Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

111

Сложность методов передачи данных. В условиях низкой

надежности физических каналов в глобальных сетях требуются

более сложные, чем в локальных сетях, методы передачи данных

и соответствующее оборудование.

Скорость обмена данными в локальных сетях (10, 16 и 100

Мбит/с) в то время была существенно выше, чем в глобальных

(от 2,4 кбит/с до 2 Мбит/с

Разнообразие услуг. Высокие скорости обмена данными по-

родили в локальных сетях широкий набор услуг – это различные

виды услуг файловой службы, услуги печати, услуги баз данных,

электронная почта и другие, в то время как глобальные сети в ос-

новном предоставляли почтовые услуги и иногда файловые услу-

ги с ограниченными возможностями.

Масштабируемость

. «Классические» локальные сети обла-

дают плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых топо-

логий, определяющих способ подключения станций и длину ли-

нии. При этом характеристики сети резко ухудшаются при дос-

тижении определенного предела по количеству узлов или протя-

женности линий связи. Глобальным сетям свойственна хорошая

масштабируемость, так как они изначально разрабатывались

расчете на работу с произвольными топологиями и сколь угодно

большим количеством абонентов.

Постепенно различия между локальными и глобальными ти-

пами сетевых технологий стали сглаживаться. Изолированные ра-

нее локальные сети начали объединять друг с другом, при этом в

качестве связующей среды использовались глобальные сети. Тес-

ная интеграция локальных и глобальных

сетей привела к значи-

тельному взаимопроникновению соответствующих технологий.

Сближение в методах передачи данных происходит на плат-

форме цифровой передачи данных по волоконно-оптическим

линиям связи. Эту среду передачи данных используют практи-

чески все технологии локальных сетей для скоростного обмена

информацией на расстояниях свыше 100 м, на ней же построены

современные магистрали сетей

, предоставляющих свои цифро-

вые каналы для объединения оборудования глобальных компью-

терных сетей.

Высокое качество цифровых каналов изменило требования к

протоколам глобальных компьютерных сетей. На первый план

112

вместо процедур обеспечения надежности вышли процедуры

обеспечения гарантированной средней скорости доставки ин-

формации пользователям, а также механизмы приоритетной об-

работки пакетов особенно чувствительного к задержкам трафика,

например, голосового.

Большой вклад в сближение локальных и глобальных сетей

внесло доминирование протокола IP. Этот протокол сегодня ис-

пользуется поверх любых технологий локальных и глобальных

сетей

– Ethernet, Token Ring, АТМ, frame relay– для создания из

различных подсетей единой составной сети.

Компьютерные глобальные сети 90-х годов, работающие на

основе скоростных цифровых каналов, существенно расширили

набор своих услуг и догнали в этом отношении локальные сети.

Стало возможным создание служб, работа которых связана с дос-

тавкой пользователю больших объемов информации в реальном

времени – изображений,

видеофильмов, голоса, в общем, всего

того, что получило название мультимедийной информации. Наи-

более яркий пример – гипертекстовая информационная служба

World Wide Web (WWW), ставшая основным поставщиком ин-

формации в Интернете. Ее интерактивные возможности превзош-

ли возможности многих аналогичных служб локальных сетей, так

что разработчикам локальных сетей пришлось просто позаимст-

вовать эту службу у глобальных сетей.

Процесс переноса служб и

технологий из глобальной сети Интернет в локальные приобрел

такой массовый характер, что появился даже специальный тер-

мин – intranet-технологии (intra – внутренний).

Понятие интранет обозначает внутреннюю сеть организа-

ции, где важны два момента: 1) изоляция или защита внутренней

сети от внешней (Интернет); 2) использование сетевого протоко-

ла IP и Web-технологий (прикладного протокола

HTTP). В аппа-

ратном аспекте применение технологии интранет означает, что

все абоненты сети в основном обмениваются данными с одним

или несколькими серверами, на которых сосредоточены основ-

ные информационные ресурсы предприятия.

В локальных сетях в последнее время уделяется такое же

большое внимание методам обеспечения защиты информации от

несанкционированного доступа, как и в

глобальных сетях. Это

обусловлено тем, что локальные сети перестали быть изолиро-

113

ванными, чаще всего они имеют выход в «большой мир» через

глобальные связи. Защита локальных сетей часто строится на тех

же методах – шифрование данных, аутентификация и авториза-

ция пользователей.

И, наконец, появляются новые технологии, изначально пред-

назначенные для обоих видов сетей. Примером может служить

семейство технологий Ethernet, имеющее явные «локальные»

корни.

