Архитектура компьютерных сетей
КУРС «КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
ТЕМА 5a
СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Понятие компьютерных сетей
Компьютерная сеть (КС) – это совокупность нескольких компьютеров или вычислительных систем, объединенных между собой средствами телекоммуникаций в целях эффективного использования вычислительных и информационных ресурсов при выполнении информационно-вычислительных работ.
Задачи, которые решаются с помощью персональных компьютеров, работающих в локальной сети:
1. Разделение файлов. (позволяет многим пользователям одно временно работать с одним и тетм же файлом, который хранится на цен тральном файл-сервере);
2. Передача файлов (позволяет быстро копировать файлы любого размера с одного компьютера на другой);
3. Доступ к информации и файлам (позволяет запускать прикладные программы с любой рабочей станции компьютерной сети);
4. Разделение прикладных программ (дает возможность двум пользователям применять одну и ту же копию программы);
5. Одновременный ввод данных в прикладные программы (сетевые прикладные программы позволяют нескольким пользователям одновременно вводить данные, необходимые для работы этих программ);
6. Разделение принтера, накопителя и т.д.
В глобальном масштабе компьютерные сети позволяют решить следующие задачи:
1. Обеспечение информацией по всем областям человеческой деятельности;
2. Электронные коммуникации (электронная почта, телеконференции и т.д.).
В настоящее время компьютерные сети делят по территориальному размещению на:
1. Локальные компьютерные сети, LAN-сети (Local Area Network);
2. Региональные компьютерные сети, MAN-сети (Metropolitan Area Network);
3. Глобальные компьютерные сети, WAN-сети (Wide Area Network).
Корпоративная сеть – это, как правило, закрытая компьютерная сеть, в состав которой могут входить сегменты LAN-сетей малых, средних и крупных отделений корпорации, объединенные с центральным офисом MAN и WAN компьютерными сетями с использованием сетевых технологий глобальных компьютерных сетей.
Компьютерные сети – это сложный комплекс., включающий в себя технические, программные и информационные средства.
Технические средства составляют:
1. ЭВМ различных типов (от супер до компьютеров малой мощности);
2. Транспортная (телекоммуникационная) среда передачи данных, связывающая вычислительные центры или сервера сети и клиентские машины;
3. Адаптеры (сетевая карта), коммутаторы, концентраторы, шлюзы, маршрутизаторы и другое сетевое оборудование для подключения компьютеров к транспортной телекоммуникационной среде и организации топологии компьютерной сети.
Концентратор (HUB) предназначен для распознавания конфликтов между элементами сети и их ликвидации, а также синхронизации информационных потоков внутри сети.
Коммутатор – аппаратное средство, обеспечивающее прием, контроль поступления и маршрутизацию информационных пакетов.
Маршрутизатор предназначен для организации взаимосвязи между несколькими локальными сетями, объединения их в сети более высокого уровня, распределения потоков информации между сегментами сетей.
Программные средства компьютерных сетей состоят из трех частей: общего, специального и системного программного обеспечения.
Общее программное обеспечение КС включает:
1. Операционную систему (отвечает за распределение потоков заданий и данных между серверами и клиентскими машинами сети, управление подключением и отключением отдельных серверов сети, обеспечение динамики координации работы сети);
2. Систему программирования (включает средства автоматизации составления программ по технологии клиент/сервер, их трансляции и отладки);
3. Систему технического обслуживания (представляет собой комплекс программ для осуществления проверки и профилактики работы технических и программных средств связи).
Архитектура компьютерных сетей
Архитектура компьютерных сетей может рассматриваться с двух точек зрения:
1. С точки зрения топологии КС, т.е. каким образом организована сеть на физическом уровне;
2. С точки зрения ее логической организации, которая включает такие вопросы, как организация доступа пользователей к информационным ресурсам КС, их иерархия, взаимоотношения между компьютерами, сегментами КС, распределения информационных ресурсов по сети (сервера, базы данных и т.д.), управления сетью в целом и др.
При построении компьютерных сетей важным является выбор физической организации связей между отдельными компьютерами, т.е. топологии сети. Топология – описание физических соединений в LAN (или логических связей между узлами), указывающее, какие пары узлов могут связываться между собой.
