6Информационный процесс обмена данными
Мы уже успели убедиться, что процессы обработки, накопления и обмена данными в современном производственном процессе, активно использующем ЭВМ, неотделимы друг от друга. Даже, если мы работаем с персональной ЭВМ, внутри нее происходит постоянный обмен данными между компонентами компьютера. Однако, в современном производственном процессе очень редко можно встретить человека, работающего с отдельной, изолированной от других систем управления и обработки данных ЭВМ. Чаще всего, работа происходит с использованием множества устройств объединенных в локальные и глобальные сети. Бурное развитие информационных технологий, построенных на использовании сетевых решений, привело в последнее время к тому, что процесс обмена данными стал рассматриваться как базовый.
6.1Что такое компьютерная сеть
Система, состоящая из двух и более компьютеров, расположенных в разных точках пространства и объединенных линиями связи, называются распределенными вычислительными системами или сетями ЭВМ. Они создаются в целях объединения информационных ресурсов нескольких компьютеров. Как и отдельные компьютеры, вычислительные сети являются средствами реализации информационных технологий.
Использование сетевых технологий привело к появлению таких понятий и методов как распределенные базы и банки данных, распределенная обработка данных.
Вычислительные сети подразделяют на локальные вычислительные сети и глобальные вычислительные сети. Отдельные локальные и глобальные вычислительные сети могут объединятся с образованием сложной сети, которую называют распределенной сетью.
6.1.1Локальные вычислительные сети
Коммуникационная сеть, соединяющая группу компьютеров, принтеров и других устройств в пределах относительно ограниченного пространства (например, в здании). Локальная сеть позволяет соединенным устройствам взаимодействовать друг с другом.
Компьютеры в локальной сети физически соединены между собой проводными или беспроводными линиями связи. Спецификации общепринятых способов построения вычислительных сетей описываются стандартами IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers] Институт инженеров по электротехнике и электронике (профессиональное объединение, выпускающие свои собственные стандарты; членами IEEE являются ANSI и ISO).
В настоящее время наибольшей популярностью пользуются сети, объединяющие компьютеры с помощью кабеля (Ethernet), хотя в последнее время, особенно на Западе, все большую популярность получают беспроводные технологии.
Линии связи вместе с устройствами передачи и приема данных называются каналами связи, а устройства, производящие переключения потоков данных в сети называются узлами коммутации. Существует несколько типичных способов организации локальной сети или различные топологии сети. Термин топология сетей характеризует физическое расположение компьютеров, узлов коммутации и каналов связи в сети. Все сети строятся на основе трех базовых топологий – шина (bus), звезда (star), кольцо (ring). Причем, последняя из них – кольцевая технология используется пока достаточно редко.
Шинная топология
Иногда между двумя наиболее удаленными друг от друга рабочими станциями прокладывается один-единственный кабель, обходящий все остальные станции и серверы. Этот способ соединения называется шинной топологией (рис. 11). Компьютеры подключаются к единому каналу связи с помощью трансиверов (приемопередатчиков). Канал оканчивается с двух сторон пассивными терминаторами, поглощающими передаваемые сигналы.
Рисунок 11 Шинная топология
Однако такой способ соединения имеет существенный недостаток: если рабочая станция или кабель и соединения по каким-либо причинам выйдут из строя, все остальные объекты, расположенные дальше по линии, потеряют связь с сетью. Такая топология используется при создании локальной сети с помощью кабелей Ethernet.
Звездообразная топология
В некоторых случаях все устройства подключаются к одному распределительному блоку (концентратору) (рис. 12).
Рисунок 12 Звездообразная технология
В результате получается топология, которая называется звездообразной В настоящее время она наиболее распространена.
Такие сети легко расширяются и модернизируются. Хотя шинная топология проще и экономичнее, так как для нее не требуется дополнительное устройство и расходуется меньше кабеля, она очень чувствительна к неисправностям кабельной системы. Если кабель поврежден хотя бы в одном месте, то возникают проблемы для всей сети. Место неисправности трудно обнаружить. В этом смысле "звезда" более устойчива. Поврежденный кабель является проблемой для одного конкретного компьютера, на работе сети в целом это не сказывается. Не требуется усилий по локализации неисправности.
Кольцевая топология
В кольцевой топологии каждая рабочая станция подключается к следующей, а последняя подключается к первой (похоже на шинную топологию с соединенными концами) (рис. 13). Каждый компьютер подключен отдельным проводом к отдельному порту устройства, называемого концентратором или повторителем (репитер), или хабом (Hub). Топология кольца функционально эквивалентна шине, у которой концы соединены друг с другом; таким образом, сигналы передаются от одного компьютера к другому, двигаясь по кругу. Однако коммуникационное кольцо это только логическая абстракция, а не физическая конструкция.
