1.1.2. Организация информационных сетей, топология и архитектура
Информационная (вычислительная) сеть – сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов:
1-й слой – аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. То есть, компьютеры различных классов – от персональных компьютеров до мэйфреймов (мощный компьютер универсального назначения) и суперЭВМ.
2-й слой – коммуникационное оборудование. То есть, сложный специализированный мультиплексор, который необходимо конфигурировать, оптимизировать, администрировать, а также требуется знание большого количества протоколов.
3-й слой - образует программную платформу сети, от которой зависит её эффективность, безопасность и мощность (количество абонентов).
4-й слой – это совместимые сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др.
Многопользовательские информационные системы, где требуется удалённая обработка данных, могут использовать следующие принципиальные технические решения, приведённые на рис. 1.3 – 1.11.
Мультипроцессорная система с общей
памятью представляет собой
централизованную архитектуру, когда
к одной общей оперативной памяти
подключены несколько центральных
процессоров.
Основным
достоинством централизованной
архитектуры с точки зрения обеспечения
безопасности хранения и обработки
данных является относительная простота
построения и администрирования системы
защиты информации.
Общая память
Центральный
процессор
Рис. 1.3. Мультипроцессорная система с общей памятью
По характеру доступа к памяти мультипроцессоры делятся на два класса:
UMA (Uniform Memory Access) – однородный доступ к памяти, когда все данные могут быть считаны с одинаковой скоростью;
NUMA (Non Uniform Memory Access) – неоднородный доступ к памяти.
Сообщения в мультипроцессоре состоят из 4 частей:
Модуль
Адрес
Код операции
Значение
Module
– это поле указывает модуль памяти,
по его значению коммутатор определяет,
по какой из выходных линий следует
отправить сообщение;
Address
– это поле указывает адрес внутри
модуля;
Opcode
– указывает код операции, то есть
«READ»
- чтение, или «WRITE»
- запись;
Value
– необязательное поле может содержать
операнд, например 32-разрядное слово,
которое должно быть записано операцией
«запись».
Мультипроцессорная
система с передачей сообщений
содержит
базовый узел, который состоит из
центрального процессора (может быть 2
или 4 процессора), памяти, сетевого
интерфейса и иногда жёсткого диска.
Компьютеры, подключаемые к сети, называют
станциями,
или
узлами
сети.
Схема
соединений
Передача сообщений
Рис. 1.4. Мультипроцессорная система с передачей сообщений
Топология физических связей – способ организации физических связей между узлами сети. То есть под топологией информационной сети понимается конфигурация графа, вершинами которого являются узлы сети, а рёбрами – физические связи между ними.
Необходимо различать:
физические связи - соединение компьютеров физическими линиями электросвязи;
логические связи – маршруты передачи данных между узлами сети, образованные путём соответствующей настройки коммутационного оборудования.
Рассмотрим варианты наиболее часто встречающихся топологий. Каждая из них имеет свои относительные положительные и отрицательные технико-экономические характеристики:
Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер соединён с каждым.
Достоинство: наибольшая надёжность и логическая простота.
Н
2.
Ячеистая
топология получается из полносвязной
путём удаления некоторых возможных
связей. Непосредственно связываются
только те компьютеры, между которыми
идёт интенсивный обмен данными.
Достоинство:
допускает соединение большого числа
компьютеров и применяется, как правило,
для организации глобальных сетей.
Недостаток:
громоздкий и малоэффективный вариант.
3.
Общая
шина
самая распространённая для локальных
сетей. Компьютеры подключаются к одному
коаксиальному кабелю по схеме «монтажного
ИЛИ» с помощью ответвителя, называемого
«зуб вампира», который протыкает иглой
кабель до середины. Передаваемая
информация может распространяться в
обе стороны.
Достоинство:
низкая себестоимость и быстрота
прокладки линия связи (кабеля).
Рис.1.5.
Полносвязная топология
Рис.1.6.
Ячеистая топология
Рис.1.7.
Общая шина
Недостаток: малая надёжность за счёт дефектов кабеля или многочисленных разъёмов. Невысокая производительность сети, так как пропускная способность канала связи делится между всеми узлами сети.
4.
Звезда
– каждый компьютер подключается
отдельным кабелем к общему устройству
– концентратору, который находится в
центре сети.
Достоинство:
большая надёжность сети. Концентратор
также может играть роль интеллектуального
фильтра информации, поступающей от
узлов в сеть.
Недостаток:
стоимость концентраторов, а также
ограничение количества узлов сети
количеством портов в концентраторе.
Рис.1.8. Звезда
5.
Кольцевая
топология обеспечивает передачу всей
информации по сети, а каждый компьютер
берёт из потока только свою и переписывает
её в свой буфер.
Достоинство:
удобная конфигурация для организации
обратной связи, особенно при необходимости
частого тестирования сети.
Недостаток:
необходимо принимать меры для шунтирования
компьютера при его отключении (выходе
из строя) для беспрерывной работы
остальных станций.
Рис.
