Е.И. Измайлова Вычислительные машины, системы и сети

10

Методические указания

Компьютерная сеть представляет собой систему распределенной обработки информации, состоящую, как минимум, из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью средств связи. Изучение компьютерных сетей следует начинать с изучения функций, выполняемых компьютерами сети. При рассмотрении понятий "клиент" и "сервер" следует обратить внимание на то, что подразумевается при этом на структурном и на программном уровнях. В соответствии с функциональным назначением компьютеров, сети делятся на одноранговые и сети на основе серверов. Каждая компьютерная сеть имеет определенную архитектуру, которая, в свою очередь, определяется топологией, протоколами, интерфейсами, сетевыми техническими и программными средствами.

Изучение эволюции вычислительных систем следует начинать с систем пакетной обработки данных. Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма. При такой обработке использовался принцип централизованной обработки данных. Появление малых ЭВМ, микроЭВМ и ПК привело к возникновению систем распределенной обработки данных. Появление таких систем началось с решения проблемы доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на большие расстояния. Такие сети позволяли пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам. Таким образом появились глобальные сети. Появление локальных сетей связано с появлением больших интегральных схем, так как их относительно невысокая стоимость и высокие функциональные возможности привели к созданию мини-ЭВМ.

Изучение обобщенной структуры компьютерной сети требует рассмотрения отличия компьютерной сети от многомашинного вычислительного комплекса. Объединение в один комплекс средств вычислительной техники, аппаратуры связи и каналов передачи данных привело к появлению новых терминов: абонент сети, станция, абонентская система, физическая передающая среда, коммуникационная сеть. В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три класса: глобальные, региональные, локальные. В настоящее время разрыв между локальными и глобальными сетями сокращается из-за появления высокоскоростных терминальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным

11

системам локальных сетей. В локальных сетях вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля появилось разнообразное коммуникационное оборудование – коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы.

Контрольные вопросы

1.Что такое компьютерная сеть?

2.Основные функции, выполняемые компьютерами в сети.

3.Средства связи. Понятие клиент и сервер.

4.Одноранговые сети и сети на основе серверов.

5.Основные компоненты архитектуры компьютерной сети.

6.Централизованная обработка данных и системы пакетной обработки данных.

7.Распределенная обработка данных.

8.Многомашинный вычислительный комплекс.

9.Появление глобальных сетей.

10.Первые локальные сети.

11.Отличие компьютерной сети от многомашинного вычислительного комплекса.

12.Абоненты сети.

13.Станция и абонентская система.

14.Физическая передающая среда и коммуникационная сеть.

15.Обобщенная структура компьютерной сети.

16.Глобальная вычислительная сеть.

17.Региональная вычислительная сеть.

18.Локальная вычислительная сеть.

19.Современные тенденции в локальных и глобальных сетях.

2.7.Характеристика процесса передачи данных

Передатчик. Приемник. Сообщение. Средства передачи. Режимы передачи данных: симплексный, полудуплексный, дуплексный. Коды передачи данных: параллельный, последовательный. Типы синхронизации данных: синхронная и асинхронная передача. Способы передачи цифровой информации: цифровая и аналоговая передача данных. Методы аналоговой модуляции: амплитудная модуляция, частотная модуляция, фазовая модуляция. Требования, предъявляемые к методам цифрового кодирования. Методы цифрового кодирования: потенциальный

12

код без возвращения к нулю, метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией, биполярный импульсный код, манчестерский код, потенциальный код 2B1Q. Аппаратные средства передачи данных: сетевые адаптеры, мультиплексор, модем, концентратор, повторитель. Характеристики коммуникационной сети: скорость передачи данных по каналу связи, пропускная способность канала связи, достоверность передачи информации, надежность канала связи и модемов.

Литература [2, с.207-216; 3, с.132-140; 147-148].

Методические указания

Изучение данного раздела следует начинать с рассмотрения основных компонентов сети: передатчик, сообщение, приемник, средства передачи. Для характеристики процесса обмена сообщениями в вычислительной сети по каналам связи используются следующие понятия: режим передачи, код передачи, тип синхронизации. Существуют три режима передачи данных: симплексный, полудуплексный, дуплексный. Для передачи информации по каналам связи используются специальные коды. Параллельный код – каждый бит передается по отдельному проводу. Последовательный код – группа битов передается по одному проводу бит за битом. Процессы передачи или приема информации в вычислительных сетях могут быть привязаны к определенным временным отметкам, то есть один из процессов может начаться только после того, как получит полностью данные от другого процесса. Такие процессы называются синхронными. Процессы, в которых нет такой привязки называются асинхронными. При синхронной передаче информация передается блоками, которые обрамляются специальными управляющими символами. При асинхронной передаче данные передаются в канал связи как последовательность битов, из которой при приеме необходимо выделить байты для последующей обработки. Каждый байт ограничивается стартовыми и стоповыми битами.

