Сетевые технологии

Санкт–Петербург – 1998

2

ББК 32.973 Г 47

УДК 681.3

В. А. Гладцын, В. В. Яновский. Сетевые технологии: Учеб. пособие / СПбГЭТУ (ЛЭТИ). СПб., 1998. 112 с.

Содержит основные сведения по архитектуре открытых систем (ОС), распределенной обработке информации, моделям ОС, протоколам передачи информации, сетевым топологиям и технологиям. Показаны примеры реализации сетей с маркерным и вероятностным доступом, рассмотрены перспективы развития высокоскоростных сетевых технологий.

Пособие предназначено для студентов старших курсов электротехнических вузов и может быть полезным аспирантам, инженерам и научным сотрудникам при изучении вычислительных сетей.

Рецензенты: кафедра цифровой вычислительной техники и информатики Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций; доктор техн. наук проф. Н.В.Егоров (СПбГУ).

Утверждено редакционно–издательским советом университета

в качестве учебного пособия

© В. А. Гладцын, В. В. Яновский, 1998

3

1.ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

1.1.Понятие сети. Задачи, решаемые вычислительными сетями

Международный институт стандартизации определяет понятие

"сеть" как совокупность узлов и соединяющих их ветвей. Это определение является наиболее общим, охватывающим сети всех категорий. В сфере вычислительных сетей роль узлов будут играть ЭВМ и вспомогательные соединительные устройства, а роль ветвей – множество линий каналов передачи данных между ними.

Среди основных задач, решаемых сетями ЭВМ, могут быть названы:

–информационный обмен между физически удаленными пользователями, в том числе сервис электронной почты;

–удаленный доступ к вычислительным и информационным ресурсам;

–распределенная обработка информации, имеющая два аспекта: совместную работу нескольких пользователей с одним массивом данных и работу с данными, находящимися на нескольких сетевых узлах, как с единым целым.

В зависимости от целей создания сети могут иметь различную архитектуру и различные принципы организации.

1.2.Классификация вычислительных сетей

Взависимости от физической удаленности различных узлов сети друг от друга сетевые системы принято делить на три категории: локальные вычислительные сети (ЛВС) (их радиус обычно находится в пределах 300 м), корпоративные и глобальные сети.

Локальные вычислительные сети (несмотря на свое стремительное устаревание) до сих пор являются одной из самых распространенных баз для создания распределенных систем. Их широкое развитие началось в 80-х годах. Именно в это время возникли информационные технологии, основанные на принципиально новых способах сбора, обработки и передачи информации, в которых центральное место занимают сети ЭВМ. В первый период своего развития они представляли собой объединение больших и мини-ЭВМ, а с распространением персональных компьютеров (ПК) и обретением ими достаточной мощности ЛВС стали мыслиться прежде всего как набор связанных между собой ПК.

Перед ЛВС ставились следующие задачи:

– разделение общего периферийного оборудования;

– передача файлов с целью использования уникального периферийного оборудования в удаленных ЭВМ сети;

– разделение ресурсов более мощных ЭВМ, подключенных в единую сеть с менее мощными;

5

– работа в качестве инструментального средства (базы) для разработки и поддержки проблемно-ориентированных распределенных систем.

Глобальные вычислительные сети – сети большого радиуса распространения – стали следствием интеграции вычислительной техники и систем связи. Основными их задачами являются сбор, хранение и обработка данных на узлах, физически далеко отстоящих друг от друга, обмен информацией между ними, а также доступ к вычислительным и прочим ресурсам удаленных ЭВМ. Каналы связи между узлами обработки могут быть самыми разнообразными как по виду носителя (телефонные линии, оптоволокно, радиосвязь и т.п.), так и по типу (выделенные или коммутируемые). Для таких систем характерна импульсивность потоков информации, в отличие от достаточно равномерного трафика в ЛВС. Следствием этого является необходимость планирования и сглаживания пиковых нагрузок на соединительную подсистему, а также более тщательного согласования работы передающих и принимающих узлов обработки. Еще одним недостатком можно назвать очень большую стоимость прокладки и обслуживания высококачественных линий связи, без которых использование систем удаленного обмена попадает в жесткую зависимость от качества и скорости передачи данных.

Корпоративные сети, занимающие промежуточное положение между локальными и глобальными вычислительными сетями, в том числе сети intranet, являются сегодня наиболее перспективным типом вычислительных сетей. Подобные сетевые системы, основанные на internet-технологии, позволяют пользоваться сервисом, аналогичным услугам сети Internet, но в рамках одной организации, предприятия или их группы. Основная задача таких сетей состоит в поддержке оперативного обмена разнотипной информацией и осуществлении доступа к ресурсам. Несомненными их преимуществами являются возможность визуального управления потоками данных, диалоговое общение, возможность передачи мультимедиа-информации, интуитивный интерфейс и др. Основные отличительные черты корпоративной сети – это наличие центрального администрирования, поддержка в своем составе разноплатформенных узлов и мультисегментность.