Одним из

проявлений сближения локальных и глобальных се-

тей является появление сетей масштаба большого города, зани-

мающих промежуточное положение между локальными и гло-

бальными сетями. Эти сети используют цифровые линии связи.

Они обеспечивают экономичное соединение локальных сетей

между собой, а также выход в глобальные сети. Эти сети перво-

начально были разработаны для

передачи данных, но сейчас они

поддерживают и такие услуги, как видеоконференции и инте-

гральную передачу голоса и текста.

Ярко выраженная в последнее время тенденция сближения

различных типов сетей характерна не только для локальных и

глобальных компьютерных сетей, но и для телекоммуникацион-

ных сетей других типов. К телекоммуникационным сетям, кроме

компьютерных, относятся

телефонные сети, радиосети и телеви-

зионные сети. Во всех них в качестве ресурса, предоставляемого

клиентам, выступает информация.

Телефонные сети оказывают интерактивные услуги, так как

два абонента, участвующие в разговоре (или несколько абонен-

тов, если это конференция), попеременно проявляют активность.

Радиосети и телевизионные сети оказывают широковещатель-

ные услуги, при этом информация

распространяется только в од-

ну сторону – из сети к абонентам, по схеме «один ко многим».

Конвергенция телекоммуникационных сетей идет по многим

направлениям. Прежде всего, наблюдается сближение видов ус-

луг, предоставляемых клиентам. Компьютерные сети изначально

разрабатывались для передачи алфавитно-цифровой информации,

которую часто называют просто данными, в результате у компь-

ютерных

сетей имеется и другое название – сети передачи

данных. Телефонные сети и радиосети созданы для передачи

только голосовой информации, а телевизионные сети передают

114

голос и изображение. Сегодня на роль глобальной мультисервис-

ной сети нового поколения претендует Интернет. Особую при-

влекательность представляют собой новые виды комбинирован-

ных услуг, в которых сочетаются несколько традиционных услуг,

например, услуга универсальной службы сообщений, объеди-

няющей электронную почту, телефонию, факсимильную службу

и пейджинговую связь.

Технологическое сближение сетей происходит сегодня на

ос-

нове цифровой передачи информации различного типа, метода

коммутации пакетов и программирования услуг. Телефония уже

давно сделала ряд шагов навстречу компьютерным сетям. Прежде

всего, за счет представления голоса в цифровой форме, что делает

принципиально возможным передачу телефонного и компьютер-

ного трафика по одним и тем же цифровым каналам. Сегодня па-

кетные методы коммутации постепенно теснят традиционные для

телефонных сетей методы коммутации каналов даже при передаче

голоса. У этой тенденции есть достаточно очевидная причина – на

основе метода коммутации пакетов можно более эффективно ис-

пользовать пропускную способность каналов связи и коммутаци-

онного оборудования. Например, паузы в телефонном разговоре

могут составлять до 40 % общего времени

соединения, однако

только пакетная коммутация позволяет «вырезать» паузы и ис-

пользовать высвободившуюся пропускную способность канала

для передачи трафика других абонентов. Другой веской причиной

перехода к коммутации пакетов является популярность сети Ин-

тернет, построенной на основе данной технологии.

Компьютерные сети также многое позаимствовали у телефон-

ных и телевизионных сетей. Глобальные компьютерные

сети

строятся по такому же иерархическому принципу, что и телефон-

ные, в соответствии с которым сети городов и районов объеди-

няются в региональные сети, а те, в свою очередь, – в националь-

ные и международные сети. Компьютерные сети берут на воору-

жение методы обеспечения отказоустойчивости телефонных се-

тей, за счет которых последние

демонстрируют высокую степень

надежности, так недостающую порой Интернету и корпоратив-

ным сетям.

Сегодня становится все более очевидным, что мультисервис-

ная сеть нового поколения не может быть создана в результате

115

«победы» какой-нибудь одной технологии или подхода. Ее может

породить только процесс конвергенции, когда от каждой техно-

логии будет взято все самое лучшее и соединено в некоторый но-

вый сплав, который и даст требуемое качество для поддержки

существующих и создания новых услуг. Появился новый термин

– инфокоммуникационная сеть, который прямо говорит

о двух составляющих современной сети – информационной (ком-

пьютерной) и телекоммуникационной.

