Сетевые технологии в корпоративных информационных системах

4.1. Компьютерные сети

С момента появления первой ЭВМ эволюция развития компьютерной техники шла по пути создания высокопроизводительных больших ЭВМ, (мэйнфреймы), ккоторым подключались неинтеллектуальные терминалы (монитор с клавиатурой без жесткого диска и процессора). Команды и запросы, вводимые с клавиатуры, посылались на мэйнфрейм, обрабатывались, выполнялись необходимые вычисления, а затем результат пересылался клиенту обратно на терминал.

С появлением и совершенствованием персональных ЭВМ, возникла острая необходимость обмена данными между персональными компьютерами, т. е. обеспечения между ними каналов связи (каналов передачи данных). Таким образом, ПК стали объединяться и образовывать компьютерные сети.

Компьютерная сеть – это совокупность распределенных (в пространстве) компьютеров, связанных между собой каналами передачи данных.

С развитием компьютерных информационных технологий главным предназначением компьютерной сети становитсясоздание распределенных баз и банков данных; обеспечение разграниченного доступа пользователей к информационным ресурсам сети; организация для пользователей различных услуг.

Подобно отдельно взятому компьютеру, компьютерные сети по-прежнему содержат в себе программные и аппаратные компоненты.

Программные компоненты состоят из сетевых операционных систем (ОС) и сетевых приложений [3].

Сетевые ОС – это упорядоченная совокупность программ, обеспечивающих решение специальных задач по управлению работой компьютеров сети. Сетевые ОС устанавливаются на специально выделенные компьютеры, которые называют серверы (Server).

Сетевые приложения – это прикладные программные комплексы, которые расширяют возможности сетевых ОС. Примерами таких комплексов можно назвать почтовые программы, программы, обеспечивающие коллективную работу в сети, программы управления сетевыми базами данных и др.

Аппаратные компоненты сети содержат в себе совокупность компьютеров различного назначения и канальное оборудование, обеспечивающее физическое соединение компьютерных средств.

4.2. Классификация компьютерных сетей

Компьютерные сети, как правило, классифицируются по различным признакам [3]:

А. По территориальному признаку.

КС часто условно делят на три большие категории: ГВС - глобальные вычислительныесети (Wide Area Network – WAN), РВС - региональные (городские) вычислительныесети(Metropolitan Area Network – MAN) и ЛВС - локальные вычислительные сети(Local Area Network – LAN).

Глобальные сети WAN - (Wide Area Network) позволяют организовать взаимодействие между абонентами на больших расстояниях. Эти сети работают на относительно низких скоростях и могут вносить значительные задержки в передачу информации. Протяженность глобальных сетей может составлять тысячи километров, поэтому они так или иначе интегрированы с сетями масштаба страны.

Региональные сети MAN - (Metropolitan Area Network) позволяют взаимодействовать на территориальных образованиях меньших размеров и работают на скоростях от средних до высоких, но не могут обеспечить взаимодействие на больших расстояниях. Протяженность городских сетей находится в пределах от десятков до сотен километров.

Локальные вычислительные сети LAN - (Local Area Network) обеспечивают наивысшую скорость обмена информацией между компьютерами. Типичная локальная сеть занимает пространство в пределах одного здания. Протяженность локальных сетей составляет около одного километра. Их основное назначение состоит в объединении пользователей для совместной работы. Такие сети организуются внутри здания, этажа или комнаты.

Б. По способам коммутации и передачи данных.

В настоящее время различают системы передачи данных с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема–передачи абонентских пунктов и ЭВМ постоянно соединены между собой, т. е. находятся в режиме «on-line». В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линий связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.

При коммутации абонентских пунктов и ЭВМ только на время передачи информации (режим «off-line») принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: каналов, сообщений и пакетов.

Коммутация каналов. Способ коммутации каналов заключается в установлении физического канала связи для передачи данных непосредственно между абонентами сети. При использовании коммутируемых каналов тракт (путь) передачи данных образуется из самих каналов связи и устройств коммутации, расположенных в узлах связи.

