Сетевые компьютерные технологии

1. Программное и техническое обеспечение средств телекоммуникационных технологий

1.1. Общие сведения о сетях

Сеть представляет собой совокупность компьютеров, объединён­ных средствами передачи данных. Основная задача, которую ре­шают с помощью сетей - это обмен информацией между пользова­телями.

Средства передачи данных в общем случае могут состоять из следующих элементов: компьютеров, каналов связи (спутниковых, телефонных, цифровых, волоконно-оптических, радио- и других), коммутирующей аппаратуры, ретрансляторов, различного рода преобразователей сигналов и других элементов и устройств.

Вычислительная сеть - сложная система программных и аппа­ратных компонентов, взаимосвязанных друг с другом. Среди аппа­ратных средств можно выделить компьютеры и коммуникационное оборудование. Программные компоненты состоят из операционных систем и сетевых приложений.

Современные сети можно классифицировать по различным при­знакам:

• по удаленности компьютеров,

• топологии,

• назначению,

• перечню предоставляемых услуг,

• принципу управления (централизованные и децентрализованные),

• методу коммутации (без коммутации, телефонная коммутация, коммутация цепей, сообщений, пакетов и дейтаграмм и т. д.),

• виду среды передачи данных и т. д.

В зависимости от удаленности компьютеров сети условно раз­деляют на локальные и глобальные.

В локальных вычислительных сетях (ЛВС) компьютеры распо­ложены на расстоянии до нескольких километров и обычно соеди­нены при помощи скоростных линий связи со скоростью обмена от 1 до 10 и более Мбит/с. ЛВС обычно используются в организациях.Компьютеры при этом, как правило, находятся в пределах одного помещения, здания или соседних зданий.

Произвольная глобальная сеть может включать другие глобаль­ные сети, локальные сети, а также отдельно подключаемые к ней компьютеры (удаленные компьютеры) или отдельно подключаемые устройства ввода-вывода. Глобальные сети бывают четырех основ­ных видов: городские, региональные, национальные и транснацио­нальные.

В локальных сетях происходит более интенсивный обмен инфор­мацией, чем в глобальных. В ЛВС организовано управление аппа­ратно-программными ресурсами всех входящих в сеть компьюте­ров. Реализует эти функции сетевое ПО. В глобальной сети основ­ным видом взаимодействия между независимыми компьютерами является обмен сообщениями.

1.2. Топология локальных сетей

Топология - конфигурация соединения элементов в сеть. Она во многом определяет такие важнейшие характеристики сети, как ее надежность, производительность, стоимость, защищенность и т. д. Физическая топология описывает схему прокладки кабеля и распо­ложение рабочих станций (PC), узлов, маршрутизаторов и шлюзов. Логическая топология описывает пути передачи сообщений от од­ного пользователя сети к другому. Наиболее распространенными физическими топологиями являются: «звезда», «общая шина» и «кольцо».

Топология «звезда»

Каждый компьютер через специальный сетевой адаптер под­ключается отдельным кабелем к центральному узлу (обычно сетевой концентратор) (рис. 6.1). Центральным узлом служит коммутирующее устройство. При топологии «звезда» все узлы сети могут одновремен­но получать передаваемое по сетевому кабелю сообщение.

Достоинства:

Рис. 0.1. Топология «звезда»

- нарушение соединения между центральным узлом и любым компьютером не влияет на работоспособность остальной части сети, т. е. сеть имеет высокую надежность;

• подключать новых абонентов можно, не останавливая работу сети;

• легкий поиск неисправностей и обрывов в сети;

• высокая производительность сети (при условии правильного проектирования);

• гибкие возможности администрирования.

Недостатки:

• при выходе из строя центрального узла вся сеть перестает работать;

• для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;

• конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

Топология «общая шина»

Данная конфигурация (рис. 6.2) предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры. Все ПК передают данные на шину и прослушивают ее, определяя, кому адресована информация. Компьютер принимает адресованные ему данные и игнорирует чужие. На обоих концах шины располагаются терминаторы (заглушки), которые поглощают сигналы и предотвращают образование отраженной волны.

Достоинства:

• небольшая протяженность кабеля;

• выход из строя отдельной станции не нарушает работоспособности сети в целом;

• небольшое время установки сети,

• дешевизна, т. к. требуется меньше кабеля и сетевых устройств;

• простота настройки.

Недостатки:

• при разрыве в любой точке шины нарушается целостность сети, и появляются отраженные волны. Ни один из участков сети не может продолжать работу;

• при необходимости подключить новый ПК нужно остановить работу сети;

• при больших расстояниях сигналы в шине затухают и нужно использовать специальное оборудование (например, репитеры) для усиления сигналов;

• сложная локализация неисправностей;

• с добавлением новых рабочих станций падает производительность сети.

Топология «кольцо»

При кольцевой топологии (рис. 6.3) данные передаются от одного компьютера другому по эстафете. Если некоторый компьютер получает данные, предназначенные не ему, он передает их дальше по кольцу. Адресат предназначенные ему данные никуда не передает.

Достоинства:

• простота установки;

• практически полное отсутствие дополнительного оборудования;

• возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети.