3.5. Компьютерные сети

как частный случай распределенных

вычислительных систем

Компьютерные сети относятся к распределенным (или децен-

трализованным) вычислительным системам. В литературе суще-

ствует значительная путаница между понятиями компьютерная

сеть и распределенная система. Основное их различие заключа-

ется в том, что в распределенной системе наличие многочислен-

ных автономных компьютеров прозрачно (то есть незаметно) для

пользователя. Он может набрать команду для запуска

некой про-

граммы, и программа запустится. Однако какой выбрать процес-

сор, где расположены необходимые для работы программы фай-

лы, как их транспортировать и куда выдать результат, будет ре-

шать операционная система. Другими словами, пользователь рас-

пределенной системы не знает о существовании нескольких про-

цессоров. Система выглядит как единый виртуальный процессор.

Назначение заданий процессорам и файлов дискам, перемещение

файлов с мест хранения к месту их использования, а также про-

чие системные функции должны быть автоматическими.

В сети пользователь должен явно зарегистрироваться на одной

машине, явно указывать удаленные задания, явно перемещать

файлы и управлять работой сети. В распределенной системе ни-

чего не должно

делаться явно, все производится системой авто-

матически, незаметно для пользователя. На самом деле распреде-

ленная система является программной системой, построенной на

базе сети. Эта программная система обеспечивает высокую сте-

116

пень связности элементов и прозрачности. Таким образом, разли-

чие между компьютерной сетью и распределенной системой за-

ключается в программном обеспечении (особенно в операцион-

ной системе), а не в аппаратуре. Тем не менее, эти два понятия

имеют очень много общего. Например, как компьютерная сеть,

так и распределенная система занимаются перемещением файлов.

Разница

заключается в том, кто вызывает эти перемещения – сис-

тема или пользователь.

Компьютерные сети являются логическим результатом эво-

люции двух важнейших научно-технических отраслей современ-

ной цивилизации – компьютерных и телекоммуникационных

технологий. С одной стороны, сети представляют собой частный

случай распределенных вычислительных систем, в которых

группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвя-

занных

задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С

другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как

средство передачи информации на большие расстояния, для чего

в них применяются методы кодирования и мультиплексирования

данных, получившие развитие в различных телекоммуникацион-

ных системах. Поскольку основным признаком распределенной

вычислительной системы является наличие нескольких центров

обработки данных, то наряду

с компьютерными сетями к распре-

деленным системам относят также мультипроцессорные компью-

теры и многомашинные вычислительные комплексы.

3.6. Мультипроцессорные компьютеры

Принципиальная схема мультипроцессорного компьютера

представлена на рисунке 3.3.

В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько про-

цессоров (П1, П2, …), каждый из которых может относительно

независимо от остальных выполнять свою программу. В мульти-

процессоре существует общая для всех процессоров операцион-

ная система, которая оперативно распределяет вычислительную

нагрузку между процессорами. Взаимодействие между отдель-

ными процессорами организуется

наиболее простым способом –

через общую оперативную память (ОП).

117

Сам по себе процессорный блок не является законченным

компьютером и поэтому не может выполнять программы без ос-

тальных блоков мультипроцессорного компьютера – дисковой

памяти (Д) и периферийных устройств, которые подключены

через соответствующие интерфейсы (И1, И2, …). Все перифе-

рийные устройства являются для всех процессоров мультипро-

цессорной системы общими. Мультипроцессору не свойственна

территориальная распределенность

. Все его блоки располагают-

ся в одном или нескольких близко расположенных конструкти-

вах, как и у обычного компьютера. Основное достоинство муль-

типроцессора – его высокая производительность, которая дости-

гается за счет параллельной работы нескольких процессоров.

ОП

П1 П2 П

П4

И1 И2

И3

Д Д

Рис. 3.3. Принципиальная схема мультипроцессорного компьютера

Еще одним важным свойством мультипроцессорных систем яв-

ляется отказоустойчивость, то есть способность к продолжению ра-

боты при отказах некоторых элементов, например процессоров или

блоков памяти. При этом производительность, естественно, снижа-

ется, но не до нуля, как в обычных системах, в которых отсутствует

избыточность. Однако для

того, чтобы мультипроцессор мог про-

должать работу после отказа одного из процессоров, необходимо

118

специальное программное обеспечение поддержки отказоустойчи-

вости, которое может быть частью операционной системы или же

представлять собой дополнительные служебные программы.

3.7. Кластеры

Кластер (многомашинная система) – это вычислительный

комплекс, состоящий из нескольких компьютеров (каждый из ко-

торых работает под управлением собственной операционной сис-

темы), а также программные и аппаратные средства связи ком-

пьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров ком-

плекса как единого целого.

