетевой интерфейс компьютера может одновременно иметь несколько адресов-имен. Каждый адрес задействуется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. А для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспомогательные протоколы, которые называют протоколами разрешения адресов.
Коммутация
Пусть компьютеры физически связаны между собой в соответствии с некоторой топологией. Затем нужно решить каким способом передавать данные между конечными узлами?
Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией. Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут.
Например, в сети, показанной на рис. 2.14, узлы 2 и 4, непосредственно между собой не связанные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут выступить, например, узлы 1 и 5. Узел 1 должен выполнить передачу данных между своими интерфейсами А и В, а узел 5 - между интерфейсами F и В. В данном случае маршрутом является последовательность: 2-1-5-4, где 2 - узел-отправитель, 1 и 5 - транзитные узлы, 4 - узел-получатель.
Рис. 2-14. Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов
Обобщенная задача коммутации
В общем виде задача коммутации может быть представлена в виде следующих взаимосвязанных частных задач.
Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать маршруты.
Маршрутизация потоков.
Продвижение потоков, то есть распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле.
Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.
Маршрутизация
Задача маршрутизации, в свою очередь, включает в себя две подзадачи:
определение маршрута;
оповещение сети о выбранном маршруте.
Определить маршрут означает выбрать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату. Определение маршрута - сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей. Чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном по некоторому критерию маршруте. В качестве критериев оптимальности могут выступать, например, номинальная пропускная способность и загруженность каналов связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуток транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов.
Маршрут может определяться эмпирически («вручную») администратором сети, но этот подход к определению маршрутов мало пригоден для большой сети со сложной топологией. В этом случае используются автоматические методы определения маршрутов. Для этого конечные узлы и другие устройства сети оснащаются специальными программными средствами, которые организуют взаимный обмен служебными сообщениями, позволяющий каждому узлу составить свое «представление» о сети. Затем на основе собранных данных программными методами определяются рациональные маршруты.
При выборе маршрута часто ограничиваются только информацией о топологии сети. Этот подход иллюстрирует рис. 2.15. Для передачи трафика между конечными узлами А и С существует два альтернативных маршрута: А-1-2-3-С и А-1-3-С. Если мы учитываем только топологию, то выбор очевиден - маршрут А-1-3-С, который имеет меньше транзитных узлов.
Рис. 2.15. Выбор маршрута
Продвижение данных
Итак, пусть маршруты определены, записи о них сделаны в таблицах всех транзитных узлов, все готово к передаче данных между абонентами (коммутации абонентов).
Прежде всего, отправитель должен выставить данные на тот свой интерфейс, с которого начинается найденный маршрут, а все транзитные узлы должны соответствующим образом выполнить «переброску» данных с одного своего интерфейса на другой, другими словами, выполнить коммутацию интерфейсов. Устройство, функциональным назначением которого является коммутация, называется коммутатором. На рис. 2.16 показан коммутатор, который переключает информационные потоки между четырьмя своими интерфейсами.
Рис. 2.16. Коммутатор
Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным.
Мультиплексирование и демультиплексирование
Чтобы определить, на какой интерфейс следует передать поступившие данные, коммутатор должен выяснить, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает на вход коммутатора только один «чистый» поток или «смешанный» поток.
Демультиплексирование - разделение суммарного агрегированного потока на несколько составляющих его потоков.
Мультиплексирование - образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который передается по одному физическому каналу связи,
Другими словами, мультиплексирование - это способ разделения одного имеющегося физического канала между несколькими одновременно протекающими сеансами связи между абонентами сети.
Рис.2.18. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации
Одним из основных способов мультиплексирования потоков является разделение време ни. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает физический канал в полное свое распоряжение и передает по нему свои данные. Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передаст данные в выделенном ему частотном диапазоне.
Рис. 2.19. Мультиплексор и демультиплексор
Типы коммутации
Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации, абонентов в сетях выделяют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов и коммутацию пакетов.
ЭК, ПМ – 2
- ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
- ИСТОРИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
- ОСНОВНЫЕ АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СЕТИ.
- ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СЕТЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
- ТЕХНОЛОГИИ ETHERNET И FAST ETHERNET.
- СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: TOKEN RING, FDDI И 100VG-ANYLAN
- ГЛОБОЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
- МОДЕЛЬ OSI
- РЕАЛИЗАЦИЯ МЕЖСЕТЕВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СРЕДСТВАМИ TCP/IP
- АДРЕСАЦИЯ В IP-СЕТЯХ
- ПОРЯДОК РАСПРЕДЕЛЕНИЯ IP-АДРЕСОВ
- ОТОБРАЖЕНИЕ ДОМЕННЫХ ИМЕН НА IP-АДРЕСА
- ИНТЕРФЕЙС WINDOWS SOCKETS
- ПРИНЦИПЫ МАРШРУТИЗАЦИИ
- ПРОТОКОЛЫ МАРШРУТИЗАЦИИ
- ГЛОБАЛЬНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ СЕТЬ INTERNET
- СЕРВИСЫ И СЛУЖБЫ INTERNET.
- СРЕДСТВА АНАЛИЗА И ОПТИМИЗАЦИИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
- БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ
- ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ЗАЩИЩЕННЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Определение и назначение компьютерных сетей
В настоящее время наиболее важным применением компьютеров становится создание сетей, обеспечивающих единое информационное пространство для многих пользователей. Особенно наглядно этот процесс проявляется па примере всемирной компьютерной сети Internet.
Компьютерной сетью называется совокупность взаимосвязанных через каналы передачи данных компьютеров, обеспечивающих пользователей средствами обмена информацией и коллективного использования ресурсов сети: аппаратных, программных и информационных.
Объединение компьютеров в сеть позволяет совместно использовать дорогостоящее оборудование - диски большой емкости, принтеры, основную память, иметь общие программные средства и данные. Глобальные сети предоставляют возможность использовать аппаратные ресурсы удаленных компьютеров. Глобальные сети, охватывая миллионы людей, полностью изменили процесс распространения и восприятия информации, сделали обмен информацией через электронную почту самой распространенной услугой сети, а основным ресурсом - информацию.
Основным назначением сети является обеспечение простого, удобного и надежного доступа пользователя к распределенным общесетевым ресурсам и организация их коллективного использования при надежной защите от несанкционированного доступа, а также обеспечение удобных и надежных средств передачи данных между пользователями сети. С помощью сетей эти проблемы решаются независимо от территориального расположения пользователей. В эпоху всеобщей информатизации большие объемы информации хранятся, обрабатываются и передаются в локальных и глобальных компьютерных сетях. В локальных сетях создаются общие базы данных для работы пользователей. В глобальных сетях осуществляется формирование единого научного, экономического, социального и культурного информационного пространства.
Существует множество задач, нуждающихся в централизованных общих данных, удаленном доступе к базам данных, передаче данных на расстояние и их распределенной обработке. Примерами являются банковские и другие финансовые структуры; коммерческие системы, отражающие состояние рынка («спрос-предложение»); системы социального обеспечения; налоговые службы; дистанционное компьютерное обучение; системы резервирования авиабилетов; дистанционная медицинская диагностика; избирательные системы. Во всех этих приложениях необходимо, чтобы в сети осуществлялся сбор, хранение и доступ к данным, гарантировалась защита данных от искажений и несанкционированного доступа.
Помимо научной, деловой, образовательной, общественной и культурной сфер жизни, глобальная сеть охватила и сделала доступным для миллионов людей новый вид отдыха и развлечений. Сеть превратилась в инструмент ежедневной работы и организации досуга людей самого разного круга.
Классификация сетей
Компьютерные сети можно классифицировать по ряду признаков, в том числе по степени территориальной распределенности. При этом различают: глобальные, региональные и локальные сети.
Глобальные сети объединяют пользователей, расположенных по всему миру, и часто используют спутниковые каналы связи, позволяющие соединять узлы сети связи и ЭВМ, находящиеся на расстоянии 10-15 тыс, км друг от друга.
Региональные сети объединяют пользователей города, области, небольших стран. В качестве каналов связи чаще всего используются телефонные линии. Расстояния между узлами сети составляют 10-1000 км.
Локальные сети ЭВМ связывают абонентов одного или нескольких близлежащих зданий одного предприятия, учреждения. Локальные сети получили очень широкое распространение, так как 80-90% информации циркулирует вблизи мест ее появления и только 10-20% связано с внешними взаимодействиями. Локальные сети могут иметь любую структуру, но чаще всего компьютеры в локальной сети связаны единым высокоскоростным каналом передачи данных. Единый для всех компьютеров высокоскоростной канал передачи данных - главная отличительная особенность локальных сетей. В качестве канала передачи данных используются: витая пара, коаксиальный кабель, оптический кабель и др. В оптическом канале световод сделан из кварцевого стекла толщиной в человеческий волос. Это наиболее высокоскоростной, надежный, но и дорогостоящий кабель. Расстояния между ЭВМ в локальной сети небольшие - до 10 км. При использовании радиоканалов связи - до 20 км. Каналы в локальных сетях являются собственностью организаций и это упрощает их эксплуатацию.
