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

Подождите немного. Документ загружается.

121

тавляемые услуги отличаются широким разнообразием и обычно

предусматривают реализацию в режиме подключения (on-line).

Важнейший этап в развитии сетей – появление стандартных

сетевых технологий: Ethernet, FDDI, Token Ring, позволяющих

быстро и эффективно объединять компьютеры различных типов.

В конце 80-х годов локальные и глобальные сети имели суще-

ственные отличия по протяженности и качеству линий связи,

сложности методов передачи данных

, скорости обмена данными,

разнообразию услуг и масштабируемости.

В дальнейшем в результате тесной интеграции локальных и

глобальных сетей произошло взаимопроникновение соответст-

вующих технологий.

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. Городские сети (MAN) предназначены

для об-

служивания территории крупного города. При достаточно боль-

ших расстояниях между узлами (десятки километров) они обла-

дают качественными линиями связи и высокими скоростями об-

мена, иногда даже более высокими, чем в традиционных локаль-

ных сетях. MAN обеспечивают экономичное соединение локаль-

ных сетей между собой, а также выход в глобальные сети.

Тенденция

сближения различных типов сетей характерна не

только для локальных и глобальных компьютерных сетей, но и

для телекоммуникационных сетей других типов. К телекоммуни-

кационным сетям, кроме компьютерных, относятся телефонные

сети, радиосети и телевизионные сети.

Компьютерные сети представляют собой частный случай рас-

пределенных вычислительных систем, в которых группа компью-

теров согласованно выполняет

набор взаимосвязанных задач, об-

мениваясь данными в автоматическом режиме. Наряду с компью-

терными сетями к распределенным системам относят также

мультипроцессорные компьютеры и многомашинные вычисли-

тельные комплексы.

В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько

процессоров, каждый из которых может независимо от остальных

обращаться к общей памяти и выполнять собственную програм-

му. Все периферийные устройства

являются для всех процессо-

122

ров мультипроцессорной системы общими. В мультипроцессоре

существует общая для всех процессоров операционная система,

которая распределяет вычислительную нагрузку между процес-

сорами. Мультипроцессору не свойственна территориальная рас-

пределенность – все его блоки располагаются в одном или не-

скольких близко расположенных конструктивах, как и у обычно-

го компьютера.

Многомашинный комплекс (кластер) – это вычислительная

система,

состоящая из нескольких компьютеров (каждый из ко-

торых работает под управлением собственной операционной сис-

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

пьютеров.

Разделение локальных ресурсов каждого компьютера между

всеми пользователями сети достигается с помощью программных

модулей двух типов: клиентов, которые формируют запросы на

доступ к удаленным компьютерам, и серверов

, принимающих эти

запросы из сети и предоставляющих запрашиваемые ресурсы.

Несколько клиентов могут обращаться к одному серверу. Набор

модулей «клиент- сервер» представляет собой распределен-

ную программу, реализующую сетевую службу.

Термины «клиент» и «сервер» используются для обо-

значения не только программных модулей, но и компьютеров,

подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои

ре-

сурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а

если он их потребляет – клиентом. Иногда один и тот же компь-

ютер может одновременно играть роли и сервера, и клиента.

Контрольные вопросы к главе 3

1. Что такое компьютерная сеть?

2. Дайте классификацию сетей по широте охвата.

3. Что такое пропускная способность сети

, в каких единицах она

измеряется?

4. Назовите основные цели построения компьютерных сетей.

5. Что такое клиент-серверная модель?

6. Почему глобальные сети появились раньше локальных?

7. В чем заключались главные отличия первых глобальных и ло-

кальных сетей?

123

8. Каковы основные тенденции сближения локальных и глобаль-

ных сетей?

9. В чем заключаются отличия мультипроцессорного компьютера

от однопроцессорного?

10. В чем заключается различие между многопроцессорным ком-

пьютером и кластером?

124

ГЛАВА 4

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ

4.1. Связь двух узлов

Основные принципы взаимодействия компьютеров в сети во

многом позаимствованы от схемы взаимодействия компьютера с

периферийными устройствами. Фактически эта схема является

прообразом сетей. Связь двух устройств физическим каналом

(например, компьютер и периферийное устройство) является

простейшим случаем соединения, называемым связью точка-

точка. Для обмена данными между компьютером и периферий-

ным устройством (ПУ)

в компьютере предусмотрен интер-

фейс, который представляет собой физический канал (провода,

соединяющие компьютер и ПУ) и правила обмена информацией

по каналу. В качестве примера стандартных интерфейсов можно

привести параллельный интерфейс Centronics (как правило, для

связи с принтерами) и последовательный порт RS232C (для под-

ключения мониторов, манипуляторов «мышь» и других уст-

ройств). Принципиальная схема

такого соединения представлена

на рис. 4.1.

