Основы информатики / Теор / Тема_Компьютерные сети

2

более серверами.

По территориальному признаку КС делятся на локальные (Local Area Network, LAN) и глобальные (Wide Area Network, WAN). К локальным относят сети, организованные в пределах ограниченной территории (комната, этаж, здание, соседние здания). Глобальные сети простираются на расстояния от десятков до десятков тысяч километров, переплетаются между собой и могут объединять сотни LAN.

Традиционно в локальных сетях используется жесткая логика соединений: специальный канал связи определенным образом соединены с узлами связи, тогда как в глобальных сетях –

программируемая (коммутируемая) логика соединений.

Глобальные сети реализуют многоуровневый принцип организации сети. В таких сетях каждый следующий (от пользователя) уровень реализует заявки предыдущего. В этом смысле каждый компьютер предыдущего уровня, посылающий заявки на услуги, рассматривается как к л и е н т , а каждый компьютер последующего уровня, предоставляющий услуги клиентам, – как сервер.

В зависимости от назначения КС делят на КС общего и специального назначения. Специализация современных КС обычно производится на прикладном уровне (за счет прикладных программ пользователей). Тем не менее имеется множество примеров специализации сетей за счет конструктивных решений, особенно в военной области и банковской сфере.

Локальные компьютерные сети

Локальные компьютерные сети (ЛКС) за последние годы получили широкое распространение в самых различных областях науки, техники и производства.

Особенно широко ЛКС применяются при разработке коллективных проектов, например сложных программных комплексов. На базе ЛКС можно создавать системы автоматизированного проектирования. Это позволяет реализовывать новые технологии проектирования изделий машиностроения, радиоэлектроники и вычислительной техники. В

условиях развития рыночной экономики появляется возможность создавать конкурентоспособную продукцию, быстро модернизировать ее, обеспечивая реализацию экономической стратегии предприятия. ЛКС позволяют также реализовывать новые информационные технологии в системах организационно-экономического управления. В

учебных лабораториях университетов ЛКС позволяют повысить качество обучения и внедрять современные интеллектуальные технологии обучения.

Топология локальной компьютерной сети

Как уже отмечалось выше ЛКС имеет жесткую геометрическую схему соединения узлов и каналов связи (конфигурацию физического подключения), называемую топологией сети. Выделяют три базовых варианта топологии сети: шина, кольцо, звезда.

Шина (рис. 4.1). Канал связи, объединяющий узлы в сеть, образует ломаную линию – шину. Любой узел может (если у него есть на то разрешение) принимать информацию в любое время, а передавать – только тогда, когда шина свободна.

Канал

связи

Узел

связи

Рис. 4.1. Вариант топологии сети – шина.

3

Кольцо (рис. 4.2). Узлы объединены в сеть замкнутой кривой. Передача данных осуществляется только в одном направлении. Каждый узел, помимо всего прочего, реализует функции ретранслятора. Он принимает и передает все сообщения, воспринимает только адресованные ему.

Звезда (рис. 4.3). Узлы сети объединены с "центром" лучами. Вся информация передается через центр, что позволяет относительно просто выполнять поиск неисправностей и добавлять новые узлы без прерывания работы сети. Однако расходы на организацию каналов связи здесь обычно выше, чем у шины, кольца.

Рис. 4.2. Вариант топологии сети – кольцо.

Рис. 4.3. Вариант топологии сети – звезда.

Комбинация базовых топологий – гибридная топология – обеспечивает получение широкого спектра решений, аккумулирующих достоинства и недостатки базовых.

Выбор той или иной топологии определяется областью применения ЛКС, географическим расположением ее узлов и размерностью сети в целом.

Методы доступа к каналам связи

Каналы связи являются общим ресурсом для всех узлов сети. Чтобы получить возможность доступа к этому ресурсу из узла сети, необходимы специальные механизмы – методы доступа.

Метод доступа к каналу связи – алгоритм, обеспечивающий выполнение совокупности правил, по которым узлы сети получают доступ к ресурсу.

Существуют два основных класса методов доступа: детерминированные, недетерминированные.

При детерминированных методах доступа канал связи распределяется между узлами с помощью специального механизма управления, гарантирующего передачу данных узла в течение некоторого, достаточно малого интервала времени.

Наиболее распространенными детерминированными методами, доступа являются метод опроса и метод передачи права. Метод опроса проводится центральным узлом, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. Он используется преимущественно в сетях звездообразной топологии.

