Компьютерные сети. Аппаратные средства компьютерных сетей. Топология локальных сетей. Характеристики каналов (линий) связи. Профессии, связанные с обеспечением эксплуатации сетей
В настоящее время становится все труднее представить себе компьютер, не имеющий доступа к сети. Даже единственному домашнему компьютеру на практике все чаще доступно сетевое подключение по крайней мере через модем. Возникла целая категория пользователей, для которых компьютер в первую очередь служит средством доступа к Интернету.
Одной из главных объективных причин развития компьютерных сетей является все усложняющийся характер повседневных производственных задач, которые приходится решать людям. Как следствие, они решаются коллективно, а также с применением большого количества информации. Постоянная необходимость оперативного информационного обмена в процессе работы над общим проектом или использование всевозможных распределенных ресурсов служат лучшим катализатором для развития и совершенствования сетевых технологий.
Отдельно следует сказать о персональном сетевом общении, которое приобретает все боRльшую популярность: электронная почта, форумы, чаты, конференции и прочие формы коммуникаций с использованием сети, часто между абсолютно незнакомыми людьми. Хотя преимущества замены личного общения на виртуальное (особенно когда последнее начинает преобладать над первым) достаточно спорны, нельзя отрицать, что данное явление имеет место.
Итак, рассмотрим подробнее, что собой представляют столь бурно развивающиеся сегодня компьютерные сети и каковы их наиболее важные аппаратные особенности. Компьютерная сеть — это совокупность компьютеров, соединенных с помощью каналов связи и средств коммутации в единую систему для обмена сообщениями и доступа пользователей к различным ресурсам. Какие преимущества предоставляют компьютерные сети по сравнению с отдельно работающими компьютерами? В наиболее общем виде ответ следует из приведенного определения; тем не менее расшифруем данное положение более подробно, перечислив возможные примеры.
· Использование аппаратных ресурсов более мощного или лучше оснащенного, чем у вас, компьютера. Например, с помощью обращения по сети можно выполнить сложную вычислительную задачу на машине с более производительным процессором или отпечатать документ на цветном лазерном принтере, установленном в соседней комнате.
· Использование программы, работающей на доступном по сети компьютере. На этом принципе функционируют многие крупные компьютеры-серверы, которые, получая запросы по сети, мгновенно проводят сложную обработку и возвращают в качестве ответа результаты. Иногда подобное разделение программного обеспечения организовано в виде совместного использования общей копии программы, установленной на одной из машин.
· Использование данных, хранящихся на удаленных компьютерах. Ярким примером такого рода является доступ к информации через Интернет; другим примером может служить работа с распределенными базами данных.
· Обмен информацией между пользователями компьютеров, совместная работа над общими проектами. Наиболее наглядным (но далеко не единственным) примером такого рода является электронная почта.
Как вы, наверно, почувствовали, названные выше возможности тесно связаны. Допустим, при реализации дистанционного обучения используются данные, хранящиеся на вместительном жестком диске сервера, а ходом обучения руководит запущенная там программа. Таким образом, налицо удаленное использование аппаратного оборудования, программ и данных одновременно.
Как всегда бывает, любое изобретение помимо пользы может приносить и вред. Компьютерные сети в этом отношении не являются исключением. Во-первых, следует обязательно помнить, что подключение вашего компьютера к сети делает потенциально возможным несанкционированный доступ извне к находящейся на нем информации. Во-вторых, компьютерные вирусы все активнее используют сети для своего распространения; последнее время их эпидемии приобрели глобальный характер и развиваются стремительно. В-третьих, чрезмерное увлечение виртуальным общением, по-видимому, несет определенную опасность для отдельных людей и общества в целом. Оценка данного пункта не так очевидна, как двух предыдущих, поэтому ограничимся лишь упоминанием о существовании такой проблемы.
Для подсоединения компьютера к сети необходимо наличие специальных аппаратных и программных средств. Нас сейчас будет интересовать только первая из составляющих. К аппаратным средствам компьютерных сетей относится несколько видов устройств.
Прежде всего это сами подключаемые к сети компьютеры. В простейших случаях все участвующие в сети компьютеры равноправны и такая сеть называется одноранговой. В более сложных конфигурациях выделяются специализированные компьютеры — серверы, которые предоставляют свои ресурсы для обслуживания входящих в сеть машин.
