Сети компьютеров

В настоящее время особо важное значение приобрела конфигурация вычислительной системы, построенная на использовании многих компьютеров, объединенных в сеть. При этом обеспечивается единое информационное пространство сразу для множества пользователей вычислительной системы, что особенно наглядно проявилось на примере всемирной компьютерной сети Internet.

Компьютерной сетью называется совокупность компьютеров, взаимосвязанных через каналы передачи данных компьютеров, обеспечивающих обеспечивающая пользователей средствами обмена информацией и коллективного использования ресурсов сети: аппаратных, программных и информационных.

Объединение компьютеров в сеть позволяет совместно использовать дорогостоящее оборудование — диски большой емкости, принтеры, модемы, основную оперативную память, иметь общие программные средства и данные. Глобальные сети предоставляют возможность использовать аппаратные ресурсы удаленных компьютеров. Глобальные сети, охватывая миллионы людей, полностью изменили процесс распространения и восприятия информации, сделали обмен информацией через электронную почту самой распространенной услугой сети, а саму информацию - основным ресурсом человека.

Основным назначением сети является обеспечение простого, удобного и надежного доступа пользователя к распределенным общесетевым ресурсам и организация их коллективного использования при надежной защите от несанкционированного доступа, а также обеспечение удобных и надежных средств передачи данных между пользователями сети. С помощью сетей эти проблемы решаются независимо от территориального расположения пользователей.

В эпоху всеобщей информатизации большие объемы информации хранятся, обрабатываются и передаются в локальных и глобальных компьютерных сетях. В локальных сетях создаются общие базы данных для работы пользователей. В глобальных сетях осуществляется формирование единого научного, экономического, социального и культурного информационного пространства.

Существует множество задач и приложений, нуждающихся в централизованных общих данных, удаленном доступе к базам данных, передаче данных на расстояние и их распределенной обработке. Примерами являются банковские и другие финансовые структуры; коммерческие системы, отражающие состояние рынка (спрос-предложение); системы социального обеспечения; налоговые службы; избирательные системы; дистанционное компьютерное обучение; системы продажи железнодорожных и авиа - билетов; системы бронирования мест в гостиницах, дистанционная медицинская диагностика. В этих приложениях необходимо, чтобы в сети осуществлялся сбор, хранение и доступ к данным, гарантировалась защита данных от искажений и несанкционированного доступа.

Помимо сфер научной, деловой, образовательной, общественной и культурной жизни глобальная сеть охватила и сделала доступным для миллионов людей новый вид отдыха и развлечений. Сеть превратилась в инструмент ежедневной работы и организации досуга людей самого разного круга.

Компьютерные сети можно классифицировать по ряду признаков, например -, по степени территориальной распределенности. При этом различают: глобальные, региональные и локальные сети.

Глобальные сети объединяют пользователей, расположенных по всему миру, используют волоконно-оптические и спутниковые каналы связи, позволяющие соединять узлы сети связи и компьютеры, находящиеся на расстоянии до 10–15 тыс. км друг от друга.

Региональные сети объединяют пользователей города, области, небольших стран. В качестве каналов связи чаще всего используются волоконно-оптические и телефонные линии. Расстояния между узлами сети составляют 10–1000 км.

Локальные сети связывают абонентов одного или близлежащих зданий одного предприятия, учреждения. Локальные сети получили очень широкое распространение, так как 80–90% информации циркулирует вблизи мест ее появления и только 20–10% связано с внешними взаимодействиями. Локальные сети могут иметь любую структуру, но чаще всего компьютеры в локальной сети связаны единым высокоскоростным каналом передачи данных. Единый для всех компьютеров высокоскоростной канал передачи данных — главная отличительная особенность локальных сетей. Вкачестве канала передачи данных используется витая пара, коаксиальный кабель либо оптический кабель. В оптическом канале световод сделан из кварцевого стекла толщиной в волос, это - наиболее высокоскоростной, надежный, но и дорогостоящий кабель. Расстояния между компьютерами в локальной сети - до 10 км.

Корпоративные сети являются тем примером, который не укладывается в систему классификации сетей по признаку их территориальной распределенности. Например, сеть банка или авиакомпании может связывать компьютеры как в соседних помещениях, так и расположенные на разных континентах. Корпоративная сеть обычно имеет свою особую систему кодирования и защиты информации, что исключает в ней свободный доступ, характерный для глобальных сетей. Корпоративную сеть иначе называют сетью Интранет.

