17. Локальные вычислительные сети(лвс). Топологии лвс, методы доступа, модели взаимодействия (файл-сервер и клиент сервер)
Основное различие между сетями заключается в управлении доступом к информации и в том, как происходит обмен данными. В зависимости от способов управления доступом и обмена данными сети подразделяются по топологии и технологии. Последовательно рассмотрим представление данных в сетях, виды используемых топологий и технологий.
Топология¾это схема соединения каналами связи компьютеров или узлов сети между собой.
Заметим, что конфигурация физических связейопределяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурациилогических связеймежду узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.
Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным управление загрузкой отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи. Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.
Рис. 5.Типовые топологии сетей
Полносвязнаятопология (рис. 5, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко.
Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.
Ячеистаятопология (mesh) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей (рис. 5, б). В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.
Общая шина(рис. 5, в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажного ИЛИ». Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. К сожалению, дефект коаксиального разъема редкостью не является. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.
Топология звезда(рис. 5, г). В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемомуконцентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной - существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.
К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 5,д). В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях.
В сетях с кольцевойконфигурацией (рис. 1.10, е) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи - данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения.
В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией(рис. 1.11).
Рис. 5.Смешанная топология
Метод доступа ¾это технология, определяющая использование канала передачи данных, соединяющего узлы сети на физическом уровне. Самыми распространенными технологиями сегодня являютсяEthernetиToken-Ring(говорящее кольцо).
Стандарт Ethernet был принят в 1980 году. Число сетей, построенных на основе этой технологии, к настоящему моменту оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих в таких сетях, - в 50 миллионов.
Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).
В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина» (рис. 1.13). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами - сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.
Рис. 1.13. Сеть Ethernet
Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.
После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывает» среду. Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.
Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия дополнительного устройства - концентратора.
Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.
И наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов.
Сети Token Ring, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token).
В сети Token Ring кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер. В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце. Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.
Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring
Локальные сети могут интегрироваться в более сложные единые сетевые структуры. При этом, однотипные по используемым в них аппаратуре и протоколам сети, объединяются с помощью общих для соединяемых сетей узлов-«мостов», а разнотипные сети (работающих под управлением различных операционных систем) объединяются с помощью общих узлов-«шлюзов».
Шлюзы могут быть как аппаратными, так и программными. Например, это может быть специальный компьютер (шлюзовой сервер), а может быть и компьютерная программа, шлюзовое приложение. В последнем случае компьютер может выполнять не только функции шлюза, но и функции рабочей станции.
Интеграция нескольких сетей в единую систему требует обеспечения межсетевой маршрутизации информационных потоков в рамках единой сети. Межсетевая маршрутизация организуется путем включения в каждую из объединяемых подсетей специальных узлов-«маршрутизаторов» (часто функции «маршрутизаторов» и «шлюзов» интегрируются в одном узле). Узлы-«маршрутизаторы» должны «распознавать», какой из пакетов относится к «местному» трафику сети станции-отправителя, а какой из них должен быть передан в другую сеть, входящую в единую интегрированную систему.
При подключении локальной сети предприятия к глобальной сети особое внимание обращается на обеспечение информационной безопасности. В частности, должен быть максимально ограничен доступ в сеть для внешних пользователей, а также ограничен выход во внешнюю сеть сотрудников предприятия. Для обеспечения сетевой безопасности устанавливают брандмауэры. Это специальные компьютеры или компьютерные программы, препятствующие входу в локальную сеть и несанкционированной передаче информации.
Модель клиент-сервер
В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, сетевые операционные системы, а следовательно, и сети делятся на два класса: одноранговые (а) и сети с выделенными серверами (б).
(а)
(б)
Рис. 1.2. (а) - Одноранговая сеть, (б) - сетьс выделенным сервером
Сеть с выделенным сервером. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим пользователям сети, то он играет роль сервера. При этом компьютер, обращающийся к ресурсам другой машины, является клиентом. Как уже было сказано, компьютер, работающий в сети, может выполнять функции либо клиента, либо сервера, либо совмещать обе эти функции.
Если выполнение каких-либо серверных функций является основным назначением компьютера (например, предоставление файлов в общее пользование всем остальным пользователям сети или организация совместного использования факса, или предоставление всем пользователям сети возможности запуска на данном компьютере своих приложений), то такой компьютер называется выделенным сервером. В зависимости от того, какой ресурс сервера является разделяемым, он называется файл-сервером, факс-сервером, принт-сервером, сервером приложений и т.д.
На выделенных серверах желательно устанавливать ОС, специально предназначенные для выполнения тех или иных серверных функций. Примером ОС, ориентированной на построение сети с выделенным сервером, является операционная система Windows NT. Оба варианта данной сетевой ОС - Windows NT Server (для выделенного сервера) и Windows NT Workstation (для рабочей станции) - могут поддерживать функции и клиента и сервера. Но серверный вариант Windows NT имеет больше возможностей для предоставления ресурсов своего компьютера другим пользователям сети, так как может выполнять более широкий набор функций. Он поддерживает большее количество одновременных соединений с клиентами, реализует централизованное управление сетью, имеет более развитые средства защиты.
