Горячев А.В. Основы сетевых технологий

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

ОСНОВЫ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ'

2000

УДК 681.324:621.391.1

ББК 3973.202 + 388

О-75

Авторы: А.В Горячев, Н.Е. Новакова, А. В. Нисковский, С.В. Полехин.

Основы сетевых технологий: Учеб пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ

«ЛЭТИ», 2000. 64 с.

Определяются основные понятия сетевых технологий,

рассматриваются составляющие для построения вычислительных сетей и

принципы организации передачи данных в них. Рассматриваются основные

сетевые службы, модели описания сетевых взаимодействий, отображение

основных стеков протоколов на модель OSI. Приводятся алгоритмы и

протоколы коммутации и маршрутизации информации в вычислительных

сетях, основы организации межсетевых взаимодействий.

Предназначено для студентов дневной и вечерней форм обучения по

направлению 552800 «Информатика и вычислительная техника».

Рецензенты: кафедра информатики Северо-Западной академии

государственной службы; начальник отдела системной интеграции ЗАО

«ЭВРИКА» А. А. Гусак.

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000

1. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Понятие "сеть" (net, network, сеть передачи данных) в русском языке

имеет много разных значений и применяется для определения самых

разнообразных взаимодействий между самыми разнообразными объектами.

Сети, обеспечивающие взаимодействие между компьютерами, чаще всего

называют компьютерными или вычислительными сетями.

Сетевые ресурсы представляют собой аппаратные устройства, участ-

вующие в сетевом взаимодействии, и их компоненты, задействованные в

этом процессе. Самым характерным устройством — звеном сети - является

компьютер. Его аппаратные компоненты (процессор, оперативная память,

накопители на жестких дисках, принтеры, модемы и т. д.) являются ресур-

сами, управляет которыми программный комплекс - операционная сис-

тема. В большинстве случаев операционная система обеспечивает доступ к

перечисленным ресурсам локально - с консоли компьютера. Участие в сете-

вом взаимодействии подразумевает возможность удаленного доступа к ре-

сурсам компьютера. Операционные системы, для которых такой режим дос-

тупа является основным, называют сетевыми операционными системами -

СОС (Network Operation System - NOS).

Отдельные программные компоненты обеспечивают доступ к отдель-

ным видам ресурсов или специальные режимы их использования. Набор та-

ких компонентов называют сетевой службой - сетевым сервисом (Network

Service).

Процесс совместного использования (sharing) сетевых ресурсов

называется сетевым взаимодействием (networking).

1.1. Модели сетевых вычислений

Первый способ сетевого взаимодействия предполагает полностью

централизованную обработку информации и ее хранение. Обработку

осуществляет центральный компьютер (mainframe, host), на котором и

выполняются все задачи пользователей. Пользователи совместно используют

для решения своих задач все ресурсы центрального компьютера - процессор,

оперативную и дисковую память, периферийные устройства. Взаимодействие

с центральным компьютером пользователи осуществляют с помощью

локальных устройств - терминалов (рис. 1.1). Терминал обычно состоит из

коммуникационного оборудования и устройств ввода и вывода данных,

например клавиатуры и дисплея, что дает ему возможность играть роль

интерфейса ввода-вывода данных. Часто эту модель взаимодействия

называют «терминал-хост» (terminal-host).

Центральный компьютер должен работать под управлением

операционной системы, поддерживающей такое взаимодействие, которое

называется централизованным вычислением (centralized computing). Хотя

такая машина полностью обеспечивает хранение данных и вычислительные

возможности, подключение к ней удаленных терминалов не является

сетевым взаимодействием, так как терминалы, являясь, по сути,

периферийными устройствами, обеспечивают только преобразование формы

информации, но не ее обработку. Собственно сети появились тогда, когда на

устройстве, с которым непосредственно взаимодействует пользователь,

стала выполняться некоторая предварительная обработка информации, что

привело к появлению модели «клиент-сервер».

В вычислительной модели обработки данных «клиент-сервер»

несколько клиентов (персональных компьютеров) подключаются к серверу.