В настоящее время применительно к бизнес-приложениям бурно развиваются корпоративные сети, использующие технологию «тонкий клиент» («thin client»). Этот термин отражает то обстоятельство, что в сети присутствует только один полноценный и достаточно мощный компьютер, а все остальные - «тонкие клиенты» - это всего лишь автономные бездисковые устройства. Каждое из таких рабочих мест-клиентов представляет собой источник питания, к которому подключены устройства ввода (клавиатура, мышь, считыватель смарт-карт и т.д.) и устройства вывода информации (монитор, принтер, звуковые колонки). Вводимая информация через скоростной канал связи сразу попадает на мощный компьютер, где в многозадачном режиме обслуживаются одновременно все «тонкие клиенты». У каждого пользователя сети при этом возникает полная иллюзия работы за своим отдельным мощным компьютером. Такая сеть позволяет эффективно организовать и контролировать коллективную работу пользователей, надежно защищает данные от вирусов и несанкционированного доступа, наиболее экономична по суммарным затратам на оборудование. При необходимости можно наращивать мощность такой сети путем модернизации всего лишь одного ее базового компьютера.

Каналы связи в локальных и корпоративных сетях являются собственностью организации, и это серьезно упрощает их эксплуатацию.

Функциональные возможности сети определяются теми услугами, которые она предоставляет пользователю. Для реализации каждой из услуг сети и доступа пользователя к этой услуге разрабатывается специальное программное обеспечение.

Программное обеспечение, предназначенное для работы в сети, должно быть ориентированным на одновременное использование многими пользователями. В настоящее время получили распространение две основные концепции построения такого программного обеспечения.

В первой концепции сетевое программное обеспечение ориентировано на предоставление многим пользователям ресурсов некоторого общедоступного главного компьютера сети. Этот компьютер называется файловым сервером в отличие от компьютеров пользователей, которые принято называть рабочими станциями. Такое название главный компьютер получил потому, что основным его ресурсом являются файлы. Это могут быть файлы, содержащие программные модули, либо же обычные данные. Файловый сервер - это самый общий тип сервера. Очевидно, емкость дисков файлового сервера должна быть много больше, чем на обычном компьютере, так как он используется многими компьютерами. В сети может быть несколько файловых серверов. Можно назвать и другие ресурсы файлового сервера, предоставляемые в совместное использование пользователям сети, например: принтер, плоттер, модем, устройство для факсимильной связи. Любой компьютер сети, имеющий разделяемый ресурс, может быть назван сервером. Так, компьютер с разделяемым модемом, к которому имеют доступ пользователи с других компьютеров, — это модемный сервер или коммуникационный сервер. Другой компьютер, к которому подключен разделяемый принтер, может быть назван сервером печати и т.д.

Сетевое программное обеспечение, управляющее ресурсами файлового сервера и предоставляющее к ним доступ многим пользователям сети, называется сетевой операционной системой (СОС). Основная часть СОС размещается на файловом сервере, на рабочих станциях устанавливается только небольшая оболочка, выполняющая роль интерфейса между программами, обращающимися за ресурсом, и файловым сервером.

Все программные системы, ориентированные на работу в рамках этой концепции, позволяют пользователю использовать ресурсы файлового сервера. Как правило, сами эти программные системы также могут храниться на файловом сервере, могут использоваться всеми пользователями одновременно, но для выполнения модули этих программ по мере необходимости перекачиваются на рабочую станцию и там выполняют работу, для которой они предназначены. При этом вся обработка данных, даже если они являются общим ресурсом и хранятся на файловом сервере, производится на компьютере пользователя. Очевидно, что для этого файлы, в которых хранятся эти данные, должны быть сначала перемещены на компьютер пользователя.

Во второй концепции, называемой конфигурацией клиент-сервер, программное обеспечение ориентировано не только на коллективное использование ресурсов, но и на их обработку в месте размещения ресурса по запросам пользователей. Программные системы конфигурации клиент-сервер состоят из двух частей: программного обеспечения сервера и программного обеспечения пользователя-клиента. Работа этих систем организуется следующим образом: программы- клиенты выполняются на компьютере пользователя и посылают запросы к программе- серверу, которая работает на компьютере общего доступа. Основная обработка данных производится мощным сервером, а на компьютер пользователя посылаются только результаты выполнения запроса. Так, например сервер баз данных используется в банковских системах в мощных СУБД, таких как Microsoft SQL Server, Oracle и др., работающих с распределенными базами данных. Серверы баз данных рассчитаны на работу с большими объемами данных (десятки гигабайт и более) и большое число пользователей и обеспечивают при этом высокую производительность, надежность и защищенность. В приложениях глобальных сетей конфигурация клиент-сервер является основной. Широко известны Web-серверы, обеспечивающие хранение и обработку гипертекстовых страниц, FTP-серверы, серверы электронной почты и множество других. Клиентские программы этих вычислительных систем позволяют сформулировать запрос на получение услуги со стороны этих серверов и затем принять от них ответ.

Топология сети — это логическая схема соединения каналами связи компьютеров — узлов сети. Чаще всего в локальных сетях используется одна из трех основных топологий: моноканальная, кольцевая или звездообразная. Большинство других топологий является производными от перечисленных.

Для определения последовательности доступа узлов сети к каналу и предотвращения наложения передач пакетов данных различными узлами необходим метод доступа.

Метод доступа — это набор правил, определяющий использование канала передачи данных, соединяющего узлы сети на физическом уровне.

