Раздел 3. Сетевые информационные технологии.

Тема 7. Сетевые технологии.

Компьютерная сеть – это система распределенных на территории средств ввода/вывода, хранения и обработки информации, связанных между собой каналами передачи данных. Использование компьютерных сетей позволяет обеспечить пользователям информационных систем:

• удаленный доступ к ресурсам сети;

• создание распределенных банков данных;

• предоставление пользователям различных услуг.

Компьютерная сеть (далее сеть) – это сложная система программных и аппаратных компонентов, взаимосвязанных друг с другом.

Среди аппаратных средств компьютерной сети можно выделить компьютеры и коммуникационное оборудование (кабельные системы, повторители, мосты, маршрутизаторы и др.)

Программные компоненты сети состоят из: операционных систем и сетевых приложений – это прикладные программные комплексы, которые расширяют возможности сетевых операционных систем (почтовые программы, системы коллективной работы, сетевые базы данных и др.)

Все устройства, подключаемые к сети, можно условно разделить на три функциональные группы:

• рабочие станции;

• серверы сети;

• коммуникационные узлы.

Рабочая станция – это персональный компьютер, на котором выполняется работа с клиентскими приложениями.

Выделяют три типа рабочих станций: рабочая станция с локальным диском, бездисковая рабочая станция, удаленная рабочая станция.

На рабочей станции с диском (жестким или гибким) операционная система загружается с этого локального диска. Для бездисковой станции операционная система загружается с диска файлового сервера. Удаленная рабочая станция – это станция, которая подключается к локальной сети через телекоммуникационные каналы связи (например, с помощью телефонной сети).

Сервер сети – это компьютер, подключенный к сети и предоставляющий пользователям сети определённые услуги, например хранение данных общего пользования, печать заданий, обработку запросов к базам данных, удаленную обработку заданий и т. д. По выполняемым функциям можно выделить следующие группы серверов:

Файловый сервер – компьютер, хранящий данные пользователей сети и обеспечивающий одновременный доступ пользователей к этим данным. Как правило, этот компьютер имеет большой объем дискового пространства.

Сервер баз данных – компьютер, выполняющий функции хранения, обработки и управления файлами баз данных .

Сервер прикладных программ – используется для выполнения прикладных программ пользователей.

Сервер доступа – это выделенный компьютер, позволяющий выполнять удаленную обработку заданий. Программы, инициируемые с удаленной рабочей станции, выполняются на этом сервере. От удаленной рабочей станции принимаются команды, введенные пользователем с клавиатуры, а возвращаются результаты выполнения задания.

Факс-сервер – выполняет рассылку и прием факсимильных сообщений для пользователей локальной сети.

Сервер резервного копирования данных – решает задачи создания, хранения и восстановления копий данных, расположенных на файловых серверах и рабочих станциях.

Все перечисленные типы серверов могут функционировать на одном выделенном для этих целей компьютере.

К коммуникационным узлам сети относятся следующие устройства:

• повторители;

• коммутаторы (мосты);

• маршрутизаторы;

• шлюзы.

При передаче данных в любой среде происходит затухание сигнала, что и приводит к ограничению расстояния. Чтобы преодолеть это ограничение и расширить сеть, устанавливают специальные устройства – повторители, мосты и коммутаторы. Часть сети, в которую не входит устройство расширения, принято называть сегментом сети.

Вычислительная сеть создается для обеспечения потенциального доступа к любому ресурсу сети для любого пользователя сети.

Показатели качества доступа:

Производительность – это время между моментом возникновения запроса и моментом получения ответа.

Пропускная способность сети определяется количеством информации, переданной через сеть или ее сегмент в единицу времени (бит в секунду).

Надежность работы вычислительной сети определяется надежностью работы всех ее компонентов.

Безопасность – это способность сети обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа.

Расширяемость – это модернизация её элементов и физическое расширение (добавления новых элементов сети: пользователей, компьютеров, служб).

Масштабируемость сети – возможность расширения сети без существенного снижения ее производительности.

Прозрачность вычислительной сети предполагает скрытие (невидимость) особенностей сети от конечного пользователя.

Интегрируемость означает возможность подключения к вычислительной сети разнообразного и разнотипного оборудования, программного обеспечения от разных производителей.

В нашей стране известно несколько глобальных сетей. Среди них Relcom, некоммерческая сеть Fido и всемирная сеть Internet, становящаяся очень важным инструментом для бизнеса. С ее помощью можно передавать файлы на различные континенты так же легко, как это делается в пределах одного здания. Наиболее крупной из глобальных сетей является Internet.

Категории сетей

Расстояние	Расположение	Сеть
10 м 100 м 1 км	Офис Здание Фабрика	Локальная (LAN)
10 км 100 км 1000 км	Город Страна Континент	Глобальные (WAN)
10000 км	Планета	Internet

На первых порах развития информационных сетей особо выделялись главные компьютеры, которые были основными компонентами архитектуры терминал-главный компьютер. В такой архитектуре центральное место занимал главный компьютер, выполнявший все операции по обслуживанию терминалов, которые обычно состояли из дисплея и клавиатуры.