Следует заметить, что приведенная классификация не является единственно возможной. Еще один часто применяемый вариант – это разделение сетей по чисто географическому принципу: на локальные сети, соединяющие узлы в пределах одного здания (Local Area Networks – LAN), сети среднего радиуса действия, объединяющие несколько локальных сетей либо узлы одного города или района (Metropolitan Area Networks – MAN) и сети широкого (континентального и общемирового) радиуса действия (Wide Area Networks – WAN).

6

1.3.Архитектура открытых систем

Всвоем развитии, с точки зрения клиент-серверного взаимодействия, сетевые системы прошли четыре этапа. Первый из них – это системы с архитектурой клиент–клиент. Подобные сетевые комплексы основаны на взаимодействии равноправных активных процессов в открытой системе и на возможности доступа к пассивным объектам (файловой информации) всех (или некоторых) узлов обработки, подключенных к сети. Они имеют ряд преимуществ, среди которых можно назвать гибкость, сравнительно низкую стоимость организации, относительную независимость рабочих станций друг от друга при возможности свободного обмена информацией, возможность выделения для решения различных подзадач вычислительных машин разного класса производительности в зависимости от сложности подзадачи. Однако недостатком при этом могут быть признаны последствия бесконтрольного распределения данных по разным рабочим станциям.

Для преодоления такого и других подобных недостатков были созданы системы распределенной обработки (СРО) информации на основе сетей с архитектурой клиент–файловый сервер. Соответственно и наиболее вероятной областью применения подобных систем являются задачи, допускающие хранение большей части информации в одном месте

–файловом сервере (ФС).

Функционирующее на рабочей станции приложение считывает и записывает файлы, обмениваясь ими с файловым сервером. Файловый сервер не принимает участия в обработке приложения, он просто является хранилищем файлов данных и программ, выполняющихся на рабочих станциях, а также служит буфером обмена между ними.

СРО, использующие выделенные файловые серверы, также, разумеется, не лишены целого ряда недостатков. Важнейшими из них являются:

–необходимость выделения специальной ЭВМ, имеющей достаточно высокую производительность и не принимающей при этом непосредственного участия в процессе обработки данных;

–чрезвычайно насыщенный трафик файлового обмена между ФС и рабочими станциями;

–необходимость дополнительных мер по защите расположенной на ФС информации от несанкционированного доступа;

–усложнение системы, связанное с необходимостью быстрой коммутации передаваемых пакетов;

–жесткая зависимость производительности системы от скорости передачи данных по сети, поскольку на узлы обработки необходимые данные передаются с ФС. Преодолеть этот недостаток можно, комбинируя размещение информации на сервере (общая глобальная база данных) и на рабочих станциях (данные определенного этапа обработки), а также через

7

построение мультисегментных сетей и сетей с несколькими файловыми серверами.

Можно сказать, что системы, базирующиеся на сети с выделенным сервером, занимают срединное положение между системами с архитектурой клиент–клиент и системами типа клиент–сервер и, тем самым, способны решать более широкий класс задач, чем каждая из этих систем в отдельности, хотя и сочетают в себе ряд их недостатков.

Системы, построенные на основе технологии клиент-сервер, являются сегодня наиболее популярными среди всех СРО, решающих задачи, связанные с функционированием большеобъемных баз данных. Такие системы являются плодом дальнейшего развития идеологии выделения отдельной вычислительной машины под серверные функции и имеют три различных компонента, каждый из которых выполняет конкретную работу: сервер базы данных, клиентское приложение и сеть.

Сервер в данном случае является активным и интеллектуальным. Основная его функция – оптимальное управление ресурсом для множества клиентов, которые у него этот ресурс запрашивают одновременно. Клиентское приложение – это часть системы, которую пользователь использует для взаимодействия с данными.

Средствами передачи данных между клиентом и сервером являются сеть и коммуникационное программное обеспечение, имеющееся у клиента и на сервере и позволяющее им взаимодействовать через сеть.

Подобные системы имеют целый ряд достоинств. Прежде всего, поскольку клиентское приложение и сервер базы данных работают совместно и распределяют загрузку приложения, система клиент–сервер может обеспечить лучшую производительность, чем система с файловым сервером. Сервер управляет базой данных для нескольких клиентов, а клиенты посылают, получают и анализируют полученные с сервера данные. В системе клиент–сервер клиентское приложение работает с небольшими специальными наборами данных, например со строками таблицы, а не с целыми файлами, как в системах с файловым сервером. Как уже отмечалось, сервер базы данных здесь является интеллектуальным. Он блокирует и возвращает строки по запросам клиентов, что обеспечивает параллельность, минимальный сетевой трафик и улучшенную производительность системы. Еще одно преимущество системы клиент– сервер состоит в том, что для разработки нового приложения программист сосредоточивает свои усилия на разработке клиентского приложения, обеспечивающего анализ и представление данных, и не заботится о том, каким образом он получает эти данные. Кроме того, и клиентское и серверное приложения могут модифицироваться независимо друг от друга при условии сохранения стандартного интерфейса взаимодействия.