Наиболее распространены следующие топологии:
1. Шина – кабель, объединяющий узлы в сеть (компьютеры подключаются к одному общему кабелю (шине), по которому и происходит обмен информацией между компьютерами, преимущества - дешевизна и простота разводки кабеля по отдельным помещениям, недостатки - низкая надежность, так как любой дефект общего кабеля полностью парализует всю сеть, а также невысокая производительность, поскольку в любой момент только один компьютер может передавать данные в сеть);
2. Звезда – узлы сети соединены с центром кабелями-лучами (предусматривает подключение каждого компьютера отдельным кабелем к концентратору, который находится в центре сети, преимущества - высокая надежность, недостатки – дороговизна);
3. Кольцо – узлы объединены в сеть замкнутой кривой (данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении, если компьютер распознает данные как "свои", то он их принимает, такие сети используются, если требуется контроль предаваемой информации, так как данные, сделав полный оборот, возвращаются к компьютеру-источнику);
4. Смешанная топология – комбинация топологий, перечисленных выше.
Наряду с топологией компьютерной сети, определяющей на физическом уровне построение КС, архитектура компьютерной сети определяет на логическом уровне структуру взаимодействия пользователей, компьютеров и ресурсов КС. Именно на этом уровне руководитель концептуально определяет, кто из пользователей или групп пользователей имеет право доступа к тем или иным ресурсам компьютерной сети (компьютерам, сетевым устройствам, файлам и т.д.) и где находятся эти ресурсы. Администратор компьютерной сети реализует выбранную политику с помощью средств администрирования сети.
На логическом уровне локальные сети могут быть:
1. Одноранговые LAN – это сеть, в которой все компьютеры равноправны и могут выступать в роли как пользователей (клиентов) ресурсов, так и их поставщиков (серверов), предоставляя другим узлам право доступа ко всем или к некоторым из имеющихся в их распоряжении локальным ресурсам (файлам, принтерам, программам);
2. LAN с выделенным сервером. Для эффективного администрирования компьютерных сетей используются сети со специальным компьютером (выделенным сервером).
Существует много серверов компьютерной сети, например, сервер печати, сервер баз данных, сервер приложений, файл-сервер и т.д. В отличие от перечисленных выше сервер компьютерной сети осуществляет управление сетью и на нем, в частности, находятся базы данных, содержащие учетные записи пользователей сети, определяющих их политику доступа к ресурсам КС.
В компьютерных сетях с выделенным сервером рабочие станции подключаются к выделенным серверам, а серверы в свою очередь группируются в домены.
Домен (Domain) – группа компьютеров и периферийных устройств, с общей системой безопасности. В OSI (ниже рассматривается эта модель) термин "домен" используется применительно к административному делению сложных распределенных систем. В сети Internet-часть иерархии имен.
Доменная организация сети позволяет:
1. Упростить централизованное управление сетью;
2. Облегчить создание сетей методом объединения существующих сетевых фрагментов;
3. Обеспечить пользователям однократную регистрацию в сети для доступа ко всем серверам и ресурсам информационной системы независимо от места регистрации.
Важным фактором, определяющим архитектуру компьютерной сети, является ее масштабируемость и, в частности, доменной архитектуры.
При объединении доменов следует выделить три основные модели отношений:
1. Модель мастер-домена (один из доменов объявляется главным, и в нем хранятся записи всех пользователей сети, остальные домены являются ресурсными, все ресурсные домены доверяют главному домену, который является главным мастер-доменом, такая архитектура плохо масштабируется (изменяется число доменов));
2. Модель с несколькими мастер-доменами (несколько доменов объявляются главными, и в каждом из них хранятся учетные записи подмножества пользователей сети, остальные домены являются вторичными, данная модель хорошо масштабируется);
3. Модель полностью доверительных отношений (не существует главного домена, и каждый из них может содержать как учетные записи, так и ресурсы, данная модель хорошо подходит для создания сколь угодно больших сетей, однако чрезвычайно сложна для администрирования сети).
5.3. Internet\Intranet технологии
Интернет изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих локальных, и ее предшественницей, как уже упоминалось, являлась сеть ARPANET. Идея создания Интернет возникла в связи с необходимостью построения отказоустойчивой сети, которая могла бы продолжать работу, даже если большая часть ее стала неработоспособной. Решение состояло в том, чтобы создать сеть, где информационные пакеты могли бы передаваться от одного узла к другому без какого-либо централизованного контроля. Если основная часть сети не работает, пакеты самостоятельно должны передвигаться по сети до тех пор, пока не достигнут точки своего назначения. Одновременно сеть должна быть достаточно устойчивой к возможным ошибкам при передаче пакетов, т.е. обладать механизмом контроля пакетов и обеспечить наблюдение за доставкой информации.