Метод передачи права применяется в сетях с кольцевой топологией. 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 маркер, устанавливает признак занятости маркера и передает его по кольцу.

4

Узел, которому было адресовано сообщение, принимает его, устанавливает признак подтверждения приема информации и отправляет маркер в кольцо.

Передающий узел, получив подтверждение, освобождает маркер и отправляет его в сеть. Существуют методы доступа, использующие несколько маркеров.

Недетерминированные – случайные методы доступа предусматривают конкуренцию всех узлов сети за право передачи. Возможны одновременные попытки передачи со стороны нескольких узлов, в результате чего возникают коллизии.

Наиболее распространенным недетерминированным методом доступа является множественный метод доступа с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Контроль несущей частоты заключается в том, что узел, желающий передать сообщение, "прослушивает" передающую среду, ожидая ее освобождения. Если среда свободна, узел начинает передачу.

Следует отметить, что топология сети, метод доступа к каналам связи и протокол передачи данных (т.е. алгоритм обмена данными) тесным образом связаны друг с другом. Определяющим компонентом является топология сети.

Эталонная модель OSI.

Для согласованной работы различных устройств в составе компьютерной сети в начале 80-х годов была разработана модель взаимодействия открытых сетей (Open Sysytem Interconnection - OSI) описывающая протокол передачи данных между компьютерами. Схема модели приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Модель OSI

Данная модель выделяет разделяет средства взаимодействия на семь уровней:

1.Прикладной;

2.Представительский;

3.Сеансовый;

4.Транспортный;

5.Сетевой;

6.Канальный;

7.Физический.

5

Каждый уровень относительно независим. Он строго описывает функции взаимодействия сетевых устройств. Все уровни образуют иерархическую систему, в которой запрос, вырабатываемый на каком-либо уровне, передается на исполнение нижележащему уровню. Результаты обработки запроса передаются на вышележащий уровень.

Для описания взаимодействия двух уровней устанавливаются правила, называемые

интерфейсом.

Протокол – определяет формат сообщений между одинаковыми уровнями.

Средства каждого уровня отрабатывают протокол своего уровня и интерфейсы с соседними уровнями. Набор протоколов, достаточных для организации взаимодействия в сети,

называют стеком коммуникационных протоколов.

На физическом уровне описывается передача битов информации в виде электрических сигналов по физическим каналам связи. Функции физического уровня на компьютере выполняются сетевым адаптером.

На канальном уровне решаются две задачи:

1.определение доступности среды передачи данных (анализ занятости канала

связи);

2.определение механизма обнаружения и коррекции ошибок.

Вкомпьютерах протоколы канального уровня выполнятся сетевыми адаптерами и их драйверами. Протоколы канального уровня разрабатываются для сетей с определенной топологией.

На сетевом уровне решаются вопросы объединения сетей с различными топологиями для образования единой транспортной сети, т.е. сетевой уровень решает вопросы обмена данными между сетями. Обмен данными осуществляется порциями, которые называются пакетами.

Для соединения сетей используются маршрутизаторы. На сетевом уровне выделяют два вида протоколов:

1.сетевые протоколы, с помощью которых осуществляется продвижение пакетов через сеть;

2.протоколы разрешения адресов, которые отвечают за преобразование адреса узла,

используемого на сетевом уровне, в адрес подсети.

На транспортном уровне решаются вопросы обеспечения надежности передачи данных, обнаружения и исправления ошибок передачи.

Протоколы транспортного уровня и выше реализуются программными средствами узлов сети, компонентами сетевых систем.

На сеансовом уровне реализуются средства синхронизации, при помощи которых в

длинных передачах устанавливаются специальные контрольные точки для возможного отката в случае сбоя не в начала передачи данных, а в последнюю контрольную точку.

На представительском уровне преобразуются формы представления данных, полученных от прикладного уровня одной системы, в форму, необходимую для восприятия прикладным уровнем другой системы. На этом уровне преодолеваются в представлении и кодировке данных.

На прикладном уровне обеспечивается разделение ресурсов сети между различными пользователями.

Стандартные стеки коммуникационных протоколов

Стек протоколов TCP/IP

Стек TCP/IP был разработан для работы в разнородных сетях. Этот стек получил большое распространение после своей реализации в ОС UNIX. В настоящее время он используется как для связи компьютеров в сети Интернет, так и в корпоративных сетях. На физическом и канальном уровнях стек поддерживает все базовые технологии локальных сетей.

Стек TCP/IP имеет четыре уровня:

• прикладной уровень;

6

•основной уровень;

•уровень межсетевых взаимодействий;

•уровень сетевых интерфейсов.