Однако если в качестве сервера выступает однопроцессорная (пусть и достаточно мощная) машина, то могут иметь место все те недостатки, которые возникали при работе на многотерминальной ЭВМ в режиме разделения времени, даже несмотря на то, что терминалы – клиенты –

8

являются интеллектуальными и часть этапов процесса обработки данных выполняется на них.

Необходимо отметить, что понятие модели "клиент–сервер" теперь все чаще понимается не только в своем первоначальном значении – как разновидность сетевой системы с физически раздельными клиентом и сервером, но и как схема взаимодействия двух независимых процессов – клиентского и серверного без привязки к их конкретной реализации.

Следующим этапом в развитии систем, с точки зрения взаимодействия клиента и сервера, явилась концепция сетевых компьютеров ("тонких клиентов"), базирующаяся на архитектуре клиент– система серверов. Ее суть состоит в объединении положительных сторон архитектуры клиент–сервер и архитектур однородных многопользовательских и многопроцессорных высокопроизводительных систем. Рабочее место пользователя ("тонкий клиент") представляет собой персональный компьютер, оснащенный микропроцессором, монитором и сетевой картой (или модемом) и подключенный к глобальной или корпоративной сети.

На клиентской станции происходит лишь загрузка средств визуальной сетевой навигации, с помощью которых осуществляется формирование заданий, обмен данными и взаимодействие с системой серверов. Всю обработку заданий берет на себя именно эта система, строящаяся по иерархическому принципу, опирающемуся на вычислительные мощности серверов. В зависимости от сложности и специфики стоящей задачи, а также от наличия свободных ресурсов на серверах различных уровней, задание (или, возможно, различные его компоненты) распределяется на тот или иной сервер либо на их группу. Как и в случае архитектуры клиентсервер, основным типом приложений являются СУБД, но возможно решение и чисто вычислительных задач. Серверы, входящие в сеть, могут иметь самые различные функции: быть серверами баз данных, серверами приложений, информационными и контролирующими серверами.

Среди преимуществ такого подхода можно отметить чрезвычайно большую гибкость, сравнительно невысокую стоимость клиентского рабочего места при одновременной возможности решения весьма сложных задач, возможность как централизованного, так и распределенного хранения больших объемов данных при независимости принципов обработки от их физического местонахождения и местонахождения клиентских станций, возможность использования ресурсов разнородных серверов, а также многое другое.

Наиболее явным недостатком идеи может считаться пока еще слабое развитие инфраструктуры подобных сетей.

Еще одна серьезная проблема, возникающая при использовании подобных систем обработки и передачи данных, – это задача динамического оптимального перераспределения заданий (или сервисных функций) между серверами разного уровня с учетом их свободных вычислительных мощностей, расположения в сети относительно базовых

9

хранилищ данных, потерь на реорганизацию вычислительного процесса и принимая во внимание текущие приоритеты и параметры обрабатываемых заданий.

1.4. Модели взаимодействия открытых систем

1.4.1. Семиуровневая модель

Чтобы лучше понять организацию сети, необходимо обратиться к справочной модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection – OSI), разработанной Международной организацией стандартизации (International Standardization Organization – ISO). Модель разбивает взаимодействующие системы на семь уровней (прикладной, уровень представления данных, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический) и рассматривает функции, доступные на каждом из них, не определяя, однако, их функциональную реализацию.

Базовым понятием в области построения и функционирования сетей является протокол. Согласно определению ISO, протокол – это набор семантических и синтаксических правил, определяющих поведение систем, устройств и процессов при передаче данных. Проще говоря, протоколы – это некие схемы или алгоритмы, следуя которым все узлы сети стандартным образом подготавливают данные к передаче и осуществляют ее. Каждый из уровней может иметь собственные протоколы, т. е. те наборы правил, в соответствии с которыми данные будут преобразовываться для передачи на следующий уровень.

Модель OSI включает в себя два аспекта связи: горизонтальный, описывающий взаимодействие процессов одного уровня на различных узлах сети, и вертикальный, имеющий дело со взаимодействием протоколов разных уровней при передаче информации в пределах одного узла. Программа или протокол на некоторой машине А связываются с аналогичной программой или протоколом того же уровня на машине В. Для того чтобы это осуществить, программы обеих машин должны использовать иерархию протоколов нижних уровней. Процессу-отправителю на машине А это необходимо для корректной инкапсуляции данных, чтобы они достигли места назначения, а процессу-получателю на машине В – для того, чтобы восстановить эти данные и проконтролировать отсутствие ошибок при передаче.

Как отмечалось, справочная модель OSI использует семь функциональных уровней, необходимых для описания средств взаимодействия узлов сети друг с другом: от уровня прикладных программ до самого нижнего – физического. Рассмотрим функции каждого их них подробнее.

Прикладной уровень (Application layer) – наивысший в модели. Он отвечает за предоставление прикладным программам доступа к сети. Примерами задач данного уровня являются передача файлов, услуги

10