Назначение локальных компьютерных сетей, их компоненты и топология

К локальным компьютерным сетям относятся сети, узлы которых располагаются на небольшом расстоянии друг от друга, обычно не дальше нескольких сотен метров. Примерами таких сетей могут служить сети отдельных предприятий и организаций, а также их структурных подразделений.

Основным назначением ЛВС является предоставление информационных, вычислительных и технических ресурсов подключенным к сети пользователям.

К характерным особенностям ЛВС относятся:

1. Компактное территориальное расположение узлов сети. Расстояние между узлами сети обычно не превышает нескольких сот метров.

2. В качестве среды передачи данных используется кабельная система. Беспроводные средства связи используются крайне редко.

3. В качестве узлов сети чаще всего используются персональные компьютеры. Мэйнфреймы используются в ЛВС специального назначения.

4. Методы доступа, топологии, компоненты ЛВС разнообразны, имеют высокую степень совместимости и гибкости применения, что позволяет разрабатывать сети любой сложности и архитектуры.

Классификация ЛВС. Характеристика отдельных видов ЛВС

Различные виды ЛВС выделяются по следующим признакам:

1. Технология функционирования сети. В зависимости от используемой технологии работы существуют сети Ethernet, Arcnet, Token Ring.

2. Топология построения ЛВС. По этому признаку различают сети с шинной, звездообразной, кольцевой и комбинированными топологиями построения.

3. Наличие или отсутствие сервера в сети. В зависимости от того, имеет ли ЛВС в своем составе выделенный сервер или все узлы сети равноправны различают иерархические и одноранговые сети.

4. В зависимости от типа среды передачи данных выделяют сети, построенные на основе коаксиального кабеля, витой пары, волоконно-оптического кабеля. Существуют также ЛВС, отдельные части которых используют разные типы кабелей.

При построении архитектуры ЛВС следует учитывать существующие зависимости между используемыми технологиями работы, топологиями сети и кабельной системой. Возможные сочетания этих элементов архитектуры определены соответствующими стандартами и спецификациями.

Отметим, что основными методами доступа при построении современных ЛВС являются высокоскоростные технологии Ethernet, которые называются, соответственно, Fast Ethernet (скорость передачи – 100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (скорость передачи 1Гбит/с).

Сервер

Коммутатор

Шины Ethernet

Коммутатор

Коммутатор

Коммутатор

Рабочие станции сети

Рис. 5.10 ЛВС с технологией Ethernet в топологии «звезда».

Одноранговые ЛВС. В одноранговых ЛВС все компьютеры сети имеют равные права.

Ресурсы сети распределены равномерно между разными компьютерами сети. Любой из компьютеров может разделять ресурсы с любыми другими компьютерами ЛВС.

При этом компьютер сам управляет использованием ресурса, которым владеет. Это означает наличие возможности предоставления доступа к ресурсу в свободном режиме, по паролю авторизованным компьютерам, или запрещение доступа к ресурсу.

Распределение ресурсов требует наличия информации у каждого компьютера о местонахождении ресурсов сети и способов доступа к ним. Таким образом в одноранговой сети отсутствуют централизованное администрирование сетьюи общее управление безопасностью ресурсов.

Компьютеры ЛВС во время предоставления ресурса сталкиваются с падением собственной производительности, в результате образования дополнительных затрат процессорного времени, памяти, загрузки внешних устройств, связанных с обслуживанием запросов сети.

В одноранговых ЛВС затруднена процедура резервного копирования данных, при которой необходимо копировать данные с разных компьютеров, повреждение кабеля приводит к остановке работы сети. Перечисленные недостатки одноранговых ЛВС усиливаются при увеличении числа узлов сети. Положительными сторонами являются простота и оперативность их установки, низкая стоимость оборудования и программного обеспечения. Для установки сети требуются только сетевые адаптеры, кабель и операционная система.