Установление соединения заключается в том, что абонент посылает в канал связи заданный набор символов, прохождение которых по сети через соответствующие узлы коммутации вызывает установку нужного соединения с вызываемым абонентом. Этот транзитный канал образуется в начале сеанса связи, остается фиксированным на период передачи всей информации и разрывается только после завершения передачи информации. Такой способ соединения используется в основном в сетях, где требуется обеспечить непрерывность передачи сообщений (например, при использовании телефонных каналов связи и абонентского телеграфа). В этом случае связь абонентов возможна только при условии использования ими однотипной аппаратуры, одинаковых каналов связи, а также единых кодов. К достоинствам такого способа соединения абонентов сети следует отнести:

– гибкость системы соединения в зависимости от изменения потребностей;

– высокую экономичность использования каналов, достигаемую за счет их эксплуатации только в течение времени установления связи и непосредственно передачи данных;

– невысокие расходы на эксплуатацию каналов связи (на порядок меньше, чем при эксплуатации некоммутируемых линий связи).

Способ коммутации каналов более оперативный, так как позволяет вести непрерывный двусторонний обмен информацией между двумя абонентами.

Недостатками коммутируемых каналов связи является необходимость использования специальных и коммутирующих устройств, которые снижают скорость передачи данных и достоверность передаваемой информации. Использование специальных методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности передачи информации в сети, влечет за собой снижение скорости передачи данных за счет:

увеличения объема передаваемой информации, вызванного необходимостью введения избыточных знаков;

потерь времени на кодирование информации в узле-передатчике и декодирование, логический контроль и другие преобразования в узле-приемнике.

Коммутация сообщений. При коммутации сообщений поступающая на узел связи информация передается в память узла связи, после чего анализируется адрес получателя. В зависимости от занятости требуемого канала сообщение либо передается в память соседнего узла, либо устанавливается в очередь для последующей передачи. Таким образом, способ коммутации сообщений обеспечивает поэтапный характер передачи информации. В этом случае сообщения содержат адресный признак (заголовок), в соответствии с которым осуществляется автоматическая передача информации в сети от абонента-передатчика к абоненту-приемнику. Все функции согласования работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей сообщений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) коммутации сообщений. Основное функциональное назначение центра коммутации сообщений – обеспечить автоматическую передачу информации от абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и требованиями к качеству и надежности связи.

Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (которая в этом случае может достигать 80, 90% от максимального значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется одновременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования возможно совместное применение перечисленных методов коммутации, основой которого служат следующие условия:

– использование в одном и том же узле связи аппаратуры для коммутации каналов и для коммутации сообщений (тот или иной способ коммутации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);

– организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уровней иерархии и коммутацией сообщений для нижних уровней.

Коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ методов коммутацией каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В этом отношении указанный метод близок к методу коммутации каналов.

При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, т. е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при методе коммутации сообщений.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами.

Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов:

– в системах первого типа устройство коммутации анализирует адрес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необходимый для передачи информации;

– в системах второго типа - пакеты рассылаются по всем каналам и терминалам. Каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализировав адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным адресом, осуществляет прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.

Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип применим для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.

В. По технологии выполнения сети (техническая реализация).

Механизмы передачи данных в локальных и глобальных сетях существенно отличаются. Глобальные сети ориентированы на соединение – до начала передачи данных между абонентами устанавливается соединение. В локальных сетях используются методы, не требующие предварительной установки соединения, – пакет с данными посылается без подтверждения готовности получателя к обмену.

С появлением вычислительных сетей получили значительное развитие и утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet, Token Ring, Frame Relay, ATM. Они позволили быстро и эффективно объединять компьютеры различных типов и передавать данные со скоростями до 10 Мбит/с в локальных сетях, в то время как глобальные сети обеспечивали скорости до 1200 бит/с.