Для организации передачи и приема данных каждый из компьютеров должен иметь специальное сетевое устройство, которое может быть двух типов: сетевой адаптер и модем. Разница между ними заключается в том, что первые организуют работу по специализированным компьютерным линиям связи, а вторые — по обычной телефонной сети или иным уже имеющимся линиям, например, сети кабельного телевидения. Характерной особенностью применения модемов является временный (для осуществления передачи данных по аналоговой линии) переход от цифровой формы представления к аналоговой.
Мы уже упомянули о том, что для доставки данных от одного компьютера к другому используются каналы связи. Классическим вариантом канала является использование качественных электрических кабелей. Высокие требования к кабелям возникают в связи с тем, что, как подробно изучено в физике, в них при передаче высокочастотных сигналов протекают весьма характерные волновые процессы, которые при неудачном подборе свойств могут приводить к существенным потерям. Распространены два способа существенного уменьшения потерь в кабеле: сделать его коаксиальным (центральная токопроводящая жила и вокруг нее экранирующая металлическая оплетка) или использовать свитые вместе провода1 (витую пару); первый способ обеспечивает меньшее затухание. Более современными и имеющими значительно лучшие характеристики являются оптические линии связи (световоды), информацию по которым переносит световой луч. Высокая частота оптических волн позволяет существенно повысить скорость передачи информации. Наконец, самые современные технологии передачи данных вообще стали беспроводными: они используют связь в инфракрасном и радиочастотном диапазонах волн.
Перечисленных выше аппаратных средств уже достаточно для построения не слишком больших сетей. Тем не менее, когда компьютеров в сети становится много, линии связи начинают сильно перегружаться. Главным способом борьбы с этим негативным явлением служит разделение сети на отдельные сегменты. При этом используется еще один тип сетевого оборудования, которое называется коммутационным. К нему относятся концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы и некоторые другие устройства. Роль коммутационных устройств в организации сетей будет рассмотрена несколько позднее в связи с описанием различных топологий компьютерных сетей.
В тексте вопроса говорится о топологии локальных сетей. Поэтому для начала — несколько слов о локальных сетях.
Исторический путь развития компьютерных сетей был весьма естественным. Сначала для обмена данными объединялись компьютеры, находящиеся в пределах одной комнаты. Такую сеть назвали локальной (местной). Затем начали объединять между собой локальные сети, находящиеся в близко расположенных помещениях, затем в соседних зданиях. Масштабы сетей становились все шире и шире, пока, наконец, развитие технологий не позволило создать единую Сеть сетей — Интернет. Хотя термины локальная и глобальная сеть по-прежнему встречаются, но в современных условиях, когда практически все компьютеры имеют возможность соединения с мировой сетью, они теряют свою значимость. Именно поэтому столь безуспешны попытки, предпринимаемые авторами некоторых учебников, дать строгое определение локальной сети. За исключением нескольких экзотических ситуаций (каковой, кстати, является автономный, не связанный с внешним миром школьный КУВТ2) невозможно провести строгую границу, где именно и в связи с чем кончается “локальность” сети. Однозначными критериями не могут быть ни количество машин, ни их расположение в комнатах и зданиях, ни физическое расстояние между компьютерами (как, скажем, классифицировать внутреннюю служебную сеть разветвленной корпорации?). До последнего времени можно было еще пытаться искать какие-либо технологические отличия при соединении через сетевой адаптер или модем, но с развитием цифровых каналов связи стираются и эти различия. Даже программное обеспечение унифицируется: через браузер можно рассматривать не только материалы сети Интернет, но и находящиеся на вашем компьютере или на соседней машине компьютерного класса.
Таким образом, мы видим, что понятие локальной сети практически “растворилось” и, если только специально не задаваться целью, организовать чисто локальную сеть уже невозможно.
Познакомимся теперь с топологией компьютерных сетей и изучим ее наиболее простые варианты.
Топологией сети называют способ соединения ее узлов. Она определяет правила физического соединения компьютеров в сети и направления прокладки сетевых кабелей.
Примечание. Строго говоря, помимо физической топологии, определение которой приведено выше, существует еще топология логическая, задающая направления потоков данных между узлами сети. Указанные понятия не совпадают (подробнее см., например, энциклопедию М.Гука [1]).