Со стороны компьютера интерфейс состоит из контроллера

ПУ (аппаратная часть) и драйвера соответствующего ПУ (про-

граммная часть). Со стороны ПУ интерфейс реализуется аппа-

ратным (иногда аппаратно-программным) устройством управле-

ния (УУ). Интерфейс в основном является двунаправленным и

передает не только данные (например, печатаемую на принтер

информацию), но и команды управления для ПУ.

Приложение, которому требуется передать некоторые данные

на периферийное устройство, обращается с запросом на выпол-

125

нение операции ввода-вывода к операционной системе. В запросе

указываются: адрес данных в оперативной памяти, идентифици-

рующая информация о периферийном устройстве и операция, ко-

торую надо выполнить. Получив запрос, операционная система

запускает соответствующий драйвер, передавая ему в качестве

параметра адрес выводимых данных. Дальнейшие действия по

выполнению операции ввода-вывода со стороны

компьютера

реализуются совместно драйвером и контроллером ПУ. Контрол-

лер работает под управлением драйвера. Контроллеры ПУ при-

нимают команды и данные от драйвера в свой внутренний буфер,

который часто называется регистром, или портом, а затем произ-

водят необходимые преобразования данных и команд, получен-

ных от драйвера, в соответствии с форматами, понятными

уст-

ройству управления ПУ, и выдают их на внешний интерфейс.

Рис. 4.1. Схема связи компьютера с периферийным устройством

Информация к ПУ передается байтами, которые последова-

тельно загружаются драйвером в контроллер ПУ. Контроллер по-

следовательно передает каждый бит в виде электрического сиг-

нала по линии связи. Чтобы устройству управления ПУ стало по-

нятно, что начинается передача байта, перед передачей первого

126

бита информации контроллер ПУ формирует стартовый сигнал

специфической формы, а после передачи последнего информаци-

онного бита – стоповый сигнал. Эти сигналы синхронизируют

передачу байта.

Кроме информационных битов, контроллер может передавать

бит контроля четности для повышения достоверности обмена.

Устройство управления, обнаружив на соответствующей линии

стартовый бит, выполняет подготовительные действия и начина-

ет принимать

информационные биты, формируя из них байт в

своем приемном буфере. Если передача сопровождается битом

четности, то выполняется проверка правильности передачи: при

правильно выполненной передаче в соответствующем регистре

устройства управления устанавливается признак завершения

приема информации.

Аналогичным способом организуется простейшая связь двух

компьютеров. В отличие от предыдущего случая, когда програм-

ма (приложение)

работает только с одной стороны (на компьюте-

ре), в этом случае передача информации происходит при взаимо-

действии программ на двух соединенных компьютерах. Про-

грамма одного компьютера с помощью соответствующих сооб-

щений обращается к программе на другом компьютере с прось-

бой выполнить некоторые действия. На рис. 4.2. представлена

простейшая схема взаимодействия двух компьютеров

при выпол-

нении запроса компьютера A прочитать файл, расположенный на

диске компьютера В. Для примера предполагается, что компью-

теры А и В связаны через COM-порты с помощью интерфейса

RS-232C.

Драйвер СОМ-порта вместе с контроллером СОМ-порта рабо-

тают примерно так же, как и в описанном выше случае взаимо-

действия ПУ с

компьютером. Однако при этом роль устройства

управления ПУ выполняют контроллер и драйвер СОМ-порта

другого компьютера. Вместе они обеспечивают передачу по ка-

белю между компьютерами одного байта информации. (В «на-

стоящих» локальных сетях подобные функции передачи данных в

линию связи выполняются сетевыми адаптерами и их драйвера-

ми). Таким образом, в

распоряжении программ компьютеров A и

B имеется средство для побайтового обмена данными.

127

Компьютер А

Компьютер В

Приложение А Приложение В

ОС

Драйвер СОМ-

порта

Контроллер

СОМ-порта

ОС

Драйвер Драйвер

СОМ-порта диска

Контроллер

диска

Контроллер

СОМ-порта

Диск

УУ

диска

Рис. 4.2. Схема взаимодействия двух компьютеров

Однако рассматриваемая в нашем примере задача значительно

сложнее, так как, во-первых, нужно получить из удаленного компь-

ютера не отдельный байт, а файл, во-вторых, эти данные находятся

не в оперативной памяти этого компьютера, а на его периферийном

устройстве. Все связанные с этим дополнительные проблемы

долж-

ны решить программы более высокого, чем драйверы СОМ-портов,

уровня (приложение А и приложение В). Приложение А должно

сформировать сообщение-запрос для приложения В, в котором не-

обходимо указать имя файла и другую информацию. Этот запрос

передается к приложению B через драйверы и COM-порты. Прило-

жение B, получив сообщение, обращается к периферийному

устрой-

ству, в данном случае диску, в соответствии с рассмотренной ранее

схемой «локальная ОС – драйвер диска – контроллер диска – уст-

ройство управления диска». Считанные с диска данные приложение

B с помощью драйвера СОМ-порта передает по каналу связи в ком-

пьютер А, где они и попадают к приложению А.

