информатика_книги / Информатика. Теория и практика_Острейковский В.А, Полякова И.В_2008 -608с

объединенных в вычислительные сети. В отличие от вычислительных сетей, создаваемых на базе больших ЭВМ и охваты-

вающих значительную территорию, сети на базе ПЭВМ полу- чили название локальных, так как они ориентированы в первую

очередь на объединение вычислительных машин и периферийных устройств, сосредоточенных на небольшом пространстве (например, в пределах одного помещения, здания, группы близлежащих зданий, расположенных на расстоянии нескольких километров друг от друга). Появление локальных вычислительных сетей (ЛВС) позволило значительно повысить эффективность применения ВТ за счет более рационального использования аппаратных, программных и информационных ресурсов вычислительной системы, значительного улучшения эксплуатационных характеристик (в первую очередь повышения надежности) и создания максимальных удобств для работы конечных пользователей.

Сравнительно низкая стоимость, высокая живучесть, простота комплексирования и эксплуатации, оснащенность современными операционными системами различного назначения, высокоскоростными средствами передачи данных, оперативной и внешней памятью большой емкости — все это способствовало быстрому распространению и широкому применению ЛВС для автоматизации управленческой деятельности в учреждениях, на предприятиях, а также для создания на их основе информационных, измерительных и управляющих систем автоматизации технологических и производственных процессов. Одной из главных проблем создания ЛВС является проблема аппаратной совместимости ВТ. В настоящее время вычислительные средства ЛВС в основном объединяются с помощью

высоко- и низкоскоростных каналов передачи данных. Такие вычислительные сети получили название свободносвязанных,

так как протекание вычислительных процессов в них может осуществляться асинхронно.

При незначительной удаленности вычислительного оборудования наиболее эффективным средством связи между отдельными аппаратными компонентами ЛВС является последовательный интерфейс. Его достаточно высокая пропускная способность позволяет иметь единственный канал передачи данных — моноканал; при этом работа всей системы осуществляется в режиме мультиплексирования.

28

Классификация ЛВС. Все множество видов ЛВС можно подразделить на четыре группы.

Êпервой группе относятся ЛВС, ориентированные на массового пользователя. Такие ЛВС объединяют в основном персональные ЭВМ с помощью систем передачи данных, имеющих низкую стоимость и обеспечивающих передачу информации на расстояние 100—#00 м со скоростью 2"00—19 200 бит/c.

Êî второй группе относятся ЛВС, объединяющие, кроме ПЭВМ, микропроцессорную технику, встроенную в технологическое оборудование (средства автоматизации проектирования, обработки документальной информации, кассовые аппараты и т. д.), а также средства электронной почты. Система передачи данных обеспечивает передачу информации на расстояние до 1 км со скоростью от 19 200 бит/c до 1 Мбит/c. Стоимость передачи данных в таких сетях примерно на !0 % превышает стоимость аналогичных работ в сетях первой группы.

Êтретьей группе относятся ЛВС, объединяющие ПЭВМ, мини-ЭВМ и ЭВМ среднего класса. Эти ЛВС используются для организации управления сложными производственными процессами с применением робототехнических комплексов

èгибких автоматизированных модулей, а также для создания крупных систем автоматизированного проектирования, управления научными исследованиями и т. п. Системы передачи данных ЛВС третьей группы имеют среднюю стоимость и обеспечивают передачу информации на расстояние до нескольких километров со скоростью 120 Мбит/c.

ËÂÑ четвертой группы объединяют в своем составе все классы ЭВМ. Они применяются в сложных системах управления крупным производством и даже отдельной отраслью и вклю- чают в себя основные элементы всех трех описанных выше групп ЛВС. В рамках этой группы ЛВС могут применяться различные системы передачи данных, в том числе обеспечивающие передачу информации со скоростью от 10 до #0 Мбит/c на расстояние до 10 км. По своим функциональным возможностям ЛВС четвертой группы мало чем отличаются от региональных вычислительных сетей, обслуживающих крупные города, районы, области. В своем составе они могут содержать разветвленную сеть соединений между различными абонентами — отправителями и получателями информации.