Сети с выделенным сервером. Сети с выделенным сервером, называемые еще иерархическими ЛВС, имеют в своем составе функционально ориентированные компьютеры. С технической точки зрения серверы оснащаются мощными многопроцессорными системами, обладающие увеличенным объемом оперативной памяти, высокоскоростными каналами обмена с внешними устройствами, RAID-системами хранения информации на жестких дисках с минимальным временем обращения к данным и т.д. Помимо специальных программных средств, обеспечивающих различные способы защиты данных и серверов от несанкционированного доступа, сервера размещают в специальных помещениях с контролируемым доступом.

К недостаткам сетей с выделенным сервером относятся более высокая их стоимость, сложность построения сети, необходимость постоянного мониторинга за состоянием сети и происходящих процессах, наличие персонала высокой квалификации.

Кабельное оборудование ЛВС.При выборе лучшей передающей среды для ЛВС следует учитывать следующие факторы: скорость передачи данных, возможность применения в конкретных сетевых архитектурах, расстояние между соседними сетевыми устройствами, устойчивость к помехам от внешних источников, стоимость кабеля, сложность установки и модернизации.

В ЛВС применяются три типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов (витая пара), коаксиальныекабели, волоконно-оптическиекабели.

Витая пара существуетв экранированном варианте, когда пара медных проводов заключается в изоляционный экран, и неэкранированном без изоляционной обертки. Скручивание проводов, а также наличие изоляционного экрана снижают влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Все кабели типа витой пары имеют 4 пары скрученных проводов и делятся на 5 категорий, каждая из которых характеризуется определенной совокупностью электромагнитных характеристик (5 категория позволяет передавать данные со скорость до 1 Гбит/с).

Коаксиальный кабель состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует два типа коаксиального кабеля, толстый коаксиальный кабель и тонкий. Толстый коаксиальный кабель достигает в диаметре 10 мм (скорость передачи данных не превышает 10 Мбит/с), тонкий – 5мм (достигает 100 Мбит/с). Поэтому тонкий коаксиальный кабель используется при прокладке ЛВС в агрессивной внешней среде с высоким уровнем воздействия радио- и электромагнитных волн.

Волоконно-оптический кабель состоит из одной или нескольких стеклянных или пластиковых жил (световодов), по которым распространяются световые сигналы. Жилы покрыты защитной поливинилхлоридной оболочкой. Этот тип кабеля обеспечивает наивысшую скорость передачи данных до 100 Гбит/с. По волоконно-оптическому кабелю можно одновременно передавать по нескольку световых волн. Волоконно-оптический кабель применяется в ЛВС в качестве магистральных каналов передачи данных благодаря высокой скорости передачи и малого затухания сигнала. К достоинствам волоконно-оптического кабеля следует также отнести сложность получения несанкционированного доступа к данным во время передачи и невосприимчивость кабеля к радио- и электромагнитным помехам. Недостатками применения являются его высокие стоимость и хрупкость, сложность монтажа, а также высокие требования к квалификации обслуживающего персонала.

Аппаратура ЛВС.Коммуникационное оборудование ЛВС предназначено для связи отдельных узлов в единую сеть, а также объединения множества сетей между собой. В состав коммуникационного оборудования входят сетевые адаптеры (контроллеры, карты), повторители, концентраторы, коммутаторы, мосты, маршрутизаторы.

Сетевые адаптеры физически соединяют компьютер или другое устройство (принтер, сканер и т.д.) с кабельной системой ЛВС. Конструктивно адаптер может быть интегрирован с другими устройствами системной платы компьютера или выполнен в виде отдельной платы, вставляемой в разъемы внутренней шины компьютера. Сетевой адаптер непосредственно взаимодействует со средой передачи данных ЛВС. Как и любой другой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением специальной программы управления адаптером, называемой драйвером адаптера.

Повторители сигналов сети очищают получаемые сигналы от посторонних искажений, увеличивают мощность сигнала и возвращают сигнал в передающую среду. Повторители используются для увеличения протяженности среды передачи данных при связи двух соседних узлов сети.

