6 Топология локальных судовых компьютерных сетей

Локальная сеть представляет собой систему распределенной обработки информации, состоящую как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью специальных средств связи. Компьютеры, входящие в состав сети, выполняют достаточно широкий круг функций, основными из которых являются:

- организация доступа к сети;

- управление передачей информации;

- предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети.

В свою очередь, средства связи призваны обеспечить надежную передачу информации между компьютерами сети.

К онечно, компьютерная сеть может состоять и из двух компьютеров, но, как правило, их число в сети существенно больше. При этом компьютерная сеть не является простым объединением компьютеров, а представляет собой достаточно сложную систему. Любая компьютерная сеть характеризуется (рис. 6.1) топологией, протоколами, интерфейсами, сетевыми техническими и программными средствами.

Топология компьютерной сети отражает структуру связей между ее основными функциональными элементами. В зависимости от рассматриваемых компонентов, принято различать физическую и логическую структуры локальных сетей. Физическая структура определяет топологию физических соединений между компьютерами. Логическая структура определяет логическую организацию взаимодействия компьютеров между собой. Дополняя друг друга, физическая и логическая структуры дают более полное представление о компьютерной сети.

Под сетевыми техническими средствами подразумеваются различные физические устройства, обеспечивающие объединение компьютеров в единую компьютерную сеть.

Протоколы представляют собой правила взаимодействия функциональных элементов сети.

Интерфейсы — средства сопряжения функциональных элементов сети. Следует обратить внимание, что в качестве функциональных элементов могут выступать как отдельные устройства, так и программные модули. Соответственно этому, существуют аппаратные и программные интерфейсы.

Сетевые программные средства осуществляют управление работой компьютерной сети и обеспечивают соответствующий интерфейс с пользователями. К сетевым программным средствам относятся сетевые операционные системы и вспомогательные (сервисные) программы.

Каждая из составляющих локальной сети характеризует ее отдельные свойства, и только их совокупность определяет всю сеть в целом. Таким образом, выбор локальной сети заключается в выборе ее топологии, протоколов, аппаратных средств и сетевого программного обеспечения. Каждый из этих компонентов является относительно независимым. Например, сети с одинаковой топологией могут использовать различные методы доступа, протоколы и сетевое программное обеспечение. В свою очередь, в разных сетях могут использоваться одинаковые протоколы и (или) сетевое программное обеспечение. Это, с одной стороны, расширяет возможность выбора наиболее оптимальной структуры сети, а с другой — усложняет этот процесс.

Базовые сетевые топологии.

При создании сети, в которой используются только сетевые адаптеры без таких средств, как маршрутизаторы, концентраторы и т.п., может быть реализована одна из трех сетевых топологий: звездообразная, шинная или кольцевая. Звездообразная сеть (рис. 6.2) характеризуется наличием центрального узла коммутации — сетевого сервера, к которому (или через который) посылаются все сообщения. В этом случае на сетевой сервер, кроме основных функций, могут быть возложены дополнительные функции по согласованию скоростей работы станций и преобразованию протоколов обмена, это позволяет в рамках одной сети объединять разнотипные рабочие станции.

Наряду с определенными преимуществами, подобные локальные сети имеют и ряд недостатков. В частности, при подключении большого числа рабочих станций поддержание высокой скорости коммутации требует значительных аппаратных затрат. Кроме того, значительная функциональная нагрузка центрального узла определяет его сложность, что, естественно, сказывается на надежности.

В сетях с шинной топологией (рис. 6.3) рабочие станции с помощью сетевых адаптеров подключаются к общей магистрали (шине), Аналогичным образом к общей магистрали подключаются и другие сетевые устройства.).

В процессе работы сети информация от передающей рабочей станции поступает на адаптеры всех рабочих станций, однако воспринимается только адаптером той рабочей станцией, которой она адресована.

Подобная линейная топология характеризуется простотой организации и возможностью подключения новых рабочих станций без использования дополнительного оборудования. Однако наличие общей передающей среды не позволяет абонентским системам одновременно передавать информацию.

