Тема4. Сетевые информационные технологии

4.1. Компьютерные сети

4.1.1. Понятие компьютерных сетей

Компьютерной сетью называется совокупность компьютеров, объединенных средствами передачи данных и сетевым программным обеспечением.

Назначение компьютерной сети заключается в следующем:

 Совместное использование аппаратных и программных ресурсов (жесткого диска, принтера, прикладных программ и т. д.) удешевляет стоимость обработки информации. В целом стоимость обработки данных в компьютерных сетях не менее чем в полтора раза ниже, чем на автономном компьютере.

 Обеспечение совместного доступа к данным. Большинство информационных систем базируется на использовании единой базы данных различными пользователями.

 Предоставление коммуникационных услуг (электронная почта, сетевые конференции и т. д.).

В компьютерных сетях используется сетевое программное обеспечение: сетевые операционные системы и сетевые приложения.

Передача информации между территориально удаленными компьютерами осуществляется с помощью различных средств передачи данных: телефонных и телеграфных каналов, витых пар проводов, коаксиальных и оптоволоконных кабелей спутниковой и радиосвязи. От вида используемых средств передачи данных зависит скорость передачи данных. Скорость передачи данных – количество бит информации, передаваемой в единицу времени. Она измеряется в битах в секунду.

Традиционно компьютерные сети разделяют на локальные и глобальные. Локальная (локально-вычислительная) сеть объединяет компьютеры одной организации, расположенные в пределах одного или нескольких соседних зданий. Глобальная сеть – это сеть компьютеров, распределенных по всему миру и постоянно связанных каналами с очень высокой пропускной способностью. Такая сеть доступна на коммерческой основе всем желающим, например, Интернет и другие сети – Microsoft on Line, America on Line и др.

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

4.1.2. Аппаратные компоненты сети

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 рабочая станция обрабатывает свои локальные файлы и использует свою операционную систему. При этом пользователю доступны ресурсы сети. Можно выделить три типа рабочих станций:

 рабочая станция с локальным диском – операционная система, загружающаяся с локального диска;

 бездисковая рабочая станция – операционная система, загружающаяся 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 определенные услуги. По выполняемым функциям (услугам) можно выделить следующие группы серверов:

 файловый сервер хранит данные пользователей сети и обеспечивает доступ пользователей к этим данным;

 сервер баз данных выполняет функции хранения, обработки и управления файлами баз данных;

 сервер прикладных программ применяется для выполнения прикладных программ пользователей;

 коммуникационный сервер предоставляет пользователям локальной сети доступ к своим портам ввода (вывода);

 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:

 повторитель – устройство, усиливающее пришедший на него сигнал; он, приняв пакет данных из одного сегмента, передает его во все остальные, 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; он анализирует адрес назначения и направляет данные по оптимально выбранному маршруту;

 шлюз – устройство, позволяющее организовать обмен данными между разными сетевыми объектами, использующими разные протоколы обмена данными.

Протокол – набор правил коммуникации в сети. Он описывает формат, методы синхронизации и последовательность передачи данных по сети, а также методы проверки на наличие ошибок.

4.1.3. Программное обеспечение сетей

Сетевая операционная система предназначена для управления работой сети. В общем случае сетевая операционная система должна выполнять следующие функции:

 иметь средства управления локальными ресурсами компьютера и выполнять функции локальных операционных систем;

 предоставлять собственные ресурсы и определенные услуги в общее пользование, т. е. иметь серверную часть;

 обеспечивать доступ к удаленным ресурсам, т. е. иметь клиентскую часть.

Обычно сетевая операционная система устанавливается на сервере. Рабочая станция может при этом работать либо под управлением обычной операционной системы, либо использовать клиентскую часть сетевой операционной системы – программу Клиент. Клиентская часть осуществляет прием ответов от серверов. Примерами сетевых операционных систем являются Windows NT (две части – Server и WorkStation), NovellNetWare.

Сетевые приложения расширяют возможности сетевых операционных систем и предназначены для организации коллективной работы, поддержки сетевых распределенных баз данных, реализации сервисов глобальной сети, обеспечения безопасности работы в сети и т. д. К ним можно отнести MS Outlook, Outlook Express, MS NetMeeting, Internet Explorer и т. д.

4.1.4. Эталонная модель OSI

Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI) была принята в 1979 г. международной организацией по стандартизации в качестве стандарта организации сетевого взаимодействия. Она иногда называется также семиуровневой моделью.

Эталонная модель OSI определяет следующие семь функциональных уровней:

 прикладной, или уровень приложений;

 представительный;

 сеансовый;

 транспортный;

 сетевой;

 канальный;

 физический.

Семь уровней взаимодействуют на строго иерархической основе, т. е. каждый уровень обслуживает уровень, расположенный выше, и, в свою очередь, пользуется услугами нижнего уровня. Правила взаимодействия двух уровней называются интерфейсом.