282

По т о п о л о г и ч е с к и м п р и з н а к а м ЛВС подразделяют на сети с общей шиной, кольцевые, иерархические, радиальные и многосвязные.

ÂËÂÑ ñ общей шиной (ðèñ. ".#, ä) одна из машин служит

âкачестве системного обслуживающего устройства, обеспечи- вающего централизованный доступ к общим файлам и базам данных, печатающим устройствам и другим вычислительным ресурсам. ЛВС данного типа приобрели большую популярность благодаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, легкости расширения сети (подключение новых абонентов к сети не сказывается на ее основных характеристиках). К недостаткам шинной топологии следует отнести необходимость использования довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.

Кольцевая топология (ðèñ. ".#, á) характеризуется тем, что информация по кольцу может передаваться только в одном направлении и все подключенные ПЭВМ могут участвовать в ее приеме и передаче. При этом абонент-получатель должен пометить полученную информацию специальным маркером, ина- че могут появиться «заблудившиеся» данные, мешающие нормальной работе сети.

Как последовательная конфигурация кольцо особенно уязвимо в отношении отказов: выход из строя какого-либо сегмента кабеля приводит к прекращению обслуживания всех пользователей. Разработчики ЛВС приложили немало усилий, чтобы справиться с этой проблемой. Защита от повреждений или отказов обеспечивается либо замыканием кольца на обратный (дублирующий) путь, либо переключением на запасное кольцо. И в том и в другом случае сохраняется общая кольцевая топология.

Иерархическая ЛВС (конфигурация типа «дерево») представляет собой более развитый вариант структуры ЛВС, построенной на основе общей шины (рис. ".#, ã). «Дерево» образуется путем соединения нескольких шин с корневой системой, где размещаются самые важные компоненты ЛВС. Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛВС несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории, и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих десятки и даже сотни абонентов.

28!

Радиальную (звездообразную) конфигурацию (рис. ".#, à) можно рассматривать как дальнейшее развитие структуры «дерево

ñкорнем» с ответвлением к каждому подключенному устройству. В центре сети обычно размещается коммутирующее устройство, обеспечивающее жизнеспособность системы. ЛВС подобной конфигурации наиболее часто находят применение в автоматизированных учрежденческих системах управления, использующих центральную базу данных. Звездообразные ЛВС, как правило, менее надежны, чем сети с общей шиной или иерархические, но эта проблема решается дублированием аппаратуры центрального узла. К недостаткам можно отнести и значительное потребление кабеля (иногда в несколько раз превышающее расход в аналогичных по возможностям ЛВС

ñобщей шиной или иерархических).

Наиболее сложной и дорогой является многосвязная топология, в которой каждый узел связан со всеми другими узлами сети (рис. ".#, â). Эта топология в ЛВС применяется очень редко, в основном там, где требуются исключительно высокие надежность сети и скорость передачи данных.

На практике чаще встречаются гибридные ЛВС, приспособленные к требованиям конкретного заказчика и сочетающие фрагменты шинной, звездообразной и других топологий.

Методы доступа в ЛВС. Ïîä методом доступа понимается метод организации хранения и обмена данных в устройствах памяти, файлах, базах данных и сетях. По методам доступа выделяются такие наиболее распространенные сети, как Ethernet, ArcNet и Token Ring.

Метод доступа Ethernet (îò àíãë. ether — ýôèð è net — ñåòü), пользующийся наибольшей популярностью, обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Для Ethernet используется топология «общая шина». Поэтому сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к общей шине. Но поскольку сообщение включает адреса станций отправителя и адресата, то другие станции это сообщение игнорируют. Ethernet — метод множественного доступа. При нем перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, то станция начинает передачу. Скорость передачи данных в Ethernet — до 10 Мбит/с.

28"

Дальнейшее развитие этот метод имеет в виде Fast Ethernet с еще большей скоростью передачи данных.

