3_1.htm 3.1. Основные понятия и требования, предъявляемые к компьютерным сетям Компьютерная сеть представляет собой открытую систему связанных между собой с помощью единой функциональной среды вычислительных и других устройств (персональных компьютеров, файл-серверов, модемов, шлюзов и т.д.), расположенных на территориях, например, отдельных вузов, учреждений, банков, предприятий и т.п., а также различных регионов и даже континентов. При этом под единой функциональной средой понимается совокупность общих (стандартных) правил-протоколов взаимодействия между разными персональными компьютерами и устройствами, входящими в состав компьютерной сети. В настоящее время большинство компьютерных сетей обладают следующими возможностями: • Выступают как мощное средство коммуникации между пользователями сети • Распределяют ресурсы подключенных к сети компьютеров • Повышают экономичность денежных затрат путем организации коллективного использования дорогостоящих устройств, например: лазерных принтеров, файл-серверов, модемов и т.п. • Улучшают эффективность работы персонала организации за счет объединения ресурсов всех имеющихся компьютеров. Кроме того, любая компьютерная сеть должна удовлетворять ряду требований: • Открытость архитектуры, то есть возможность подключения к данной сети других сетей • Высокое быстродействие взаимообмена данными по сети • Небольшая вероятность возникновения ошибок в процессе передачи данных по сети. Основными компонентами простейшей компьютерной сети являются: • Рабочие станции • Файл-серверы • Передающие среды. Основные компоненты компьютерной сети представлены на рис. 3.1. Рабочая станция представляет собой обычный персональный компьютер, работающий под управлением собственной дисковой операционной системы, например DOS или OS/2. Однако в отличие от автономного компьютера рабочая станция содержит плату сетевого интерфейса и физически соединена с файл-сервером. Кроме того, рабочая станция запускает специальную программу, называемой оболочкой сети, которая позволяет ей обмениваться информацией с файл-сервером, другими рабочими станциями и устройствами. Оболочка сети позволяет рабочей станции использовать файлы и программы, хранящиеся на файл-сервере. Функцию управления распределением сетевых ресурсов выполняют файл-серверы. Это достаточно мощные персональные компьютеры, которые служат управляющими центрами в сети и концентраторами баз данных. В каждой компьютерной сети файл-сервер запускает операционную систему и управляет потоком данных, передаваемых по сети. Файловый сервер выбирают, исходя из типа процессора, объема расширенной оперативной памяти, типа диска и дискового контроллера. Сетевые адаптеры (или интерфейсные платы) представляют собой устройства, позволяющие компьютеру принимать и передавать информацию через компьютерную сеть. Различают внешние и внутренние сетевые адаптеры. Внешние сетевые адаптеры подключаются к рабочей станции через сквозной принтерный порт, что позволяет подсоединить к нему и принтер. Внутренние сетевые адаптеры устанавливаются в разъеме расширения материнской платы. Передающая среда обеспечивает взаимодействие всех компонентов сети. В качестве передающей среды в компьютерной сети могут быть использованы: • Двухпроводная открытая линия • Витая пара • Коаксиальный кабель • Волоконно-оптический кабель • Электромагнитные волны. Важными характеристиками компьютерной сети являются надежность, оперативность обмена информацией и гибкость архитектуры. Надежность работы компьютерной сети предполагает высокую вероятность безотказной работы сети на достаточно большом промежутке независимо от отказа или сбоя отдельных ее компонентов. Оперативность обмена информацией в сети определяется, в основном, скоростью передачи данных. Для обеспечения работы компьютерной сети
в реальном масштабе времени требуется скорость передачи от 2 до 10 и даже более Мбит/с. Гибкость архитектуры сети заключается в способности данной сети устойчиво функционировать независимо от изменения ее структуры (подключения или отключения отдельных рабочих станций, замены серверов и т.п.). Указанные характеристики реализуются путем применения модульной конструкции построения сети. Такой подход позволяет без существенных временных и материальных затрат развернуть компьютерную сеть необходимой конфигурации с выполнением возложенных на нее функций. Многочисленные процессы, происходящие между компонентами сети в результате ее функционирования, должны быть взаимосвязанными. Это обстоятельство предполагает наличие в составе операционной системы сети соответствующей функциональной среды, которая позволяет обеспечить взаимодействие этих процессов. Такой функциональной средой в компьютерных сетях являются протоколы (правила) связи, реализуемые на основе принципа пакетной коммутации при обмене информацией. Виды компьютерных сетей В настоящее время все множество компьютерных сетей можно разделить на три основных вида: • Локальные сети • Региональные сети • Глобальные сети. К локальным относятся сети, развертываемые на ограниченной территории, в пределах от нескольких десятков метров до нескольких километров. Это может быть здание или группа расположенных рядом зданий, а сеть, как правило, принадлежит одной организации (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Локальная сеть Региональная (корпоративная) сеть (рис. 3.3) занимает промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. Она обслуживают потребности региона, например большого города, области, края. Узлы региональных сетей располагаются друг от друга на удалении десятков, сотен и иногда тысяч километров. Региональная сеть может включать в свой состав на правах элементов локальные сети.
