Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-7

В современных сетях для адресации узлов применяются, как правило, од-

новременно все три приведенные схемы. Пользователи адресуют компьютеры

символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, пере-

даваемых по сетям, на числовые номера. С помощью этих числовых номеров со-

общения передаются из одной сети в другую, а после доставки сообщений в сеть

назначения вместо числового номера используется аппаратный адрес компьюте-

ра. Сегодня такая схема, как мы увидим в дальнейшем, характерна даже для не-

больших автономных сетей, где, казалось бы, она явно избыточна – это делается

для того, чтобы при включении этой сети в большую сеть не нужно было менять

состав операционной системы и

схему адресации.

4.2. Особенности локальных компьютерных сетей

4.2.1. Два типа сетей

Локальные сети разделяются на два типа (рис. 4.3):

• одноранговые;

• с выделенным сервером.

Одноранговые сети. В такой сети нет единого центра управления взаи-

модействием компьютеров и нет единого устройства для хранения данных. В

одноранговой сети все компьютеры равноправны:

среди них нет иерархии. Все

пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере

сделать общедоступными по сети. Одноранговые сети называют также рабочи-

ми группами. В одноранговых сетях требования к производительности и к уров-

ню защиты для сетевого программного обеспечения, как правило, ниже. В боль-

Рис. 4.3. Простейшие примеры типов сетей: а – одноранговая;

б – с выделенным сервером

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-8

шинство операционных систем, например Microsoft Windows NT, Microsoft

Windows 95/98/2000, встроена поддержка одноранговых сетей, поэтому допол-

нительного программного обеспечения не требуется. В таких сетях пользователи

должны обладать достаточным уровнем знаний, чтобы работать и как пользова-

тели, и как администраторы своего компьютера, в них возникают проблемы с

защитой данных, обеспечением доступа к ресурсам и т.п.

Сети

на основе сервера (на выделенном сервере). Выделенным назы-

вают такой компьютер, который функционирует как сервер (исключая функции

клиента или рабочей станции). В сети с выделенным сервером один из компью-

теров (сервер) выполняет функции хранения данных, предназначенных для ис-

пользования всеми компьютерами, управления взаимодействием между ними.

Они специально настроены для быстрой

обработки запросов от сетевых клиен-

тов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера ста-

ли промышленным стандартом. Функции сервера бывают различными: кон-

троллер домена, сервер приложений, доступ в Internet через Internet Information

Server, Web-сервер и др. Остановимся на их функциях позднее. Сетевой сервер и

операционная система работают как единое целое.

Некоторые ОС (Microsoft

Windows NT Server, Novell Netware) были созданы специально для того, чтобы

использовать преимущества наиболее передовых серверных технологий. Сервер

спроектирован так, чтобы предоставлять доступ к множеству файлов и принте-

ров, обеспечивая при этом высокую производительность и защиту. Администри-

рование и управление доступом к данным осуществляется централизованно, ре-

сурсы, как правило, расположены также централизовано. Основным

аргументом

при выборе сети на основе сервера является, как правило, защита данных. В та-

ких сетях, например с операционной системой Microsoft Windows NT Server,

проблемами безопасности занимается один администратор, т.е. осуществляется

централизованное администрирование. Поскольку жизненно важная информа-

ция расположена централизованно, т.е. сосредоточена на одном или нескольких

серверах, нетрудно обеспечить ее регулярное копирование. Сети

такого типа

способны поддерживать тысячи пользователей. Так как компьютер пользователя

не выполняет функции сервера, требования к его характеристикам зависят от по-

требностей самого пользователя.

4.2.2. Топология сети

Термин «топология» характеризует физическое расположение компью-

теров, кабелей и других компонентов сети, т.е. другими словами «форму» или

«очертание» сети. Топология сети

обусловливает ее характеристики и влияет на

состав необходимого сетевого оборудования, характеристики сетевого оборудо-

вания и способ управления сетью.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий, к числу которых

относятся шина, звезда, кольцо. Хотя сами по себе базовые топологии неслож-

ны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объеди-

няющие свойства

нескольких топологий.