Основой сети Интернет является стек проколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). TCP обеспечивает на передающем компьютере разбивку отправляемого сообщения на куски, так называемые дейтаграммы, восстановление на принимающем компьютере сообщения из поступающих дейтаграмм в нужном порядке, повторную отправку не доставленных или поврежденных дейтаграмм. IP выполняет функции маршрутизации и доставки по адресу отдельных дейтаграмм. Стек TCP/IP изначально был разработан для сети ARPANET и рассматривался как экспериментальный протокол для сети с коммутацией пакетов. Эксперимент дал положительный результат и этот протокол был принят в промышленную эксплуатацию, а в дальнейшем расширялся и совершенствовался в течение нескольких лет. В 1983 г. министерство обороны США объявило о переходе к технологии Интернет. Это означало, что с данного момента все компьютеры, присоединенные к глобальной сети, должны использовать стек TCP/IP.
Существует много причин, почему протоколы TCP/IP были выбраны за основы сети Интернет. Это прежде всего возможность работы с указанными протоколами как в локальных, так и глобальных сетях. Кроме того, эти протоколы обеспечивают взаимодействие компьютеров, работающих под управлением различных операционных систем.
Как уже указывалось выше, задачей протокола IP является маршрутизация пакетов сообщений. Маршрутизация между локальными сетями осуществляется в соответствии с IP-адресами. IP-адрес назначается администратором сети во время конфигурации компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера локальной сети и номера хоста в ней. Хост представляет собой объект сети, который может передавать и принимать IP-адреса, например, компьютер или маршрутизатор.
Номер локальной сети как составной части Интернет назначается по рекомендации специального подразделения Интернет- Internet Network Information Center (InterNIC). Обычно диапазоны адресов у InterNIC получают специальные организации, занимающиеся поставкой услуг Интернет, - провайдеры. Последние распределяют IP-адреса между своими абонентами. Номер хоста в локальной сети администратор назначает произвольно. IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значение каждого байта в десятичной форме и разделенных точками (например, 128.9.1.28). Все IP-адрееа, а значит, и подключаемые к Интернет сети, делятся на четыре класса: класс А, класс В, класс D и класс Е. Сети класса А предназначены главным образом для использования крупными организациями, так как количество таких сетей- 126. Но количество хостов в них составляет 16 777 216. Класс В имеет 65 536 сетей и такое же количество хостов. Класс С определяет 16 777 216 сетей и всего лишь по 256 компьютеров в каждой сети. Сети класса D - это особый класс, т.е. такие IP-адреса присваиваются специфическим сетям, а класс Е зарезервирован для будущих применений.
Поскольку при работе в сети Интернет использовать цифровую адресацию сетей крайне неудобно, то вместо цифр используются символьные имена, называемые доменными именами.
Доменом называется группа компьютеров, объединенных одним именем. Символьные имена дают пользователю возможность лучше ориентироваться в киберпро-странстве Интернет, поскольку запомнить имя всегда проще, чем цифровой адрес. Для преобразования имен в цифровой адрес разработана специальная система DNS (Domain Name System), для реализации которой был создан специальный сетевой протокол DNS. Кроме того, в сети созданы специальные информационно-поисковые компьютеры-серверы (DNS-серверы). DNS-серверы обеспечивают однозначное соответствие между символьными адресами и физическими цифровыми IP-адресами, передаваемыми по сети Интернет. Каждый домен должен иметь свой DNS-сервер. В результате этого в сети Интернет функционирует огромное количество DNS-серверов, которые хранят имена хостов (поддоменов) своего домена. Как и цифровой IP-адрес, имя сервера разделяется точками для удобства построения иерархии в домене на основании имен. По правилам построения имени иерархия задается справа налево. Например, в адресе www.microsoft.com домен верхнего уровня com. По имени можно получить информацию о профиле организации или ее местоположении. Шесть доменов высшего уровня определены следующим образом: gov - правительственные организации, mil - военные организации, edu - образовательные организации, com - коммерческие организации, org - общественные организации, net - организации, предоставляющие сетевые услуги, как правило, региональные сетевые организации.
Кроме того, все страны мира имеют свое собственное символьное имя, обозначающее домен верхнего уровня этой страны. Например, by-Беларусь, de-Германия, us-США, ru-Россия и т.д.