Рис. 6.3. Топология «кольцо»

Недостатки:

• подключение нового узла требует остановки работы сети;

• время передачи сообщения может быть достаточно большим из- за необходимости передавать его «по кругу»;

• выход из строя одной рабочей станции и другие неполадки (обрыв кабеля) отражаются на работоспособности всей сети;

• сложность конфигурирования и настройки;

• сложность поиска неисправностей.

Топология реальной ЛВС может в точности повторять одну из при­веденных выше или включать их комбинацию. Структура сети в общем случае определяется следующими факторами: количеством объединяе­мых компьютеров, требованиями по надежности и оперативности пере­дачи информации, экономическими соображениями и т. д.

1.3. Методы доступа в ЛВС

Наиболее распространенными методами доступа в ЛВС явля­ются: Ethernet, Arcnet и Token Ring.

Метод доступа Ethernet

Разработан фирмой Xerox. Обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Поддерживает топологию с общей шиной. Принадлежность передаваемого сообщения определяется включенными в заголовок адресами источника и назначения.

Суть метода состоит в том, что рабочая станция начинает передачу в том случае, если канал свободен, в противном случае передача сообщений задерживается на некоторое время. Возможные случаи одновременной передачи данных распознаются автоматически аппаратным способом. Быстродействие сети заметно снижается при одновременной работе 80-100 PC. Это происходит из-за задержек, связанных с конфликтами в канале.

Метод доступа Arcnet

Метод разработан фирмой Datapoint Corp, используется в топологии «звезда».

Сообщения от одной PC к другой по этому методу доступа пере­даются с помощью маркера (сообщения специального вида), который создается на одной из PC. Если PC передает сообщение, то она дожидается прихода маркера и присоединяет к нему свое сообщение, снабженное адресами отправителя и получателя. Если PC ожидает приема, то она ждет прихода маркера, а по его приходе - анализирует заголовок прикрепленного к нему сообщения. Если сообщение предназначено данной PC, то она открепляет его от маркера, а также прикрепляет новое, при наличии такового.

Оборудование для сетей типа Arcnet дешевле Ethernet и Token Ring, но уступает им по характеристикам надежности и производительности.

Метод доступа Token Ring

Метод разработан фирмой IBM для кольцевой топологии.

Этот метод имеет сходство с методом Arcnet. Основное его отличие состоит в том, что имеется механизм приоритета, благодаря которому отдельные PC могут получать маркер быстрее других и удерживать его дольше.

1.4. Техническое обеспечение компьютерных сетей

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

• рабочие станции,

• серверы сети,

• коммуникационные узлы.

Рабочая станция - это персональный компьютер, подключенный к сети, на котором пользователь выполняет свою работу. Каждая PC обрабатывает свои локальные файлы и использует свою операционную систему. При этом пользователю доступны ресурсы сети. Можно выделить три типа рабочих станций:

• с локальным диском - операционная система загружается с этого локального диска;

• бездисковая - операционная система загружается с диска файлового сервера;

• удаленная - 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 определенные услуги. По выполняемым функциям (услугам) можно выделить следующие виды серверов:

• файловый сервер - хранит данные пользователей сети и обеспечивает доступ пользователей к этим данным. Как правило, он имеет большой объем дискового пространства и обеспечивает одновременный доступ пользователей к общим данным. Файловый сервер выполняет следующие функции:

• хранение данных,

• архивирование данных,

• согласование изменений данных, выполняемых разными пользователями,

• передачу данных;

• сервер баз данных - выполняет функции хранения, обработки и управления файлами баз данных (БД):

• хранение БД, поддержка их целостности и полноты,

• прием и обработка запросов к БД, пересылка результатов обработки на рабочую станцию,

• согласование изменений данных, выполняемых разными пользователями,

• обеспечение авторизированного доступа к БД, поддержка системы ведения и учета пользователей, разграничение дос­тупа пользователей;

• сервер прикладных программ - используется для выполнения прикладных программ пользователей;

• коммуникационный сервер — предоставляет пользователям ло­кальной сети доступ к своим портам ввода (вывода). С помощью такого сервера можно создать разделяемый модем, подключив его к одному из портов сервера. Пользователь, подключившись к коммуникационному серверу, может работать с таким модемом так же, как если бы модем был подключен непосредственно к PC;

• 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.

Протяженность сети, расстояние между станциями, в первую очередь, определяются физическими характеристиками передающей среды (коаксиального кабеля, витой пары и т. д.). 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 и коммутаторы. Часть сети, в которую не входит устройство расширения, принято называть сегментом сети.

К коммуникационным узлам сети относятся следующие устройства:

• повторитель - устройство, усиливающее пришедший на него сигнал. Повторитель, приняв пакет данных из одного сегмента, передает его остальным. При этом в каждый момент времени поддерживается обмен данными только между двумя станциями;

• коммутатор (мост) - устройство, которое, как и повторитель, позволяет объединить несколько сегментов. В отличие от повторителя, одновременно поддерживает несколько процессов обмена данными для каждой пары станций разных сегментов;

• маршрутизатор - устройство, соединяющее сети одного или разных типов по одному протоколу обмена данными. Маршрутизатор анализирует адрес назначения и направляет данные по оптимально выбранному маршруту;

• шлюз - устройство, позволяющее организовать обмен данными между сетевыми объектами, использующими разные протоколы обмена данными.

