Основы сетевых информационных технологий

Нижегородский Государственный Технический Университет  им. Р.Е.Алексеева 

Кафедра "Управление финансами предприятия" 
 
 
 
 

Курсовая  работа

Основы  сетевых информационных технологий 
 
 
 
 

Выполнила: Резвова  А.В.

Группа 10-ИНМк

Руководитель: Зеленский В.П. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нижний Новгород

2010

Содержание 
 

Введение. Модель взаимосвязи открытых систем                                                   3 

Организация взаимодействия устройств в сети                                                         8 

Методы передачи данных в сетях ЭВМ                                                                      10 

Средства  коммутации в компьютерных сетях                                                          11 

Организация сложных связей в глобальных сетях                                                  16 

Технология  клиент-сервер                                                                                             20 

Технология  работы в среде распределенной обработки данных                      23 

Базовые технологии обработки запросов в архитектурах                                    25 

Список литературы                                                                                                          29 
 
 
 

Ввеение. Модель взаимосвязи открытых систем  

Развитие средств  вычислительной техники, а особенно появление персональных компьютеров  привело к созданию нового типа информационно-вычислительных систем под названием локальная  вычислительная сеть (ЛВС).  

ЛВС нашли широкое  применение в системах автоматизированного  проектирования и технологической  подготовки производства, системах управления производством и технологическими комплексами, в конторских системах, бортовых системах управления и т.д. ЛВС является эффективным способом построения сложных систем управления различными производственными подразделениями. ЛВС интенсивно внедряются в медицину, сельское хозяйство, образование, науку  и др.  

Локальная сеть - (LAN - Local Area Network), данное название соответствует  объединению компьютеров, расположенных  на сравнительно небольшой территории (одного предприятия, офиса, одной комнаты). Существующие стандарты для ЛВС  обеспечивают связь между компьютерами на расстоянии от 2,5 км до 6 км (Ethernet и ARCNET, соответственно).  

ЛВС - набор аппаратных средств и алгоритмов, обеспечивающих соединение компьютеров, других периферийных устройств (принтеров, дисковых контроллеров и т.п.) и позволяющих им совместно  использовать общую дисковую память, периферийные устройства, обмениваться данными.  

В настоящее время  информационно-вычислительные системы  принято делить на 3 основных типа:  

- LAN (Lokal Area Network) - локальная  сеть в пределах предприятия,  учреждения, одной организации;  

- MAN (Metropolitan Area Network) - городская или региональная сеть, т.е. сеть в пределах города, области и т.п.;  

- WAN (Wide Area Network) - глобальная  сеть, соединяющая абонентов страны, континента, всего мира.  

Информационные системы, в которых средства передачи данных принадлежат одной компании и  используются только для нужд этой компании , принято называть Сеть Масштаба Предприятия или Корпоративная  Сеть (Enterprise Network). Для автоматизации  работы производственных предприятий  часто используются системы на базе протоколов MAP/TOP:  

MAP (Manufacturing Automation Protocol) - сеть для производственных предприятий,  заводов (выполняется автоматизация  работы конструкторских отделов  и производственных, технологических  цехов). МАР позволяет создать  единую технологическую цепочку  от конструктора, разработавшего  деталь, до оборудования, на котором  изготавливают эту деталь.  

TOP (Technical and Office Protocol) - протокол автоматизации технического  и административного учреждения.  

МАР/ТОР системы, полностью автоматизирующие работу производственного предприятия.  

Основное назначение ЛВС - в распределении ресурсов ЭВМ: программ, совместимости периферийных устройств, терминалов, памяти. Следовательно, ЛВС должна иметь надежную и быструю  систему передачи данных, стоимость  которой должна быть меньше по сравнению  со стоимостью подключаемых рабочих  станций. Иными словами, стоимость  передаваемой единицы информации должна быть значительно ниже стоимости обработки информации в рабочих станциях. Исходя из этого ЛВС, как система распределенных ресурсов, должна основываться на следующих принципах:  

- единой передающей  среды;  

- единого метода  управления;  

- единых протоколов;  

- гибкой модульной  организации;  

- информационной  и программной совместимости.  

Международная организация  по стандартизации (ISO), основываясь  на опыте многомашинных систем, который  был накоплен в разных странах, выдвинула  концепцию архитектуры открытых систем - эталонную модель, используемую при разработке международных стандартов.  
 

