6.3. Протоколы компьютерной сети

Протокол – набор правил, определяющий взаимодействие различных абонентских ЭВМ. Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы программно – обычно в драйверах.

К одним из основных протоколов, без которых ЭВМ не может работать в сети, относятся протоколы канального уровня. Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, в которые упаковываются информационные пакеты (группы передаваемых байтов), обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных. Протоколы канального уровня разделяются на две основные группы: байт-ориентированные и бит-ориентированные.

Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов в канал передаются управляющие и служебные байты. Такой тип протокола удобен для ЭВМ, поскольку она ориентирована на обработку данных, представленных в виде байтов. Однако он менее удобен для коммуникационной среды, так как разделение информационного потока на байты требует использования дополнительных сигналов, что, в конечном счете, снижает пропускную способность канала связи.

Бит-ориентированный протокол предусматривает передачу информации в виде потока битов, не разделяемых на байты. Для разделения кадров используются специальные последовательности – флаги. В начале кадра ставится флаг открывающий, а в конце – флаг закрывающий. Такой тип протокола удобен для коммуникационной среды, поскольку она как раз и ориентирован на передачу последовательности битов. Для ЭВМ он не очень удобен, поскольку из поступающей последовательности битов приходится выделять байты для последующей обработки сообщения.

Потенциально бит-ориентированные протоколы являются более скоростными, что обусловливает их широкое распространение в современных вычислительных сетях.

6.4. Локальные вычислительные сети

6.4.1. Особенности организации локальных вычислительных сетей.

Локальную вычислительную сеть (ЛВС) можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций.

Сервер – компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей определёнными услугами. Сервер – источник ресурсов сети. Он осуществляет хранения данных, управление базами данных, удалённую обработку заданий, печать заданий и ряд других функций, потребность в которых может возникнуть у пользователей.

Рабочая станция – персональный компьютер, подключённый к сети, через который пользователь получает доступ к её ресурсам. Рабочая станция функционирует как в сетевом, так и в локальном режиме. Она оснащена собственной операционной системой и обеспечивает пользователя всеми необходимыми инструментами для решения прикладных задач.

Обработка данных в вычислительной сети распределена между двумя объектами: клиентом и сервером. Клиент – задача, рабочая станция или пользователь вычислительной сети. Сервер выполняет запрос, поступивший от клиента, и передает клиенту результаты выполнения запроса. Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя. В принципе обработка данных может быть выполнена и на сервере. Для подобных систем приняты термины – системы клиент-сервер или архитектура клиент-сервер.

ЛВС бывают одноранговыми и с выделенным сервером. В одноранговой сети каждая рабочая станция может выполнять функции, как клиента, так и сервера. Для такой сети характерна низкая стоимость и высокая надежность. К недостаткам относятся:

• зависимость эффективности работы сети от количества станций;

• сложность управления сетью и обеспечения защиты информации;

• трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

В сети с выделенным сервером все рабочие станции взаимодействуют друг с другом через центральный (сетевой) сервер. Достоинства такой сети:

• надежная система защиты информации и высокое быстродействие;

• отсутствие ограничений на число рабочих станций и простота управления.

К недостаткам относятся высокая стоимость и меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью.

6.4.2. Типовые топологии ЛВС.

Топология ЛВС – это геометрическая схема соединений узлов сети. Узел – любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети. Для ЛВС типичными являются три топологии: кольцевая, шинная и звездообразная.

Вкольцевой топологии (рис. 6.1) узлы сети соединяются замкнутой кривой – кабелем передающей среды. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует переданное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения. Для доступа к передающей среде используется метод передачи права. Он основан на передаче по сети специального сообщения – маркера. Маркер – служебное сообщение определенного формата, в которое абоненты сети могут помещать свои информационные пакеты. Маркер циркулирует по кольцу и любой узел, имеющий данные для передачи, помещает их в свободный марке, устанавливает признак занятости маркера и передает его по кольцу. Узел, которому было адресовано сообщение, принимает его, устанавливает признак подтверждения приема информации и отправляет маркер в кольцо. Передающий узел, получив подтверждение, освобождает марке и отправляет его в сеть.

Кольцевая топология используется в сетях, занимающих сравнительно небольшое пространство при любых типах кабелей. Отличается низкой стоимостью, невысоким быстродействием и низкой надежностью.

Шиннаятопология (рис. 6.2) использует в качестве передающей среды любой кабель, по которому данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений. Сообщение принимает только тот узел, которому оно адресовано. В этой топологии наиболее распространен множественный метод доступа к передающей среде с контролем несущей частоты и обнаружением конфликтов. Узел, желающий передать сообщение, «прослушивает» передающую среду, ожидая ее освобождения. Если среда свободна, узел начинает передачу.

ЛВС с шинной топологией обладает высоким быстродействием, простотой наращивания и конфигурирования, легко адаптируется к различным системам. По этим причинам сети шинной топологии наиболее распространены в настоящее время. Однако они имеют малую протяженность и не позволяют использовать различные типы кабеля в пределах одной сети.

Взвездообразной топологии (рис. 6.3) вся информация передается через центральный узел, который транслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. Для доступа к передающей среде используется метод опроса. Клиент формирует запрос на сервер для выполнения сложных процедур, чтение файла, поиск информации в базе данных и т.д. Сервер выполняет запрос, поступивший от клиента, и передает результаты клиенту.

Такая топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспособность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла.

Выбор той или иной топологии определяется областью применения ЛВС, географическим расположением ее узлов и размерностью сети в целом. В реальных вычислительных сетях могут использоваться более сложные топологии, представляющие сочетания типовых.

6.4.3. Объединение ЛВС.

Потребность в объединении ЛВС может возникать по ряду причин.

1. Расширение функциональных возможностей ранее созданной ЛВС.

2. Подключение ЛВС к сетям более высокого уровня с целью выхода на определенные информационные ресурсы.

3. Расширение сети в целом при отсутствии других технических возможностей.

Существует несколько способов объединения сетей.

Мост – устройство, соединяющее две сети с одинаковыми методами передачи данных. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных операционных систем.

Маршрутизатор (роутер) – устройство, соединяющее сети разного типа, но использующее одну операционную систему. Задача маршрутизатора – отправить сообщение адресату в нужную сеть, и поскольку решается она на сетевом уровне, маршрутизатор зависит от протоколов обмена данными, но не зависит от типа сети. Выбор определенной станции сети производится маршрутизатором с помощью адреса сети и адреса узла. Маршрутизатор также выбирает наилучший путь для передачи сообщения абоненту сети, фильтрует проходящую через него информацию, направляя в одну из сетей только ту информацию, которая ей адресована. Кроме того, маршрутизатор обеспечивает балансировку нагрузки в сети, перенаправляя потоки сообщений по свободным каналам связи.

Шлюз – устройство, позволяющее организовать обмен данными между двумя сетями, использующими различные протоколы взаимодействия. Шлюз объединяет ЛВС различных типов, не зависит от используемой физической среды, но зависит от используемых протоколов обмена данными. С помощью шлюзов можно подключить ЛВС к главному компьютеру, а также к глобальной сети.

Мосты, маршрутизаторы и шлюзы конструктивно выполняются в виде плат, которые устанавливаются в компьютерах. Свои функции они могут выполнять как в режиме полного выделения функций, так и в режиме совмещения их с функциями рабочей станции вычислительной сети.