8.3. Организация взаимодействия в сетях
Компьютеры объединяются в сети с помощью одной или нескольких линий связи различных типов (например, телефонных линий), обеспечивающих логическую и физическую связь абонентов (рис. 2.8). (АПД – аппаратура передачи данных (например, модем) обеспечивает интерфейс (сопряжение).)
При организации связи обмен информацией должен осуществляться по определенным правилам. Эти правила определяются протоколом, который представляет собой соглашение, определяющее управление процедурами информационного обмена между взаимодействующими объектами. В различных сетях реализованы разные процедуры обмена, следовательно, разные протоколы. Однако существует общее соглашение по организации взаимодействия в сетях.
Набор протоколов, управляющих обменом информацией между физически отдаленными связанными объектами на различных уровнях взаимодействия (от прикладных программ до физических линий связи), составляет систему, называемую иерархией или пакетом (семейством) протоколов.
Международная организация по стандартизации (ISO – International Standard Organization) разработала описание эталонной модели взаимодействия открытых систем. Эталонная модель OSI (Open System Interconnection) предусматривает семь уровней организации взаимодействия, а следовательно, и протоколов. Разбиение функций протокола на несколько уровней (категорий) обеспечивает сравнительно простую реализацию взаимодействия в сетях. При помощи определенного множества протоколов (при точном их соблюдении) любые устройства могут взаимодействовать, несмотря на различия в конструкции, производительности, используемом программном обеспечении и т.п.
Наиболее распространенное семейство протоколов – это TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol – протокол управления передачей/протокол Internet – промышленный стандарт протокола для глобальных сетей.
Управление взаимодействием различных объектов в сети осуществляется с помощью сетевого программного обеспечения.
8.4. Топология сетей и методы доступа
Топология вычислительной сети (network topology) – это ее конфигурация, структура («геометрическая форма»). Топология сети определяет схему связей между узлами (компьютерами) сети, метод передачи данных между ними.
Существует два основных класса сетей, различаемые по способу объединения компьютеров:
широковещательная конфигурация (каждый компьютер передает информацию, которая может восприниматься всеми остальными компьютерами данной сети);
последовательная конфигурация (компьютер может передавать информацию только своему ближайшему соседу, данные передаются по «эстафете»).
Наиболее распространенными структурами сетей являются шинная топология (рис. 2.9); древовидная топология (рис. 2.10); топология «звезда» (рис. 2.11); кольцевая топология (рис. 2.12).
При шинной топологии (рис. 2.9) среда передачи информации представляется в форме доступного для всех серверов и рабочих станций коммуникационного пути, к которому они подключаются для организации взаимодействия (т.е. эта топология относится к классу широковещательных). Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт друг с другом (любая станция с любой другой, имеющейся в сети). Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей сети, могут подключаться к сети или быть отключены.
Этот тип сетей обеспечивает простоту расширения, минимальный расход кабеля, отсутствие необходимости централизованного управления, надежность (выход из строя одного компьютера не нарушит работу других). Но имеются и недостатки: кабель, соединяющий все станции, – один, следовательно, «общаться» компьютеры могут только «по очереди», а это означает, что нужны специальные средства для разрешения конфликтов; затруднен поиск неисправностей кабеля, при его разрыве нарушается работа всей сети. Для повышения надежности работы сети вместе с основным прокладывается запасной кабель.
Наиболее надежным способом доступа для сетей с топологией «общая шина» является метод доступа Ethernet.
Древовидная топология (рис. 2.10) представляет собой комбинацию шин. Дерево образуется путем соединения нескольких шин с помощью активных повторителей или пассивных размножителей.
Эта топология обладает достаточной гибкостью. С ее помощью можно охватить несколько зданий. В случае отказа от повторителя дерево разбивается на части. При отказе одного сегмента сети остальные могут продолжать работу.
При использовании топологии «звезда» (рис. 2.11) каждый компьютер подключается отдельным кабелем к объединяющему устройству (концентратору). В центре звезды находится пассивный соединитель или активный повторитель (достаточно простые и надежные устройства).
Преимуществом такой организации является надежность (выход из строя одной станции или кабеля не повлияет на работу других). Недостатки же следующие: требуется большое количество кабеля, надежность и производительность определяется центральным узлом, который может оказаться «узким местом» (поэтому это оборудование часто дублируется).
Стандарт (метод доступа) Arcnet поддерживает шинную, звездообразную и распределенную звездообразную топологии.
Описанная выше топология относится к широковещательным, но центр «звезды» может быть и «интеллектуальным». Такая сеть имеет уже последовательную топологию – структуру с одним центральным компьютером. Вся информация между РС проходит через центральный узел вычислительной сети. Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью центрального узла и гарантируется для каждой рабочей станции.
Кольцевая топология (рис. 2.12) относится к классу последовательных конфигураций. При кольцевой топологии все рабочие станции связаны одна с другой по кругу. Коммутационная сеть замыкается в кольцо. Сообщения передаются «по эстафете». Продолжительность передачи информации зависит от числа станций в сети.
Основная проблема заключается в том, что все рабочие станции должны активно участвовать в пересылке информации. В случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется.
На кольцевую топологию рассчитан метод доступа Token-Ring («маркированное кольцо»).
Используются также комбинированные топологии: иерархическая структура может быть представлена как комбинация звезд, а цепочка – как «незамкнутое кольцо».
Различные сети могут соединяться с помощью средств межсетевого взаимодействия. Эта задача решается, например, при создании корпоративных сетей.
Межсетевой шлюз представляет собой аппаратные и программные средства, обеспечивающие межсетевую связь. Это специализированный узел локальной сети, через который осуществляется доступ рабочих станций данной ЛВС к внешней сети. Шлюзы позволяют связать различные сети с непохожими компьютерными системами (включая большие и мини-ЭВМ), организовать взаимодействие с удаленными РС, что особенно важно при создании крупных корпоративных информационных систем.
Подобные сети могут соединяться с помощью мостов. Мост объединяет аналогичные сети, которые могут иметь разные скорости передачи. С помощью мостов можно увеличить дальность охвата, повысить безопасность и эффективность за счет локализации трафика. Мост «знает» адреса «своих» РС и при передаче способен анализировать адрес: если адрес не «свой», то происходит передача в следующий сегмент. «Интеллектуальные» мосты можно программировать на фильтрацию пакетов по определенным критериям для усиления средств защиты. Мост является разновидностью шлюза, но он обеспечивает более простое взаимодействие.
Есть еще один способ связать сети с различными топологиями и файловыми серверами – использование маршрутизаторов.
При выборе архитектуры сети необходимо учитывать требования к надежности, стоимость, возможный рост сети и ее назначение.
В настоящее время широкое распространение находит технология ATM. Режим асинхронной передачи (ATM – Asynchronous Transfer Mode) – это сетевая технология, в которой при передаче используются маленькие пакеты фиксированного размера, называемые ячейками (cells).
Большой интерес в настоящее время вызывают цифровые сети с интеграцией обслуживания (ISDN – Integrated Services Digital Network). Международные стандарты ISDN регламентируют соединение аппаратуры передачи речи, данных и видеосигналов. Пользователи одновременно могут вести разговор и просматривать видеоизображения или другую информацию на компьютере. Эта технология может использоваться при проектировании сетей масштаба предприятия (корпоративных сетей). ISDN-интерфейсы между местными телефонными сетями и конечными пользователями могут заменить многие каналы, которыми пользуются разработчики глобальных и корпоративных сетей.