Метод доступа ArcNet получил распространение и силу дешевизны оборудования. Он используется в ЛВС со звездообразной топологией. Одна из ПЭВМ создает специальный маркер (сообщение специального вида), который последовательно передается от одной ПЭВМ к другой. Если станция передает сообщение другой станции, она должна дождаться маркера и добавить к нему сообщение, дополненное адресами отправителя и назначения. Когда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет отделено от маркера и передано станции.

Метод доступа Token Ring (от англ. token — маркер и ring — кольцо) рассчитан на кольцевую топологию и также использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. Но при этом имеется возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям. Маркер перемещается по кольцу, давая последовательно расположенным на нем компьютерам право на передачу. Если компьютер получает пустой маркер, он может заполнить его сообщение кадром любой длины, однако лишь в течение того промежутка времени, который отводит специальный таймер для нахождения маркера в одной точке сети. Кадр перемещается по сети, и каждая ПЭВМ регенерирует его, но только принимающая ПЭВМ копирует этот кадр в свою память и отмечает его как принятый, однако не выводит сам кадр из кольца. Эту функцию выполняет передающий компьютер, когда его сообщение вновь возвращается к нему. Тем самым обеспечивается подтверждение факта передачи сообщения.

Вернемся к вопросу о способах соединения персональных компьютеров в единый вычислительный комплекс. Самый простой из них — соединить компьютеры через последовательные порты. В этом случае имеется возможность копировать файлы с жесткого диска одного компьютера на другой, если воспользовался программой из операционной оболочки Norton Commander. Для получения прямого доступа к жесткому диску другого компьютера разработаны специальные сетевые платы (адаптеры) и программное обеспечение. В простых локальных сетях функции управления выполняются не на серверной основе, а по принципу соединения рабочих станций друг с другом, поэтому пользователю можно не приобретать специаль-

285

ные файловые серверы и дорогостоящее сетевое ПО. Каждая ПЭВМ такой сети может выполнять функции как рабочей станции, так и сервера.

ÂЛВС с развитой архитектурой функции управления выполняет сетевая операционная система, устанавливаемая на более мощном, чем рабочие станции, компьютере (файловом сервере). Серверные сети подразделяют на сети среднего класса (до 100 рабочих станций) и мощные (корпоративные), объединяющие до 2#0 рабочих станций и более. Основным разработ- чиком сетевых программных продуктов для сервера ЛВС является фирма Novell.

Следует отметить, что наблюдается тенденция ускорения передачи данных до гигабитовых скоростей. К тому же требуется передавать данные типа высококачественного звука, речи

èизображения. Все это ведет к постепенному вытеснению таких «старых» ЛВС, как Token Ring и ArcNet. Операционная система Windows NT фирмы Microsoft вытесняет с рынка ОС Unix.

Âпоследние годы большой популярностью стали пользоваться виртуальные ЛВС VLAN. Они отличаются от обычных ЛВС тем, что не имеют физических ограничений. Виртуальные ЛВС определяют, какие рабочие станции включаются в физи- ческие группы на основе протокольной адресации, что позволяет располагать их в любом месте сети.

Модели взаимодействия в ЛВС. В серверных ЛВС реализо-

ваны две модели взаимодействия пользователей с рабочими станциями — «файл-сервер» и «клиент-сервер».

В модели «файл-сервер» сервер обеспечивает доступ к файлам базы данных для каждой рабочей станции, и на этом его работа заканчивается. Например, если используется база данных типа «файл-сервер» для получения сведений о налогоплательщиках, проживающих на какой-либо конкретной улице Москвы, по сети будет передана вся таблица по территориальному округу, и решать, какие записи в ней удовлетворяют запросу, а какие — нет, приходится самой рабочей станции. Таким образом, работа модели «файл-сервер» приводит к перегрузке сети.