На основе этой модели вычислительная сеть предстает как  распределенная вычислительная среда, включающая в себя большое число  разнообразных аппаратных и программных  средств. По вертикали данная среда  представляется рядом логических уровней, на каждый из которых возложена одна из задач сети. По горизонтали информационно-вычислительная среда делится на локальные части (открытые системы), отвечающие требованиям  и стандартам структуры открытых систем.  

Часть открытой системы, выполняющая некоторую функцию  и входящая в состав того или иного  уровня, называется объектом.  

Правила, по которым  осуществляется взаимодействие объектов одного и того же уровня, называются протоколом (методика связи).  

Протоколы определяют порядок обмена информацией между  сетевыми объектами. Они позволяют  взаимодействующим рабочим станциям посылать друг другу вызовы, интерпретировать данные, обрабатывать ошибочные ситуации и выполнять множество других различных функций. Суть протоколов заключается в регламентированных обменах точно специфицированными командами и ответами на них (например, назначение физического уровня связи - передача блоков данных между двумя  устройствами, подключенными к одной  физической среде).  

Каждый уровень  подразделяется на две части:  

- спецификацию услуг;  

- спецификацию протокола.  

Спецификация услуг  определяет, что делает уровень, а  спецификация протокола - как он это  делает.  

Причем, каждый конкретный уровень может иметь более  одного протокола.  

Большое число уровней, используемых в модели, обеспечивает декомпозицию информационно-вычислительного  процесса на простые составляющие. В свою очередь, увеличение числа  уровней вызывает необходимость включения дополнительных связей в соответствии с дополнительными протоколами и интерфейсами. Интерфейсы (макрокоманды, программы) зависят от возможностей используемой ОС.  

Международная организация  по стандартизации предложила семиуровневую  модель, которой соответствует и  программная структура (рис.4.1.).  
 
 

Рассмотрим функции, выполняемые каждым уровнем программного обеспечения:  

1.Физический - осуществляет  как соединения с физическим  каналом, так и расторжение,  управление каналом, а также  определяется скорость передачи  данных и топология сети.  

2.Канальный - осуществляет  обрамление передаваемых массивов  информации вспомогательными символами  и контроль передаваемых данных. В ЛВС передаваемая информация  разбивается на несколько пакетов  или кадров. Каждый пакет содержит  адреса источника и места назначения, а также средства обнаружения  ошибок.  

3.Сетевой - определяет  маршрут передачи информации  между сетями (ПЭВМ), обеспечивает  обработку ошибок, а так же  управление потоками данных.  

Основная задача сетевого уровня - маршрутизация данных (передача данных между сетями). Специальные  устройства - Маршрутизаторы (Router) определяют для какой сети предназначено  то или другое сообщение, и направляет эту посылку в заданную сеть. Для  определения абонента внутри сети используется Адрес Узла (Node Address). Для определения  пути передачи данных между сетями на маршрутизаторах строятся Таблицы  Маршрутов (Routing Tables), содержащие последовательность передачи данных через маршрутизаторы. Каждый маршрут содержит адрес конечной сети, адрес следующего маршрутизатора и стоимость передачи данных по этому  маршруту. При оценке стоимости могут  учитываться количество промежуточных  маршрутизаторов, время, необходимое  на передачу данных, просто денежная стоимость  передачи данных по линии связи. Для  построения таблиц маршрутов наиболее часто используют либо Метод Векторов либо Статический Метод. При выборе оптимального маршрута применяют динамические или статические методы. На сетевом  уровне возможно применение одной из двух процедур передачи пакетов:  

-датаграмм - т.е., когда часть сообщения или  пакет независимо доставляется  адресату по различным маршрутам,  определяемым сложившейся динамикой  в сети. При этом каждый пакет  включает в себя полный заголовок  с адресом получателя. Процедуры  управления передачей таких пакетов  по сети называются датаграммной  службой;  

-виртуальных соединений - когда установление маршрута  передачи всего сообщения от  отправителя до получателя осуществляется  с помощью специального служебного  пакета - запроса на соединение. В  таком случае для этого пакета  выбирается маршрут и, при положительном  ответе получателя на соединение  закрепляется для всего последующего  трафика (потока сообщений в  сети передачи данных) и получает  номер соответствующего виртуального  канала (соединения) для дальнейшего  использования его другими пакетами  того же сообщения. Пакеты, которые  передаются по одному виртуальному  каналу, не являются независимыми  и поэтому включают сокращенный  заголовок, включающий порядковый  номер пакета, принадлежащему одному  сообщению.  

Недостатки: значительная по сравнению с датаграммой сложность  в реализации, увеличение накладных  расходов, вызванных установлением  и разъединением сообщений.  