Сетевое программное обеспечение
Функциональные возможности сети определяются теми услугами, которые она предоставляет пользователю. Для реализации каждой из услуг сети и доступа пользователя к этой услуге разрабатывается программное обеспечение.
Программное обеспечение, предназначенное для работы в сети, должно быть ориентированным на одновременное использование многими пользователями. В настоящее время получили распространение две основные концепции построения такого программного обеспечения.
В первой концепции сетевое программное обеспечение ориентировано на предоставление многим пользователям ресурсов некоторого общедоступного главного компьютера сети, называемогофайловым сервером. Это название он получил потому, что основным ресурсом главного компьютера являются файлы. Это могут быть файлы, содержащие программные модули или данные. Файловый сервер - самый общий тип сервера. Очевидно, емкость дисков файлового сервера должна быть больше, чем на обычном компьютере, так как он используется многими компьютерами. В сети может быть несколько файловых серверов. Можно назвать и другие ресурсы файлового сервера, предоставляемые в совместное использование пользователям сети, например принтер, модем, устройство для факсимильной связи. Сетевое программное обеспечение, управляющее ресурсами файлового сервера и предоставляющее к ним доступ многим пользователям сети, называется сетевойоперационной системой . Ее основная часть размещается на файловом сервере; на рабочих станциях устанавливается только небольшая оболочка, выполняющая роль интерфейса между программами, обращающимися за ресурсом, и файловым сервером.
Программные системы, ориентированные на работу в рамках этой концепции, позволяют пользователю использовать ресурсы файлового сервера. Как правило, сами эти программные системы также могут храниться на файловом сервере и использоваться всеми пользователями одновременно, но для выполнения модули этих программ по мере необходимости переносятся на компьютер пользователя -рабочую станцию и там выполняют работу, для которой они предназначены. При этом вся обработка данных, даже если они являются общим ресурсом и хранятся на файловом сервере, производится на компьютере пользователя. Очевидно, что для этого файлы, в которых хранятся данные, должны быть перемешены на компьютер пользователя,
Во второй концепции, называемойархитектурой “клиент-сервера”, программное обеспечение ориентировано не только на коллективное использование ресурсов, но и на их обработку в месте размещения ресурса по запросам пользователей. Программные системы архитектуры клиент-сервер состоят из двух частей: программного обеспечения сервера и программного обеспечения пользователя-клиента. Работа этих систем организуется следующим образом: программы-клиенты выполняются на компьютере пользователя и посылают запросы к программе-серверу, которая работает на компьютере общего доступа. Основная обработка данных производится мощным сервером, а на компьютер пользователя посылаются только результаты выполнения запроса. Так, например, сервер баз данных используется в мощных СУБД, таких как Microsoft SQL Server, Oracle и др., работающих с распределенными базами данных. Серверы баз данных рассчитаны на работу с большими объемами данных (десятки гигабайт и более) и большое число пользователей и обеспечивают при этом высокую производительность, надежность и защищенность. В приложениях глобальных сетей архитектура клиент-сервер (в определенном смысле) является основной. Широко известны Web-серверы, обеспечивающие хранение и обработку гипертекстовых страниц, FTP-серверы, серверы электронной почты и множество других. Клиентские программы перечисленных служб позволяют сформулировать запрос на получение услуги со стороны этих серверов и принять от них ответ.
Любой компьютер сети, имеющий разделяемый ресурс, может быть назван сервером. Так, компьютер с разделяемым модемом, к которому имеют доступ пользователи с других компьютеров, - этомодемный иликоммуникационный сервер.
Преимущества вычислительных сетей
При появлении вычислительных сетей естественным образом возник вопрос: в каких случаях их развертывание предпочтительнее использованию автономных компьютеров или многомашинных систем? Какие новые возможности открываются с появлением вычислительной сети? И, наконец, всегда ли нужна сеть?
Если не вдаваться в частности, то конечной целью использования вычислительных сетей является повышение эффективности работы, которое может выражаться, например, в увеличении прибыли предприятия. Действительно, если благодаря компьютеризации снизились затраты на производство уже существующего продукта, сократились сроки разработки новой модели или ускорилось обслуживание заказов потребителей - это означает, что сеть действительно была нужна.