Заметим, что при компоновке сетей выделяют два типа соединений. Со-

единением типа «точка-к-точке» называется соединение между двумя и только

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-9

двумя сетевыми устройствами (компьютерами, принтерами и т.п.) с использова-

нием одного кабеля. При этом никакие промежуточные ответвления соедини-

тельного кабеля недопустимы. Многоточечным соединением называется соеди-

нение, при котором один кабель используется для соединения более двух сете-

вых устройств. Такой кабель имеет несколько промежуточных ответвлений.

Шина

Наиболее дешевой схемой организации

сети является топология «шина»

(рис. 4.4), предполагающая непосредственное подключение всех компьютеров к

одному сетевому кабелю. Топологию «шина» часто называют «линейной ши-

ной». Данная топология относится к наиболее простым и широко распростра-

ненным топологиям. В ней используется один кабель (магистраль), вдоль кото-

рого подключены все компьютеры сети. Тип соединения – многоточечный. В

се-

ти компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по ка-

белю в виде электрических сигналов, однако информацию принимает только

тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих

сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вес-

ти передачу.

Рис. 4.4. Шинная топология сети

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером

, ее произ-

водительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем

больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее работает

сеть. Кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияют множество

факторов:

• расстояние между компьютерами;

• тип сетевого кабеля;

• характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети и др.

Шина, как правило, – пассивная

технология. Это означает, что компью-

теры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от

отправителя к получателю, поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя,

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-10

это не скажется на работе остальных. В активных топологиях, как мы увидим

далее, компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети – от

одного конца кабеля к другому. Если не принимать никаких мер, то сигнал, дос-

тигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит

другим компьютерам осу-

ществить передачу. Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на

каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (развязки), поглощающие

эти сигналы. Разрыв сетевого кабеля приводит к отражению электрических сиг-

налов в кабеле и прекращению функционирования сети.

Применение общей шины снижает стоимость проводов, унифицирует

подключение различных модулей, обеспечивает возможность практически мгно-

венного

широковещательного обращения ко всем станциям сети. Основным не-

достатком топологии шина является ее низкая надежность и высокая вероят-

ность выхода из строя всей сети при возникновении неисправности на любом

участке сетевого кабеля. Другим недостатком общей шины является ее невысо-

кая производительность, так как при таком способе подключения в каждый мо-

мент времени только один компьютер может передавать данные в сеть.

Звезда

Для построения большинства сетей в настоящее время применяется то-

пология «звезда». В данном случае недостаток, связанный с вероятностью воз-

никновения обрыва в общем кабеле, преодолевается путем применения отдель-

ных кабелей для подключения каждого из компьютеров к главному сетевому ка

белю. Все компьютеры с помощью кабеля подключаются к центральному узлу,

имеющему несколько портов и называемому концентратором (коммутатором,

хабом) (рис. 4.5). Тип подключения «точка-к-точке». В этих сетях подключение

кабеля и управление конфигурацией сети централизованное.

Название "звезда" применяется для двух различных типов топологий:

"активная звезда" и "пассивная звезда". "Активная звезда

" предполагает наличие

в центре некоторого активного оборудования, которое создает каналы между

двумя абонентами. В качестве такого активного оборудования может выступать

коммутатор. "Пассивная звезда" фактически представляет собой шину, где або-

ненты соединены в виде звезды, в центре этой звезды нет абонента, и все кабели

просто соединены между собой. Там же могут

находиться повторители сигналов

(концентраторы), т.е. некие пассивные преобразователи. В любом случае в цен-

тре "пассивной звезды" нет никакой обработки информации и никакого управ-

ления обменом.