ВЫВОД. Датаграммный режим предпочтительнее использовать для сетей сложной конфигурации, где значительное число ЭВМ в  сети, иерархическая структура сети, надежность, достоверность передачи данных по каналам связи, длина пакета более 512 байт.  

4.Транспортный - связывает  нижние уровни (физический, канальный,  сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными  средствами. Этот уровень как  бы разделяет средства формирования  данных в сети от средств  их передачи. Здесь осуществляется  разделение информации по определенной  длине и уточняется адрес назначения. Транспортный уровень позволяет  мультиплексировать передаваемые  сообщения или соединения. Мультиплексирование  сообщений позволяет передавать  сообщения одновременно по нескольким  линиям связи, а мультиплексирование  соединений - передает в одной  посылке несколько сообщений  для различных соединений.  

5.Сеансовый - на  данном уровне осуществляется  управление сеансами связи между  двумя взаимодействующими пользователями (определяет начало и окончание  сеанса связи: нормальное или  аварийное; определяет время,  длительность и режим сеанса  связи; определяет точки синхронизации  для промежуточного контроля  и восстановления при передаче  данных; восстанавливает соединение  после ошибок во время сеанса  связи без потери данных.  

6.Представительский  - управляет представлением данных  в необходимой для программы  пользователя форме, генерацию  и интерпретацию взаимодействия  процессов, кодирование/декодирование  данных, в том числе компрессию  и декомпрессию данных. На рабочих  станциях могут использоваться  различные операционные системы  : DOS, UNIX, OS/2. Каждая из них имеет  свою файловую систему, свои  форматы хранения и обработки  данных. Задачей данного уровня  является преобразование данных  при передаче информации в  формат, который используется в  информационной системе. При приеме  данных данный уровень представления  данных выполняет обратное преобразование. Таким образом появляется возможность  организовать обмен данными между  станциями, на которых используются  различные операционные системы.  

Форматы представления  данных могут различаться по следующим  признакам:  

- порядок следования  битов и размерность символа  в битах;  

- порядок следования  байтов;  

- представление и  кодировка символов;  

- структура и синтаксис  файлов.  

Компрессия или  упаковка данных сокращает время  передачи данных. Кодирование передаваемой информации обеспечивает защиту ее от перехвата.  

7.Прикладной - в его  ведении находятся прикладные  сетевые программы, обслуживающие  файлы, а также выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические  преобразования информации, передачу  почтовых сообщений и т.п. Главная  задача этого уровня - обеспечить  удобный интерфейс для пользователя.  

На разных уровнях  обмен происходит различными единицами  информации: биты, кадры, пакеты, сеансовые  сообщения, пользовательские сообщения.

Протоколы в ЛВС  

Организация ЛВС  базируется на принципе многоуровневого  управления процессами, включающими  в себя иерархию протоколов и интерфейсов.  

Протокол УФК определяет форму представления и порядок  передачи данных через физический канал  связи, фиксирует начало и конец  кадра, который несет в себе данные, формирует и принимает сигнал со скоростью, присущей пропускной способности  канала.  

Второй уровень (канальный) можно разделить на два подуровня: управление доступом к каналу (УДК) и управление информационным каналом (УИК).  

Протокол УДК устанавливает  порядок передачи данных через канал, выборку данных.  

Протокол УИК обеспечивает достоверность данных, т.е. формируются  проверочные коды при передаче данных.  

Во многих ЛВС  отпадает необходимость в сетевом  уровне. К нему прибегают при комплексировании нескольких ЛВС, содержащих моноканалы.  

Протокол УП обеспечивает транспортный интерфейс, ликвидирующий  различия между потребностями процессов  в обмене данными и ограничениями  информационного канала, организуемого  нижними уровнями управления. Протоколы  высоких уровней - УС, УПД, УПП - по своим  функциям аналогичны соответствующим  протоколам глобальных сетей, т.е. реализуется  доступ терминалов к процессам, программ к удаленным файлам, передача файлов, удаленный ввод заданий, обмен графической  информацией и др.

Организация взаимодействия устройств  в сети  

В зависимости от способа организации обработки  данных и взаимодействия пользователей, который поддерживается конкретной сетевой операционной системой, выделяют два типа информационных систем:  

- иерархические сети;  

- сети клиент/сервер.  

В иерархических  сетях все задачи, связанные с  хранением, обработкой данных, их представлением пользователям, выполняет центральный  компьютер. Пользователь взаимодействует  с центральным компьютером с  помощью терминала. Операциями ввода/вывода информации на экран управляет центральный  компьютер.  