Рисунок 13 Кольцевая топология
На самом деле физически не обязательно, чтобы кабели соединялись кольцом. Фактически кольцо существует лишь внутри концентратора (так называемый модуль многопользовательского доступа (MultiStation Access Unit — MSAU)). Сигнал, посланный одним компьютером, попадает в концентратор, а из концентратора посылается следующему компьютеру, после чего снова попадает в концентратор. Таким образом, данные попадают в каждый компьютер, пока снова не доходят до посылавшего их компьютера, который извлекает их из кольца. Таким образом, хотя физическая топология проводов имеет вид звезды, данные в такой сети передаются по так называемому логическому кольцу. Логическое кольцо удобнее физической кольцевой топологии, поскольку такая система имеет более высокую отказоустойчивость. В шинной сети повреждение кабеля приводит к остановке всей сети. Модуль многопользовательского доступа может просто отключить сбоящий компьютер от логического кольца, что позволит остальной сети продолжить работу. Сети, сконструированные на основе топологии "кольцо", могут использовать различные типы кабеля. Например, сети Token Ring используют витую пару, в то время как FDDI-сети реализуют топологию "кольцо" с помощью оптоволоконных кабелей.
Иногда используют гибридные топологии, т.е. объединяются элементы описанных выше трех основных топологий сети.
Топология сети в значительной степени обуславливает все ее характеристики: производительность, унификацию оборудования и технологий, стоимость монтажа и затраты будущих периодов на ее поддержку, ремонтопригодность и надежность и т.п. В частности, выбор той или иной топологии влияет на:
состав сетевого оборудования, с помощью которого создается сеть;
будущие характеристики сети;
возможности расширения сети;
возможность использование новых технологий в будущем.
Выбор подходящей топологии часто является трудной задачей. Сегодня наиболее популярной топологией стала "звезда-шина", но и она не всегда отвечает требованиям пользователей.
6.1.2Ethernet
В конце 60-х годов Гавайский университет разработал вычислительную сеть под названием ALOHA. Университет, располагая обширной территорией, решил объединить в сеть все имеющиеся в его распоряжении компьютеры. Эта сеть и послужила основой для современных сетей Ethernet. В 1972 году Роберт Меткалф и Дэвид Боггс из фирмы Xerox разработали кабельную систему и схему передачи сигналов, а в 1975 году - первый продукт Ethernet. Первоначальная версия Ethernet представляла собой систему со скоростью передачи 2,94 Мбит/с и объединяла более 100 компьютеров с помощью кабеля длиной в 1 км.
Сеть Ethernet фирмы Xerox имела такой успех, что компании Xerox, Intel Corporation и Digital Equipment Corporation разработали стандарт для Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с. Сегодня ее рассматривают как спецификацию, описывающую метод кабельного соединения и совместного использования компьютеров и информационных систем.
Ethernet - самая популярная в настоящее время сетевая архитектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию "шина" или "звезда".
Сеть Ethernet имеет следующие характеристики:
- скорость передачи данных кабельная система - 10 и 100 Мбит/с;
- спецификации - IEEE 802.3;
- метод доступа CSMA/CD [Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection] множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов, (метод доступа к среде передачи (кабелю), при котором станция, намеревающаяся осуществить передачу, "прослушивает" сеть и, если ни одна из станций не передает, начинает передачу данных; при возникновении конфликта, передача прекращается и может быть возобновлена по истечении случайного промежутка времени);
- кабельная система - толстый и тонкий коаксиальный (похож на кабель от телевизионной антенны), UTP (витая пара).
Наиболее популярной реализацией Ethernet сегодня является 10BaseT (10 Мбит/сек); развитием технологии Ethernet является Fast Ethernet (100 Мбит/сек). В последнее время появился так называемый Гигабитный Ethernet (IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet) – спецификация, позволяющая организовывать сети со скоростью передачи данных больше 100 Мбит/сек. В настоящее время гигабитные сети еще мало распространены.
Данные в сетях Ethernet передаются неделимыми кусками – кадрами. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байтов, но сама структура кадра Ethernet использует по крайней мере 18 байт, поэтому размер блока данных в Ethernet - от 46 до 1500 байтов. Каждый кадр содержит информацию и имеет общую с другими кадрами организацию.