Тема 8. Сети и телекоммуникации

Понятие сети. Возможности сети. Классификация сетей

Сеть - это совокупность программных, технических и коммуникационных средств, обеспечивающих эффективное распределение вычислительных ресурсов.

Сеть позволяет:

- построить распределенные хранилища информации (базы данных);

- расширить перечень решаемых задач по обработке информации;

- повысить надежность информационной системы за счет дублирования работы ПК;

- создать новые виды сервисного обслуживания, например электронную почту;

- снизить стоимость обработки информации;

- организовать совместное использование файлов, программ.

В 60-х годах XX в. появились первые вычислительные сети ЭВМ. По сути, они произвели своего рода техническую революцию, сравнимую с появлением первых ЭВМ, так как была осуществлена попытка объединить технологию сбора, хранения, передачи и обработки информации на ЭВМ с техникой связи.

Одной из первых сетей, оказавших влияние на дальнейшее развитие сетевых технологий, явилась ArpaNet (сеть АРПА), созданная пятьюдесятью университетами и фирмами США. Она «родилась» в 1969 г., когда три ЭВМ в Лос-Анджелесе, Санта-Барбаре и Мендоу-Парке объединились в сеть. Затем она охватила всю территорию США, часть Европы и Азии. Сеть АРПА показала техническую возможность и экономическую целесообразность разработки больших сетей для более эффективного использования ресурсов ЭВМ и программного обеспечения.

Компьютерные сети — это системы компьютеров, объединенных каналами передачи данных, обеспечивающие эффективное предоставление различных информационно-вычислительных услуг пользователям посредством реализации удобного и надежного доступа к ресурсам сети.

Компьютерные сети обеспечивают выполнение следующих задач:

- хранение и обработка данных;

- организация доступа пользователей к данным;

- передача данных и результатов обработки данных пользователям.

Эффективность решения перечисленных задач обеспечивается:

- дистанционным доступом пользователей к аппаратным, программным и информационным ресурсам;

- высокой надежностью системы;

- возможностью оперативного перераспределения нагрузки;

- специализацией отдельных узлов сети для решения определенного класса задач;

- решением сложных задач совместными усилиями нескольких узлов сети;

- возможностью осуществления оперативного контроля всех узлов сети.

Компоненты сети

- серверы (server) - компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям;

- клиенты (client) - компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым сервером;

- среда (media) - способ соединения компьютеров;

- совместно используемые данные;

- совместно используемые периферийные устройства;

- ресурсы - файлы, принтеры и другие элементы, используемые в сети.

Основные показатели качества компьютерных сетей: полнота выполняемых функций, производительность, пропускная способность, надежность сети, безопасность информации, прозрачность сети, масштабируемость, интегрируемость, универсальность сети.

При объединении разнородных ЭВМ в сеть возникает много проблем. Необходимо согласовать взаимодействие ЭВМ клиентов, серверов, линий связи и других устройств. Они были решены посредством применения многоуровневой системы протоколов.

Для стандартизации протоколов была создана международная организация стандартов ISO (International Standard Organization).

ISO ввела понятие архитектуры открытых систем. Большая система разбивается на уровни. Уровни представляют собой самостоятельные системы, взаимодействующие между собой по определенным правилам. Сами системы могут быть созданы на различных технических средствах. Каждая из них выполняет свои функции.

Международная организация стандартов установила семь уровней сети: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный, прикладной (рис. 8.1.).

Три верхних уровня (прикладной, представительный и сеансовый) вместе с прикладными процессами образуют область обработки данных, реализующих информационные процессы, выполняемые в системах. Процессы этой области используют сервис по транспортировке данных четвертого уровня, который осуществляет процедуры передачи информации от системы-отправителя к системе-адресату.