Затем появились архитектура клиент-сервер и одноранговая архитектура. Здесь уже обеспечивалось взаимодействие типа компьютер-компьютер. Позже других появилась архитектура компьютер-сеть и возникли сетевые компьютеры. В сетях используется множество различных типов компьютеров.

Системы, которые отключены от сети, работают в автономном режиме. О системах, включенных в сеть и готовых к передаче либо приему из нее данных, говорят, что они функционируют в неавтономном диалоговом режиме. Взаимодействие пользовательских систем с коммуникационной сетью определяется различными интерфейсами. Пользовательские системы в указанных сетях являются главными. Все другие типы систем используются лишь для того, чтобы обеспечить их взаимодействие.

Пользовательские системы могут быть универсальными, но могут также специализироваться на выполнении определенных типов задач. Например: банковская система, издательская система, информационно-поисковая система (ИПС), музыкальная система, обучающая система, система графического редактирования, система типа «рабочий стол», система управления базой данных (СУБД), система управления иерархией запоминающих устройств, система электронных платежей, финансовая система, терминал WWW, сетевой принтер.

Принципы организации компьютерных сетей

Сегодня в распоряжении пользователей находится более 10 тысяч частных, более 150 тысяч государственных сетей и более 500 видов различных сетевых продуктов.

Сеть состоит из абонентов и каналов связи. Абоненты, или рабочие станции, могут выступать в качестве передатчиков и приемников информации, клиентов и серверов. Управление сетью выполняют администраторы. В их распоряжении находится информация:

• о клиентах (модели компьютеров, типы процессоров, объемы ОЗУ, типы сетевых адаптеров, версии сетевых драйверов, емкости дисковых накопителей, каталоги приложений, версии BIOS и ОС, перечень программного обеспечения, карты логических устройств и сетевой адресации, схемы физического расположения абонентов);

• о серверах (аналогичная информация, а также данные о сетевой ОС и перечень подключенной периферии, сведения о драйверах устройств, список системных ресурсов);

• о сети (план разводки кабелей с указанием концентраторов, повторителей, заглушек, распределительных и оконечных устройств).

Геометрическая схема, или топология сети может быть звездообразной, кольцевой, шинной.

Международная организация по стандартизации ISO разработала базовую модель взаимодействия систем в сетях (OSI – Open System Interconnection). Модель содержит семь уровней.

1) Физический – устанавливает битовые протоколы передачи данных. Здесь определены электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Стандарты этого уровня включают рекомендации V.24 МККТТ, EIA RS232 и Х.21.

2) Канальный – регламентирует правила формирования передаваемой информации и управления доступом к среде, синхронизации, обнаружения и исправления ошибок.

3) Сетевой – устанавливает маршруты и адреса связи между абонентами. Наиболее распространенный стандарт этого уровня – рекомендации Х.25 для сетей общего пользования.

4) Транспортный – обеспечивает взаимодействие удаленных абонентов.

5) Сеансовый – поддерживает диалог удаленных процессов. Он управляет паролями, подсчетом платы за ресурсы, синхронизацией и отменой связи после сбоев.

6) Представления данных – интерпретирует данные и готовит их для следующего уровня. Здесь данные преобразуются в экранный формат или формат печатающего устройства.

7) Прикладной – предоставляет в распоряжение пользователя переработанную информацию.

Сетевое оборудование

К сетям предъявляются различные требования по скорости передачи информации. В локальных сетях стандартная скорость передачи данных на сегодняшний день составляет 100 Мбит/с, доступ в сеть Интернет обычно осуществляется на скоростях 56; 64;128; 256; 512 Кбит/с, иногда 1-2 Мбит/с.

Каналы связи выполняются на базе различных технологий: аналоговых и цифровых. В локальных сетях преобладают выделенные цифровые линии. Наиболее распространенными проводящими средами таких вычислительных сетей служат: экранированные и неэкранированные витые проводниковые пары, коаксиальные кабели, волоконно-оптические линии.

Витая пара является наиболее дешевым соединением. Она позволяет передавать информацию со скоростью до 100 Мбит/с, легко наращивается, но плохо защищена от помех.

Коаксиальный кабель используется в последнее время гораздо реже чем витая пара, т.к. позволяет передавать данные в локальной сети на скорости до 10 Мбит/с.

Наиболее дорогие волоконно-оптические кабели. Скорость распространения информации по ним достигает 100 Гбит/с, допустимое удаление абонентов составляет 2 – 50 км, а внешнее воздействие помех практически отсутствует.

В глобальных сетях используются телефонные и телевизионные линии. Цифровая техника позволяет в 6 – 20 раз увеличить пропускную способность сотовых телефонных сетей, по сравнению с аналоговыми линиями. Скорость передачи данных здесь возрастает до 64 Кбит/с, а в международных цифровых каналах и в спутниковых системах она достигает 2 Мбит/с.