В сетевых операционных

системах для обслуживания запро-

сов к удаленным компьютерам и получения результатов сущест-

вуют специальные программные модули, реализующие функции

«клиента» и «сервера».

128

Кроме рассмотренных выше проблем связи компьютеров в

сеть существует ряд проблем, связанных с физической передачей

сигналов по линиям связи. Двоичный код (0 и 1), используемый в

компьютерах для представления данных, преобразуется в соот-

ветствующие электрические или оптические сигналы (кодирова-

ние). При передаче информации по линиям связи резко увеличи-

ваются расстояния и соответственно увеличиваются

помехи. По-

этому кроме кодирования сигналов в сетях применяются методы

модуляции сигналов (представление сигнала в виде синусоиды).

Кроме того, встает проблема синхронизации передатчика и при-

емника. Для передачи данных в сетях используют специальные

сетевые адаптеры, рассчитанные на конкретные передающие сре-

ды (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно и т. п.) и

учи-

тывающие их электрические и иные характеристики. Кроме того,

для повышения надежности передачи используется прием под-

счета контрольной суммы после передачи блоков информации.

Выводы:

Наиболее простым случаем связи двух устройств является их

непосредственное соединение физическим каналом, такое соеди-

нение называется связью «точка- точка» (point-to point).

Для обмена данными с внешними устройствами (как

с собст-

венной периферией, так и с другими компьютерами) в компьюте-

ре предусмотрены интерфейсы, или порты, то есть наборы про-

водов, соединяющих компьютер с устройствами, а также наборы

правил обмена информацией по этим проводам.

Логикой передачи сигналов на внешний интерфейс управляют

аппаратное устройство компьютера – контроллер и программный

модуль – драйвер.

Для

того чтобы компьютер мог работать в сети, его операци-

онная система должна быть дополнена клиентским и/или сервер-

ным модулем, а также средствами передачи данных между ком-

пьютерами. В результате такого добавления операционная систе-

ма компьютера становится сетевой.

При соединении «точка-точка» на первый план выходит зада-

ча физической передачи

данных по линиям связи. Эта задача сре-

ди прочего включает кодирование и модуляцию данных, взаим-

ную синхронизацию передатчика одного компьютера с приемни-

129

ком другого, а также подсчет контрольной суммы и передачу ее

по линиям связи после каждого байта или после некоторого бло-

ка байтов.

4.2. Топология физических связей

Как только компьютеров становится больше двух, появляет-

ся проблема выбора конфигурации физических связей, или топо-

логии. Под топологией сети понимается конфигурация графа,

вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (напри-

мер, компьютеры) и коммуникационное оборудование (напри-

мер, маршрутизаторы), а ребрам – электрические и информаци-

онные связи между ними.

Число возможных вариантов конфигураций резко

возрастает

при увеличении числа связываемых устройств. Так, если три

компьютера мы можем связать двумя способами (рис. 4.3, а), то

для четырех компьютеров можно предложить уже шесть тополо-

гически разных конфигураций, что и иллюстрирует рис. 4.3 б.

Рис. 4.3. Варианты соединений узлов сети

Мы можем соединять каждый компьютер с каждым или же

связывать их последовательно, предполагая, что они будут об-

щаться, передавая сообщения друг другу «транзитом». От выбора

топологии связей существенно зависят многие характеристики

сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повы-

130

шает надежность сети и делает возможным балансировку загруз-

ки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов,

свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расши-

ряемой. Экономические соображения часто приводят к выбору

топологий, для которых характерна минимальная суммарная

длина линий связи.

Среди множества возможных конфигураций различают пол-

носвязные и неполносвязные.

Полносвязная топология (в виде

графа представлена на рис.

4.4, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер непо-

средственно связан со всеми остальными. Несмотря на логиче-

скую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффек-

тивным. Действительно, в таком случае каждый компьютер в се-

ти должен иметь большое количество коммуникационных пор-

тов, достаточное для связи с каждым

из остальных компьютеров

сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена от-

дельная физическая линия связи. Полносвязные топологии в

крупных сетях применяются редко, так как из теории графов из-

вестно, что для связи N узлов требуется N (N–1)/2 физических

линий связи, то есть имеет место квадратичная зависимость. Ча-

ще этот вид топологии

используется в многомашинных комплек-

сах или в сетях, объединяющих небольшое количество компью-

теров.

Рис. 4.4. Полносвязная (а) и неполнозвязная (б) топологии

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях,

когда для обмена данными между двумя компьютерами может