Компьютерные сети. 7

 

 КОМПЬЮТЕРНЫЕ  СЕТИ

Системы телеобработки данных

Исторически первыми системами распределенной обработки данных были системы телеобработки данных и многомашинные вычислительные комплексы.

Системы телеобработки данных — представляют собой информационно-вычислительные системы, которые выполняют дистанционную централизованную обработку данных, поступающих в центр обработки по каналам связи.

Многомашинные вычислительные комплексы — это системы, состоящие из нескольких относительно самостоятельных компьютеров, связанных между собой устройствами обмена информацией, в частности каналами связи.

Техническое обеспечение систем телеобработки  — это совокупность технических средств, основными задачами которой являются: ввод данных в систему передачи данных по каналам связи, сопряжение каналов связи с компьютером, обработка данных и выдача результатных данных абоненту.

Наряду с  техническим обеспечением, для осуществления  режима телеобработки на компьютере должно быть установлено специализированное программное обеспечение, выполняющее функции: обеспечения работы компьютера в различных режимах телеобработки, управления сетью телеобработки данных, управления очередями сообщений, редактирования сообщений, обработки ошибочных сообщений и т. п.

Основным  режимом обработки данных на вычислительных центрах коллективного пользования является телеобработка информации, которая может быть реализована в одном из двух режимов: в диалоговом режиме (on-line) или в режиме пакетной обработки (off-line).

Независимо  от сферы применения, любая система телеобработки информации включает в себя как минимум четыре группы техничеcких средств: электронную вычислительную машину, аппаратуру передачи данных, устройство сопряжения компьютера с аппаратурой передачи данных, абонентские пункты. 

 

 

  

 

Понятие компьютерной сети.

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.

Информационные системы, использующие возможности компьютерных сетей, обеспечивают выполнение следующих  задач:

·        Хранение и обработка данных

·        Организация доступа пользователей к данным

·        Передача данных и результатов обработки 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 

 

Виды компьютерных сетей.

Компьютерные сети, в зависимости  от охватываемой территории, подразделяются на:

·        локальные (ЛВС ,LAN-Local Area  Network)

·        региональные (РВС,MAN – Metropolitan Area Network)

·        глобальные(ГВС, WAN – Wide Area Network) 

 

В локальной сети абоненты находятся на небольшом (до 10-15 км) расстоянии. К ЛВС относятся сети отдельных  предприятий, фирм, банков, офисов и  т.д.

РВС связывают абонентов  города, района, области.

Глобальные сети соединяют  абонентов, удаленных друг от друга на значительное расстояние, расположенных в разных странах, или разных континентах. 

 

 

По признакам организации передачи данных компьютерные сети можно разделить на две группы:

*   последовательные;

*   широковещательные.

В последовательных сетях передача данных осуществляется последовательно от одного узла к другому. Каждый узел ретранслирует принятые данные дальше. Практически все виды сетей относятся к этому типу. В широковещательных сетях в конкретный момент времени передачу может вести только один узел, остальные узлы могут только принимать информацию. 

Топологии компьютерных сетей

Топология представляет физическое расположение сетевых компонентов (компьютеров, кабелей и др.). Выбором топологии определяется состав сетевого оборудования, возможности расширения сети, способ управления сетью.

Существуют следующие  топологии компьютерных сетей:

*   шинные (линейные, bus);

*   кольцевые (петлевые, ring);

*   радиальные (звездообразные, star);

*   смешанные (гибридные).

Практически все сети строятся на основе трех базовых топологий: топологии «шина», «звезда» и «кольцо». Базовые топологии достаточно просты, однако на практике часто встречаются довольно сложные комбинации, сочетающие, свойства и характеристики нескольких топологий.

В топологии  «шина», или «линейная шина» (linear bus), используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, к которому подключены все компьютеры сети. Эта топология является наиболее простой и распространенной реализацией сети.

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, производительность сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, тем медленнее сеть.