Самыми распространенными методами доступа в локальных сетях перечисленных топологий являются соответственно Ethernet, Token-Ring, Arcnet, реализуемые соответствующими сетевыми платами или адаптерами. Сетевая плата является физическим устройством, которое устанавливается в каждом компьютере сети и обеспечивает передачу и прием информации по каналам сети.

Сеть моноканальной топологии использует один канал связи, объединяющий все компьютеры сети (рис.2.2.).

Самым распространенным методом доступа в сетях этой топологии является метод доступа с прослушиванием несущей частоты и обнаружением конфликтов — CSMA/CD.

При этом методе доступа узел прежде чем послать данные по коммуникационному каналу прослушивает его и только, убедившись, что канал свободен, посылает пакет. Если канал занят, узел повторяет попытку передать пакет через случайный промежуток времени. Данные, переданные одним узлом сети, поступают во все узлы, но только узел, для которого предназначены эти данные, распознает и принимает их. Несмотря на предварительное прослушивание канала, в сети могут возникать конфликты, заключающиеся в одновременной передаче пакетов двумя узлами. Они связаны с тем, что имеется временная задержка сигнала при прохождении его по каналу. Сигнал послан, но не дошел до узла, прослушивающего канал, вследствие чего он счел его свободным и начал свою передачу.

Рис. 2.2. Локальная сеть моноканальной топологии

Характерным примером сети с этим методом доступа является сеть Ethernet. В сети Ethernet обеспечивается скорость передачи данных для локальных сетей равная 10 Мбитам в секунду.

Моноканальная топология обеспечивает эффективное использование пропускной способности канала, устойчивость к неисправности отдельных узлов, простоту реконфигурации и наращивания сети.

Сеть кольцевой топологии использует в качестве канала связи замкнутое кольцо из приемо-передатчиков, соединенных коаксиальным или оптическим кабелем (рис.2.3.). Самым распространенным методом доступа в сетях этой топологии является Token-Ring — метод доступа с передачей маркера. Маркер — это пакет, снабженный специальной последовательностью бит информации. Он последовательно передается по кольцу от узла к узлу в одном направлении.

Рис. 2.3. Сеть кольцевой структуры

Каждый узел ретранслирует передаваемый маркер. Узел может передать свои данные, если он получил пустой маркер. Маркер с пакетом передается, пока не обнаружится узел, которому предназначен пакет. В этом узле данные принимаются, но маркер не освобождается, а передается по кольцу дальше. Только вернувшись к отправителю, который может убедиться, что переданные им данные благополучно получены, маркер освобождается. Пустой маркер передается следующему узлу, который при наличии у него данных, готовых к передаче, заполняет его и передает по кольцу.

В сетях Token-Ring обеспечивается скорость передачи данных равная 4 Мбитам в секунду.

Ретрансляция данных узлами в такой сети приводит к снижению ее надежности, так как неисправность в одном из узлов сети разрывает всю сеть.

Сеть звездообразной топологии имеет активный центр (АЦ) — компьютер, объединяющий все остальные компьютеры сети (рис.2.4.).

Рис.2.4. Сеть звездообразной структуры

АЦ полностью управляет компьютерами, подключёнными к нему через концентратор, который выполняет функции распределения и усиления сигналов. От надежности АЦ полностью зависит работоспособность сети. Самым распространённым методом доступа в сетях этой структуры является Arcnet. Этот метод доступа также использует маркер для передачи данных. Маркер передается от узла к узлу, как по логическому кольцу, обходя узлы в порядке возрастания их адресов. Как и в кольцевой топологии, каждый узел регенерирует маркер. Метод доступа обеспечивает скорость передачи данных, равную 2 Мбитам в секунду.

По мере все более широкого распространения локальных сетей возникают проблемы, связанные с обменом информацией между разными сетями. Так, в рамках университета могут в нескольких учебных классах использоваться локальные сети, причем это могут быть сети разных типов.

Для обеспечения связи между этими сетями используются средства межсетевого взаимодействия, называемые мостами (Bridge) и маршрутизаторами (Router). В качестве моста и маршрутизатора могут использоваться компьютеры, в которых установлено по два или более сетевых адаптера. Каждый из адаптеров обеспечивает связь с одной из связываемых сетей.

Мост или маршрутизатор получает пакеты, посылаемые компьютером одной сети компьютеру другой сети, переадресует их и отправляет по указанному адресу. Мосты, как правило, используются для связи сетей с одинаковыми коммуникационными системами, например для связи двух сетей Ethernet или двух сетей Arcnet. Маршрутизаторы связывают сети с разными коммуникационными системами, так как имеют средства преобразования пакетов одного формата в другой. Существуют мосты-маршрутизаторы (Brouter), объединяющие функции обоих средств.

Для обеспечения связи сетей с различными компьютерными системами предназначены шлюзы (Gateway). Например, в общей структуре корпоративной сети через шлюз локальная сеть может быть связана с мощным внешним компьютером.

Дата добавления: 2013-12-13