1.5.Программное обеспечение сетей

Для управления работой сети предназначена сетевая операционная система (ОС). В общем случае сетевая ОС, установленная на отдельном компьютере, должна:

• иметь средства управления локальными ресурсами компьютера и выполнять функции локальных ОС,

• предоставлять собственные ресурсы и определенные услуги в общее пользование, то есть иметь серверную часть,

• обеспечивать доступ к удаленным ресурсам, то есть иметь клиентскую часть.

Обычно сетевая ОС устанавливается на сервере. Рабочая станция может при этом работать либо под управлением обычной ОС, либо использовать клиентскую часть сетевой ОС (программу - клиент). Клиентская часть осуществляет прием ответов от серверов. Примерами сетевых ОС являются: Windows NT (две части - Server и Workstation), NovellNetWare.

Сетевые приложения расширяют возможности сетевых ОС и предназначены для организации коллективной работы, поддержке сетевых распределенных баз данных, реализации сервисов глобальной сети, обеспечения безопасности работы в сети и т. д.

Примеры сетевых приложений: MS Outlook, MS NetMeeting, Internet Explorer и т. д.

1.6.Принципы управления в локальных сетях

В зависимости от распределения функций между компьютерами в сети можно выделить одноранговые сетевые ОС и сетевые ОС с выделенным сервером.

Одноранговые сетевые ОС используются для построения одноранговых сетей, где каждый компьютер может выполнять функции, как клиента, так и сервера. Ресурсы одной PC (диски, принтеры и другие устройства) оказываются доступными другим PC.

Достоинства:

• просты в инсталляции и эксплуатации;

• сетевое программное обеспечение в них является более простым по сравнению с централизованными сетями;

• не требуется установка сервера (как компьютера, так и соответ­ствующих программ), что существенно удешевляет систему.

Недостатки:

• обладают низкой производительностью;

• слабые с точки зрения защиты информации и администрирования.

При построении сложных сетей функции управления обменом данными возложены на файл-серверы. Такие сети называют сетями с выделенным сервером, а устанавливаемые на них операционные системы - ОС с выделенным сервером (с централизованным управлением). Файлы, хранящиеся на сервере, доступны PC сети. Одна PC к файлам другой PC доступа обычно не имеет.

Достоинства:

• высокая производительность сети;

• наличие развитых аппаратных и программных средств связи удаленных сегментов сети и рабочих станций;

• распределенный режим работы «клиент-сервер»;

• высокая защищенность сетевых ресурсов от несанкционированного доступа;

• удобство администрирования сети;

• возможность создания сетей с большим числом узлов.

Недостатки:

• уязвимость системы при нарушении работоспособности файл- сервера (это преодолевается при наличии нескольких серверов или принятия некоторых других мер);

• предъявление довольно высоких требований к ресурсам сер­веров;

• сложны в инсталляции и эксплуатации;

• ограниченные возможности доступа к ресурсам клиентских машин.

1.7. Модели взаимодействия

В сетях с выделенным сервером реализована архитектура "клиент-сервер". Это означает не только то, что одни компьютеры в сети являются клиентами, а другие предоставляют ресурсы, т. е. являются серверами, это понятие означает большее, а именно: максимально возможный объем обработки данных выполняет именно сервер, а клиенту передаются лишь результаты этой обработки.

Чтобы понять суть этой архитектуры, нужно вспомнить историю ее появления и развития. Ранее в локальных сетях использовалась модель «файл-сервер». В этой модели сервер хранил данные в виде файлов, а каждая рабочая станция обращалась к серверу, захватывала нужный ей файл и выполняла его обработку, например, по­иск нужных записей (рис. 6.4).

обработка

Рис. 6.4. Модель «файл-сервер»

В результате возрастала нагрузка на сеть, поскольку передавался целый файл. Кроме того, пока рабочая станция обрабатывала файл, она запрещала доступ к нему других PC, что приводило к простоям в работе. Поэтому сеть становилась непроизводительной, ненадежной.

В модели «клиент-сервер» (рис. 6.5) на сервере размещается специальное ПО, которое отвечает за целостность и безопасность данных и производит их обработку по запросам клиентов. На рабочих станциях стоит другое ПО, задача которого - сформулировать запрос к серверу и обработать полученный ответ.

Рис. 6.5. Модель «клиент-сервер»

В результате возрастает производительность и надежность сети, легко расширять и дополнять систему при сохранении прежних финансовых вложений.

Первоначально архитектура «клиент-сервер» применялась в основном в информационных системах, основой которых является БД. Однако сегодня ее принципы используются и в других областях. Программное обеспечение для работы в сети разрабатывается в виде клиентских и серверных приложений. При этом функцией программы-клиента является формулировка запроса к серверу на обслуживание, а функцией программы-сервера - удовлетворение этого запроса и минимизация передаваемой по сети информации.