Зависимость пропускной способности сети от количества компьютеров в ней не является прямой, так как, кроме числа компьютеров, набыстродействие сети влияет множество других факторов: тип аппаратного обеспечения, частота передачи данных, тип сетевых приложений, тип сетевого кабеля, расстояние между компьютерами в сети. 

«Шина» является пассивной топологией — компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не передают их от отправителя к получателю. Выход из строя какого-либо компьютера  не оказывает влияния на работу всей сети. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы с последующей передачей их по сети. 

 

Основой последовательной сети с радиальной топологией (топологией «звезда») является специальный компьютер  — сервер, к которому подключаются рабочие станции, каждая по своей линии связи.

Вся  информация передается через сервер, в задачи которого входит ретрансляция, переключение и маршрутизация информационных потоков в сети. Такая сеть является аналогом системы телеобработки, в которой все абонентские пункты содержат в своем составе компьютер.

Недостатками  такой сети являются: высокие требования к вычислительным ресурсам центральной аппаратуры, потеря работоспособности сети при отказе центральной аппаратуры, большая протяженность линий связи, отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации  Если выйдет из строя рабочая станция (или кабель, соединяющий ее с концентратором), то лишь эта станция не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные рабочие станции в сети этот сбой не повлияет.

При использовании  топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются в одном направлении и проходят через каждый компьютер. Каждый компьютер является повторителем, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

 
 

 

 
 

 

Сеть с топологией «звезда»

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Способ передачи данных по кольцевой сети называется передачей  маркера. Маркер последовательно, от компьютера к компьютеру, передается до тех пор, пока его не получит тот компьютер, который должен передать данные. Передающий компьютер добавляет к маркеру данные и адрес получателя и отправляет его дальше по кольцу.

Данные передаются через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя. Далее принимающий компьютер посылает передающему сообщение — подтверждение о приеме данных. Получив сообщение — подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть. 

 

 

  

 

Полносвязная вычислительная сеть. УК – устройство коммутации

 

В структуре посносвязной вычислительной сети можно выделить коммуникационную и абонентскую подсети. Коммуникационная подсеть — это ядро вычислительной сети, которое связывает рабочие станции и серверы сети друг с другом. Звенья абонентской подсети (серверы, рабочие станции) подключаются к узлам коммутации абонентскими каналами связи. 

 

Модель взаимодействия открытых систем

Передача и обработка  данных в разветвленной сети является сложным, использующим многочисленную и разнообразную аппаратуру

процессом, требующим формализации и стандартизации следующих процедур:

·        управление и контроль ресурсов компьютеров и системы телекоммуникаций;

·        установление и разъединение соединений;

·         контроль соединений;

·        маршрутизация, согласование, преобразование и передача данных;

·         контроль правильности передачи;

·        исправление ошибок и т. д.

Необходимо  применение стандартизированных протоколов и для обеспечения понимания  сетями друг друга при их взаимодействии. Указанные выше задачи решаются с помощью применения системы протоколов и стандартов, которые определяют процедуры взаимодействия элементов сети при установлении связи и передаче данных.

Протокол представляет собой набор правил и методов  взаимодействия объектов вычислительной сети, регламентирующий основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия, обеспечивающие корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети. Выполнением протокольных процедур управляют специальные программы, реже аппаратные средства.

Международной организацией по стандартизации ( ISO) разработана система стандартных протоколов — модель взаимодействия открытых систем (Оpen System Interconnection — ОSI), которую также называют эталонной семиуровневой моделью открытых систем.

Открытая система — система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с разработанными стандартами. Модель OSIсодержит общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов и служит основой для разработчиков совместимого сетевого оборудования. Эти рекомендации должны быть реализованы как в технических, так и в программных средствах вычислительных сетей. Для обеспечения упорядочения функций управления и протоколов вычислительной сети вводятся функциональные уровни. В общем случае сеть включает семь функциональных уровней (см. таблицу ниже).