Типичные [1–3] топологии небольшой локальной сети приведены на рис. 1.
Рис. 1. Типичные топологии сетей
На рис. 1a изображена топология, которая носит название шина. При таком способе организации сети все компьютеры подсоединяются к общей линии.
Рис. 1b демонстрирует другую топологию сети, называемую кольцом, при которой линия проходит через каждый из компьютеров, образующих сеть. На первый взгляд может показаться, что единственным отличием от предыдущего способа является замыкание линейной шины в кольцо, но это не так. Существенная особенность схемы заключается в том, что информационная линия в этом случае уже не является сплошной, она проходит через сетевые адаптеры компьютеров3. В случае некоторых неисправностей одного из адаптеров возможна потеря работоспособности всей сети в целом. Заметим, что использовавшиеся ранее в нашем образовании КУВТ Yamaha и УКНЦ имели именно такую разновидность сети.
Перейдем к рассмотрению рис. 1c, на котором изображена топология звезда. В ней имеется некоторый выделенный (центральный) компьютер, к которому сходятся информационные линии ото всех остальных машин сети. Центральный компьютер может быть таким же, как и все остальные, но, как правило, его выбирают более мощным и надежным. Выход центрального компьютера из строя ведет к полной потере сетевых функций, зато поломка любого из остальных компьютеров на работоспособность сети не повлияет. По указанной схеме была построена сеть первого отечественного КУВТ-86, где “мощной” преподавательской машиной служила ДВК-2 (с дисководом!).
Наконец, на рис. 1d показана топология более мощной сети, которая, в частности, может быть использована для объединения нескольких компьютерных классов. В каждом из них имеется своя сеть типа звезда, причем центральные машины подсетей подсоединены к общему для подразделения серверу. Такую топологию обычно называют деревом за сходство с соответствующей динамической структурой данных4.
Подчеркнем, что описанными вариантами возможные топологии сетей, разумеется, не исчерпываются.
К сожалению, изложенных выше “классических” представлений о топологиях сетей в современных условиях часто уже недостаточно. Главной причиной является падение производительности линий связи при большом количестве присоединенных компьютеров. Для преодоления данного недостатка сети сегментируют, т.е. разделяют на отдельные участки (сегменты), в каждый из которых достаточно естественным образом входят наиболее часто взаимодействующие между собой компьютеры. Примером таких сегментов могут служить отдельные компьютерные классы, хотя расположение компьютеров одного сегмента в общем помещении не является обязательным условием.
Для сегментирования сетей используется специальное коммутационное оборудование: повторители, хабы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и др. Разобраться в них неспециалисту достаточно сложно; для доказательства приведем пару характерных цитат из книги [1]. “Коммутатор (switch) в принципе выполняет те же функции, что и мост, но предназначен для несколько иных целей”. “Концентратор (concentrator) считается синонимом хаба, но может трактоваться шире (может включать набор повторителей, коммутаторов и мостов…)”. Поэтому мы не будем подробно знакомиться с отдельными коммутационными устройствами и ограничимся сделанным перечислением.
Гораздо важнее понять идею сегментации, что поясняется на рис. 2.
Рис. 2. Сегментация сети
На рис. 2a показана простейшая одноранговая сеть, выполненная по топологии шины. Пусть в рассматриваемый момент времени происходит передача информации между компьютерами согласно списку, приведенному под рассматриваемым рисунком. Очевидно, что вся информация в этом случае проходит по шине. Обратимся теперь к рис. 2b, где показана сегментация сети на две части. Коммутационные устройства, схематически изображенные на рисунке в виде прямоугольников, формируют две подсети по два компьютера. В результате такого усовершенствованного решения “внутренний” обмен данными (между парами компьютеров 1–2 и 3–4) теперь производится коммутационными устройствами и на шину не выходит. Лишь информация от компьютера 2 к компьютеру 3, передаваемая между разными сегментами сети, нагружает шину. Понятно, что эффект будет тем заметнее, чем большая часть обмена будет протекать внутри сегментов. На практике, как правило, “соседние” компьютеры взаимодействуют чаще, поэтому сегментация сетей получила широкое распространение. Вот как, например, описана типовая структура современной компьютерной сети в здании [4]: “На каждом этаже здания размещается один или несколько элементов сегментации (концентраторов, коммутаторов или маршрутизаторов), к которым подключаются по витой паре рабочие станции, а серверы и другие элементы сегментации могут подключаться по коаксиальному или оптоволоконному кабелю”. Данная цитата интересна еще и тем, что поднимает проблему выбора линий связи, о чем пойдет речь далее.