Концентраторыили хабы (от англ. hub) являются многопортовыми устройствами, основной функцией которых является организация общих центров подключения кабелей, ведущих к отдельным узлам сети и обеспечение взаимодействия этих узлов с остальной сетью. Тем самым концентраторы позволяют большое количество компьютеров соединять в одну или несколько ЛВС. Концентраторы могут использоваться для объединения различных сегментов сети между собой и централизации общей архитектуры сети.

Коммутаторы предназначены для разделения сети на отдельные мелкие логические сегменты и дальнейшего упорядочивания обмена информации между ними путем перераспределения информационных потоков. Помимо этого коммутаторы используются для установления равномерного трафика загрузки каналов ЛВС, а также при создании ЛВС смешанной топологии, при которой возникают ситуации объединения сетей с разными методами доступа и различным кабельным оборудованием.

Мостыпредставляют собой устройства для соединения отдельных частей (сегментов) ЛВС. Каждая из соединяемых частей сети подключается по физическим каналам к входным и выходным портам моста. Мосты могут соединять части сети, использующие разные среды передачи данных, методы доступа. Часть функции мостов выполняют коммутаторы.

Маршрутизаторыв качестве сетевых коммуникационных устройств, обеспечивают связь между отдельными ЛВС, объединение ЛВС в корпоративную сеть, обмен информацией между ЛВС и глобальными сетями. Маршрутизатор одновременно работает с несколькими каналами, благодаря этому выбирается оптимальный маршрут следования пакета данных в разных сетях.

Под топологиейвычислительной сети понимается изображение сети в виде графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети, отдельные виды сетевого оборудования, а ребрам – физические связи между ними.

Существуют три основные базовые топологии: шина (Bus), кольцо (Ring) и звезда (Star). Виды базовых топологий сетей приведены на рисунке

Общая шина Кольцо Звезда

Выбор топологии существенно влияет на многие характеристики сети.

В топологии «звезда» один узел является центральным. Он соединен линиями связи со всеми остальными узлами сети. Благодаря этому связь любой рабочей станции с центральным узлом независима от связей остальных станций. Основным преимуществом топологии «звезда» является обеспечение работоспособности сети, при выходе из строя отдельных рабочих станций и их соединений. В сетях с такой топологией проще обнаружить и устранить неисправности, связанные с работой отдельных узлов сети и линий передачи, наращивать масштаб сети за счет добавления новых компьютеров и менять их месторасположение. Топология «звезда» является наиболее быстродействующей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел по отдельным линиям. К недостаткам топологии следует отнести большой расход кабеля.

Кольцевая топология представляет собой непрерывную магистраль для передачи данных, не имеющую логической начальной или конечной точек. Каждый компьютер является частью кольца и получая данные, адресованные другому компьютеру, пересылает их по назначению. При такой топологии просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Однако продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в сеть. Ограничения на протяженность сети не существует при условии соблюдения разрешенного расстояния между двумя соседними узлами. Основная проблема использования кольцевой топологии состоит в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть становится неработоспособной. При этом неисправности линий связи легко локализуются и устраняются.

Шинная топология представляет собой наиболее простой способ установки сети. Она требует меньше оборудования, кабелей, времени на настройку, чем другие топологии. Физическая среда передачи состоит из единственного кабеля, называемого общей шиной, к которой подключаются все компьютеры сети. Недостатками являются подключение небольшого числа рабочих станций (не более 20) и полное прекращение работы сети при повреждении общего кабеля.

Наряду с перечисленными топологиями компьютерных сетей на практике применяются и различные виды комбинированных топологий, которые получаются в результате комбинаций базовых топологий. Комбинированные топологии образуются путем объединения ранее созданных и функционирующих компьютерных сетей в единую сеть, выполнения требований внешней среды, невозможности использования базовых топологий из-за географических особенностей расположения рабочих станций.