Модель «клиент-сервер» лишена этих недостатков. В этом случае прикладная система делится на две — внешнюю (обращенную к пользователю), называемую клиентом, и внутрен-

286

нюю (обслуживающую), называемую сервером. Сервером является машина, обладающая ресурсами и предоставляющая их, а клиентом — потенциальный потребитель этих ресурсов. Роль ресурсов могут играть файловая система (файловый сервер), процессор (вычислительный сервер), база данных (сервер базы данных), принтер (принтер-сервер) и др. Так как сервер (или серверы) обслуживает одновременно многих клиентов, то на серверном компьютере должна функционировать многозадач- ная операционная система.

В модели «клиент-сервер» сервер играет активную роль, ибо программное обеспечение «заставляет» его «сначала подумать, а потом сделать». Потоки информации, текущие по сети, становятся меньшими, поскольку сервер сначала обрабатывает запросы, а затем посылает клиенту то, в чем он нуждается. Сервер также контролирует допустимость обращения к записям на индивидуальной основе, что обеспечивает боˆльшую безопасность данных.

Если вспомнить сети, созданные на основе больших универсальных ЭВМ, то модель «большая ЭВМ-терминал» и есть модель «клиент-сервер». В модели «клиент-сервер», созданной на основе ПЭВМ, предлагается следующее:

—сеть содержит значительное количество серверов и клиентов;

—основу вычислительной системы составляют рабочие станции, каждая из которых функционирует как клиент и запрашивает информацию, которая находится на сервере;

—пользователь системы освобожден от необходимости знать, где находится требуемая ему информация: он просто запрашивает то, что ему нужно;

—система реализуется в виде открытой архитектуры, объединяющей ЭВМ различных классов и типов с различными системами.

4.7.4. Глобальные компьютерные сети

Сетевые технологии в настоящее время чрезвычайно разнообразны. К классификации вычислительных и информационных сетей, рассмотренной в параграфе 4.7.2, добавим класси-

287

фикацию по такому ключевому признаку, как охват территории. По охвату территории сети подразделяют на локальные, региональные (территориальные), федеральные и глобальные.

Использование персональных компьютеров в составе локальных ВС обеспечивает постоянное и оперативное взаимодействие между отдельными пользователями в пределах коммерче- ской либо научно-производственной структуры. Свое название ЛВС получила за то, что все ее компоненты (ПК, каналы коммуникаций, средства связи) физически размещаются на небольшой территории одной организации или ее отдельных подразделений.

Территориальной (региональной) называют технологию (сеть), компьютеры которой находятся на большом удалении друг от друга: как правило, от десятков до сотен километров. Иногда территориальную сеть называют корпоративной èëè ведомственной. Такая сеть обеспечивает обмен данными между имеющими доступ к ресурсам сети абонентами по телефонным каналам сети общего назначения, каналам сети «Телекс», а также спутниковым каналам связи. Количество абонентов сети не ограничено. Им гарантируются надежный обмен данными в режиме реального времени, передача факсов и телефонная связь по спутниковым каналам. Территориальные сети строятся по идеологии открытых систем. Их абонентами являются отдельные ПК, ЛВС, телексные, факсимильные и телефонные установки, сетевые элементы (узлы сети связи).

Основная задача федеральной сети — создание магистральной сети передачи данных с коммутацией пакетов и предоставление услуг по передаче данных в реальном масштабе времени широкому кругу пользователей, к числу которых относятся и территориальные сети.

Наконец, глобальные сети обеспечивают возможность общения по переписке и телеконференции. Основная задача глобальной сети — обеспечение не только доступа к компьютерным ресурсам, но и возможности взаимодействия между собой различных профессиональных групп, рассредоточенных на большой территории.