Следует отметить, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно. Это связано с тем, что стек TCP/IP был разработан более 20 лет назад.

Стек протоколов IPX/SPX

Стек IPX/SPX разработан фирмой Novell для сетевой операционной системы NetWare в начале 80-х годов. Протоколы разрабатывались с учетом применения в локальных сетях с небольшими сетевыми ресурсами, но с хорошими физическими коммуникационными средствами.

Основным протоколом стека являются:

∙протокол межсетевого обмена пакетами,

∙протокол IPX (Internetwork Packet Exchange), который относится к сетевому уровню модели OSI.

Протокол SPX (Sequenced Packet Exchange) обеспечивает надежность передачи данных. Использование протокола SPX протоколами верхнего уровня необязательно.

Основной протокол верхнего уровня — это протокол NCP (NetWare Core Protocol), который обеспечивает работу основных служб сетевой операционной системы Novell NetWare и объединяет функции всех уровней от транспортного до прикладного модели OSI.

Протокол SAP (Service Advertising Protocol) используется при широковещательных сообщениях, когда узел передает информацию о сетевых службах, которые он может предоставить. Здесь же указывается его сетевой адрес.

Протокол IPX использует адрес, состоящий из номера сети, номера узла и номера сокета. Номер сети назначается на сервере администратором. Номером узла является его аппаратный адрес (МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора). Номер сокета идентифицирует приложение, которое передает сообщение по протоколу IPX.

Конфигурирование клиентской части сети не требует значительных затрат. Адрес узла считывается автоматически из сетевого адаптера узла. Адрес сети узнается из серверных объявлений SAP. Для выяснения адреса маршрутизатора при старте системы клиента посылается сообщение SAP, в ответ на которое имеющиеся маршрутизаторы сообщают свои адреса.

Сетевое программное обеспечение

Семейство ОС UNIX

Проектирование ОС UNIX было начато сотрудниками фирмы AT&T около 30 лет

назад.

Независимо от версии, общими для UNIX чертами являются:

∙многопользовательский режим со средствами защиты данных от несанкционированного доступа;

∙реализация многозадачной обработки в режиме разделения времени;

∙переносимость системы путем написания основной части на языке С.

Вцелом ОС семейства Unix ориентированы прежде всего на большие локальные (корпоративные) и глобальные сети, объединяющие работу тысяч пользователей.

ОС UnixWare сочетает высокую производительность, удобный графический интерфейс и реализует симметричную многопроцессорную обработку.

Unix-версия ОС компании Sun Microsystems Solaris имеет ряд отличий от базовой ОС

UNIX:

∙реализована многонитевость,

∙поддерживается симметричная многопроцессорная обработка,

∙предусмотрен режим реального времени.

7

32-разрядная ОС NeXTStep имеет простой графический интерфейс пользователя и построена с учетом принципов объектно-ориентированного программирования. Это позволяет выделять и переносить элементы одного приложения в другое, разделять инструментальные средства между приложениями. Такая организация ОС

предоставляет возможность создания собственных приложений путем объединения различных инструментальных средств, что позволяет избежать затруднений, связанных с малочисленностью приложений для NeXTStep.

Известны разработки на базе Unix ОС компании Hewlett-Packard. HP/UX ОС является унифицированной системой на рабочих станциях НР9000 серии 700, Unix и Unix- серверов серии 800. Hewlett-Packard содействовала выработке соглашения о создании единого интерфейса приложений для 64-разрядной Unix.

Переход к 64-разрядной ОС – это основная тенденция развития Unix-систем. Цель удвоения разрядности – значительное повышение производительности, что актуально, например, для работы Интернет-серверов.

ОС фирмы Microsoft

Среди разработок компании Microsoft в области сетевых ОС распространение получили

LAN Manager и Windows.

ОС LAN Manager – одна из первых сетевых ОС, разработанная для реализации архитектуры клиент-сервер, и особенно эффективна при работе СУБД. ОС обслуживает клиентов, работающих под управлением DOS, Windows или OS/2. Эта ОС поддерживает файловую систему HPFS.

В 1993 году Microsoft начала выпуск новых ОС New Technology – Windows NT.

ОС Windows NT изначально проектировалась с учетом требований производительности, переносимости, надежности, совместимости и расширяемости. Windows NT представляет собой 32- разрядную ОС, имеющую две модификации: Windows NT Workstation (предназначена для рабочих станций) и Windows NT Server (ориентирована на работу в качестве выделенного сервера).