Кольцевая сеть (рис. 6.4) характеризуется наличием замкнутого однонаправленного канала передачи данных в виде кольца или петли. В этом случае информация передается последовательно между адаптерами рабочих станций до тех пор, пока не будет принята получателем и затем удалена из сети. Обычно за удаление информации из сети отвечает ее отправитель. Управление работой кольцевой сети может осуществляться централизовано с помощью специальной мониторной станции, либо децентрализовано за счет распределения функций управления между всеми рабочими станциями. Недостатком кольцевой топологии является то, что отказ одного звена кольца может вывести из строя всю локальную сеть. С целью повышения надежности кольцевых структур используют специальные безразрывные коммутаторы, позволяющие автоматически отключать неработающие компьютеры или отдельные сегменты сети.

На (рис. 6.5) представлена наиболее характерная структура кольцевой сети с использованием безразрывного коммутатора, выходные разъемы которого являются нормально замкнутыми, в результате чего образуется внутреннее кольцо передачи информации.

При подсоединении нового сегмента в коммутаторе размыкается соответствующий разъем, подключая рабочую станцию к кольцу. Соответственно, при отключении рабочей станции соответствующий разъем коммутатора замыкается. Это позволяет в любой момент отключить или подключить любую абонентскую систему без нарушения целостности кольца.

Логическая организация сети.

Наряду с физической топологией, локальная сеть характеризуются логической структурой. На уровне логической структуры определяется логический канал передачи информации, порядок доступа рабочих станций к общей передающей среде и характер взаимодействия компьютеров между собой.

Логический канал задает последовательность передачи информации рабочими станциями. При этом логическая организация не всегда совпадает с топологией сети. В рамках локальных сетей различают линейные и кольцевые логические каналы. При линейной логической организации (рис. 6.6) все узлы локальной сети связаны между собой с помощью обшей логической шины. В этом случае информация от узла поступает на общую логическую шину, затем, в зависимости от адреса получателя, поступает на один из узлов локальной сети. Подобная организация соответствует линейной физической структуре, представленной на рис. (6.6). Это наиболее простой вид логической организации, как правило, не требующий специального управления. Подобное сочетание физической и логической структуры используется в широко известных сетях Ethernet.

П ри кольцевой логической организации используется специальная управляющая информация, например, в виде маркера, который последовательно передается между узлами сети. При поступлении маркера узел получает возможность передавать информацию в физическую среду. Кольцевая логическая организация может использоваться не только в кольцевой, но и в линейной физической структуре локальных сетей.

Топология Token Ring.

Эта топология основана на топологии "физическое кольцо с подключением типа звезда". В данной топологии все рабочие станции подключаются к центральному концентратору (Token Ring) как в топологии физическая звезда (рис. 6.7). Центральный концентратор - это интеллектуальное устройство, которое с помощью перемычек обеспечивает последовательное соединение выхода одной станции со входом другой станции. Другими словами с помощью концентратора каждая станция соединяется только с двумя другими станциями (предыдущей и последующей станциями). Таким образом, рабочие станции связаны петлей кабеля, по которой пакеты данных передаются от одной станции к другой и каждая станция ретранслирует эти посланные пакеты. В каждой рабочей станции имеется для этого приемо-передающее устройство, которое позволяет управлять прохождением данных в сети. Физически такая сеть построена по типу топологии “звезда”.

Концентратор создаёт первичное (основное) и резервное кольца. Если в основном кольце произойдёт обрыв, то его можно обойти, воспользовавшись резервным кольцом, так как используется четырёхжильный кабель. Отказ станции или обрыв линии связи рабочей станции не влечет за собой отказ сети как в топологии кольцо, потому что концентратор отключит неисправную станцию и замкнет кольцо передачи данных. 

