Ильин А.А., Евсюков В.В., Ильин Р.А. Информатика
Подождите немного. Документ загружается.
–
281
–
могут включать в своем составе практически любое количество компьютеров
вне зависимости от их взаимного расположения, реализовать возможность
глубокой функциональной специализации различных компьютеров,
обеспечивать передачу данных между компьютерами по различным
маршрутам.
Помимо компьютерных сетей широко распространены терминальные
сети (сети терминалов). Терминальные сети связывают мощные компьютеры
(обычно уровня мэйнфреймов) с большим числом
терминалов (оконечных
устройств), что характерно, например, для системы продажи авиабилетов.
Однако, автономная работа терминалов вне рамок сети теряет смысл в отличие
от самостоятельного использования компьютеров в компьютерных сетях.
Следует отметить, что временная связь (для обмена сообщениями) между
двумя удаленными на любое расстояние компьютерами может быть
осуществлена без использования каких-либо компьютерных
сетей на основе
обычной телефонной сети. Для этого на каждом компьютере должен быть
установлен модем и идентичное программное обеспечение для поддержки
удаленного соединения. При этом на время сеанса связи между абонентами
создается коммутируемый канал.
Общепринятой классификацией компьютерных сетей является их
разделение на локальные (LAN – Local Area Network), глобальные (WAN -
World Area Network) и корпоративные сети.
Простейшая сеть образуется
соединением двух рядом расположенных
компьютеров через последовательные (СОМ) или параллельные (LPT) порты с
помощью специальных кабелей. Такое соединение часто применяют при
подключении ноутбука к другому компьютеру с целью передачи данных. В
последние годы в практику входит использование инфракрасных портов для
соединения компьютеров в пределах прямой видимости (без применения
кабелей).
Локальная компьютерная сеть (ЛКС) представляет собой
распределенную на небольшой территории совокупность связанных
компьютеров, обеспечивающих обработку и передачу данных. В связи с
ослаблением сигналов в соединяющих компьютеры электрических кабелях
протяженность всей системы не должна превышать нескольких километров,
что ограничивает ее распространение рядом близко расположенных зданий.
Глобальная компьютерная сеть (ГКС) связывает информационные
ресурсы компьютеров, находящихся на любом удалении, что предполагает
использование различных специализированных устройств и каналов связи для
высокоскоростной и надежной передачи данных. Общедоступные глобальные
сети ориентированы на обслуживание любых пользователей.
С позиции удобства описания иерархически организованных сетей в
качестве промежуточного уровня иногда используют понятие региональной
–
282
–
компьютерной сети (РКС), для которой в качестве отличительной особенности
указывается масштаб охватываемой ею территории города, региона, страны или
континента. Однако, уже за пределами территории, охватываемой ЛВС,
построение сетей различного масштаба требует решений, характерных для
больших (глобальных) сетей.
Корпоративная компьютерная сеть (ККС) создается для обеспечения
деятельности различного рода корпоративных структур (например, банков со
своими филиалами), имеющих территориально удаленные подразделения. В
общем случае корпоративная сеть является объединением ряда сетей, в каждой
из которых могут быть использованы различные технические решения. По
функциональному назначению корпоративная сеть ближе к локальным сетям,
по особенностям используемых для передачи
данных технических решений и
характеру размещения информационных ресурсов – к глобальным сетям. В
отличие от глобальных сетей как локальные, так и корпоративные сети
являются, как правило, сетями закрытого типа, политика доступа в которые
определяется их владельцами (как правило, для свободного доступа открыты
небольшие сегменты сетей, ориентированные на рекламу, взаимодействие с
клиентами и
др.).