Рис. 3.3. Региональная сеть
Рис. 3.4. Глобальная сеть Глобальная сеть охватывает страну, несколько стран или даже континентов. В ее составе могут находится региональные и локальные сети. Большинство глобальных сетей являются сетями общего пользования, которым присущи: • Гибкая система адресации, позволяющая идентифицировать большое число пользователей и допускающая расширения • Высокая эффективность передачи информации • Применение сложных протоколов маршрутизации сообщений, обусловленное необходимостью гибко отслеживать часто возникающие топологии (из-за технических неисправностей, подключения новых пользователей). Наиболее известным представителем глобальных сетей (рис. 3.4) является INTERNET. За рубежом данным видом сети соответствуют следующие названия: • Локальным — LAN (Local Area Network) • Региональным — MAN (Metropolitan Area Network) — междугород-ние WAN (Wide Area Network) — протяженные • Глобальным — WAN (World Area Network) GAN (Global Area Network). По принадлежности различают четыре вида сетей: • Корпоративные • Межведомственные • Общенациональные • Международные. Корпоративная компьютерная сеть CAN (Corporation Area Network) принадлежит одной организации (корпорации) и обслуживает относящихся к ней пользователей. В зависимости от масштабов она может быть локальной, региональной или даже глобальной. Примерами корпоративных сетей могут быть: сети фирмы Microsoft (США), сеть IASNET института автоматизированных систем (Россия). Принципы построения и топология компьютерных сетей Построение любой компьютерной сети необходимо начинать с решения ряда важных задач: • Определение цели создаваемой сети • Определение топологии сети • Выбор передающей среды и метода доступа к ней • Выбор сетевого аппаратного и программного обеспечения • Выбор организации управления. Определение цели при построении компьютерной сети является основополагающей задачей в процессе ее создания. Правильность решения данной задачи оказывает существенное влияние не только на эффективность создаваемой сети, но и позволяет произвести экономический расчет целесообразности приобретения аппаратного и программного обеспечения сети. Выбор топологии сети производится исходя из цели и характера необходимых вычислительных и информационных процессов в ней. Топология, по сути, определяет конфигурацию соединения компонентов компьютерной сети. В настоящее время различают два основных класса конфигурации сети: • Широковещательный • Последовательный. Широковещательный класс предполагает, что каждый персональный компьютер в сети может без существенных ограничений производить взаимообмен информацией с любыми другими компьютерами, подключенными к данной сети. Основным типом топологии данного класса является топология «общая шина» (рис. 3.5). Такой тип топологии позволяет существенно упростить логическую и программную структуру компьютерной сети. Более того, так как выход из строя одного из подключенных компьютеров не нарушает работоспособности сети, повышается надежность сети в целом. Однако при нарушении кабельной шины (или проводной линии связи) поиск неисправности в такой компьютерной сети затруднен.
Организация передачи информации в сети с топологией «общая шина» осуществляется по методу селекции информации. Примерами использования данной топологии в конкретных сетях может служить: отечественная компьютерная сеть «Квант-С» и Ethernet (США). При последовательной конфигурации каждый компьютер производит взаимообмен информацией только с одним определенным компьютером в сети. Одним из типов топологии такого класса является топология «кольцо» (рис.3.6). Топология сети типа «кольцо» обеспечивает высокую пропускную способность, небольшие энергозатраты в сети и достаточно простой метод управления. К недостатку рассматриваемой топологии следует отнести повышенные потери времени в процессе взаимообмена, так как информация от одного компьютера к другому передается в виде эстафеты и осуществляется по методу маршрутизации информации. Данный тип топологии используется в отечественных и зарубежных сетях типа «Руслан», «Ива-3», «Курьер», Token Rung (США). Разновидностью последовательной конфигурации может служить топология сети типа «звезда» (рис.3.7), распределительная роль в которой принадлежит центральному компьютеру (концентратору).