Выделенный сервер не принято использовать в качестве компьютера для выполнения текущих задач, не связанных с его основным назначением, так как это может уменьшить производительность его работы как сервера. Но в некоторых сетевых ОС функционирование на выделенном сервере клиентской части вполне возможно. Например, под управлением Windows NT Server могут запускаться обычные программы локального пользователя, которые могут потребовать выполнения клиентских функций ОС при появлении запросов к ресурсам других компьютеров сети. При этом рабочие станции, на которых установлена ОС Windows NT Workstation, могут выполнять функции невыделенного сервера.
Несмотря на то, что в сети с выделенным сервером все компьютеры в общем случае могут выполнять одновременно роли и сервера, и клиента, эта сеть функционально не симметрична: в ней реализованы два типа компьютеров. Одни, в большей степени ориентированные на выполнение серверных функций и работают под управлением специализированных серверных ОС, а другие - в основном выполняют клиентские функции и работают под управлением соответствующего этому назначению варианта ОС. Такая несимметричность функций, как правило, вызывает и несимметричность аппаратуры - для выделенных серверов используются более мощные компьютеры с большими объемами оперативной и внешней памяти (специализация компьютеров). Следовательно, должны быть несимметричны и ОС (специализация ОС).
В одноранговых сетяхвсе компьютеры равны в правах доступа к ресурсам друг друга. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его эксплуатировать. В таких сетях на всех компьютерах устанавливается одна и та же ОС, которая предоставляет всем компьютерам в сетипотенциальноравные возможности. Одноранговые сети могут быть построены, например, на базе Windows NT Workstation.
В одноранговых сетях также может возникнуть функциональная несимметричность. Одни пользователи не желают разделять свои ресурсы с другими, и в таком случае их компьютеры выполняют роль клиента. За другими компьютерами администратор закрепил только функции по организации совместного использования ресурсов, следовательно, они являются серверами. В третьем случае, когда локальный пользователь не возражает против использования его ресурсов и сам не исключает возможности обращения к другим компьютерам, ОС, устанавливаемая на его компьютере, должна включать и серверную, и клиентскую части. В отличие от сетей с выделенными серверами, в одноранговых сетях отсутствует специализация ОС в зависимости от функций - клиента или сервера. Все случаи реализуются средствами конфигурирования одного и того же варианта ОС.
Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации, Они применяются в основном для объединения небольших групп пользователей, не предъявляющих больших требований к объемам хранимой информации, ее защищенности от несанкционированного доступа и к скорости доступа. При повышенных требованиях к этим характеристикам более подходящими являются сети с выделенным сервером, где сервер лучше решает задачу обслуживания пользователей своими ресурсами, так как его аппаратура и сетевая операционная система специально спроектированы для этой цели.
Совокупность серверной и клиентской частей ОС, предоставляющих доступ к конкретному типу ресурса через сеть, называется сетевой службой.
Клиентская и серверная части, которые обеспечивают доступ к файлу, образуют файловую службу.
Каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов. Например, служба печати обеспечивает доступ пользователей сети к разделяемым принтерам сети, почтовая служба предоставляет доступ к информационному ресурсу сети - электронным письмам, служба удаленного доступа - предоставляет пользователям компьютерной сети доступ ко всем ее ресурсам через коммутируемые телефонные каналы.
Сетевые службы по своей природе являются клиент-серверными системами. Поскольку при реализации любого сетевого сервиса естественно возникает источник запросов (клиент) и исполнитель запросов (сервер), то и любая сетевая служба содержит в своем составе две несимметричные части — клиентскую и серверную.
Необходимо отметить, что при предоставлении сетевой службой некоторой услуги используются ресурсы не только сервера, но и клиента. Клиент может затрачивать значительную часть своих ресурсов (дискового пространства, процессорного времени и т. п.) на поддержание работы сетевой службы. Например, при реализации почтовой службы на диске клиента может храниться локальная копия базы данных, содержащей его обширную переписку. В этом случае клиент выполняет большую работу при формировании сообщений в различных форматах, в том числе и сложном мультимедийном, поддерживает ведение адресной книги и выполняет еще много различных вспомогательных работ.
Принципиальной же разницей между клиентом и сервером является то, что инициатором выполнения работы сетевой службой всегда выступает клиент, а сервер всегда находится в режиме пассивного ожидания запросов. Например, почтовый сервер осуществляет доставку почты на компьютер пользователя только при поступлении запроса от почтового клиента.
Обычно взаимодействие между клиентской и серверной частями стандартизуется, так что один тип сервера может быть рассчитан на работу с клиентами разного типа, реализованными различными способами и, может быть, разными производителями. Единственное условие для этого - клиенты и сервер должны поддерживать общий стандартный протокол взаимодействия.