В 1997 г. в мире было зарегистрировано более 200 глобальных сетей, #6 из которых созданы в США, 16 — в Японии. Одна из первых глобальных сетей — ARPANet — охватывала всю тер-

288

риторию США, часть Европы и Азии. Сеть ARPANet доказала техническую возможность и экономическую целесообразность разработки крупных сетей для более эффективного использования ЭВМ и программного обеспечения. В Европе сначала были разработаны и внедрены международные сети, затем — национальные. В 1972 г, в Австрии была создана сеть МИПСА, в 1979 г. к ней подсоединились 17 стран Европы, СССР, США, Канада и Япония. Сеть была создана для проведения фундаментальных исследовательских работ по проблемам энергетики, продовольствия, сельского хозяйства, здравоохранения и др. Кроме того, в рамках МИПСА была внедрена технология, позволяющая всем национальным институтам развивать связь друг с другом.

К созданной в 1960-х гг. в Ленинградском отделении Академии наук СССР сети в 198# г. подключилась региональная сеть «Северо-Запад» с академическими центрами Москвы и Риги. В 1980 г. была сдана в эксплуатацию система телеобработки статистической информации (СТОСИ), обслуживающая Главный ВЦ ЦСУ СССР в Москве и республиканские ВЦ в союзных республиках.

В течение последнего десятилетия получают все более широкое развитие глобальные вычислительные и информационные сети — уникальный симбиоз компьютеров и коммуникаций. Идет активное включение государств во всемирные сетевые структуры. Мировой системой компьютерных коммуникаций ежедневно пользуются более 30 млн человек. Возрастает потребность в средствах структурирования, накопления, хранения, поиска и передачи информации. Удовлетворению этих потребностей служат информационные сети и их ресурсы. Совместное использование ресурсов сетей (библиотек программ, баз данных, вычислительных мощностей) обеспечи- вается технологическим комплексом и средствами доступа. Глобальные сети (Wide Area Network, WAN) — это телекоммуникационные структуры, объединяющие локальные информационные сети, имеющие общие протокол связи, методы подключения и протоколы обмена данными. Каждая из глобальных сетей (Internet, Bitnet, DECnet и др.) организовывалась для определенных целей, а в дальнейшем расширялась за счет подключе- ния локальных сетей, использующих ее услуги и ресурсы.

289

Крупнейшей глобальной информационной сетью является Internet. В настоящее время в русскоязычной литературе закрепились наименование Internet и его синоним — Ñåòü, которые пишутся с прописной буквы. Передача данных в этой Сети организована на основе протокола Internet IP (Internet Protocol), представляющего собой описание работы Сети, которое вклю- чает правила налаживания и поддержания связи в Сети, обращения с IP-пакетами и их обработки, описание сетевых пакетов семейства IP. Сеть спроектирована таким образом, что пользователь не имеет никакой информации о конкретной структуре Сети. Чтобы послать сообщение по Сети, компьютер размещает данные в некий «конверт», называемый, например, IР, с указанием конкретного адреса.

Процесс совершенствования Internet идет непрерывно, большинство новаций незаметны для пользователей. Любой желающий может получить доступ к Сети. В России подключение к Internet началось в начале 1990-х гг.

Архитектура сетевых протоколов ТСР/IР (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), на основе которых построен Internet, предназначена специально для объединенной Сети. Сеть может состоять из совершенно разнородных подсетей, соединенных друг с другом шлюзами. В качестве подсетей могут выступать локальные (Token Ring, Ethernet, пакетные радиосети и т. п.), национальные, региональные и специализированные сети, а также другие глобальные сети, например Bitnet или Sprint. К этим сетям могут подключаться машины разных типов. Каждая из подсетей работает в соответствии со своими специфическими требованиями и имеет свою природу связи, сама разрешает свои внутренние проблемы. Однако предполагается, что подсеть может принять пакет информации и доставить его по указанному в этой подсети адресу. Таким образом, две машины, подключенные к одной подсети, могут напрямую обмениваться пакетами, а если возникает необходимость передать сообщение машине другой подсети, то вступают в силу межсетевые соглашения, для чего подсети используют межсетевой язык — протокол IР. Сообщение передается по цепочке шлюзов и подсетей, пока оно не достигнет нужной подсети, где доставляется непосредственно получателю. Аналогом Internet в России является сеть EUnet/Relcom.

290