Модель имеет следующие характеристики:

- возможности обработки распределяются между несколькими

машинами;

- клиенты запрашивают сервисы у серверов;

- серверы выполняют некоторую часть обработки для клиента.

Приложения, используемые в сетях «клиент-сервер», производят

предварительную обработку данных (front end), которая выполняется на

клиенте, и обработку базы данных (back end), выполняющуюся на сервере.

В модели «клиент-сервер» могут быть использованы:

- автономные (несетевые) приложения, такие как программы

обработки электронных таблиц (spreadsheet) или текстовые процессоры,

которые выполняются на клиенте, но сохраняют данные на сервере;

- приложения баз данных, которые обеспечивают интерфейс клиента

для запросов и механизм поиска на сервере, который размещает записи,

хранящиеся на одном или нескольких серверах;

- программы, такие как система электронной почты, в которой сервер

применяется для совместного использования информации.

Сервер и клиент. Сервер (server в дословном переводе на русский

язык означает «тот, кто обслуживает») сети предназначен для обслуживания

поступающих от клиента (client) сети запросов. Клиент всегда запрашивает

обслуживание, а сервер всегда обслуживает клиента. В некоторых случаях

один и тот же компьютер может выступать как в роли клиента, так и в роли

сервера, обеспечивая обработку запросов от других клиентов и запрашивая

обслуживание у других серверов.

По способу взаимодействия серверов и клиентов определяют два вида

сетей: «клиент-сервер» (client-server) и «равный с равным» (peer-to-

peer). Поскольку клиентом сети является пользователь, выполняющий на

компьютере свои задачи, то сам компьютер пользователя, подключенный к

сети, называется «рабочая станция» (workstation).

В модели «клиент-сервер» (рис. 1.2) рабочие станции формируют

запросы на обслуживание и пересылают их серверу (стадия 1). Сервер, используя

свои вычислительные мощности, обрабатывает запросы (стадия 2).

Результаты обработки возвращаются рабочим станциям (стадия 3). В этой

модели максимально используются все ресурсы сервера, учитывается его

специализация. Именно по такой модели работают серверы приложений и

клиенты, использующие эти приложения.

Часто модели «клиент-сервер» и «равный с разным» могут

одновременно существовать в одной сети. Сети, построенные по принципу

«равный с равным», называют также одноранговыми сетями, в которых все

компьютеры имеют одинаковый статус - ранг.

Использование дополнительных возможностей по предоставлению

сервисов компьютерами (модели «клиент-сервер») в одноранговой сети

расширяет функциональные возможности для пользователей (рис. 1.3).

Компьютеры 1 и 2 выступают только как клиенты сети, а компьютеры 3 и 4

обеспечивают совместное использование своих ресурсов, например дисков и

принтеров, оставаясь при этом клиентами сети. Запросы 1, 2 и 7 поступают

от клиентов. Эти запросы обрабатываются серверами (стадии обращений 3, 5

и 8) и результаты возвращаются сетевым клиентам (стадии 4, 6, 9).

Компьютерная индустрия развивалась в различных направлениях,

увеличивались вычислительные мощности машин, предназначенных для

работы по схеме «терминал-хост», бурно развивались персональные ЭВМ

(ПЭВМ). ПЭВМ полностью управляет пользователь. Идеология ПЭВМ

предполагает, что все ее ресурсы используются задачами пользователя,

работающего за ее консолью. Однако, несмотря на рост вычислительной

мощности ПЭВМ, многие задачи по-прежнему требовали значительно

больших вычислительных ресурсов. Появилась необходимость создания

нового типа взаимодействия, новой структуры, обеспечивающей

распределенную обработку информации (distributed computing). В этой

модели взаимодействия каждая из машин призвана решать свои задачи, что

делает возможной специализацию: каждый компьютер работает над

конкретной задачей, для решения которой он оптимизирован (в модели

«клиент-сервера» сервер тоже специализирован и выполняет свои

специфические задачи, но он при этом «самодостаточен» и никак не связан с

другими серверами). При этом для решения задач ему необходимо получать

результаты работы других ЭВМ и, в свою очередь, передавать им свои

результаты, что стало возможным только с объединением компьютеров в

вычислительную сеть. Распределение задач между компьютерами сети

(рис. 1.4) позволяет расширить функциональные возможности каждого из них

путем организации совместного доступа к ресурсам.