Рис. 8.1. Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем

Уровни управления модели OSI

Уро-вень	Наименование	Основная задача	Выполняемые функции
	Физический	Сопряжение физического канала	Установление, поддержка и разъединение физического канала
	Канальный	Управление передачей по информационно­му каналу	Управление передачей кадров, контроль данных, обеспечение прозрачности и проверка состояния информационного кана­ла. Обрамление массивов слу­жебными символами, управле­ние каналом
	Сетевой	Маршрутизация пакетов	Управление коммуникационными ресурсами, маршрутизация па­кетов, обрамление служебными символами управления сетью
	Транспортный	Управление ло­гическими кана­лами	Управление информационными потоками, организация логи­ческих каналов между процесса­ми, обрамление служебными символами запроса и ответа
	Сеансовый	Обеспечение сеансов связи	Организация поддержки и окон­чания сеансов связи, интерфейс с транспортным уровнем
	Представи­тельный	Параметриче­ское отображе­ние данных	Генерация и интерпретация ко­манд взаимодействия процессов. Представление данных прог­рамме пользователей
	Прикладной	Выполнение процессов	Вычислительные, информацион­но-поисковые и справочные ра­боты. Логическое преобразова­ние информации пользователей

Три нижних уровня (сетевой, канальный и физический) образуют область передачи данных между множеством взаимодействующих систем, реализуют коммуникационные процессы по транспортировке данных.

Каждый уровень решает свои задачи и обслуживает расположенный над ним уровень. Правила взаимодействия разных систем одного уровня называют протоколом.

Правила взаимодействия соседних уровней в одной системе - интерфейсом. Каждый протокол должен быть прозрачным для соседних уровней.

Прозрачность - свойство передачи информации, закодированной любым способом, понятное взаимодействующим уровням.

Сетевую технологию обеспечивает сетевая операционная система. Сетевой операционной системой называют реализацию протоколов и интерфейсов совместно с реализацией управления серверами. Часть протоколов реализуется программно, часть - сетевыми серверами. Наиболее популярными сетевыми операционными системами являются Windows NT и Linux, совместимая с 2000 г. с приложениями Unix.

Протоколы операционной системы сети реализуют интерфейс между операционными системами разнотипных ЭВМ. Основополагающим в этом случае является принцип виртуальности, определяющий общность процессов через виртуальный терминал, виртуальный файл, виртуальное задание и т.д.

Существенным для прикладных процессов здесь является включение в систему обмена каналов связи, увеличивающих время реакции, а также реализация взаимодействия процессов удаленных ЭВМ с управляющими системами сети.

Совокупность программно- и аппаратно-реализованных протоколов информационного обмена и процедур, осуществляющих интерфейс управляющих сигналов и данных, должна образовывать в логическом смысле единую операционную систему сети вне зависимости от способа и места ее реализации.

Техническое обеспечение компьютерных сетей включает следующие компоненты:

- серверы, рабочие станции;

- каналы передачи данных;

- интерфейсные платы и устройства преобразования сигналов;

- маршрутизаторы и коммутационное оборудование.

Рабочая станция — компьютер, через который пользователь получает доступ к ресурсам сети. Часто рабочую станцию, так же как и пользователя сети, называют клиентом сети.

Сервер — это предназначенный для обработки запросов от всех рабочих станций сети многопользовательский компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам. Сервер работает под управлением сетевой операционной системы.

Сервер приложений — это работающий в сети компьютер большой мощности, имеющий программное обеспечение (приложения), с которым могут работать клиенты сети.

Специализированные серверы применяют для создания и управления базами данных и архивами данных, поддержки многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управления многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и т. д. Можно привести следующие примеры специализированных серверов: файл-сервер, факс-сервер, почтовый сервер, сервер печати, серверы-шлюзы.

Хост-компьютерами называют такие компьютеры, которые имеют непосредственный доступ в глобальную сеть.

Узлы коммутации предназначены для приема, анализа и отправки данных по выбранному направлению. В сетях с маршрутизацией узлы коммутации осуществляют выбор маршрута.