Компьютерные сети с данной топологией достаточно простые по. построению и обеспечивают функционирование сети при нарушении целостности кабеля, путем отключения поврежденного луча центральным компьютером. Однако такая сеть требует большего расхода кабельных линий связи, чем «шина» или «кольцо». Такая топология используется, например, в отечественной компьютерной сети «Мифир-3» и сетях IolaNet2, Arcnet (США). Классификация компьютерных сетей В настоящее время в мире существует большое количество компьютер--ных сетей. Практически каждая организация стремится повысить эффективность своей деятельности и, имея в наличии необходимые компоненты для создания компьютерной сети, разворачивает ее в интересах своего производства. Разнообразие решаемых задач, парка персональных компьютеров, неодинаковые возможности сервиса привели к появлению различных модификаций сетей. В связи с этим возникла необходимость классифицирования компьютерных сетей по следующим основным признакам: • Типам используемых компьютеров • Организации управления • Назначению • Организации передачи информации • Методам доступа к передающей среде. Более детально эта классификация представлена на рис. 3.8. Сети, по типам используемых компьютеров, подразделяются на однородные и неоднородные. Однородные сети характеризуются однотипным составом компьютеров или других абонентских устройств. Неоднородные сети имеют в своем составе различные модели и классы вычислительных машин, что характерно в условиях их постепенного приобретения и ввода в эксплуатацию. По организации управления компьютерные сети можно разделить на две группы: • Централизованного управления • Децентрализованного(распределенного)управления. Компьютерная сеть с централизованным управлением имеет в своем составе центральный компьютер, с помощью которого происходит управление процессами в сети, ведется диагностика, статистика и учет работы. Выход его из строя приводит к прекращению работы всей вычислительной сети. Данный вид управления характерен тем, что основная часть информационно-вычислительных ресурсов сконцентрирована в центральной системе. В связи с этим эффективность работы компьютерных сетей с централизованным управлением снижается с повышением числа пользователей в сети. Децентрализованное управление предполагает рассредоточение информационно-вычислительных ресурсов сети между абонентскими узлами, а функции управления распределены по всем системам сети. Диагностика, статистика и учет работы возлагается на специально выделенный компьютер. По сравнению с централизованным, рассматриваемый вид управления имеет тенденцию к возрастанию конфликтных ситуаций в сети в зависимости от количества пользователей.
Рис. 3.8. Классификация компьютерных сетей По назначению локальные сети делятся, в основном, на: • Управляющие • Информационные • Расчетные. Управляющие компьютерные сети предназначены для организации управления административными, технологическими и другими процессами в системе производства, информационные — для обмена документальной, графической и речевой информации и ее обработки, а расчетные — для выполнения научных, инженерных, статистических и других числовых расчетов. По организации передачи информации компьютерные сети можно разделить на: • Сети с маршрутизацией информации • Сети с селекцией информации. Реализация сетей с маршрутизацией информации предполагает взаимообмен данными по адресам их назначения с выбором оптимальных путей. Характерным признаком сетей с селекцией информации является возможность выбора конкретным пользователем адресованного ему блока данных. По методам доступа к передающей среде компьютерные сети делятся на: • Методы с детерминированным доступом • Методы со случайным доступом. В свою очередь к детерминированным методам можно отнести метод циклического опроса, вставки регистров, централизованный и децентрализованный маркерный методы. Метод циклического опроса основан на использовании временных промежутков между передаваемыми пакетами данных в сети для проведения опроса пользователей о готовности передачи своей информации. Метод обеспечивает отсутствие конфликтных ситуаций в линии связи за счет увеличения времени передачи данных между пользователями. Применяется, как правило, в однонаправленных компьютерных сетях с кольцевой структурой. Централизованный и децентрализованный маркерные методы относятся к селективным методам, суть которых заключается в получении пользователем соответствующего разрешения для передачи информации по кабелю связи. При этом разрешение, передаваемое от станции к станции, называется маркером. Централизованный маркерный метод основан на выдаче маркера каждой станции центральным компьютером в соответствии с очередностью и используется в компьютерных сетях с топологией типа «кольцо». Децентрализованный маркерный метод может использоваться в компьютерных сетях как с кольцевой, так и с шинной топологией. Основное достоинство маркерных методов — отсутствие конфликтных ситуаций в линиях связи. К основным методам случайного доступа к передающей среде можно отнести методы состязаний с прослушиванием моноканала до передачи и с прогнозированием столкновений. В общем случае методы случайного доступа построены на принципе соперничества по овладению передающей средой с некоторыми правилами по предотвращению конфликтных ситуаций при обмене информацией. Метод состязаний с прослушиванием моноканала до передачи основан на предварительном определении занятости канала связи для избежания возможных конфликтов. Вхождение в связь с другим пользователем носит вероятностный характер. При использовании метода состязаний с прогнозированием столкновений специальное устройство, имеющееся в блоке сопряжения, производит сбор статистики за заданный промежуток времени, вычисляя при этом критическую частоту передачи сообщений по линии связи. Передача информации в канал связи происходит только в случае снижения частоты передачи сообщений по моноканалу. В современных компьютерных сетях наибольшее распространение получили следующие методы доступа к передающей среде: • Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD) • Маркерное кольцо • Маркерная шина. В качестве примера можно сказать, что метод CSMA/CD реализован в сети Ethernet, маркерное кольцо —в сети Token Ring, а маркерная шина — в сети Arcnet.