Следуя вопросу билета, рассмотрим основные характеристики линий связи. Для целей экзамена, разумеется, требуется лишь наиболее важный материал. Как рекомендуется, например, в книге [4], при выборе типа кабеля следует учитывать следующие показатели:
· стоимость (в том числе стоимость монтажа и оборудования для него);
· ограничения на длину без дополнительных коммутационных устройств;
· скорость обмена;
· безопасность передачи данных.
Типичные характеристики для трех основных типов кабелей могут быть сведены в следующую таблицу.
В заключение поговорим о профессиях, связанных с обеспечением эксплуатации компьютерных сетей.
Примечание для учителей. Данный вопрос служит весьма типичным примером для демонстрации состояния современного учебного курса информатики. Какова ситуация? Рядовой учитель имеет общее представление о компьютерных сетях, их функциях и значимости, скорее всего наблюдал за тем, как специалисты смонтировали в компьютерном классе сеть и ее настроили, а затем каждодневно работает с ней на уровне имеющихся знаний. Он понимает важность компьютерных сетей в наше время и интуитивно чувствует, что его ученикам в профориентационных целях необычайно полезно иметь представление о профессиях в этой области деятельности. Поэтому в душе учитель конечно же разделяет заботы авторов билетов о политехнизме образования, но что конкретно он может рассказать по этому поводу ученикам? Его личный опыт, как мы видели, далек от профессионального, все типовые школьные учебники вообще не рассматривают данную проблему, а чтение технической литературы опять-таки требует наличия профессиональных знаний. “Но есть же еще Интернет!” — воскликнут ярые поклонники ИКТ. Да, именно туда я и обратился, потратив пару вечеров на поиск. В результате ответственно заявляю, что (по крайней мере в русскоязычном сегменте) найти что-либо содержательное по поводу компьютерных профессий весьма и весьма проблематично5. Кстати, характерно, что при попытке просто написать в качестве запроса предложение из билета в ответ выдается куча ссылок на сайты, где выложены тексты этих самых билетов. Тоже очень показательный момент: кругом одни вопросы без ответов! Ну и как быть учителю, чтобы на базе этой скудной информации подготовить для учеников материал по ответу к экзамену6? Да еще качественно подготовить, как любят требовать в последнее время чиновники от образования. Все же надо бы сначала предоставить учителю необходимые возможности и только потом требовать от него конкурентоспособности образования!
Дополнение от редакции. Разделяя точку зрения авторов, мы полностью сохранили это примечание. Вместе с тем отметим, что этот текст был написан до публикации в “Информатике” замечательных материалов А.А. Дуванова по компьютерным сетям. Надеемся, эти материалы восполняют очень существенный пробел в учебной литературе, на который обращают внимание авторы примерных ответов на билеты.
Несмотря на все методические трудности, хочется не их обзора, а пути преодоления. Он предложен ниже, но прошу иметь в виду, что автор, будучи преподавателем провинциального педвуза, также далек от профессий, связанных с компьютерными сетями. Поэтому читатели должны помнить, что все последующее изложение есть личная точка зрения (“что бы лично я мог рассказать по этому вопросу, если бы имел несчастье на него отвечать”7).
В ходе поиска в Интернете удалось найти сведения о весьма интересном проекте [5], осуществляемом Ассоциацией предприятий компьютерных и информационных технологий на базе известного вуза — Московского государственного института электроники и математики (МИЭМ). Он называется “Разработка профессиональных стандартов для отрасли информационных технологий” и направлен на разработку содержания подготовки по основным IT-профессиям. Что особенно интересно с точки зрения обсуждаемого билета, в приложении к письму с описанием проекта дан список этих профессий с краткой характеристикой. Видимо, с точки зрения экзамена это то, что нужно. Проект, к сожалению, еще не завершен, так что на его сайте никаких других материалов пока не представлено.