Следует отметить, что подавляющее большинство глобальных
компьютерных сетей относятся к информационным сетям, обеспечивающим
поддержку передачи данных и поиска определенных, размещенных в сети
информационных ресурсов. В последнее десятилетие ведутся интенсивные
работы по созданию
глобальных вычислительных сетей, способных
объединить вычислительные мощности, входящих в различные локальные сети
компьютеров (определенной их части на текущий момент времени), для
решения трудоемких задач путем их разделения на относительно
самостоятельные компоненты, параллельно выполняемые на многих
компьютерах (телекоммуникационное оборудование обеспечивает
взаимодействие компьютеров при обмене данными и результатами их
обработки в процессе решения задачи). Ряд
исследовательских институтов и
университетов по всему миру вовлечены в разнообразные проекты, цель
которых - развитие
модели сетевых вычислений Grid, которая предполагает
построение огромной сети компьютеров таким образом, чтобы все машины в
совокупности действовали как единая система. За счет связи разнородных
серверов, систем хранения и программного обеспечения различные
исследовательские центры, к примеру, могут обмениваться между собой
вычислительными ресурсами и данными. В области компьютерных сетей стал
применяться термин
метакомпьютинг, обозначающий направление
использования компьютерных сетей для создания распределенной
вычислительной инфраструктуры национального и мирового масштаба.
–
283
–
Создание компьютерной сети представляет собой сложную задачу, при
решении которой необходимо учитывать широкий круг взаимосвязанных
вопросов: выбор рациональной структуры сети из множества возможных
вариантов, в наибольшей степени удовлетворяющей назначению сети и
имеющимся различного рода ограничениям; выбор каналов связи между
элементами сети (рабочими станциями, сегментами, входящими в нее сетями
меньшего масштаба и
др.) с оценкой их пропускной способности; определение
эффективной схемы маршрутизации передаваемых пакетов данных
(сообщений); обеспечение взаимодействия разнородных элементов сети с
реализованными в них отличающимися от типовых решениями; доступ
пользователей и процессов к различным категориям сетевых ресурсов; защиту
ресурсов сети от несанкционированного доступа и др.
Проектирование сетей осуществляется с оптимизацией нескольких
показателей качества: минимизацией времени обслуживания пользователей,
надежности обслуживания, минимизацией расходов на создание сетей и их
содержание и др.
Многолетняя практика создания компьютерных сетей различного
масштаба позволила выработать ряд основополагающих принципов,
используемых при проектировании новых сетей:
•
системный подход, предполагающий подчинение всех принимаемых
решений общей цели создания компьютерной системы. При этом выбор
архитектуры сети, организация каналов передачи данных, характер
территориального размещения баз данных, особенности доступа пользователей
к ресурсам сети, функциональные возможности аппаратного и программного
обеспечения должны соответствовать назначению сети, и в пределе -
оптимизировать принятые при ее проектировании критерии качества
Системный подход изначально позволяет акцентировать внимание на
внутренней непротиворечивости реализуемых решений;
•
реализация архитектуры открытых систем, ориентированной на
возможность расширения (изменения), в том числе, через взаимодействие с
другими сетями на основе принятых стандартов. Открытый характер
построения сети позволяет осуществить ее декомпозицию в виде относительно
самостоятельных подсистем меньшего масштаба и модулей, в пределах
которых при проектировании могут быть использованы индивидуальные
решения. Актуальность данного принципа подчеркивается значением модели
взаимодействия открытых систем OSI как общепризнанного стандарта
построения сетей. Открытость системы является основой для ее адаптации (как
правило, непрерывной) к изменяющимся условиям, включая решение вопросов
ее последующего масштабирования;
•
использование унифицированных решений. Широкая
номенклатура современных серийно выпускаемых специализированных
–
284
–
аппаратных и программных средств обеспечивает соответствие действующим
международным стандартам в области построения компьютерных сетей, что
способствует снижению затрат и сокращению времени на их проектирование,
монтаж и отладку, а также повышает надежность их последующей работы;
• поддержка различных способов доступа пользователей к ресурсам
сети
, соответствующих реализованным в ней сервисам (функциям), характеру и
статусу запрашиваемых ресурсов, уровню предъявляемых полномочий по
использованию конкретных ресурсов и др. При необходимости в сети должен
быть обеспечен режим удаленного доступа, реализована возможность
одновременного использования сетевого ресурса несколькими пользователями
или процессами;
• обеспечение безопасности информации, включающее в себя
сохранение ее целостности, конфиденциальности и доступность информации
для пользователей при наличии у них требуемых уровней полномочий.
Любая компьютерная сеть в самом общем виде может быть представлена
в виде двух взаимодействующих составляющих: коммутационной системы и
совокупности абонентов (включая их оборудование: рабочие станции, серверы
и др.). Основным назначением коммутационной системы является
формирование транспортной среды, обеспечивающей связь абонентов друг с
другом. Абоненты сети потенциально могут как предоставлять сетевые услуги,
так
и потреблять их. Изменение масштабов компьютерной сети приводит к
изменению сложности ее обеих составляющих.