В архитектуре Token Ring маркер передаётся от узла к узлу по логическому кольцу, созданному центральным концентратором. Такая маркерная передача осуществляется в фиксированном направлении (направление движения маркера и пакетов данных представлено на рисунке стрелками синего цвета). Станция, обладающая маркером, может отправить данные другой станции. Для передачи данных рабочие станции должны сначала дождаться прихода свободного маркера. В маркере содержится адрес станции, пославшей этот маркер, а также адрес той станции, которой он предназначается. После этого отправитель передает маркер следующей в сети станции для того, чтобы и та могла отправить свои данные. Один из узлов сети (обычно для этого используется файл-сервер) создаёт маркер, который отправляется в кольцо сети. Такой узел выступает в качестве активного монитора, который следит за тем, чтобы маркер не был утерян или разрушен. Преимущества сетей топологии Token Ring: топология обеспечивает равный доступ ко всем рабочим станциям; высокая надежность, так как сеть устойчива к неисправностям отдельных станций и к разрывам соединения отдельных станций. 

Недостатки сетей топологии Token Ring: большой расход кабеля и соответственно дорогостоящая разводка линий связи. На (рис. 6.8) представлен вариант реализации кольцевой логической структуры в рамках физической шинной топологии.

Здесь управляющая информация (маркер) передается в соответствии с логическим кольцом, а данные передаются через общую шину непосредственно адресату. Как видно из этого рисунка, последовательность рабочих станций в логическом кольце может не совпадать с их физическими адресами.

В рамках кольцевой физической структуры, как правило, реализуется логическая кольцевая структура. В этом случае логическая и физическая структуры совпадают, т.е. маркер и данные передаются по кольцу в одном направлении.

Технология клиент-сервер

Характер взаимодействия компьютеров в локальной сети принято связывать с их функциональным назначением. Как и в случае прямого соединения, в рамках локальных сетей используется понятие клиент и сервер. Технология клиент-сервер ~ это особый способ взаимодействия компьютеров в локальной сети, при котором один из компьютеров {сервер) предоставляет свои ресурсы другому компьютеру (клиенту). В соответствии с этим различают одноранговые сети и серверные сети.

При одноранговой архитектуре в сети отсутствуют выделенные серверы, каждая рабочая станция может выполнять функции клиента и сервера. В этом случае рабочая станция выделяет часть своих ресурсов в общее пользование всем рабочим станциям сети. Как правило, одноранговые сети создаются на базе одинаковых по мощности компьютеров. Одноранговые сети являются достаточно простыми в наладке и эксплуатации. В том случае, когда сеть состоит из небольшого числа компьютеров и ее основной функцией является обмен информацией между рабочими станциями, одноранговая архитектура является наиболее приемлемым решением. Подобная сеть может быть достаточно быстро и просто реализована средствами такой популярной операционной системы как Windows 95.

Наличие распределенных данных и возможность изменения своих серверных ресурсов каждой рабочей станцией усложняет защиту информации от несанкционированного доступа, что является одним из недостатков одноранговых сетей. Понимая это, разработчики начинают уделять особое внимание вопросам защиты информации в одноранговых сетях.

Другим недостатком одноранговых сетей является их более низкая производительность. Это объясняется тем, что сетевые ресурсы сосредоточены на рабочих станциях, которым приходится одновременно выполнять функции клиентов и серверов- С увеличением мощности компьютеров появляется возможность совершенствования технологии одноранговых сетей в направлении повышения их эффективности, что приводит к расширению области их использования.

В серверных сетях осуществляется четкое разделение функций между компьютерами: одни их них постоянно являются клиентами, а другие — серверами. Учитывая многообразие услуг, предоставляемых компьютерными сетями, существует несколько типов серверов, а именно: сетевой сервер, файловый сервер, сервер печати, почтовый сервер и др. Сетевой сервер представляет собой специализированный компьютер, ориентированный на выполнение основного объема вычислительных работ и функций по управлению компьютерной сетью. Этот сервер содержит ядро сетевой операционной системы, под управлением которой осуществляется работа всей локальной сети. Сетевой сервер обладает достаточно высоким быстродействием и большим объемом памяти. При подобной сетевой организации функции рабочих станций сводятся к вводу-выводу информации и обмену ею с сетевым сервером.