При изучении способов передачи информации следует рассмотреть цифровой и аналоговый способы передачи данных. Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных за счет изменения параметров аналогового сигнала. Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется применением амплитуды, частоты или фазы синусоидального

13

сигнала. Соответственно различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию. При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные или импульсные коды. При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей. При изучении методов цифрового кодирования следует учитывать, что требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и недостатками. Наиболее популярными являются следующие методы: потенциальный код без возвращения к нулю, метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией, биполярный импульсный код, манчестерский код, потенциальный код 2B1Q. При изучении аппаратных средств следует рассмотреть следующие устройства: сетевой адаптер, мультиплексор, модем, концентратор, повторитель. Для оценки качества коммуникационной сети используют следующие характеристики: скорость передачи данных по каналу связи, пропускную способность канала связи, достоверность передачи информации, надежность канала связи и модема.

Контрольные вопросы

1.Основные компоненты компьютерной сети.

2.Режимы передачи данных.

3.Параллельный код.

4.Последовательный код.

5.Синхронизация данных.

6.Синхронная передача данных.

7.Асинхронная передача данных.

8.Цифровая передача данных.

9.Аналоговая передача данных.

10.Амплитудная модуляция.

11.Частотная модуляция.

12.Фазовая модуляция.

13.Требования, предъявляемые к методам цифрового кодирования.

14.Потенциальный код без возвращения к нулю.

15.Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией.

16.Биполярный импульсный код.

14

17.Манчестерский код.

18.Потенциальный код 2B1Q.

19.Сетевой адаптер.

20.Мультиплексор.

21.Модем.

22.Концентратор.

23.Повторитель.

24.Скорость передачи данных по каналу связи.

25.Пропускная способность канала связи.

26.Достоверность передачи информации.

27.Надежность канала связи и модемов.

2.8.Уровни сетевой архитектуры

Понятие "открытая система". Эталонная модель взаимодействия открытых систем. Стандартные сетевые протоколы. Модульность и стандартизация. Источники стандартов. Стандартные сетевые программные средства. Стандартные стеки коммуникационных протоколов: стек

OSI; стек TCP/IP; стек IPX/SPX; стек NetBIOS/SMB.

Литература [3, с.22-31; 4, с.66-87; 5, с.73-102].

Методические указания

Изучение данного раздела следует начинать с понятия "открытая система". Открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями. Под спецификацией (в вычислительной технике) понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условия эксплуатации, ограничений и особых характеристик. При рассмотрении понятия "открытой системы" следует рассмотреть преимущества принципов открытости.

Наибольшее распространение получила эталонная модель обмена информацией открытой системы OSI. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. При изуче-

15

нии функций разных уровней следует учитывать, что вышестоящие уровни выполняют более сложные глобальные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. При изучении стандартных сетевых протоколов рассматриваются понятие протокола, стандартный набор стеков протоколов и основные типы протоколов. Большинство стандартов, применяемых сегодня, носят открытый характер.

Понятия модульности и стандартизации в сетях неразрывно связаны, и модульный подход только тогда дает преимущества, когда он сопровождается стандартами. Работы по стандартизации вычислительных сетей ведутся большим количеством организаций. В зависимости от статуса организаций различают следующие виды стандартов: стандарты отдельных фирм, стандарты специальных комитетов и объединений, национальные стандарты, международные стандарты. При изучении процесса выработки и принятия стандарта рассматривается ряд обязательных этапов. Важнейшим направлением стандартизации в области вычислительных сетей является стандартизация коммуникационных протоколов.

В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наиболее популярные стеки: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, DECnet, SNA и OSI. При изучении данных стеков следует учитывать, что все стеки кроме SNA на физическом и канальном уровнях используют стандартизированные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. На верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам.

Контрольные вопросы

1.Что такое открытая система и спецификация?

2.Преимущества принципов открытости.

3.Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI.

4.Физический уровень модели OSI.

5.Канальный уровень модели OSI.

6.Сетевой уровень модели OSI.

7.Транспортный уровень модели OSI.

8.Сеансовый уровень модели OSI.

9.Представительный уровень модели OSI.

16

10.Прикладной уровень модели OSI.

11.Что такое протокол?

12.Стандартные наборы протоколов.

13.Основные типы протоколов.

14.Модульность и стандартизация.

15.Основные виды стандартов.

16.Стек OSI.

17.Стек TCP/IP.

18.Стек IPX/SPX.

19.Стек NetBIOS/SMB.

2.9.Локальные вычислительные сети

Локальные вычислительные сети (ЛВС). Функциональные группы устройств в сети: сервер, рабочая станция. Управление взаимодействием устройств в сети: клиент, одноранговая сеть, сеть с выделенным сервером. Топологии ЛВС: полносвязная, ячеистая, общая шина, звезда, кольцо, смешанная. Физическая передающая среда ЛВС: кабели на основе витых пар, коаксиальные кабели, оптоволоконные кабели. Бескабельные каналы связи: радиоканал, инфракрасный канал. Организация совместного использования линий связи. Адресация компьютеров.