Современными тенденциями развития технологий являются:

- быстрое развитие вычислительных сетей;

- сокращение разрыва между локальными и глобальными сетями, в основном из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи;

- появление в ЛВС разнообразного коммутирующего оборудования (коммутаторы, маршрутизаторы и т.д.);

- обработка в сетях своеобразной информации (видеоизображение, голос, рисунки).

В табл. 4.1 перечислены основные технологии, используемые в тех или иных сетях [4].

Таблица 4.1

Технология	Масштаб сети	Технология	Масштаб сети
Arcnet	LAN	FDDI	MAN
100VG-AnyLAN AnyLAN AnyLAN	LAN	DQDB	MAN
Token Ring	LAN	SMDS	MAN
Х.25	LAN	ATM	WAN
Ethernet	LAN	B-ISDN	WAN
Frame Relay	MAN

Кроме разницы в скорости передачи данных между этими категориями сетей существуют и другие отличия. В локальных сетях каждый компьютер имеет сетевой адаптер, который соединяет его со средой передачи. Региональные сети содержат активные коммутирующие устройства, а глобальные сети обычно состоят из групп мощных маршрутизаторов пакетов, объединенных каналами связи.

Г. По структуре построения (топология) сети (рис. 4.1):

а) радиальная (звездообразная),

б) кольцевая,

в) многосвязная («каждый с каждым»),

г) «общая шина, магистраль»,

д) иерархическая.

На рис.4.1 символом «К» обозначено устройство коммутации физических линий связи.

Д. По возможности использования:

Частные сети (private) – ЛВС организации, корпорации,

Сети общего пользования (public) – сети телекоммуникаций, связывающие ЛВС: АТС, узлы радио- и космической связи и т. п.

Ж. По совместимости:

однородные,

неоднородные.

Рис. 4.1. Топологии сетей

Однородные (гомогенные) сети – это сети, состоящие из программно-совместимых ЭВМ.

Неоднородные (гетерогенные) сети – это сети, состоящие из программно-несовместимых ЭВМ.

4.3. Понятие интерфейса и протокола компьютерных сетей

В общепринятом понимании интерфейс (interface)рассматривается как средство, обеспечивающее взаимодействие между (inter) объектами или лицами (face).

Существует множество различных интерфейсов: интерфейс пользователя, аппаратно - программный интерфейс, межпрограммный (межуровневый) интерфейс, интерфейс приложений и др.

При передаче сообщений в рамках сетевого обмена оба участника должны следовать множеству соглашений [3]. Например, они должны согласовать уровни и форму сигналов, способ определения длины сообщений, "договориться" о методах контроля и др. Совокупность правил и соглашений, которым должны следовать участники обмена называются протоколами. В рамках сетевого обмена различают два типа сетевых протоколов.

Протокол с установлением соединения CONS – Connection – Oriented Network Service предполагает, что перед началом обмена отправитель и получатель должны сначала установить соединение, а после завершения диалога – разорвать соединение.

Протокол без предварительного установления соединения CLNS – Connection-Less Network Service (дейтаграммный протокол) допускает передачу сообщений при их готовности.

4.4. Понятие "открытой" системы. Модель OSI.

Как правило, обмен данными в сети осуществляется фиксированными по длине блоками, которые называются пакетами. Состав пакета показан на рис.4.2.

Адрес получателя

Адрес отправителя

Данные

Контрольная сумма

Рис.4.2. Структура пакета

Приняв пакет, принимающая сторона, анализируя данные, осуществляет подсчет контрольной суммы принятых данных, а затем сравнивает полученную контрольную сумму с принятой, при совпадении контрольных сумм считается, что данные приняты без искажений.

