Тема 1: " Коммуникационные технологии локальных вычислительных сетей и их реализация в среде Windows"

Архитектура компьютерных сетей. Передача данных

Основным назначением компьютерной сети является предоставление большому количеству пользователей одновременного доступа к ее вычислительным ресурсам. Исходя из этого, компьютерная сеть представляет собой систему распределения обработки информации, которая состоит из территориально-рассредоточенных компьютеров, которые взаимодействуют между собой посредством устройств связи. Компьютеры, которые входят в состав сети, выполняют достаточно широкий круг функций, основной среди которых является организация доступа к сети, управлению передачей информации, представлению вычислительных ресурсов и услугам абонентам сети. В соответствии с функциональным назначением, все множество систем компьютерной сети можно разделить на абонентские, коммуникационные и главные (Host) системы (серверы).

Абонентская система представляет собой компьютер, ориентированный на работу в составе компьютерной сети, который обеспечивает пользователям доступ к ее вычислительным ресурсам.

Коммуникационные системы – это узлы коммутации сети, которые обеспечивают организацию составляющих каналов передачи данных между абонентскими системами.

Сервером принято называть специальный компьютер, который выполняет основные сервисные функции, а именно: управление сетью, сбор, обработку, сохранение и предоставление информации абонентам сети. По функциональному назначению принято разделять серверы на файл-серверы и серверы доступа. Файл-сервер определяется как сетевой компьютер, который осуществляет операции по сохранению, обработке и представлению файлов данных абонентам. Сервер доступа – это компьютер, который обеспечивает абонентским системам эффективный доступ к компьютерной сети.

Архитектура локальных сетей. Звездообразная топология сетей

Локальной называется сеть, которая не выходит за определенные границы, то есть рассредоточенная на сравнительно небольшой территории, в радиусе нескольких километров. В основном локальные сети формируются в пределах одной организации, предприятия или их подразделов и предназначены для сбора, передачи и обработки информации в рамках данной организации.

Структурно локальную сеть можно представить в виде множества абонентских систем, объединенных высокоскоростными каналами передачи данных. Подключение станции к среде передачи данных осуществляется посредством сетевых адаптеров (сетевых карточек), основным назначение которых, является обеспечение взаимодействия абонентских систем в рамках локальной сети. С этой целью адаптеры выполняют ряд функций, одна часть из которых не зависит от типа и характера сети, а вторая часть определяется конкретным типом сети.

Наличие высокоскоростных каналов передачи данных до недавнего времени было основным отличием локальных сетей. Начальный скорость передачи в локальных сетях составляла от 1 до 16 Мбит/с, что было значительно больше скорости передачи в глобальных сетях. В широкораспространенной сети Ethernet информация может передаваться со скоростью до 10 Мбит/с. Современные локальные сети обеспечивают скорость передачи свыше 100 Мбит/с. Высокая скорость передачи информации в локальной сети достигается еще и за счет максимального упрощения процедуры выбора маршрута, коммутации и промежуточного сохранения информации в узлах сети.

По общей конфигурации (топологии) различают: звездообразная, шинная, кольцевая и древовидная топология локальных сетей.

Звездообразная локальная сеть характеризуется наличием центрального узла коммутации, на который (или через который) посылаются все сообщения. В качестве центрального узла коммутации может использоваться специальный компьютер – сетевой сервер с функциями коммутации и управления работой всей локальной сети. В этом случае локальная сеть очень похожа на систему телеобработки и может базироваться на ее программных и аппаратных средствах, что и является одной из причин широкого использования звездообразной топологии при разработке первых локальных сетей.

На сетевой сервер, кроме основных, могут быть возложены дополнительные функции по согласованию скоростей работы станций и преобразованию протоколов обмена. Это позволяет в рамках одной сети объединять разнотипные абонентские системы.

Рис. 1. Звездообразная топология сети.

Наряду с преимуществами, подобные локальные сети имеют и ряд недостатков. Например, при подключении большого количества абонентных систем, поддержка высокой скорости коммутации нуждается в значительных аппаратных затратах. Кроме этого, значительная функциональная нагрузка центрального узла определяет его сложность, что, конечно, сказывается на его надежности. В связи с этим в большинстве современных звездообразных сетей функции коммутации абонентных систем и управления сетью разделены между коммутатором и сетевым сервером. Сервер подключается к коммутатору как абонентная система, но с максимальным приоритетом, в этом случае структура центрального узла существенно упрощается, что вместе с высокоскоростными каналами позволяет достичь достаточно высокой скорости передачи данных. Так, например, в звездообразной сети Ultra Net скорость передачи данных составляет 1,4 Гбит/с.

Сети шинной топологии. Кольцевая топология сети.

В локальных сетях с шинной топологией все абонентские системы посредством сетевых адаптеров подключены к общей магистрали (шине). Конструктивно адаптер, как правило, представляет собой плату, что монтируется в компьютер, хоть возможное и автономное его использование. В качестве среды передачи данных чаще всего используется коаксиальный кабель. Обязательным элементом подобной передающей среды является терминатор, который представляет собой согласованное сопротивление, с помощью которого устраняется эффект отраженной волны на концах коаксиального кабеля.