Литература [2, с.226-234; 3, с.8-14; 34-37; 4, с.43-50; 123-130;5, с.11-

42].

Методические указания

Изучение данного раздела следует начинать с определения места и роли ЛВС и отличительных признаков локальной сети от других типов сетей. К основным устройствам сети относится сервер и рабочая станция. При изучении особое внимание следует уделить файловому серверу. Компьютерные сети реализуют распределенную обработку данных. Обработка данных в этом случае распределена между двумя объектами: клиентом и сервером. Такая архитектура называется "клиент-сервер" и может использоваться как в одноранговых сетях, так и в сетях с выделенным сервером. В одноранговой сети каждая станция может выполнять функции как клиента, так и сервера. В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, пред-

17

назначенных для использования всеми рабочими станциями; управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций.

При объединении в сеть большого числа компьютеров в первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, то есть топологию. Под топологией вычислительной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. При изучении данного раздела нужно рассмотреть основные топологии, их достоинства и недостатки. Основные топологии: полносвязная, ячеистая, общая шина, звезда, кольцо, смешанная. Кроме топологии выбирается среда передачи информации. Среда передачи информации – это линии связи, по которым производится обмен информацией между компьютерами. Используются кабельные и бескабельные каналы связи. При изучении кабельных каналов рассматриваются требования, предъявляемые к кабелям, и типы кабелей. Все выпускаемые кабели можно разделить на три большие группы: кабели на основе витых пар проводов, коаксиальные кабели, оптоволоконные кабели. В качестве бескабельных каналов связи используются радиоканал и инфракрасный канал.

При изучении организации совместного использования линий связи рассматриваются проблемы, связанные с разделяемыми линиями связи. При рассмотрении вопросов адресации компьютеров следует обратить внимание на требования, предъявляемые к адресам, и основные схемы адресации узлов. Наибольшее распространение получили три схемы адресации: аппаратные адреса, символьные адреса и числовые составные адреса. В современных сетях для адресации узлов применяются, как правило, одновременно все три схемы. Проблема установления соответствия между адресами различных типов может решаться как полностью централизованными, так и распределенными средствами.

Контрольные вопросы

1.Что такое сервер и файловый сервер?

2.Рабочая станция.

3.Архитектура "клиент-сервер".

4.Одноранговая сеть.

5.Сеть с выделенным сервером.

6.Что такое топология?

18

7.Полносвязная и ячеистая топологии.

8.Топологии типа "общая шина" и "кольцо".

9.Топология типа "звезда" и смешанная топология.

10.Среда передачи информации.

11.Кабели на основе витых пар.

12.Коаксиальные кабели.

13.Оптоволоконные кабели.

14.Организация совместного использования линий связи.

15.Требования, предъявляемые к адресам узлов в сети.

16.Аппаратный адрес.

17.Символьные адреса.

18.Числовые составные адреса.

19.Централизованный подход при установлении соответствия адресов.

20.Распределенный подход при установлении соответствия адресов.

2.10.Структуризация как средство построения больших сетей

Причины объединения ЛВС. Способы объединения ЛВС: повторитель, концентратор, коммутатор, мост, маршрутизатор, шлюз. Физическая структуризация сети. Логическая структуризация сети. Сетевые службы. Прозрачный доступ.

Литература [2, с.232-234; 4, с.52-61; 5, с.216-223].

Методические указания

Изучение данного раздела следует начинать с причин объединения ЛВС. В сетях с небольшим количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий: общая шина, кольцо, звезда. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности. Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети. На определенном этапе такая ЛВС перестает удовлетворять потребности всех пользователей, и тогда встает проблема расширения ее функциональных возможностей. В этом случае использование типовых структур превращается из преимущества в недостаток. Использование типовых

19

структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются: ограничения на длину связи между узлами; ограничения на количество узлов в сети; ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети. Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование: повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Такое оборудование называют коммуникационным, так как с помощью него отдельные сегменты сети взаимодействуют между собой.

При изучении физической структуризации сети рассматриваются коммуникационные устройства повторитель и концентратор. Повторитель (repeater) используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Он передает сигналы, проходящие от одного сегмента сети, в другие ее сегменты. Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называют концентратором (concentrator) или хабом (hub). В данном устройстве сосредотачиваются все связи между сегментами сети. Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей. Все концентраторы повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Следует учесть, что концентратор всегда изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменения ее логическую топологию. Физическая структуризация сети с помощью концентраторов полезна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надежности.

При изучении логической структуризации сети следует рассмотреть проблему перераспределения трафика между различными физическими сегментами сети. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы. Мост (bridge) делит разделяемую среду передачи сети на части, передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Мосты могут быть локальными и удаленными. Локальные мосты разделяются на внутренние и внешние. Коммутатор (switch) по принципу обработки кадров не отличается от моста. Отличие состоит в том, что каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста незави-