Объединение компьютерных сетей различного масштаба позволяет
создавать иерархические сетевые структуры, обеспечивающие доступ к
множеству территориально распределенных информационных и
вычислительных ресурсов. Примером классической трехуровневой
компьютерной системы может служить сеть Интернет в начале 90-х годов,
включающая в себя
на первом уровне - базовую скоростную магистраль, на
втором – сеть провайдеров, на третьем – локальные сети абонентов.
До 1995 года развитие всемирной глобальной сети Интернет
контролировалось Национальным научным фондом США (NSF – National
Science Foundation). Сеть имела строго иерархическую трехуровневую
структуру. Верхний уровень сети образовывала базовая высокоскоростная
транспортная магистраль. Второй уровень формировался сетями региональных
поставщиков услуг по доступу
к сети Интернет, подключенными к сети
верхнего уровня. Третий уровень составляли сети локального уровня,
принадлежащие учебным и научным учреждениям, предприятиям и др.
Изначально принятая в сети Интернет система адресации была ориентирована
на формирование полного сетевого адреса ресурса как совокупности адресов
соподчиненных сетей и адреса компьютера в конкретной локальной сети.
–
285
–
Внедрение гипертекстовой технологии и развитие службы WWW
послужили мощным толчком расширения масштабов сети Интернет и ее
превращения во многом в сеть с коммерческой направленностью. В последние
годы сеть Интернет приобрела типичную для глобальных сетей
узловую
структуру
, основу которой составляют объединенные каналами связи
коммутационные узлы, к которым подключены региональные поставщики
сетевых услуг.
С учетом приведенной классификации сетей обобщенная иерархическая
структура компьютерной сети (рис.7.1), отражающая ее архитектуру, включает
в себя множество сетей различного уровня сложности, соединяемых каналами
связи и устройствами сопряжения.
При этом сети большего масштаба могут объединять
сети меньшего
масштаба, например, ЛВС могут входить в качестве самостоятельных
компонентов в состав РКС, а те, в свою очередь, являться частью глобальной
компьютерной сети. Каждая из отдельных сетей может иметь собственную
внутреннюю организацию коммутационной системы и специфические
особенности управления доступом к ее ресурсам. Основным назначением
различного рода устройств сопряжения является обеспечение
согласования
формы представления сообщения при его передаче из одной сети в другую, в
соответствии с принятыми в них стандартами.
ГКС
РКС РКС РКС
ЛВС ЛВС ЛВС ЛВС ЛВС ЛВС
ЛВС ЛВС ЛВС
Рис.7.1.
Обобщенная структура иерархически организованной компьютерной
сети
–
286
–
Аналогичную иерархическую архитектуру имеет глобальная сеть
FidoNet. Она является некоммерческой сетью, представляющей собой
совокупность множества “электронных досок объявлений” BBS (Bulletin Board
System), объединенных в единую сеть с помощью каналов связи. Основным
сервисом сети FidoNet является свободный доступ к множеству файлов с
актуальным программным обеспечением. В соответствии со структурой сети
FidoNet ее нижний уровень образуется сетью, объединяющей
пользователей
одного города (района области). Следующий уровень сети формируется в
рамках одного государства (региона) из совокупности сетей нижнего уровня.
Высший уровень сети формируется структурными единицами в пределах
одного материка (или большой части материка), называемых зонами.
Управляют работой сети FidoNet координаторы, закрепленные за каждым из
уровней сети. Сеть FidoNet имеет устройства сопряжения (шлюзы) с
сетью
Интернет.
7.2. ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ
СИСТЕМ OSI
Международная организация стандартов (ISO – International Organization
Standardization) для координации разработки открытых сетей приняла в 1978
году в качестве стандарта базовую
эталонную модель OSI (Open System
Interconnection). Эта модель допускает эволюцию сетей с учетом новых
результатов в теории и технике. Модель OSI определяет общие рекомендации
для построения стандартов сетей, реализуемые как программными, так и
аппаратными средствами. Она включает в себя семь иерархических уровней,
каждый из которых выполняет определенную функциональную задачу
(табл.7.1.).