Условно уровни приложения и представления данных можно отнести к функциям взаимодействия с приложением, а более низкие уровни — к функциям связи

 

Таблица: Уровни управления модели ОSI 

 

Уровень ОSI	Назначение
7. Прикладной	Предоставляет прикладным процессам пользователя средства доступа  к сетевым ресурсам; реализует  интерфейс между программами пользователя и сетью. Имеет интерфейс с пользователем
6. Представления	Предоставляет стандартные способы представления данных, которые удобны для всех взаимодействующих объектов прикладного уровня. Имеет интерфейс с прикладнымипрограммами
5. Сеансовый	Предоставляет средства, необходимые сетевым объектам для организации, синхронизации и административного управления обменом данных между ними
4. Транспортный	Обеспечивает надежную, экономичную и «прозрачную» передачу данных между взаимодействующими объектами сеансового уровня
3. Сетевой	Регламентирует  маршрутизацию передачи данных в сети, устанавливает логический канал между объектами для реализации протоколов транспортного уровня
2. Канальный	Отвечает  за непосредственную связь объектов сетевого уровня, функциональные и процедурные средства ее поддержки для эффективной реализации протоколов сетевого уровня
1. Физический	Формирует физическую среду передачи данных, устанавливает  соединения объектов сети с этой средой

Прикладной  уровень регламентирует процесс управления терминалами сети и прикладными процессами, которые являются источниками и потребителями информации, передаваемой в сети. Отвечает за запуск программ пользователя, их выполнение, ввод-вывод данных, управление терминалами, административное управление сетью. На данном уровне применяются технологии, являющиеся надстройкой над инфраструктурой передачи данных: электронной почты, теле- и видеоконференций, удаленного доступа к ресурсам, работы в Интернете.

Уровень представления интерпретирует и преобразовывает данные, передаваемые в сети, в вид, удобный для прикладных процессов.

 

Согласует форматы  представления данных, синтаксис, трансляцию и интерпретацию программ с разных языков. Многие функции этого уровня задействованы на прикладном уровне, поэтому предоставляемые им протоколы не получили развития и во многих сетях практически не используются.

Таблица. Функции уровней модели OSI 

 

Номер уровня	Наименование	Функция
7	Прикладной  уровень	Функции взаимодействия с приложением
6	Уровень представления
5	Сеансовый уровень	Логическая  связь
4	Транспортный  уровень	Межсетевая  связь
3	Сетевой уровень
2	Канальный уровень	Связь в локальной  сети
1	Физический  уровень

 

Сеансовый уровень — обеспечение организации и проведения сеансов связи между прикладными процессами, такими как инициализация и поддержание сеанса между абонентами сети, управление очередностью и режимами передачи данных. Многие функции этого уровня в части установления соединения и поддержания упорядоченного обмена данными реализуются на транспортном уровне, поэтому протоколы сеансового уровня имеют ограниченное применение.

Транспортный  уровень — отвечает за управление сегментированием данных (сегмент — блок данных транспортного уровня) и сквозной передачей (транспортировкой) данных от источника к потребителю. На данном уровне оптимизируется использование услуг, предоставляемых на сетевом уровне, в части обеспечения максимальной пропускной способности при минимальных затратах. Протоколы транспортного уровня (сегментирующие и дейтаграммные) развиты очень широко и интенсивно используются на практике. Сегментирующие протоколы разбивают исходное сообщение на блоки данных — сегменты. Основной функцией таких протоколов транспортного уровня является обеспечение доставки этих сегментов до объекта назначения и восстановление сообщения. Дейтаграммные протоколы не сегментируют сообщение и отправляют его одним куском, который называется «дейтаграмма».