Понятие "открытой" системы означает, что участники обмена информацией взаимодействуют между собой общаясь "на одном языке". Вместе с тем, в некоторых случаях может возникнуть ситуация, когда участники обмена не могут "понять" друг друга из-за различий аппаратных платформ, выполненных различными производителями. Под взаимодействием устройств подразумевается, что все устройства, участвующие в обмене, должны следовать общепризнанным принципам и быть понимаемы друг другом [3]. С этой целью в 1984г. Международная организация по стандартизации (International Organization of Standardization – ISO) предложила семиуровневую эталонную коммуникационную модель «Взаимодействие открытых систем» (Open System Interconnection – OSI) см.рис.4.3. Модель OSI стала основой для разработки стандартов на взаимодействие систем. Она определяет только схему выполнения необходимых задач, но не дает конкретного описания их выполнения. Это осуществляется конкретными протоколами или правилами, разработанными для определенной технологии с учетом модели OSI. Уровни OSI могут реализовываться как аппаратно, так и программно.

Рис.4.3. Протоколы и интерфейсы модели OSI.

Основная идея модели OSI состоит в том, что сторона отправителя должна преобразовать посредством последовательного перехода по семи уровням передаваемую информацию в форму, способную "пройти" по физическому каналу передачи данных, а принимающая сторона, выполнив обратные преобразования, представить информацию в виде воспринимаемом пользователем. При этом одинаковые уровни в разных системах, не имея возможности связываться непосредственно, должны иметь на своих выходах идентичное представление преобразованных данных, не зависимо от аппаратно-программной реализации процесса преобразования. Это обеспечивается формализованными правилами – протоколами, определяющими последовательность и формат сообщений на каждом из семи уровней. При этом на одном и том же узле протоколы соседних уровней взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами, называемыми интерфейсом [3]. Здесь интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему уровню.

4.5. Уровни модели OSI [3]

Физический уровень – самый низкий в модели OSI. На данном уровне определяются электрические, механические, функциональные и иные параметры реализации физической связи. Физический уровень описывает процесс прохождения сигналов через среду передачи между сетевыми устройствами. Ею могут быть медный кабель (коаксиальный кабель, витая пара и т. д.), оптоволокно, радиоканал. На этом уровне определяются характеристики электрических сигналов: фронты импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, типы кодирования, скорости передачи сигналов. В компьютере физический уровень поддерживается сетевым адаптером. Единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне, являются повторители.

Канальный уровень - обеспечивает надежную передачу данных через физический канал. Канальный уровень оперирует блоками данных, называемыми кадрами (frame). В локальных сетях используется разделяемая среда передачи. Основным назначением канального уровня является прием кадра из сети и отправка его в сеть. Функции канального уровня реализуются установленными в компьютерах сетевыми адаптерами и соответствующими драйверами, а также различным коммуникационным оборудованием. Эти устройства должны:

– формировать кадры;

– анализировать и обрабатывать кадры;

– принимать кадры из сети и отправлять их в сеть.

Канальный уровень обеспечивает правильность передачи каждого кадра, добавляя к кадру его контрольную сумму.

Сетевой уровень - решает вопросы объединения сетей с разными принципами передачи данных между конечными узлами для образования единой транспортной системы. Здесь сеть является не просто объединением компьютеров, а соединением по одной из типовых технологий, использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня. На сетевом уровне происходит обмена данными между сетями. Обмен данными осуществляется порциями, которые формируются в виде пакета. Каждый пакет кроме адреса компьютера снабжается адресом сети, как получателя, так и отправителя. Для соединения сетей используется специальное устройство маршрутизатор, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и выбирает наилучший маршрут по критерию время передачи пакета или надежность передачи. На сетевом уровне выделяются два вида протоколов – это сетевые протоколы, с помощью которых осуществляется продвижение пакетов через сеть. К ним можно отнести и так называемые протоколы маршрутизации, с помощью которых маршрутизаторы обмениваются маршрутной информацией. Второй вид протокола – протокол разрешения адресов, который отвечает за преобразование адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети.

Транспортный уровень. На транспортном уровнерешаются вопросы обеспечения надежности передачи данных, обнаружения и исправления ошибок передачи (искажение, потеря и дублирование пакетов). Модель OSI предполагает пять классов сервиса, которые определяются качеством предоставляемых услуг по надежности. Протоколы транспортного уровня и выше реализуются программными средствами узлов сети, компонентами сетевых систем.

Дата добавления: 2014-12-27