Устройства коммутации являются наиболее важным оборудованием систем передачи информации в вычислительных сетях. Применение таких устройств значительно сокращает протяженность каналов связи в сетях с несколькими взаимодействующими абонентами. В узлах коммутации применяются также концентраторы и удаленные мультиплексоры. Их назначение заключается в объединении и уплотнении входных потоков данных, поступающих от абонентов по низкоскоростным каналам связи, в один или несколько более скоростных каналов связи, и наоборот.

Концентраторы (хабы) используются для коммутации каналов в компьютерных сетях. Основные функции концентратора заключаются в повторении сигналов и концентрировании в себе функций объединения компьютеров в единую сеть.

Модем — устройство прямого (модулятор) и обратного (демодулятор) преобразования сигналов в вид, принятый для использования в определенном канале связи.

Типы сетей

Сети подразделяются на два типа: одноранговые и на основе сервера. Между этими двумя типами сетей существуют принципиальные различия, которые определяют их разные возможности. Выбор типа сети зависит от многих факторов: размера предприятия и вида его деятельности, необходимого уровня безопасности, доступности административной поддержки, объема сетевого трафика, потребностей сетевых пользователей, финансовых возможностей.

В одноранговой сети все компьютеры равноправны. Каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер. Нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Пользователи сами решают, какие ресурсы на своем компьютере сделать доступными в сети.

Одноранговые сети, как правило, объединяют не более 10 компьютеров. Отсюда их другое название — рабочие группы. Одноранговые сети относительно просты, дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных компьютеров. Требования к производительности и уровню защиты сетевого программного обеспечения (ПО) ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Поддержка одноранговых сетей встроена во многие операционные системы (ОС), поэтому для организации одноранговой сети дополнительного ПО не требуется.

Если в сети более 10 компьютеров, то одноранговая сеть становится недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей имеют другую конфигурацию — они работают на основе выделенного сервера. Выделенным сервером называется такой компьютер, который функционирует только как сервер и не используется в качестве клиента или рабочей станции. Он специально оптимизирован для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и обеспечивает защиту файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом.

Классификация сетей:

- по программной совместимости ЭВМ: однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные);

- по типу организации передачи данных: с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений, с коммутацией пакетов, смешанные системы;

- по характеру реализуемых функций: вычислительные, информационные, смешанные;

- по способу управления: с децентрализованным, централизованным и смешанным управлением;

- по структуре построения: одноузловые и многоузловые, одноканальные и многоканальные;

- по структуре сети связи, т.е. способу соединения абонентов друг с другом и ЭВМ (топологии): радиальная (звездообразная), кольцевая, многосвязная («каждым с каждым»), иерархическая, общая шина (шинная) и др.

Топология «Общая шина»

В сети с общей шиной все машины подключены вдоль одного кабеля, именуемого магистралью или сегментом. Сети данного типа популярны благодаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, легкости расширения сети. К недостаткам шинной топологии следует отнести необходимость использования довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.

Топология «звезда»

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором. Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Сети такой топологии находят наиболее частое применение в автоматизированных учрежденческих системах управления, использующих центральную базу данных. Звездообразные сети менее надежны, чем сети с общей шиной или иерархические. К недостаткам также можно отнести значительное потребление кабеля.

Топология «кольцо»

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер.

При этом абонент - получатель должен пометить полученную информацию специальным маркером, иначе могут появиться “заблудшие” данные, мешающие нормальной работе сети.

Как последовательная конфигурация кольцо особенно уязвимо в отношении отказов: выход из строя какого-либо сегмента кабеля приводит к прекращению обслуживания всех пользователей.

Топология «дерево»

Иерархическая сеть (конфигурация типа “дерево”) представляет собой более развитый вариант структуры сети, построенной на основе общей шины. Дерево образуется путем соединения нескольких шин с корневой системой, где размещаются самые важные компоненты сети. Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами сети несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории, и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих десятки и даже сотни абонентов.