Процесс взаимодействия двух компьютеров можно представить как набор взаимодействий одинаковых уровней. Протоколы каждого уровня стандартизованы. Поэтому два устройства, имеющие различия в конструкции, производительности и месте изготовления, могут взаимодействовать, если на них реализован стандартный протокол.

Цели применения эталонной модели:

 Сложная система управления сетью разбивается на несколько простых подсистем.

 Аппаратные и программные средства каждого уровня практически не зависят друг от друга. Поэтому при создании сети их разработкой или приобретением можно заниматься параллельно. Также можно безболезненно заменить программное или аппаратное обеспечение одного уровня другим, более новым. При этом остальные уровни изменять не нужно.

 Жесткая стандартизация протоколов каждого уровня дает возможность объединять в составе сети компьютеры различных платформ, фирм-изготовителей, управляемые различными операционными системами, использовать различные методы доступа к сети и т. д.

Рассмотрим работу каждого уровня.

Физический уровень осуществляет сопряжение с передающей средой. Функции физического уровня на персональном компьютере выполняются аппаратными средствами.

Канальный уровень управляет каналом передачи данных, т. е. определяет момент начала передачи данных (свободен ли канал), обнаруживает и исправляет ошибки.

Протоколы канального уровня реализуются аппаратными и программными средствами.

Сетевой уровень решает вопросы объединения сетей с различными топологиями и разными принципами передачи данных между конечными узлами.

На транспортном уровне решаются вопросы обеспечения надежности передачи данных, обнаружения и исправления ошибок (искажение, потеря и дублирование пакетов); происходит разбиение сообщения на пакеты фиксированной длины, а в пункте назначения – сбор пакетов в сообщение. Протоколы транспортного уровня и выше реализуются программными средствами.

Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом между конечными узлами. На этом уровне создаются логические каналы или сеансы связи, а процесс передачи включает контрольные точки. В случае сбоя возможен откат не в начало диалога, а в контрольную точку.

Представительский уровень обеспечивает преобразование формы представления данных, полученных от прикладного уровня, в форму, необходимую для восприятия прикладным уровнем другой системы. Этот уровень описывает форматы и кодировку данных, обеспечивает сжатие и секретность информации.

Прикладной уровень обеспечивает доступ пользователей к разделяемым ресурсам сети (файлам, принтерам, факсам и т. п.). К этому уровню относятся протоколы электронной почты, передачи web-страниц и др.

4.1.5. Линии связи

Протяженность сети, расстояние между станциями, в первую очередь определяются физическими характеристиками передающей среды (каналов связи), в качестве которой могут быть использованы коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель, телефонная линия.

Коаксиальный кабель (рис. 14) имеет внутренний медный проводник и внешнюю экранирующую поверхность (оплетку), исключающую помехи. Весь кабель помещается во внешнюю пластиковую оболочку.

Рис. 14. Структура коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель помехоустойчив, но скорость передачи данных по нему невелика.

Кабель витой пары (рисунки 15 и 16) состоит из двух проводников, заключенных в оболочку. Для уменьшения влияния помех проводники скручиваются с определенным шагом. Существуют экранированная и неэкранированная витые пары.

Рис. 15. Неэкранированная витая пара

Рис. 16. Экранированная витая пара

Кабель витой пары очень чувствителен к электромагнитным помехам, обладает низкой скоростью передачи данных, его преимуществом является дешевизна.

Волоконно-оптический кабель (рис. 17) в качестве передающей среды использует световод – сверхпрозрачное стекловолокно. Световод окружен слоем отражателя, который направляет световые импульсы вдоль кабеля.

Рис. 17. Волоконно-оптический кабель

Такой кабель не подвержен электромагнитным помехам, имеет высокую скорость передачи. Однако существует проблема монтажа этого кабеля, а также поиска неисправностей в нем.

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.

4.1.6. Топология локальных сетей

Топология сети – это геометрическая схема соединения узлов сети. Базовыми сетевыми топологиями являются топология «шина», «кольцо», «звезда».

Комбинация этих базовых топологий называется гибридной топологией. Выбор топологии сети – важная задача, поскольку в дальнейшем при эксплуатации сети изменить топологию очень сложно. При выборе топологии нужно учитывать следующие основные факторы:

 количество компьютеров, которые необходимо объединить в сеть (с учетом тех, которые понадобится подключить в дальнейшем);

 расстояние между компьютерами (протяженность сети).

При топологии типа «шина» (рис. 18) канал связи, соединяющий узлы сети, образует одну линию (в общем случае ломаную) и называется «шиной». Каждый компьютер подключается к «шине» с помощью Т-образного соединения. Все компьютеры передают данные на «шину». И все прослушивают «шину», определяя, кому адресована информация. Компьютер принимает данные, адресованные ему, и игнорирует чужие. На обоих концах «шины» располагаются терминаторы (заглушки), которые поглощают сигналы и предотвращают образование отраженной волны.