Из найденного документа следует очень интересная деталь: в США и странах ЕС, оказывается, действует специальный классификатор профессий (Standard Occupational Classification, SOC), в котором имеются и описания соответствующих разновидностей профессиональной деятельности в сфере IT. Именно этот стандарт и послужил основой для заинтересовавшего нас сейчас списка.
Примечание. К переносу иностранных стандартов на русскую почву следует подходить с некоторой осторожностью. Широко известен, например, международный стандарт содержания вузовских компьютерных дисциплин Computing Curricula, разрабатываемый и совершенствуемый под эгидой ACM (Association for Computing Machinery). Казалось бы, стремление к интеграции в глобальную систему образования должно приближать развитие нашей информатики к этому документу, но на практике имеет место обратное.
В упомянутом приложении содержится снабженный краткими комментариями список, который состоит из 14 профессий. Исключив из него те, которые не имеют прямого отношения к компьютерным сетям, получим примерно половину. Вот они:
Исследователь в сфере ИТ — Computer and Information Scientist, Research
Специалист проводит фундаментальные и прикладные исследования в области вычислительной техники и информатики, осуществляя научно-исследовательскую, опытно-конструкторскую, научно-педагогическую, консультационную или изобретательскую деятельность.
Объекты и средства профессиональной деятельности — аппаратные, программные и коммуникационные компоненты ИТ, а также агрегаты, комплексы и системы на их основе; известные и новые формальные методы решения исследовательских задач в сфере вычислительной техники и информатики.
Системный администратор / Специалист по технической поддержке — Computer Support Specialist(объединение с профессией Network and Computer Systems Administrator)
Специалист высших квалификационных уровней может планировать, координировать и реализовать мероприятия по обеспечению отказоустойчивости и восстановления функционирования компьютерной сети, а также обеспечивает информационную безопасность для пользователей сети.
Специалист начальных квалификационных уровней обеспечивает техническую поддержку пользователей цифровых устройств, комплексов и систем (за исключением вопросов, связанных с доработкой и развитием этих объектов).
Специалист выполняет либо координирует работы по развертыванию, конфигурированию и эксплуатации локальных и региональных компьютерных сетей, включая сегменты сети Интернет.
Объекты и средства профессиональной деятельности — комплексы и системы на основе аппаратных, программных и коммуникационных компонент ИТ; сетевые ресурсы в информационных системах; инструментальные средства для эксплуатации сетевых конфигураций; инструментарий поддержки (helpdesk и т.п.).
Системный аналитик — Computer Systems Analyst(объединение с профессией Network Systems and Data Communications Analyst)
Специалист осуществляет анализ задач обработки данных, возникающих в различных сферах применения средств ИТ, и подготавливает исходные материалы для проекта информационной системы и/или рекомендации по использованию в системе имеющихся проектных решений (таких, как пакеты программ, конфигурации аппаратных средств и т.п.).
Специалист высших квалификационных уровней осуществляет анализ, проектирование, тестирование и оптимизацию сетевых конфигураций в информационных системах различного назначения, может руководить деятельностью группы программистов и осуществлять консультационную деятельность.
Объекты и средства профессиональной деятельности — задания на разработку либо развитие комплексов и систем на основе аппаратных, программных и коммуникационных компонент ИТ; инструментальные средства для описания и моделирования информационных и коммуникационных процессов; сетевые ресурсы в информационных системах.
Менеджер информационных технологий (ИТ-менеджер) — Computer and Information Systems Manager
Специалист осуществляет планирование, руководство и координацию различных видов деятельности (по квалификационным уровням — для отдельных проектов, групп проектов и комплексных направлений) в сфере создания и эксплуатации информационных систем различного назначения.
Объекты и средства профессиональной деятельности — информационные системы; инструментальные средства для управления проектами, документирования, анализа и моделирования информационных и коммуникационных процессов в таких системах.
Специалист по цифровой технике — Computer and Communications Hardware Engineer(объединение с профессией Electrical and Electronic Engineering Technician)
Специалист осуществляет исследовательскую, опытно-конструкторскую и производственно-технологическую деятельность в сфере разработки и эксплуатации аппаратных средств цифровой (вычислительной, коммуникационной, измерительной и т.п.) техники.
Специалист высших квалификационных уровней может также осуществлять консультационную деятельность.