Windows NT использует вытесняющую многозадачность и поддерживает симметричную многопроцессорную обработку.

Благодаря особенностям внутренней структуры Windows NT работает на компьютерах с процессорами Intel-x86 и RISC-процессорах: PowerPC, MIPS R4000 и DEC Alpha.

Windows NT предполагает высокую защиту данных от несанкционированного доступа и случайного повреждения.

Версия Windows NT 3.5 дополнительно включает ряд функций:

∙Улучшенное автораспознавание аппаратуры, возможность ручного выбора и конфигурирования.

∙Встроенную совместимость с NetWare. Windows NT-компьютеры получили доступ к файлам, принтерам и серверам приложений NetWare через транспортный протокол Microsoft NWLink IPX/SPX.

∙Встроенную поддержку протокола TCP/IP, обеспечивающего межсетевое взаимодействие.

∙Реализацию средств удаленного доступа RAS, включающих поддержку протоколов IPX/SPX и TCP/IP и стандартов Point to Point Protocol (PPP) и Serial Line IP (SLIP). Сервер RAS поддерживает до 256 соединений (вместо 64 в предыдущей версии).

∙Поддержку объектов OLE 2.x и связывание со встроенными |

объектами, технологии drag-and-drop и OLE-Automation.

∙В ОС Windows NT 3.5 встроены графические возможности трехмерной графики OpenGL API. OpenGL – это независимая от ОС библиотека графических функций, используемая при визуализации проектов

∙Доменная организация. В сетях на основе Windows NT Server рабочие

8

станции подключаются к выделенным серверам и группируются в домены. Если администратор завел учетную информацию о пользователе домена, то последний имеет возможность работать на любой рабочей станции в этом домене.

Windows NT 5.0, или Windows 2000, – полностью 32-разрядная ОС с приоритетной многозадачностью, улучшенной реализацией работы с памятью и изначально проектировалась со средствами обеспечения надежности, защиты и управления.

Воснову Windows 2000 положены следующие принципы:

∙Совместимости. ОС имеет привычный интерфейс, поддерживает файловые системы NTFS, FAT16 и FAT32. Обеспечивает реализацию многих приложений MS DOS, Windows 9x и части приложений OS/2. Имеются средства для работы в Unix- и Novell-сетях. Реализована поддержка USB и plug-and-play устройств, встроен API DirectX 7.0 и OpenGL. Однако отмечается отсутствие драйверов части устройств, например некоторых сканеров, принтеров.

∙Надежности и отказоустойчивости. ОС реализует раздельное адресное пространство для всех выполняемых задач. Такая архитектура

защищает приложения от

∙Многопользовательности и защиты данных. ОС позволяет установить для каждого пользователя собственные настройки. Эти настройки задают среду работы и ограничивают доступ к файлам и папкам, которые можно зашифровать с помощью персонального ключа.

∙Расширяемости и масштабируемости. Модульное построение ОС упрощает добавление новых компонент. Возможна организация работы до 32 процессоров. ОС содержит встроенные сетевые средства связи с различными типами компьютеров, поддерживающие разнообразные транспортные протоколы

итехнологию клиент-сервер.

∙Производительности. Приложения в Windows 2000 по сравнению с Windows 9x и NT работают на 25=30% быстрее, однако сама ОС требует для работы более 64 Мб памяти.

OC OS/2

Версия OS/2 Warp (1994) предназначена для клиентских машин сетей «клиент- сервер» и одноранговых сетей. Эта версия появилась на рынке раньше Windows 95 и была первой системой, включившей набор средств поддержки Интернет и объектно- ориентированный интерфейс.

ОС LAN Server 4.0 фирмы IBM использует объектно-ориентированный интерфейс OS/2 для создания мощного набора графических средств администратора. LAN Server 4.0 работает с новой версией OS/2, обеспечивающей симметричную многопроцессорную обработку. LAN Server 4.0 поддерживает файловые системы HPPS и FAT, а также протокол TCP/IP. Для организации доступа используются утилиты, входящие в состав Warp 3.0.

Имеется возможность выделения квот дискового пространства для пользователей. При достижении установленного предела система предупреждает как администратора, так и самого пользователя.

LAN Server позволяет администратору создавать профили (группы) пользователей, регулируя их доступ к определенным системным ресурсам. Можно создать единую процедуру входа пользователя в сеть, а также организовать централизованное управление сетевыми ресурсами с помощью концепции доменов.