Т-образное соединение

Терминатор

Рис. 18. Топология типа «шина»

Достоинства топологии типа «шина» следующие:

 небольшая протяженность кабеля;

 выход из строя отдельной станции не нарушает работоспособности сети в целом.

К недостаткам данной топологии можно отнести следующее:

 при разрыве в любой точке «шины» нарушается целостность сети и появляются отраженные волны, при этом ни один из участков сети не может продолжать работу;

 при необходимости подключить новый персональный компьютер нужно остановить работу сети;

 при больших расстояниях сигналы в «шине» затухают, и нужно использовать специальное оборудование (репитеры) для усиления сигналов.

В топологии типа «кольцо» (рис. 19) данные передаются от узла к узлу сети по кольцу в одном направлении. Каждый узел принимает данные, анализирует адрес получателя и, если сообщение адресовано не ему, передает его дальше.

Рис. 19. Топология типа «кольцо»

Достоинством топологии типа «кольцо» является то, что сигнал постоянно обновляется в каждом узле, поэтому нет проблемы затухания, и сеть может иметь большие размеры.

Недостатки данной топологии следующие:

 при разрыве кольца в любом месте прекращается работа всей сети;

 подключение нового узла требует остановки работы сети;

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

 велика вероятность появления искажений.

В топологии типа «звезда» (рис. 20) все компьютеры, входящие в сеть, соединяются с концентратором, или хабом (hub). Сообщения от одного узла сети к одному узлу передаются через хаб.

Рис. 20. Топология типа «звезда»

Достоинства топологии типа «звезда» следующие:

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

 подключать новых абонентов можно, не останавливая работу сети;

 возможен контроль за состоянием сети и всех ее узлов, если использовать специальный хаб в паре с компьютером.

Недостатки данной топологии следующие:

 при выходе из строя хаба вся сеть перестает работать;

 высоки затраты на организацию каналов связи, так как необходимо большое количество проводов;

 число входов хаба ограничено, что и определяет количество компьютеров, которые могут быть подключены к сети.

4.1.7. Принципы управления в локальных сетях

В зависимости от распределения функций между компьютерами в сети можно выделить одноранговые сетевые операционные системы и сетевые операционные системы с выделенным сервером (централизованные).

Одноранговые сетевые операционные системы используются для построения одноранговых сетей, где каждый компьютер может выполнять функции как клиента, так и сервера. Ресурсы одной рабочей станции (диски, принтеры и другие устройства) оказываются доступными другим рабочим станциям.

Достоинства одноранговых сетевых операционных систем следующие:

 простота в инсталляции и эксплуатации;

 сетевое программное обеспечение в них более простое по сравнению с централизованными сетями;

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

К недостаткам систем можно отнести следующее:

 обладают низкой производительностью;

 слабы 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 – операционными системами с выделенным сервером (с централизованным управлением). Файлы, хранящиеся на сервере, доступны рабочим станциям сети. Одна рабочая станция к файлам другой рабочей станции доступа обычно не имеет.

Достоинства такой сети следующие:

 высокая производительность сети;

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

 обеспечивают распределенный режим работы «клиент-сервер»;

 высокая защищенность сетевых ресурсов от несанкционированного доступа;

 удобство администрирования сети;

 возможность создания сетей с большим числом узлов.

К недостаткам можно отнести следующее:

 уязвимость системы при нарушении работоспособности файл-сервера, что преодолевается при наличии нескольких серверов или принятии некоторых других мер;

 предъявление довольно высоких требований к ресурсам серверов;

 сложность в инсталляции и эксплуатации;

 ограниченные возможности доступа к ресурсам клиентских машин.

4.1.8. Модели взаимодействия

Понятие архитектуры «клиент-сервер» означает не только то, что одни компьютеры в сети являются клиентами, а другие предоставляют ресурсы, т. е. являются серверами. Это понятие означает больше: 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» (рис. 21). В этой модели сервер хранил данные в виде файлов, а каждая рабочая станция, обращаясь к серверу, захватывала нужный ей файл и выполняла его обработку, например, поиск нужных записей.

В результате возрастала нагрузка на сеть, поскольку по сети передавался целый файл.

Рис. 21. Модель взаимодействия «файл-сервер»

Пока рабочая станция обрабатывала файл, она запрещала доступ к нему другим рабочим станциям, что приводило к простоям в работе. По этой причине сеть становилась непроизводительной, ненадежной.

В модели «клиент-сервер» (рис. 22) на сервере размещается программное обеспечение сервера, которое отвечает за целостность и безопасность данных, производит обработку данных по запросам клиентов.

На рабочих станциях стоит программное обеспечение, задача которого – сформулировать запрос к серверу и оформить полученный от сервера результат.

Рис. 22. Модель взаимодействия «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 база данных. Однако сегодня ее идеологические 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 является удовлетворение этого запроса и минимизация передаваемой по сети информации.