Специалист начальных квалификационных уровней может осуществлять производственно-технологическую деятельность и текущее обслуживание объектов в сфере разработки и эксплуатации цифровой техники.
Объекты и средства профессиональной деятельности — аппаратные компоненты, агрегаты, комплексы и системы цифровой техники; инструментальные средства проектирования, документирования, анализа и моделирования таких объектов.
Специалист по ремонту цифровой техники — Data Processing Equipment Repairer(объединение с профессией Electronic Home Entertainment Equipment Installers and Repairer)
Специалист выполняет ремонтные и пуско-наладочные работы, связанные с применением аппаратных, программных и коммуникационных компонент в информационных системах различного назначения.
Специалист начальных квалификационных уровней выполняет ремонтные работы, связанные с предпродажной подготовкой и послепродажным обслуживанием массовых изделий цифровой техники (в том числе аппаратных, программных и коммуникационных компонент и устройств компьютерной техники, используемых в бытовых целях).
Объекты и средства профессиональной деятельности — аппаратные, программные и коммуникационные компоненты ИТ, а также агрегаты, комплексы и системы на их основе; соответствующая контрольно-диагностическая аппаратура.
Специалист по информационным ресурсам — Content Engineer
Завершение работы по стандартам для данной профессии планируется в США по проекту O*NET-SOC (http://online.onetcenter.org) в 2007 г. Предложенные экспертами США компоненты разделены на несколько групп (профилей) по компетенциям: Content Engineer, Content Manager, Web Administrator, Web Analyst, Web Application Developer, Web Architect, Web Graphic Designer, Web Page Designer, Web Programmer, Web Site Project Manager.
Напомним, что мы процитировали материал, найденный по ссылке [5].
Подчеркнем, что приведенный выше список содержит все профессии, связанные с компьютерными сетями. В вопросе говорится лишь об эксплуатации сетей, так что данный список для экзаменационных целей можно сократить.
Что касается российских реалий, то в наше время практически все специалисты, занимающиеся эксплуатацией сетей, занимают должность сетевого администратора. Поэтому дополнительно приведем краткие сведения именно по этой специальности.
Главным в работе сетевого администратора является умение регистрировать все происходящие в сети события и процессы с целью обнаружения неполадок, узких мест, конфликтов оборудования и программ, устранение их причин и в конечном счете улучшения работы сети.
В обязанности администратора входит следующее [4, 6]:
· добавление и удаление пользователей, организация групп пользователей;
· подключение и удаление аппаратных средств;
· резервное копирование, проверка целостности файловой системы;
· обслуживание имеющихся сетевых сервисов (электронная почта, ftp и др.);
· инсталляция новых программ;
· мониторинг системы, выявление ее узких мест;
· поиск неисправностей;
· восстановление после сбоев различного характера;
· ведение журнала сетевых изменений и других важных событий, обновление электронной и печатной документации;
· слежение за безопасностью системы;
· оказание помощи пользователям.
Это лишь некоторые (наиболее важные) задачи сетевого администратора. На самом деле круг его обязанностей гораздо шире (часто даже неоправданно шире, учитывая разнообразие профессий, перечисленных выше).
Примечание. Материал по последней части вопроса при ответе на экзамене может быть существенно сокращен. Подробности, приводимые в данной публикации, имеют целью снабдить учителя дополнительным материалом для работы на уроке.
В заключение отметим, что вопросы, связанные с Интернетом, будут рассмотрены отдельно в билете № 25.
Литература
1. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. СПб.: Питер, 2004, 573 с.
2. Симонович С.В., Евсеев Г.А., Алексеев А.Г. Общая информатика: Учебное пособие для средней школы. М.: АСТ-ПРЕСС, Инфорком-Пресс, 2000, 592 с.
3. Шауцукова Л.З. Информатика: Учебное пособие для 10–11-х классов общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 2003, 416 с.
4. Никифоров С.В. Введение в сетевые технологии: Элементы применения и администрирования сетей: Учебное пособие. М.: Финансы и статистика, 2003, 224 с.
5. http://www.apkit.ru/default.asp?artID=5573.
6. Немет Э., Снайдер Г., Хейн Т. Руководство администратора Linux. М.: Издательский дом “Вильямс”, 2004, 880 с.