Одной из заметных тенденций развития вычислительной индустрии

стала модель совместной обработки данных (collaborative computing или

cooperative processing). В этой модели несколько компьютеров используются

для решения одной и той же задачи, а не только для обмена результатами

вычислений (рис. 1.5). При использовании модели совместных вычислений

возрастают суммарная вычислительная мощность и доступные ресурсы

(оперативная и дисковая память), повышается отказоустойчивость всей

системы в целом.

Как правило, распределенное выполнение задачи контролируется

специальной системой управления, которая при отказе одного из

компьютеров переложит выполнение его части работы на оставшиеся

компьютеры. В такой ситуации порой невозможно сказать, на каком узле

выполняется конкретная задача - она как бы «размазана» по компьютерам,

участвующим в процессе. Решения по распределенному выполнению задач

носят название кластеров (cluster).

Обработка данных «клиент—сеть» (client-network). В этой новой

модели пользователи получают доступ к определенным сервисам, а не к

какому-то конкретному серверу. Специальные службы каталога, например

Novell Directory Services (NDS), сами определяют, на каком сервере будет

выполнен запрос клиента. Для пользователя не имеет значения, где

конкретно в сети располагаются выделенные ему в пользование ресурсы, он

должен только уметь обратиться к ним, используя принятую в сети систему

обращений (рис. 1.6). При таком подходе существенно упрощается работа

всех пользователей, а сами сетевые ресурсы и сервисы должны быть

доступны им в любое время. Повышение уровня готовности сетевых

сервисов требует соответствующих технических решений, например

повышения отказоустойчивости или дублирования сервисов.

По размеру, охватываемому расстоянию и структуре сети делятся на

локальные и глобальные сети, иногда выделяются городские сети.

Локальные сети (ЛС) (Local area network, LAN) характеризуются

высокой скоростью передачи (десятки и сотни мегабит в секунду) и

относительно небольшой протяженностью (единицы и десятки километров).

Важными особенностями ЛС являются низкая удельная стоимость передачи

единицы информации и большой запас пропускной способности, что

позволяет использовать достаточно простые (и потому дешевые) технологии

передачи информации.

Обычно ЛС локализуются в пределах одного здания или группы

зданий (Campus), используют один вид среды передачи информации, имеют

единую систему управления и предназначены для обслуживания

потребностей одной организации, которой и принадлежат все ее компоненты

от компьютеров до кабельных систем.

Глобальные сети (ГС) (Wide area network, WAN) характеризуются

низкой пропускной способностью (единицы и десятки килобит в секунду),

использованием разнородных сред передачи информации, большой

протяженностью (могут располагаться в различных уголках земного шара и

пересекать государственные границы). Чаще всего ГС не является

собственностью одной организации, а состоит из компонентов,

принадлежащих потребителям и поставщикам услуг глобальной связи.

Хорошая аналогия - телефонная сеть, где вашей собственностью является

только телефонный аппарат, а все остальное принадлежит телефонным

компаниям, которым вы и платите за их услуги.

Городские сети (Metropoliten area network, MAN) обычно

формируются на основе принадлежащих городским управленческим

структурам высокоскоростных каналов связи, которыми на договорной

основе пользуются все желающие.

1.2. Необходимые компоненты сетевого взаимодействия

Для любого сетевого взаимодействия необходимы три элемента:

1. Как минимум два объекта (индивидуума), заинтересованных во

взаимодействии, когда хотя бы у одного их них есть ресурсы (например,

информация), которые представляют интерес для другого и, следовательно,

могут быть использованы объектами совместно.