Сети с шинной топологией используют линейный моноканал (коаксиальный кабель) передачи данных, на концах которого устанавливаются оконечные сопротивления (терминаторы). Каждый компьютер подключается к коаксиальному кабелю с помощью Т-разъема (Т - коннектор). Данные от передающего узла сети передаются по шине в обе стороны, отражаясь от оконечных терминаторов. Терминаторы предотвращают отражение сигналов, т.е. используются для гашения сигналов, которые достигают концов канала передачи данных.

Термин файловый сервер относится к компьютеру, основной функцией которого является хранение, управление и передача файлов данных. Он не обрабатывает и не изменяет сохраняемые и передаваемые им файлы. Сервер может "не знать", является ли файл текстовым документом, графическим изображением или электронной таблицей. В общем случае на файловом сервере может даже отсутствовать клавиатура и монитор-Все изменения в файлах данных осуществляются с клиентских рабочих станций. Для этого клиенты считывают файлы данных с файлового сервера, осуществляют необходимые изменения данных и возвращают их обратно на файловый сервер. Подобная организация наиболее эффективна при работе большого количества пользователей с общей базой данных- В рамках больших сетей может одновременно использоваться несколько файловых серверов.

Сервер печати (принт-сервер) представляет собой печатающее устройство, которое с помощью сетевого адаптера подключается к передающей среде. Подобное сетевое печатающее устройство является самостоятельным и работает независимо от других сетевых устройств. Сервер печати обслуживает заявки на печать от всех серверов и рабочих станций. В качестве серверов печати используются специальные высокопроизводительные принтеры.

При высокой интенсивности обмена данными с глобальными сетями в рамках локальных сетей выделяются почтовые серверы, с помощью которых обрабатываются сообщения электронной почты. Для эффективного взаимодействия с сетью Internet могут использоваться Web-серверы.

В локальных сетях, использующих разделяемую среду передачи данных (например, локальные сети с топологией шина и физическая звезда), актуальным является доступ рабочих станций к этой среде, так как если два ПК начинают одновременно передавать данные, то в сети происходит столкновение. Для того чтобы избежать этих столкновений необходим специальный механизм, способный решить эту проблему. Шинный арбитраж - это механизм призванный решить проблему столкновений. Он устанавливает правила, по которым рабочие станции определяют, когда среда свободна, и можно передавать данные. Существуют два метода шинного арбитража в локальных сетях: обнаружение столкновений; передача маркера; обнаружение столкновений.

Когда в локальных сетях работает метод обнаружения столкновений, компьютер сначала слушает, а потом передает. Если компьютер слышит, что передачу ведет кто-то другой, он должен подождать окончания передачи данных и затем предпринять повторную попытку. Прослушивание канала до передачи называется “прослушивание несущей” (carrier sense), а прослушивание во время передачи — обнаружение столкновений (collision detection). Компьютер, поступающий таким образом, использует метод, называющийся “обнаружение столкновений с прослушиванием несущей”, сокращенно CSCD. Системы с передачей маркера работают иначе. Для того чтобы передать данные, компьютер сначала должен получить разрешение. Это значит, он должен “поймать” циркулирующий в сети пакет данных специального вида, называемый маркером. Маркер перемещается по замкнутому кругу, минуя поочередно каждый сетевой компьютер. Каждый раз, когда компьютер должен послать сообщение, он ловит и держит маркер у себя.

Рекомендуемая литература: [2, 5-7, 9-11]

Контрольные вопросы:

1. Дайте характеристику технологии Token Ring?

2. Сущность топологии «кольцо»?

3. Сущность топологии типа «звезда»?

4.Для чего используется в судовых компьютерных сетях шинная топология?

5.Для чего применяется Т – коннектор?