Достоинства иерархических  систем:  

-отработанная технология  обеспечения отказоустойчивости, сохранности  данных;  

- надежная система  защиты информации и обеспечения  секретности.  

Недостатки:  

-высокая стоимость  аппаратного и программного обеспечения,  высокие эксплуатационные расходы;  

- быстродействие  и надежность сети зависят  от центрального компьютера.  

Примеры иерархических  систем: SNA, IBM Corp., DNA, DEC. 

В системах клиент/сервер обработка данных разделена между  двумя объектами: клиентом и сервером. Клиент - это задача, рабочая станция, пользователь. Он может сформировать запрос для сервера: считать файл, осуществить поиск записи и т.п. Сервер - это устройство или компьютер, выполняющий обработку запроса. Он отвечает за хранение данных, организацию  доступа к этим данным и передачу данных клиенту. В системах клиент/сервер нагрузка по обработке данных распределена между клиентом и сервером, поэтому  требования к производительности компьютеров, используемых в качестве клиента  и сервера, значительно ниже, чем  в иерархических системах.  

По организации  взаимодействия принято выделять два  типа систем, использующих метод клиент/сервер:  

- равноправная сеть;  

- сеть с выделенным  сервером.  

Равноправная сеть - это сеть, в которой нет единого  центра управления взаимодействием  рабочих станций, нет единого  устройства хранения данных. Операционная система такой сети распределена по всем рабочим станциям, поэтому  каждая рабочая станция одновременно может выполнять функции как  сервера, так и клиента. Пользователю в такой сети доступны все устройства (принтеры, жесткие диски и т.п.), подключенные к другим рабочим станциям.  

Достоинства: низкая стоимость (используются все компьютеры, подключенные к сети, и умеренные  цены на прогр. обеспечение для работы сети); высокая надежность (при выходе из строя одной рабочей станции, доступ прекращается лишь к некоторой  части информации).  

Недостатки: работа сети эффективна только при количестве одновременно работающих станций не более 10; трудности организации эффективного управления взаимодействием рабочих  станций и обеспечение секретности  информации; трудности обновления и  изменения ПО рабочих станций.  

Сеть с выделенным сервером - здесь один из компьютеров  выполняет функции хранения данных общего пользования, организации взаимодействия между рабочими станциями, выполнения сервисных услуг - сервер сети. На таком  компьютере выполняется операционная система, и все разделяемые устройства (жесткие диски, принтеры, модемы и  т.п.) подключаются к нему, выполняет  хранение данных, печать заданий, удаленная  обработка заданий. Рабочие станции  взаимодействуют через сервер, поэтому  логическую организацию такой сети можно представить топологией "звезда", где центральное устройство - сервер.  

Достоинства: выше скорость обработки данных (определяется быстродействием  центрального компьютера, и на сервер устанавливается специальная сетевая  операционная система, рассчитанная на обработку и выполнение запросов, поступивших одновременно от нескольких пользователей); обладает надежной системой защиты информации и обеспечения  секретности; проще в управлении по сравнению с равноправными.  

Недостатки: такая  сеть дороже из-за отдельного компьютера под сервер; менее гибкая по сравнению  с равноправной.  

Сети с выделенным сервером являются более распространенными. Примеры сетевых операционных систем такого типа: LAN Server, IBM Corp., VINES, Banyan System Inc., NetWare, Novell Inc.

Методы  передачи данных в  сетях ЭВМ  

При обмене данными  между узлами используются три метода передачи данных:  

-симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио);  

-полудуплексная ( прием/передача  информации осуществляется поочередно);  

- дуплексная (двунаправленная), каждая станция одновременно  передает и принимает данные.  

Для передачи данных в информационных системах наиболее часто применяется последовательная передача. Широко используются следующие  методы последовательной передачи: асинхронная  и синхронная.  

При асинхронной  передаче каждый символ передается отдельной  посылкой (рис.4.2).  
 
 

При асинхронной  передаче каждый символ передается отдельной  посылкой. Стартовые биты предупреждают  приемник о начале передачи. Затем  передается символ. Для определения  достоверности передачи используется бит четности (бит четности =1, если количество единиц в символе нечетно, и 0, в противном случае. Последний  бит "стоп бит" сигнализирует об окончании передачи.  

Преимущества: несложная  отработанная система; недорогое (по сравнению  с синхронным) интерфейсное оборудование.  