В большинстве современных звездообразных сетей функции коммутации

абонементов и управления сетью или разделены между коммутатором и сете-

вым сервером (последний подключается к коммутатору в

этом случае с макси-

мальным приоритетом), или сервер одновременно выполняет функции и комму-

татора и сервера. В случае обрыва кабеля, соединяющего концентратор с рабо-

чей станцией, связь с сетью утратит только эта станция. Остальные же смогут

беспрепятственно продолжать работу в сети. Однако в случае выхода из строя

концентратора связь с

сетью теряют все подключенные к нему рабочие станции.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-11

Конечно, такого рода неисправность выявляется довольно легко, поскольку все

пользователи, подключенные к этому концентратору, немедленно обратят вни-

мание администратора сети на возникшую проблему. В отличие от топологии

шины, где на отыскание неполадки уходит большое количество сил и времени,

вышедший из строя концентратор буквально заявляет о себе сам.

Этот вид топологии сети

имеет некоторые недостатки. Значительно уве-

личивается расход кабеля. Если центральный компонент выйдет из строя, нару-

шается работа всей сети. Однако если выйдет из строя только один компьютер

или кабель, соединяющий его с концентратором, то лишь этот компьютер не

сможет передавать или принимать данные по сети.

Рис. 4.5. Структура активной звездообразной сети с распределенным управлением

Кольцо

Компьютеры подключаются к

кабелю, замкнутому в кольцо (рис. 4.6),

поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо под-

ключить терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и

проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина»,

здесь каждый компьютер усиливает сигналы и передает их следующему компь-

ютеру. Поэтому,

если выйдет из строя один компьютер, прекращает функциони-

ровать вся сеть. Эта топология обычно допускает значительное количество або-

нентов (1000 и более). В сетях с кольцевой топологией необходимо принимать

специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо

станции не прервался канал связи между остальными станциями.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-12

Рассмотренные выше сетевые топологии являются базовыми, на основа-

нии которых формируется конкретная структура реальной сети. Следует обра-

тить внимание, что звездообразные, шинные и кольцевые сетевые топологии

были характерны для первых локальных компьютерных систем. Современные

высокоскоростные локальные компьютерные сети широко используют и другие

топологии, в частности древовидную топологию. Заметим, что современный вы

сокоскоростной вариант магистральной сети Fast Ethernet имеет древовидную

структуру.

Направление передачи

информации

Абонентские системы

Кольцевая магистраль

Абонентские системы

Рис. 4.6. Кольцевая топология сети

4.2.3. Физическая передающая среда локальных

компьютерных сетей

Физическая передающая среда обеспечивает перенос информации между

абонентами компьютерной сети.

Использование соединительных кабелей

Кабель состоит из проводников, заключенных в один или несколько слоев

изоляции. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими

быстро выполнять присоединение

к нему различного оборудования. В компью-

терных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе витой

пары, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические ка-

бели.

• Витая пара (twisted pair) – это скрученная пара медных проводов.

Скручивание проводов уменьшает влияние

внешних электромагнитных полей на пере-

даваемые сигналы. Витые

пары имеют раз-

личные характеристики, определяемые раз-

мерами, изоляцией и шагом скручивания.

В настоящее время используется два

типа витых пар.

Рис. 4.7. Витая пара проводов

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-13

• Неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP). Этот

кабель состоит из проводов в диэлектрической изоляции, скрученных между со-

бой (рис.4.7).

• Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP). Ее отличие

от неэкранированной витой пары состоит в том, что каждая из пар проводов за-

ключена в экранирующую оплетку и, кроме того, все витые пары проводов по

мещены в общую экранную оплетку. Ее следует применять при наличии силь-

ных электромагнитных помех.

• Коаксиальный кабель (coaxial). Этот кабель практически аналогичен

телевизионному антенному кабелю. Он состоит из центрального медного прово-

да и изоляции, окруженных двумя слоями: экранирующей оплетки и наружным

изоляционным слоем (рис. 4.8).