Уровни модели OSI
Таблица 7.1
№ Уровень Выполняемые функции Используемые
протоколы
1. Физический Установление, поддержка и
разъединение физического канала
(все виды линий связи от витой пары
до оптоволоконного кабеля).
Определяются
используемым
оборудованием
2. Канальный Управление передачей по
информационному каналу (передача
кадров с пакетами, контроль данных,
проверка состояния канала,
Ethernet, PPP,
SLIP
–
287
–
добавление служебных символов).
3. Сетевой Управление коммуникационными
ресурсами, маршрутизация пакетов,
межсетевое взаимодействие,
добавление служебных символов для
управления сетью.
IP, ARP
4. Транспортный Управление информационными
потоками, организация логических
каналов между процессами,
добавление служебных символов
запроса и ответа.
TCP, UDP
5. Сеансовый Установление, поддержка и
окончание сеансов связи прикладных
процессов. Управление
очередностью передачи с учетом
приоритетов.
TCP, UDP,
UUCP
6. Представительный Генерация и интерпретация команд
взаимодействия процессов.
Представление данных в кодах и
форматах программ пользователей.
NNTP, SMTP,
POP2, POP3,
Telnet
7. Прикладной Поддержка прикладных процессов
(вычислительных, информационно-
поисковых и др.) пользователей.
FTP, HTTP,
SNMP, DNS
Три верхних уровня вместе с прикладными процессами пользователей
образуют область обработки данных. Три нижних уровня образуют область
передачи данных между взаимодействующими системами и реализуют
коммуникационные процессы по передаче данных. Средний (транспортный)
уровень обеспечивает транспортировку данных (собственно трафик в сети) от
отправителя к получателю. Он занимает особое место в иерархии уровней,
поскольку
здесь коммуникационная подсеть (три нижних уровня) с пакетом
данных в качестве автономно транспортируемого объекта объединяется с
верхними уровнями, использующими сообщение в качестве отдельного
объекта.
Протокол – набор правил, определяющих процедуру взаимодействия
процессов, устройств, систем. Применительно к модели сети, используемые в
ней протоколы, управляют преобразованием форматов передаваемых
сообщений (пакетов), последовательностью работы компьютерной техники,
коммутационной аппаратуры и каналов связи, контролем и исправлением
возникающих ошибок.
–
288
–
За исключением физического уровня (его протоколы выполняются
аппаратно) для всех уровней модели сети протоколы реализуются
программным способом через драйверы, управляющие соответствующими
сетевыми устройствами.
Приложение
Представление
Сеанс
Транспорт
Канал
Сеть
Физический
ур
овень
Сеть
Канал
Физический
ур
овень
Приложение
Представление
Сеанс
Транспорт
Канал
Сеть
Физический
ур
овень
Оконечный
пользователь
Оконечный
пользователь
Верхние
уровни
Нижние
(сетевые)
уровни
Промежуточный
узел
Физическая
среда
Рис.7.2.
Семиуровневая архитектура вычислительной сети (указано
направление передачи данных слева направо)
При передаче данных от прикладного процесса отправителя (рис.7.2.) к
получателю каждый уровень (за исключением физического) добавляет свой
заголовок со служебной информацией соответствующего уровня. Каждый
уровень модели на стороне получателя взаимодействует только с заголовком
такого же уровня. При последовательном прохождении пакета через узлы сети
в каждом принимающем узле управляющая информация отделяется
от
остальной части пакета, в результате к получателю приходит только само
сообщение.
–
289
–
7.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ЛОКАЛЬНЫХ И КОРПОРАТИВНЫХ
СЕТЕЙ, ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИХ ТОПОЛОГИИ
И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Главное назначение ЛВС заключается в предоставлении имеющихся в
ней информационных и вычислительных ресурсов для работающих в сети
пользователей. Основную часть оборудования ЛВС составляют серверы и
рабочие станции. В больших ЛВС одновременно используется ряд
специализированных серверов: файл-сервер, сервер баз данных, принт-сервер,
почтовый сервер, сервер безопасности и др.