Сетевой уровень. Назначением данного уровня является управление логическим каналом передачи данных в сети (адресация и маршрутизация данных, коммутация каналов, сообщений, пакетов и мультиплексирование). На данном уровне реализуется главная телекоммуникационная функция сетей, заключающаяся в обеспечении связи ее пользователей. Каждый пользователь сети обязательно использует протоколы этого уровня и имеет свой уникальный сетевой адрес, используемый протоколами сетевого уровня. На этом уровне передаваемые данные разбиваются на пакеты. Для того чтобы пакет был доставлен до какого-либо хоста, этому хосту должен быть поставлен в соответствие известный передатчику сетевой адрес.

Канальный уровень. Формирование и управление физическим каналом передачи данных между объектами сетевого уровня, обеспечение, прозрачности физических соединений, контроля и исправления ошибок передачи.

Физический  уровень отвечает за установление, поддержание и расторжение соединений с физическим каналом сети. На данном уровне определяются набор сигналов, которыми обмениваются системы, параметры этих сигналов — временные, электрические — и последовательность формирования этих сигналов при выполнении процедуры передачи данных. 

Техническое обеспечение компьютерных сетей

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. Наиболее

 

важным требованием, которое предъявляется к серверу, является высокая производительность и надежность работы.

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.

Файл-сервер. Основное назначение — работа с  базами данных, сервер имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах RAID емкостью до терабайта.

Факс-сервер. Это выделенная рабочая станция  для организации многоадресной факсимильной связи, с несколькими факс-модемными платами. Поддерживает защиту информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, обладает системой хранения электронных факсов.

Почтовый  сервер. Это выделенная рабочая станция  для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

Сервер печати предназначен для эффективного использования  системных принтеров.

Серверы-шлюзы в Интернете играют роль маршрутизаторов. Практически всегда совмещают функции почтового сервера и сетевого брандмауэра, обеспечивающего безопасную работу в сети.

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.

Узлы коммутации могут осуществлять один из трех возможных  видов коммутации при передаче данных: коммутацию каналов, коммутацию сообщений, коммутацию пакетов.

При коммутации каналов используются сообщения  или пакеты, которые часто называют дейтаграммами.

 

Дейтаграмма — это пакет данных (сообщение), который содержит в своем заголовке информацию, необходимую для передачи его от источника к получателю независимо от всех предыдущих и последующих сообщений.

Между пунктами отправления  и приема сообщения устанавливается непосредственное физическое соединение на основе формирования составного канала из последовательно соединенных отдельных участков каналов связи. Такой канал организуется в начале сеанса связи, поддерживается в течение всего сеанса и разрывается только после окончания передачи. Основные достоинства метода заключаются в следующем:

*  возможность работы в диалоговом режиме и в режиме реального 
времени;

*  обеспечение полной прозрачности канала.

Метод коммутации применяется  чаще всего при дуплексной передаче аудиоинформации (телефонная связь).

При коммутации сообщений данные передаются в виде дискретных порций разной длины (сообщений). Между источником и адресатом сквозной физический канал не устанавливается и ресурсы коммуникационной системы предварительно не распределяются. Отправитель только указывает адрес получателя. Узлы коммутации анализируют адрес, текущую занятость каналов и передают сообщение по доступному в данный момент времени каналу на ближайший узел сети в сторону получателя. В узлах коммутации имеются коммутаторы, управляемые связным процессором, которые также обеспечивают временное хранение данных в буферной памяти, контроль достоверности информации и исправление ошибок, преобразование форматов данных, формирование сигналов подтверждения получения сообщения. Применяется этот вид коммутации в электронной почте, телеконференциях. Метод коммутации пакетов был разработан в современных системах для повышения оперативности, надежности передачи и уменьшения емкости запоминающих устройств узлов коммутации. Длинные сообщения разделяются на несколько более коротких, которые называют пакетами. Данный вид коммутации обеспечивает наибольшую пропускную способность сети и наименьшую задержку при передаче данных. Недостатком коммутации пакетов является сложность его применения для систем, работающих в интерактивном режиме и в режиме реального времени.

 

 

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.