В отличие от мультипроцессора, в котором избыточность реа-

лизована на уровне

процессорных блоков, кластер состоит из не-

скольких законченных, способных работать автономно, как прави-

ло, стандартных компьютеров, каждый из которых имеет обычную

структуру, включающую один или несколько процессорных бло-

ков, оперативную память и периферийные устройства (рис. 3.4).

ОП

П1

П2

П3

И1 И2

И3

ЛД

РД

ОП

П1

П2

И3

И2 И1

РД

ЛД

Рис. 3.4. Принципиальная схема кластера

119

Однако благодаря специальному программному и аппаратно-

му обеспечению межкомпьютерных связей для пользователя кла-

стер выглядит как единый компьютер. При этом каждый компью-

тер (называемый также узлом кластера) может быть как однопро-

цессорным, так и мультипроцессорным – на организацию класте-

ра это влияния не оказывает. Компьютеры кластера могут иметь

как локальные диски (ЛД

), так и общие (разделяемые) дисковые

накопители (РД).

Кластеры применяют для повышения надежности и произво-

дительности вычислительной системы. Надежность повышается

за счет того, что при отказе одного из узлов кластера вычисли-

тельная нагрузка (или часть ее) переносится на другой узел. Для

выполнения этой операции в кластере используется два типа свя-

зей

между узлами: межпроцессорные связи и связи за счет разде-

ляемых дисков.

Межпроцессорные связи используются узлами для обмена

служебной информацией. В частности, с помощью этих связей

каждый узел кластера периодически проверяет состояние других

узлов и выполняемых ими вычислительных задач. Если какой-

либо узел или одна из его задач (входящая в набор

защищаемых

от отказов задач) изменили свое состояние на неработоспособное,

то начинается процедура перемещения (реконфигурации) нагруз-

ки на один из работоспособных узлов. В этой процедуре важную

роль играют разделяемые диски. Защищаемая задача должна хра-

нить свои данные на одном из таких дисков, чтобы новый узел

смог продолжать их использовать после отказа основного

. Так

как надежность дисковых накопителей достаточно высока (ее

можно повысить за счет дополнительных мер, например зеркали-

рования разделяемого диска), то существенно повышается и на-

дежность кластера по сравнению с отдельным компьютером.

Если кластер применяется для повышения производительно-

сти, то каждая задача распараллеливается на несколько ветвей,

которые выполняются одновременно на нескольких

узлах кла-

стера. Для организации межпроцессорных связей в кластерах

часто используются специализированные технологии, приспо-

собленные к решению специфических задач взаимодействия

компьютеров в кластере. Однако в последнее время все чаще для

120

этой цели применяются стандартные технологии локальных се-

тей, например Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Выводы

Вычислительная сеть – это совокупность компьютеров и пе-

риферийных устройств, соединенных линиями связи. Линии свя-

зи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими ком-

муникационными устройствами. Все сетевое оборудование рабо-

тает под управлением системного и прикладного программного

обеспечения.

Вычислительные сети стали логическим результатом эволю-

ции компьютерных и телекоммуникационных технологий. С од-

ной стороны

, они являются частным случаем распределенных

вычислительных систем, а с другой стороны, могут рассматри-

ваться как средство передачи информации на большие расстоя-

ния, для чего в них применяются методы кодирования и мульти-

плексирования данных, получившие развитие в различных теле-

коммуникационных системах.

Классифицируя сети по территориальному признаку, разли-

чают глобальные (WAN), локальные (

LAN) и городские (MAN)

сети.

Хронологически первыми появились глобальные сети. Они

объединяют компьютеры, рассредоточенные на расстоянии сотен

и тысяч километров. Традиционные глобальные компьютерные

сети очень многое унаследовали от телефонных сетей. В основ-

ном они предназначены для передачи данных. В них часто ис-

пользуются уже существующие не очень качественные линии

связи,

что приводит к более низким, чем в локальных сетях, ско-

ростям передачи данных и ограничивает набор предоставляемых

услуг передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в

фоновом режиме, с использованием электронной почты.

Локальные сети сосредоточены на территории не более 1 – 2

км. Они построены с использованием дорогих высококачествен-

ных линий связи, которые позволяют

, применяя более простые

методы передачи данных, чем в глобальных сетях, достигать вы-

соких скоростей обмена данными порядка 100 Мбит/с. Предос-