Самая популярная в мировой практике сеть Ethernet имеет шинную топологию. Лидирующими поставщиками адаптеров для таких сетей являются фирмы: 3COM, SMC, Intel. Сеть Ethernet обеспечивает скорость передачи информации 10 Мбит/с. Специальная технология Full Duplex Switched Ethernet способствует повышению быстродействия до 20 Мбит/с, а модули Fast Ethernet рассчитаны уже на 100 Мбит/с.

Если Ethernet по принципу действия напоминает совещание, где каждый высказывается по мере необходимости, то Token Ring фирм IBM, «Proteon» и «Olicom» основана на кольцевой топологии. Роль «ведущего совещание» здесь исполняет маркер, непрерывно циркулирующий в сети. К свободному маркеру присоединяются данные, адресуемые одному или нескольким абонентам.

Замкнутость сети позволяет легко локализовать и устранить нарушения передачи данных, поэтому сеть отличается надежностью. При повреждении абонента кольцо замыкается через запасной путь. Сеть Token Ring обеспечивает большую скорость передачи информации, чем Ethernet (16 Мбит/с), но она и намного дороже. Поэтому ее чаще применяют для объединения большого числа машин и там, где первоочередным требованием является высокая надежность.

При формировании корпоративных сетей простое объединение большого числа машин затруднит работу. Удобнее объединить ряд хост-машин с подключенными к ним абонентами в функционально замкнутые группы (домены). Объединение проводится таким образом, чтобы минимизировать необходимость обращения пользователей одного домена к другим. Примером такой сети масштаба предприятия служит Microsoft Windows NT Advanced Server, обеспечивающая надежное хранение информации и высокую степень защиты данных.

Сократить количество подключаемых к сети адаптеров помогают также терминальные станции (hab) – интеллектуальные процессоры передачи данных, присоединяющие к сети терминалы, персональные компьютеры, периферию. Для усиления сигналов и увеличения эффективной длины сегмента используются повторители (repeater). Они повышают и надежность сети, создавая условия для оперативного отключения дефектных сегментов.

Повторители, выполняющие локальное и дистанционное управление сетью, называются концентраторами. Собирая данные о состоянии сети, они посылают диагностические сообщения администратору.

Аппаратно-программный блок, обеспечивающий «прозрачное» соединение локальных сетей либо сегментов одной сети, имеющих различные протоколы работы на канальном уровне, называют мостом (bridge). Мостами могут объединяться между собой адаптеры типов Ethernet, Arcnet, Token Ring и другие. С помощью межсетевых шлюзов, или маршрутизаторов (gateway), на сетевом уровне связываются между собой неоднородные системы, использующие различные операционные среды и протоколы. Таким образом, например, большие ЭВМ подключаются к мини- и микрокомпьютерам. Шлюз согласует скорости передачи данных и используемые коды.

Наиболее сложна организация глобальных сетей. Высокую оперативность здесь обеспечивают частные линии, системы с коммутацией каналов, системы с коммутацией пакетов. Примером такой сети служит Internet, имеющая более нескольких десятков миллионов пользователей. Стандарты Internet фиксируют весь перечень соглашений о межсетевом взаимодействии и допустимых механизмах его реализации.

Архитектура клиент-сервер

Client-Server Architecture (CSA) – концепция сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов. Серверы предоставляют клиентам различные сервисы.

Как следует из названия, архитектура CSA определяет (рис. 9) два типа взаимодействующих в сети компонентов: серверы и клиенты. Каждый из них является комплексом взаимосвязанных прикладных программ. Серверы предоставляют ресурсы, необходимые многим пользователям. К ним, в первую очередь, относятся: базы данных, файлы, память. Клиенты используют эти ресурсы и предоставляют удобные интерфейсы пользователя.

В современной архитектуре выделяется четыре группы объектов: клиенты, серверы, данные и сетевые службы. Клиенты располагаются в системах, находящихся на рабочих местах пользователей. Данные в основном хранятся в серверах. Сетевые службы являются совместно используемыми прикладными программами, которые взаимодействуют с клиентами, серверами и данными. Кроме этого, службы управляют процедурами распределенной обработки данных, информируют пользователей о происходящих в сети изменениях.

В зависимости от сложности выполняемых прикладных процессов и числа работающих клиентов различают двухуровневые и трехуровневые архитектуры. Наиболее простой является двухуровневая архитектура (рис. 9). Здесь, клиенты выполняют простые операции обработки данных, отрабатывают интерфейс взаимодействия с сервером, обращаются к нему с запросами. Большую же часть задач обработки выполняет сервер. Для этих целей он имеет базу данных.

В трехуровневой архитектуре вместо единого сервера применяются серверы приложений и серверы баз данных.

Их использование позволяет резко увеличивать производительность локальной сети. В абонентскую систему в зависимости от ее производительности загружается: клиент, сервер либо сервер с группой клиентов.