Помимо этого использование в сетях только базовых топологий, особенно шинной и кольцевой, накладывает ограничения на сеть по производительности и надежности. Это является следствием использования одной линии связи между узлами сети. Поэтому сети стали разбиваться на отдельные подсети, называемые сегментами сети, соединяемые между собой коммуникационными узлами, роль которых выполняют специальные сетевые устройства. Сегменты сети, в основе которых лежат базовые топологии, объединяясь между собой, образуют дополнительные параллельные линии связи между узлами.

К комбинированным топологиям относятся полносвязная, ячеистая, иерархическая, и смешанная топологии. Виды комбинированных топологий представлены на рисунке ниже

Комбинированные топологии компьютерных сетей

Вполносвязной топологии используется связь между узлами по принципу «каждый с каждым». Данная топология характерна для глобальных сетей.

Ячеистая топология предполагает, что любой узел сети располагает не менее чем двумя физическими связями с другими узлами. Данная топология обоснована в своем применении в неблагоприятных условиях агрессивной окружающей среды при достаточно большой вероятности разрыва сетевых соединений. Если одна из связей доступа к узлу будет нарушена, то всегда, в качестве альтернативной связи, будет существовать еще одна.

Иерархическая топология используется в сетях, в которых существует жесткое распределение рабочих станций по уровням иерархии. При этом каждый узел более нижнего уровня имеет только одну линию связи с узлом верхнего уровня.

Смешанная топология в большинстве случаев образуется при объединении между собой отдельных ранее существовавших сетей с разными топологиями или в результате наращивания сети.

В процессе работы компьютерной сети необходимо обеспечить очередность доступа рабочих станций сети к линиям передачи данных. Линии передачи компьютерной сети, называемые еще каналами связи, образуют среду передачи данных.

Необходимость установления последовательности доступа к среде передачи вызвана тем, что при одновременной передачи данных несколькими компьютерами сети возникает конфликтная ситуация (коллизия), при которой происходит наложение и взаимное искажение информации в каналах связи.

С целью предотвращения возникновения коллизий разработаны специальные методы доступа к среде передачи, которые определяют различные технологии функционирования сети. К числу таких технологий относят технологии Ethernet, Token Ring и Arcnet.

Технология Ethernet, разработанная в конце 70-х годов компанией Xerox Corporation, рассчитана на параллельное подключение всех узлов сети к общей шине.

Все данные, передаваемые по сети Ethernet, помещаются в кадры определенной структуры, которые, помимо собственно передаваемых данных, содержат адреса компьютера-получателя, компьютера-отправителя кадра и некоторую другую служебную информацию.

Компьютер-отправитель кадра опрашивает канал передачи и если канал свободен, то осуществляется передача данных. Сообщение, отправляемое одним узлом, принимается одновременно всеми остальными узлами, подключенными к общей шине, но обрабатывается только тем узлом, адрес которого указан в кадре сообщения как адрес получателя.

Технология Ethernet не исключает возможности одновременной передачи сообщений двумя или несколькими станциями. С целью избежания коллизии передача данных для ряда рабочих станций задерживается до освобождения общей шины. После задержки передача возобновляется. Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети только в том случае, если одновременно работают не менее 30 станций в сети.

В условиях высокой загрузки сети используются технологии с использованием маркерной шины (Arcnet) и маркерного кольца (Token Ring).

Маркерные методы основаны на предоставлении полномочий на передачу данных одному из узлов сети с помощью маркера, представляющего собой кадр специального вида с управляющей последовательностью бит.

По технологии Arcnet один из компьютеров создает маркер, который перемещаясь по сети перехватывается станцией, ожидающей передачи сообщения.

Сообщение, сформированное станцией и дополненное адресами отправителя и получателя, добавляется к маркеру и посылается дальше по сети.

Следующие узлы могут присоединить к нему свои сообщения в результате чего, по сети передается поток сообщений во главе с маркером.

По пути следования станции-получатели выбирают из потока свои сообщения. Данная технология, предложенная фирмой Datapoint в 1997 году, может использоваться при любой топологии.

В сетях с маркерным кольцом (технология Token Ring) соединение рабочих станций сети организовано в виде кольца, в котором каждая станция имеет адреса «соседей» слева и справа.