1.9. Кольцевая
6. Комбинированная топология предполагает использование нескольких концентраторов, иерархически связанных между собой.
Рис.
1.10. Комбинированная
Помимо очевидных преимуществ имеется ряд недостатков:
территориальное распределение компонентов программных приложений и неоднородность элементов вычислительной системы приводят к существенному усложнению построения и администрирования системы информационно-компьютерной безопасности;
часть защищаемой информации может располагаться на персональных компьютерах, которые характеризуются повышенной уязвимостью;
при потере параметров настройки ПО компьютера-клиента необходимо выполнение сложных процедур связывания и согласования этого компьютера с системой, что приводит к увеличению времени восстановления работоспособности компьютерной сети при возникновении отказов.
Глобальная распределённая система является наиболее перспективной, поскольку снимает многие недостатки, присущие сетям с классической архитектурой «клиент-сервер».
распределённая
система
Полная
система
Полная
система
Базисом архитектуры является
Web-технология.
Передачу с сервера на рабочую станцию
документов и других объектов по запросам,
поступающим от навигатора, обеспечивает
функционирующая на сервере программа,
называемая Web-сервером,
который выступает
в качестве информационного концентратора.
Данная архитектура позволяет на
аппаратно-программном уровне наиболее
удобным образом обеспечить ранжирование
абонентов сети в защищённом файле
рангов пользователей, хранимом в
сервере, а также организовать систему
единого времени сети, исключающую
возможность злонамеренной переустановки
текущего времени от рабочей станции.
АРМ
АРМ
Полная
система
ИНТЕРНЕТ
Полная
система
Рис.
1.11. Глобальная
распределённая система
Сравнение трёх типов многопроцессорных систем приведено в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Аспект |
Мультипроцессор |
Многомашинная система |
Распределённая система |
Конфигурация узла |
Центральный процессор |
Центральный процессор, ОЗУ, сетевой интерфейс |
Полный компьютер |
Периферия узла |
Всё общее |
Общая периферия, кроме дисков |
Полный набор для каждого узла |
Расположение |
В одном блоке |
В одном помещении |
Возможно по всему миру |
Связь между узлами |
Общая память |
Выделенные линии |
Традиционная сеть |
Операционные системы |
Одна, общая
|
Несколько, одинаковые |
Могут быть различными |
Файловые системы |
Одна, общая |
У каждого узла своя |
|
Администрирование |
Одна организация |
Много организаций |
|
Для анализа систем выбираются характеристики, приведённые на рис. 1.12.
С А
И В
Дополнительные
возможности
Реализуемые
задачи
Обеспечение
безопасности
Тестирование
системы
Услуг
СУБД
Системы
Стандартных
средств
Стоимость
Сертификация
Паспортизация
Экономические,
правовые характеристики
Операционная
среда
Сетевые
интерфейсы
Программные
средства
Формирование
отчётов
Аппаратные
средства
Тактические
характеристики
Технические
характеристики
Разработчик,
поставщик
Нестандартные
Стандартные
Средства
администрирования
Сетевые
протоколы
VPN
параметры
Стандартные
Нестандартные
Рис.
1.12. Характеристики систем информационного
взаимодействия
Распределённые системы создаются поверх компьютерных сетей. Существуют два основных типа сетей:
LAN (Local Area Network) – локальная сеть, покрывающая одно здание или учреждение – Ethernet;
WAN (Wide Area Network) – глобальная сеть, которая может охватить город, страну или, как Интернет – весь мир.
Ethernet – классическая сеть, описанная в стандарте IEEE Standard 802.3. Она состоит из нескольких компьютеров, присоединённых к коаксиальному кабелю.
Интернет – появилась как развитие экспериментальной сети с коммутацией пакетов ARPANET, финансируемой управлением перспективного планирования НИР (ARPA, Advanced Research Projects Agency) при МО США. Часть сети Интернет изображена на рис. 1.13.
Магистраль
Высокоскоростной
оптоволоконный кабель
Маршрутизатор
Интернет
- провайдера
Региональная
сеть
Среднескоростной
оптоволоконный
кабель
Коммутируемая
линия к домашнему компьютеру
Оптоволоконный
кабель или «медь»
Домашний
персональный компьютер
Хост
Маршрутизатор
Локальный
маршрутизатор
Ethernet
Рис.
1.13. Структура части Интернета
Интернет состоит из компьютеров двух типов: хостов и маршрутизаторов.
Хостами являются персональные компьютеры, серверы, мэйнфреймы и другие компьютеры - собственность компаний, желающих подключиться к Интернету.
Маршрутизаторы – специализированные коммутирующие компьютеры, принимающие приходящие пакеты с одной или нескольких линий и отправляющие их дальше по одной или нескольким линиям.
Кабель
называется Ethernet
в честь светоносного эфира, по которому,
как полагали до 1887 года, распространяются
электромагнитные волны.
VPN
–
виртуальные
частные сети
- сегменты локальной сети,
аппаратно-программное обеспечение
которой позволяет отделить её логическую
структуру от физической.