Недостатки: третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов (старт/стоповых и бита четности); невысокая скорость передачи по сравнению с синхронной; при множественной ошибке с помощью  бита четности невозможно определить достоверность полученной информации.  

Асинхронная передача используется в системах, где обмен  данными происходит время от времени  и не требуется высокая скорость передачи данных. Некоторые системы  используют бит четности как символьный бит, а контроль информации выполняется  на уровне протоколов обмена данными (Xmodem, Zmodem,MNP).  

При использовании  синхронного метода данные передаются блоками. Для синхронизации работы приемника и передатчика в  начале блока передаются биты синхронизации. Затем передаются данные, код обнаружения  ошибки и символ окончания передачи. При синхронной передаче данные могут  передаваться и как символы, и  как поток битов. В качестве кода обнаружения ошибки обычно используется Циклический Избыточный Код Обнаружения  Ошибок (CRC). Он вычисляется по содержимому  поля данных и позволяет однозначно определить достоверность принятой информации.  

Преимущества: высокая  эффективность передачи данных; высокие  скорости передачи данных; надежный встроенный механизм обнаружения ошибок.  

Недостатки: интерфейсное оборудование более сложное и, соответственно, более дорогое.  

Протоколы SDLC и HDLC основываются на синхронной бит-ориентированной  передаче данных.

Средства  коммутации в компьютерных сетях  

ЛВС можно создавать  с любым из типов кабеля. Самым  дешевым является кабель Витая пара со скрученной парой проводов, который  используется в телефонии. Он может  быть Экранированным и Неэкранированным. Экранированный более устойчив к  электромагнитным помехам. Однако на практике чаще используется неэкранированный кабель, т.к. такой тип кабеля используется для разводки телефонных линий и, он дешевле экранированного. Наилучшим  образом подходит для малых учреждений. Недостатками данного кабеля является высокий коэффициент затухания  сигнала и высокая чувствительность к электромагнитным помехам, поэтому  максимальное расстояние между активными  устройствами в ЛВС при использовании  витой пары до 100 метров.  

Коаксиальный кабель. Этот кабель может использоваться в  двух различных системах передачи данных: без модуляции сигнала и с  модуляцией. В первом случае цифровой сигнал используется в таком виде, в каком он поступает из ПК и  сразу же передается по кабелю на приемную станцию. Он имеет один канал передачи со скоростью до 10 Мбит/сек и максимальный радиус действия 4000 м. Во втором случае цифровой сигнал превращают в аналоговый и направляют его на приемную станцию, где он снова превращается в цифровой. Операция превращения сигнала выполняется  модемом (модулятор/демодулятор); каждая станция должна иметь свой модем. Этот способ передачи является многоканальным (обеспечивает передачу по десяткам каналов, используя для этого всего  лишь один кабель).Таким способом можно  передавать звуки, видео сигналы, данные. Длина кабеля может достигать  до 50 км.  

Передача сигнала  с модуляцией более дорогостоящая, чем без модуляции. Поэтому, наиболее эффективное его использование  при передаче данных между крупными предприятиями.  

Оптоволоконный кабель является новейшей технологией, используемой в ЛВС. Носителем информации является световой луч, который моделируется сетью и принимает форму сигнала. Такая система устойчива к  внешним электрическим помехам  и таким образом возможна очень  быстрая и безошибочная передача данных (до 2 Гбит/с), и обеспечивает секретность передаваемой информации. Количество каналов в таких кабелях  огромно. Передача данных выполняется  только в симплексном режиме, поэтому  для организации обмена данными  устройства необходимо соединять двумя  оптическими волокнами (на практике оптоволоконный кабель всегда имеет  четное, парное кол-во волокон). К недостаткам  можно отнести большую стоимость, а также сложность подсоединения.  

Радиоволны в микроволновом  диапазоне используются в качестве передающей среды в Беспроводных Локальных Сетях, либо между мостами  или шлюзами для связи между  ЛВС. В первом случае максимальное расстояние между станциями составляет 200-300 м, во втором - это расстояние прямой видимости. Скорость передачи данных - до 2 Мбит/с.  

Беспроводные ЛС считаются перспективным направлением развития ЛС. Их преимущество - простота и мобильность. Исчезают проблемы, связанные  с прокладкой и монтажом кабельных  соединений. Достаточно установить интерфейсные платы на рабочие станции, и сеть готова к работе. Сдерживающим фактором широкого развития БЛС является отсутствие стандарта для таких сетей. Существующие БЛС, выполненные различными фирмами, как правило, полностью несовместимы между собой.