Более обстоятельно отвечая на вопрос, зачем нужна сеть, начнем с рассмотрения тех принципиальных преимуществ сетей, которые вытекают из их принадлежности к распределенным системам.
Концептуальным преимуществом распределенных систем (а значит и сетей) перед централизованными системами является их способность выполнять параллельные вычисления. За счет этого в системе с несколькими обрабатывающими узлами в принципе может быть достигнута производительность, превышающая максимально возможную на данный момент производительность любого отдельного, сколь угодно мощного процессора. Распределенные системы потенциально имеют лучшее соотношение производительность-стоимость, чем централизованные системы.
Еще одно очевидное и важное достоинство распределенных систем - это их принципиально более высокая отказоустойчивость. Под отказоустойчивостью понимается способность системы выполнять свои функции (может быть, не в полном объеме) при отказах отдельных элементов аппаратуры и неполной доступности данных. Основой повышенной отказоустойчивости распределенных систем является избыточность. Избыточность обрабатывающих узлов (процессоров в многопроцессорных системах или компьютеров в сетях) позволяет при отказе одного узла переназначать приписанные ему задачи на другие узлы. С этой целью в распределенной системе могут быть предусмотрены процедуры динамической или статической реконфигурации. В вычислительных сетях некоторые наборы данных могут дублироваться на внешних запоминающих устройствах нескольких компьютеров сети, так что при отказе одного их них данные остаются доступными.
Использование территориально распределенных вычислительных систем больше соответствует распределенному характеру прикладных задач в некоторых предметных областях, таких как автоматизация технологических процессов, банковская деятельность и т. п. Во всех этих случаях имеются рассредоточенные по некоторой территории отдельные потребители информации – сотрудники, организации или технологические установки. Эти потребители достаточно автономно решают свои задачи, поэтому рациональнее предоставлять им собственные вычислительные средства, но в то же время, поскольку решаемые ими задачи тесно взаимосвязаны, их вычислительные средства должны быть объединены в единую систему. Адекватным решением в такой ситуации является использование вычислительной сети.
Для пользователя, кроме выше названных, распределенные системы дают еще и такие преимущества, как возможность совместного использования данных и устройств, а также возможность гибкого распределения работ по всей системе. Такое разделение дорогостоящих периферийных устройств – таких как дисковые массивы большой емкости, цветные принтеры, графопостроители, модемы, оптические диски – во многих случаях является основной причиной развертывания сети на предприятии. Пользователь современной вычислительной сети работает за своим компьютером, часто не отдавая себе отчета в том, что при этом он пользуется данными другого мощного компьютера, находящегося за сотни километров от него. Он отправляет электронную почту через модем, подключенный к коммуникационному серверу, общему для нескольких отделов его предприятия. У пользователя создается иллюзия, что эти ресурсы подключены непосредственно к его компьютеру или же «почти» подключены, так как для их использования нужны незначительные дополнительные действия по сравнению с использованием действительно собственных ресурсов. Такое свойство называется прозрачностью сети.
В последнее время стал преобладать другой побудительный мотив развертывания сетей, гораздо более важный в современных условиях, чем экономия средств за счет разделения между сотрудниками корпорации дорогой аппаратуры или программ. Этим мотивом стало стремление обеспечить сотрудникам оперативный доступ к обширной корпоративной информации. Чтобы такая работа была возможна, необходимо не только наличие быстрых и надежных связей в корпоративной сети, но и наличие структурированной информации на серверах организации, а также возможность эффективного поиска нужных данных. Этот аспект сетевой работы всегда был узким местом в организации доставки информации сотрудникам, даже при существовании мощных СУБД информация в них попадала не самая «свежая» и не в том объеме, который был нужен. В последнее время в этой области наметился некоторый прогресс, связанный с использованием гипертекстовой информационной службы WWW – так называемой технологии Intranet. Эта технология поддерживает достаточно простой способ представления текстовой и графической информации в виде гипертекстовых страниц, что позволяет быстро поместить самую свежую информацию на WWW-серверы корпорации. Кроме того, она унифицирует просмотр информации с помощью стандартных программ - WEB-броузеров, работа с которыми несложна даже для неспециалиста. Сейчас многие крупные корпорации уже перенесли огромные кипы своих документов на страницы WWW-серверов, и сотрудники этих фирм, разбросанные по всему миру, используют информацию этих серверов через Internet. Получая легкий и более полный доступ к информации, сотрудники принимают решение быстрее, и качество этого решения, как правило, выше.