С учетом
реализации распределенной обработки данных в компьютерных
сетях функции обработки могут выполняться как сервером, так и клиентом. В
общем случае
под клиентом понимается любая выполняемая задача, рабочая
станция или работающий пользователь сети. При обработке данных клиент
может обратиться к серверу за предоставлением определенного ресурса, в
частности, для выборки данных из находящейся на сервере базы в соответствии
с заданным условием отбора. При условии обработки данных в соответствии с
запросом клиента непосредственно программными средствами (обычно
СУБД), установленными на сервере, и передачей клиенту результатов
выполнения запроса подобные системы обработки данных относят к системам с
архитектурой
клиент-сервер. Файл-сервер, также как и клиент-сервер,
организует хранение данных общего пользования, обеспечивает
одновременный доступ многих пользователей сети к данным, передает данные
пользователям, однако файл-сервер не предназначен для выполнения основного
объема операций обработки размещенных на нем данных. Основными
функциями файл-сервера являются: хранение данных, архивирование данных,
обеспечение целостности данных при одновременной
работе с ними ряда
пользователей, передача данных. На файл-сервере помимо совместно
обрабатываемых файлов также находятся и совместно используемые
программы. Следует отметить характерный для архитектуры файл-сервер
интенсивный
трафик (трафик – объем передаваемых данных за определенный
период времени), предъявляющий весьма жесткие требования к пропускной
способности канала и надежности связи.
На
сервере баз данных размещаются необходимые для работы базы
данных (например, базы информационно-справочной системы “Консультант
Плюс”, основные базы автоматизированной банковской системы и др.). В
общем случае базы данных могут пополняться и изменяться с различных
рабочих станций, с них же пользователи имеют возможность отбирать
необходимые данные в соответствии со своими запросами. При этом возможны
два варианта работы:
–
290
–
• по запросу пользователя записи базы данных последовательно
передаются на рабочую станцию, где в дальнейшем выполняется их обработка;
• сервер обеспечивает всю необходимую обработку данных и передает
на рабочую станцию результаты выполнения запроса пользователя, реализуя
тем самым технологию клиент-сервер.
Первый вариант в отличие от второго значительно увеличивает загрузку
линий связи
сети; при этом несколько снижаются требования к техническим
характеристикам сервера, но одновременно увеличивает требования к рабочим
станциям.
Организация технологии
принт-сервер осуществляется подключением к
рабочей станции производительного принтера, что позволяет обеспечить вывод
на печать с любых рабочих станций. При быстром поступлении нескольких
заданий на печать формируется очередь заданий, выполняемых в порядке их
поступления. Возможен вариант непосредственного подключения принтера к
ЛВС через сетевую карту.
Почтовый сервер обеспечивает хранение получаемых и отправляемых
сообщений, что позволяет в удобное для пользователя время отправить через
него собственное сообщение или прочитать принятое.
ЛВС подразделяются на одноранговые сети и сети с выделенным
сервером (иерархические). В
одноранговой сети все рабочие станции
равноправны. Каждая рабочая станция может обслуживать запросы от других
станций и, в свою очередь, направлять им свои запросы. Таким образом, любая
рабочая станция может выполнять функции как клиента, так и сервера. Для
каждой рабочей станции сети задается уникальное имя и пароль для входа.
Владелец рабочей станции имеет
возможность преобразовать локальные
ресурсы станции в сетевые ресурсы, доступные другим пользователям при
владении ими соответствующими паролями (при этом устанавливаются
определенные права доступа к конкретному ресурсу). Одноранговые сети
эффективны при небольшом числе рабочих станций (до 10-15), при увеличении
числа станций снижается эффективность работы сети в целом из-за создания
ими помех друг другу
при попытках одновременной передачи данных (т.е. при
увеличении сетевого трафика).
В сетях с
выделенным сервером, по крайней мере, один из компьютеров
не является рабочей станцией, а используется для хранения общедоступных
данных, сетевых программ и обработки данных. С этого компьютера - сервера -
осуществляется управление работой сети на базе сетевой операционной
системы. Как правило, сервер представляет собой высокопроизводительный
компьютер, имеющий современный процессор (зачастую два или более
процессоров), винчестеры
с большой скоростью и малым временем доступа (во
многих случаях RAID-массив), высокоскоростную сетевую карту(ы). Функции
управления сервером возлагаются на системного администратора. Он