В процессе работы сети информация от передающей абонентской системы поступает на адаптеры всех абонентных систем, но воспринимается лишь адаптером той абонентской системы, которой она адресована. Использование абонентными системами общей передающей среды требует решения задачи организации поочередного доступа к ней. Правило, с помощью которого организуется бесконфликтный доступ абонентских систем к передающей среде, получило название метода доступа. Наиболее характерным представителем сетей с шинной топологией является сеть Ethernet.

Рис. 2. Шинная топология сети.

Кольцевая локальная сеть характеризуется наличием замкнутого однонаправленного канала передачи данных в виде кольца или петли. В этом случае информация передается последовательно между адаптерами абонентных систем до тех пор, пока не будет принят получателем и потом удален из сети. Как правило, за удаление информации из сети отвечает ее отправитель. Управление работой кольцевой сети может осуществляться централизовано с помощью специальной станции монитора или децентрализовано за счет распределения функций управления между всеми абонентными системами. Как и в сетях с шинной топологией последовательность передачи информации абонентскими системами регулируется с помощью определенного метода доступа.

Рис. 3. Кольцевая топология сети.

Один из существующих недостатков кольцевых сетей – выход ее из строя при разрыве кольца, как правило, устраняется за счет использования “двойного кольца”. Для этого в состав локальной сети включают дополнительные линии связи и устройства реконфигурации, которые представляют собой специальные переключающиеся устройства, простые и надежные. В случае необходимости может быть изолирована одна или несколько абонентных систем. При одновременном отказе двух или нескольких несмежных узлов исходная сеть разбивается на две или несколько независимых сетей.

Современные высокоскоростные локальные компьютерные сети широко используют древовидную топологию. В качестве узлов коммутации чаще всего выступают высокоскоростные коммутаторы (хабы, от английского слова Hub).

Физическая среда локальных сетей

В качестве среды передачи информации в локальных сетях наиболее широкое назначение находят: коаксиальный кабель, витые пары проводников и оптоволоконные кабели.

Коаксиальный кабель представляет собой широкополосное средство связи, которое позволяет передавать информацию в достаточно большом частотном диапазоне. Он может использоваться как для одноканальной, так и для многоканальной передачи. В локальных компьютерных сетях используются коаксиальные кабели с разным волновым сопротивлением от 50 Ом до 120 Ом, хоть преимущество предоставляется кабелю с сопротивлением 50 Ом.

Рис. 4. Коаксиальный кабель.

Физически коаксиальный кабель представляет собой двухпроводную линию связи, в которой один проводник (центральный) находится в середине второго. Диаметр центрального проводника существенно влияет на электрические параметры кабеля. Центральный и внешний проводники разделены между собой изоляцией. Качество функционирования локальной компьютерной сети зависит от электрических и механических характеристик кабеля.

На настоящее время в локальных сетях находит применение кабель на базе витых пар проводников. Подобная среда передачи данных с успехом используется в таких локальных сетях как 10Base-T, Token Ring, 100VG-AnyLAN и другие.

Рис. 5. Витые пары.

Существует множество типов кабелей с витыми парами проводов. Кабели могут содержать четыре пары проводников или представлять собой жгуты с 25 и больше пар неэкранированных или экранированных проводов. Неэкранированные проводы, как правило, имеют волновое сопротивление в 100 Ом, а экранированы – 150 Ом. Учитывая широкое использование кабеля на базе витых пар проводников в разных компьютерных сетях, разработан ряд стандартов, которые определяют электрические и монтажные параметры кабеля.

Наиболее перспективной средой передачи данных, которая обеспечивает скорость передачи в несколько Гбит/с, является оптоволоконный кабель. В качестве передающей среды в нем используется оптическое волокно (световод), которое представляет собой тонкую стеклянную нить толщиной 50-100 мкм. Информация по оптоволоконному кабелю передается посредством световых сигналов. В качестве источников света используются светодиоды или лазерные диоды, которые могут переключаться с частотой в несколько тысяч Мгц. Прозрачность оптического волокна на несколько порядков выше прозрачности обычного стекла, что позволяет передавать световой сигнал на десятки километров без существенного снижения уровня сигнала. Оптическое волокно достаточно гибкое, это дает возможность прокладывать оптоволоконный кабель практически по тем же каналам, что и коаксиальный.

Высокоскоростные локальные сети. Высокоскоростные локальные сети. Корпоративные компьютерные сети

Корпоративной называется компьютерная сеть, созданная путем объединения разнородных компьютерных сетей. Развитие корпоративных сетей тесно связано с разработкой специальных средств соединения и межсетевых протоколов.

Соединение может осуществляться на разных уровнях эталонной модели взаимодействия открытых систем. В зависимости от уровня соединения и выполняющих функций различают: повторители, мосты, шлюзы.

Повторителем называется устройство соединения физического уровня эталонной модели, который осуществляет согласование электрических параметров соединенных сетей. В рамках одной физической среды повторители используются с целью увеличения длины сети и количества подключенных абонентских систем.

Устройство объединения компьютерных сетей на канальном уровне получило название – мост.

Как правило, локальные и глобальные сети используют разные протоколы передачи информации, поэтому при их объединении нужно обеспечить согласование протоколов практически всех уровней эталонной модели. Устройство соединения, которое реализует функции сопряжения протоколов верхних уровней разных сетей, называется шлюзом.

Групповое подключение абонентных систем к глобальным сетям, как правило, осуществляется посредством специального устройства – сервера доступа, на который, кроме согласования протоколов, возлагаются функции по управлению доступом множества абонентных систем к компьютерной сети.