Использование сети приводит к совершенствованию коммуникаций, то есть к улучшению процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудниками предприятия, а также его клиентами и поставщиками. Сети снижают потребность предприятий в других формах передачи информации, таких как телефон или обычная почта. Зачастую именно возможность организации электронной почты является основной причиной и экономическим обоснованием развертывания на предприятии вычислительной сети. Все большее распространение получают новые технологии, которые позволяют передавать по сетевым каналам связи не только компьютерные данные, но голосовую и видеоинформацию. Корпоративная сеть, которая интегрирует данные и мультимедийную информацию, может использоваться для организации аудио и видеоконференций, кроме того, на ее основе может быть создана собственная внутренняя телефонная сеть.
Проблемы построения и использования вычислительных сетей
Конечно, вычислительные сети имеют и свои проблемы. Эти проблемы в основном связаны с организацией эффективного взаимодействия отдельных частей распределенной системы.
Во-первых, это сложности, связанные с программным обеспечением – операционными системами и приложениями. Программирование для распределенных систем принципиально отличается от программирования для централизованных систем. Так, сетевая операционная система, выполняя в общем случае все функции по управлению локальными ресурсами компьютера, сверх того решает многочисленные задачи по предоставлению сетевых служб. Разработка сетевых приложений осложняется из-за необходимости организовать совместную работу их частей, выполняющихся на разных машинах. Много забот доставляет обеспечение совместимости программного обеспечения.
Во-вторых, много проблем связано с транспортировкой сообщений по каналам связи между компьютерами. Основные задачи здесь – обеспечение надежности (чтобы передаваемые данные не терялись и не искажались) и производительности (чтобы обмен данными происходил с приемлемыми задержками). В структуре общих затрат на вычислительную сеть расходы на решение «транспортных вопросов» составляют существенную часть, в то время как в централизованных системах эти проблемы полностью отсутствуют.
В-третьих, это вопросы, связанные с обеспечением безопасности, которые гораздо сложнее решаются в вычислительной сети, чем в централизованной системе. В некоторых случаях, когда безопасность особенно важна, от использования сети лучше вообще отказаться.
Можно приводить еще много «за» и «против» использования сетей, но главным доказательством эффективности является бесспорный факт их повсеместного распространения. Трудно найти сколь-нибудь крупное предприятие, на котором не было хотя бы односегментной сети персональных компьютеров; все больше и больше появляется крупных сетей с сотнями рабочих станций и десятками серверов, некоторые большие организации и предприятия обзаводятся частными глобальными сетями, объединяющими их филиалы, удаленные на тысячи километров. В каждом конкретном случае для создания сети были свои резоны, но верно и общее утверждение: что-то в этих сетях все-таки есть.
Вычислительные сети явились результатом эволюции компьютерных технологий.
Вычислительная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи.
Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими коммуникационными устройствами.
Все сетевое оборудование работает под управлением системного и прикладного программного обеспечения.
Основная цель сети – обеспечить пользователям сети потенциальную возможность совместного использования ресурсов всех компьютеров.
Вычислительная сеть – это одна из разновидностей распределенных систем, достоинством которых является возможность распараллеливания вычислений, за счет чего может быть достигнуто повышение производительности и отказоустойчивости системы.
Важнейший этап в развитии сетей – появление стандартных сетевых технологий типа Ethernet, позволяющих быстро и эффективно объединять компьютеры различных типов.
Использование вычислительных сетей дает предприятию следующие возможности:
Разделение дорогостоящих ресурсов;
Совершенствование коммуникаций;
Улучшение доступа к информации;
Быстрое и качественное принятие решений;
Свобода в территориальном размещении компьютеров.
Современные темпы развития сетевых технологий требуют постоянного совершенствования и обновления существующих решений и методов организации взаимодействия распределенных компьютерных систем.
Далее приводятся краткие сведения об организациях, наиболее активно и успешно занимающихся разработкой стандартов в области вычислительных сетей.
- Международная организация по стандартизации (International Organization/or Standardization, ISO , часто называемая также International Standards Organization) представляет собой ассоциацию ведущих национальных организаций по стандартизации разных стран. Главным достижением ISO явилась модель взаимодействия открытых систем OSI, которая в настоящее время является концептуальной основой стандартизации в области вычислительных сетей. В соответствии с моделью OSI этой организацией был разработан стандартный стек коммуникационных протоколов OSI.