Маркер перемещается по кольцу, при этом право передачи имеет только станция-держатель маркера, которая получив маркер, заменяет его в сети кадром данных.

Маркер возвращается в сеть только после получения станцией-держателем маркера подтверждения о приеме сообщения.

Технология Token Ring разработана фирмой IBM в начале 80-х годов и ориентирована на использование в сетях с кольцевой топологией.

В сетях с разделяемой средой передачи Ethernet, Arcnet, Token Ring,в каждый момент времени передача данных может вестись только одним узлом. При этом каналы передачи закреплены за определенными узлами. Способ получения узлом права на передачу данных определяется используемой технологий доступа. Недостатком таких сетей является уменьшение производительности сети при добавлении к ней новых узлов.

В коммутируемых сетяхсоединения между отдельными узлами устанавливаются по мере необходимости в зависимости от принятого принципа коммутации в сети.

Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи может использоваться попеременно для разных узлов сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, которые постоянно закрепляются за узлами.

Различают сети с коммутацией каналов, пакетов и сообщений.

В коммутируемых сетях любое передаваемое сообщение перед отправкой подвергается пакетированию, т.е. разбиению на более мелкие части, называемые пакетами.

Каждый передаваемый по сети пакет содержит адреса получателя, отправителя, порядковый номер в последовательности пакетов, необходимый для сборки сообщения в пункте приема, собственно передаваемые данные и информацию для контроля правильности передачи данных.

Пакеты имеют фиксированную длину, которая в зависимости от вида сети, может принимать значения от 512 бит до 4 К/бит.

В сетях с коммутацией каналов передача данных осуществляется через непрерывный физический канал, образованный путем временного соединения отдельных участков сети.

При этом участки сети соединяются между собой специальным оборудованием, называемым коммутаторами.

Установление связи между источником и адресатом производится путем посылки станцией-отправителем специального сигнала, который перемещаясь по сети от одного узла к другому и занимая пройденные каналы, прокладывает путь от источника к пункту назначения. Об установлении физического соединения между отдельными каналами посылается сигнал обратной связи станции-отправителю.

После окончания сеанса обмена соединения канала разрываются.

Приоритетным фактором в работе сетей с коммутацией каналов является минимизация времени на подготовку и подключение каналов.

Коммутация пакетов позволяет добиться увеличения пропускной способности сети, скорости и надежности передачи данных по сравнению с сетью, основанной на коммутации каналов.

Сеть c коммутацией каналов

В сети с коммутацией пакетов (рис. 5.4) поступающее в сеть сообщение разбивается на пакеты П1, П2,…Пn, имеющие фиксированную длину.

Каждый пакет снабжается заголовком ПЗ, в котором находится адресная информация, а также номер пакета, необходимый для сборки сообщения.

Пакеты транспортируются сетью как независимые информационные блоки, поэтому могут передаваться одновременно по разным свободным каналам связи.

Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге получателю сообщения.

В пункте назначения из пакетов формируется исходное сообщение. Метод коммутации пакетов широко используется в Интернет.

В сетях с коммутацией сообщенийфизическое соединение устанавливается только на время передачи сообщения между соседними узлами сети. Каждое сообщение снабжается заголовком и транспортируется по сети как единое целое.

Поступающее в узел сообщение запоминается в его буферном запоминающем устройстве и при освобождении соответствующего канала связи передается в соседний узел.

При этом под буферомпонимается место временного хранения данных до момента их перемещения в другую область или устройство. В каждый момент передачи оказывается занятым только канал связи между соседними узлами.

Коммутация сообщений по сравнению с коммутацией каналов позволяет ценой усложнения аппаратуры узла коммутации, в связи с необходимостью создания буферных зон временного хранения сообщений, повысить общую пропускную способность сети.

Сеть с коммутацией пакетов

Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими ограничениями, а содержанием данных, составляющих сообщение. Сообщением может быть любой текстовый документ, рисунок, программа и т.п.