Модемы бывают разные, но в первую очередь их можно разделить на аналоговые и цифровые.

Аналоговые  модемы самые распространенные и  предназначены для выполнения следующих функций:

*  при передаче для преобразования широкополосных импульсов 
(цифрового кода) в узкополосные аналоговые сигналы;

*  при приеме для фильтрации принятого сигнала от помех и детектирования, то есть обратного преобразования узкополосного аналогового сигнала в цифровой код.

Преобразование, выполняемое при передаче данных, обычно связано с их модуляцией.

Модуляция — это изменение какого-либо параметра сигнала в канале связи (модулируемого сигнала) в соответствии с текущими значениями передаваемых данных (модулирующего сигнала).

Демодуляция — это обратное преобразование модулированного  сигнала в модулирующий сигнал.

Протокол передачи данных представляет собой совокупность правил, определяющих формат данных и процедуры их передачи в канале связи. В протоколе подробно указывается, как представить данные, какой способ модуляции данных избрать с целью ускорения и защиты

их передачи, как выполнить соединение с каналом и обеспечить достоверность передачи данных.

Модемы для  цифровых каналов связи более  правильно называть сетевыми адаптерами, так как классическая модуляция-демодуляция сигналов в них не осуществляется — входной и выходной сигналы такого модема являются импульсными.

Вместо модема в локальных сетях также используются сетевые адаптеры (сетевые карты), выполненные в виде плат, устанавливаемых в разъем материнской платы.

Сетевые адаптеры можно подразделить на две группы: адаптеры для клиентских компьютеров, адаптеры для серверов.

В адаптерах  для клиентских компьютеров основная часть работы по приему и передаче сообщений перекладывается на программное обеспечение. Такой адаптер дешевле и проще, но он достаточно сильно загружает центральный процессор компьютера. Адаптеры для серверов используют в своей работе собственные процессоры. Этот тип адаптеров значительно дороже адаптеров для клиентских компьютеров.  

Локальные вычислительные сети

Локальные сети обычно объединяют ряд компьютеров, работающих под управлением одной операционной системы.

Локальные сети отделов используются для работы небольшой группы сотрудников предприятия (отдел кадров, бухгалтерия, отдел маркетинга).

Сети кампусов (cumpus - университетский городок) могут занимать значительные территории и объединять много разнородных сетей.

Корпоративные сети — сети масштаба всего предприятия, корпорации могут охватывать большие территории, объединять филиалы, расположенные в разных странах.

В однородных сетях применяется однотипный состав программного и аппаратного обеспечения.

Различают одноранговые ЛВС и ЛВС на основе сервера.  

 

В серверных сетях один из компьютеров, который называют сервером, реализует процедуры, предназначенные для использования всеми рабочими станциями, управляет взаимодействием рабочих станций и выполняет ряд сервисных функций. В процессе обработки данных клиент формирует запрос на сервер для выполнения тех или иных процедур: чтение файла, поиск информации в базе данных, печать файла и т. п. 

 

В качестве межсетевого  интерфейса для соединения сетей  между собой используются повторители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы.

Повторители — устройства, которые усиливают электрические сигналы и обеспечивают сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большие расстояния.

Мосты — устройства, которые регулируют трафик между сетями, используют одинаковые протоколы передачи данных на сетевом и высших уровнях и выполняют фильтрацию информационных сообщений в соответствии с адресами получателей.

Маршрутизаторы — обеспечивают соединение логически не связанных сетей. Они анализируют сообщение, определяют его дальнейший наилучший путь, выполняют его некоторое протокольное преобразование для согласования и передачи в другую сеть, создают нужный логический канал и передают сообщение по назначению.

Шлюзы — устройства, позволяющие объединить вычислительные сети, использующие различные протоколы OSI на всех ее уровнях. Мосты,маршрутизаторы и шлюзы в локальной вычислительной сети — это, как правило, выделенные компьютеры со специальным программным обеспечением и дополнительной связной аппаратурой.