Внешний проводник

Изоляция

Внутренний проводник

Защитное покрытие

Рис. 4.8. Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель по сравнению

с витой парой обладает болеевысо-

кой механической прочностью, помехозащищенностью и обеспечивает скорость

передачи до 50 Мбит/с. Для промышленного использования выпускаются два

типа коаксиальных кабелей: толстый (thick) диаметром 10 мм и тонкий (thin)

диаметром 5 мм.

• Волоконно-оптический кабель (optical fiber). В оптоволоконном ка-

беле цифровые данные распространяются по оптическим тонким (5–62,5 мик-

рон) волокнам в виде

модулированных световых импульсов. По этому кабелю

свет передается по тонкому стекловолокну, заключенному в оболочку, которая

имеет значительно меньший коэффициент преломления (рис. 4.9), что приводит

к эффекту полного внутреннего отражения, так как свет проходит по кабелю, не

выходя наружу. Это относительно надежный (защищенный) способ передачи,

Стеклянное покрытие

Оптическое волокно

Защитное покрытие

Рис. 4.9. Оптоволоконный кабель

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-14

поскольку электрические сигналы не передаются. Оптоволоконные линии пред-

назначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоро-

стях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. По нему

можно передавать световые импульсы на многие километры. Каждое стеклянное

оптоволокно передает сигнал только в одном направлении, поэтому кабель со

стоит из двух волокон: одно служит для приема, другое – для передачи. Оптово-

локонный кабель – идеальная передающая среда, которая не подвержена дейст-

вию электромагнитных полей и сама практически не имеет излучения. Послед-

нее позволяет использовать этот кабель в сетях, требующих повышенной сек-

ретности информации. Скорость передачи данных более 10 Гбит/с. Так

как сиг-

нал по волоконно-оптическому кабелю передается не электрический, а световой,

то требуется соответствующее преобразование электрического сигнала в свето-

вой – на передающем конце и обратное преобразование – на приемном конце.

Это, конечно, увеличивает стоимость аппаратуры. Главный недостаток волокон-

но-оптического кабеля – это значительная сложность его монтажа, так как при

соединении кабеля

и разъема необходима микронная точность.

Беспроводные сети

Зачастую единственным и наиболее приемлемым способом решения за-

дачи построения территориально-распределенных сетей передачи данных явля-

ется применение цифровых радиосредств. Именно с использованием радио-

средств создаются компьютерные сети крупных металлургических предприятий.

При этом беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, в которой в ка-

честве среды передачи используется кабель. Такая сеть со смешанными компо-

нентами называется гибридной. Типичная беспроводная сеть выглядит и функ-

ционирует практически так же, как и обычная, за исключением среды передачи.

Кратко касаясь существующих сегодня технологий беспроводной связи,

можно выделить:

• передачу данных с помощью инфракрасных лучей. Она обеспечивает

передачу данных со

скоростью сетей, однако дальность связи при этом ограни-

чена прямой видимостью;

• передачу данных с помощью лазера;

• радиопередачу в узком спектре (одночастотная передача);

• радиопередачу в рассеянном спектре.

Среди преимуществ в построении сетей передачи данных с применением

радиосредств следует выделить:

• быстроту развертывания, что критично при высоких требованиях к

скорости построения сети;

• отказ от дорогостоящих работ по прокладке кабеля;

• отказ от дорогостоящей аренды уже существующих каналов связи;

• возможность подключения мобильных объектов;

• гибкость архитектуры сети, т.е. мобильность оборудования, а вместе с

тем и самого канала.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-15

Радиоканал может поддерживать связь на десятки километров и удобен,

прежде всего, тем, что абоненты ничем не связаны друг с другом, т.е. они могут

легко изменять свое местоположение.

К недостаткам беспроводных сетей следует отнести более низкую ско-

рость передачи по сравнению с проводными сетями, немалые вложения при ор-

ганизации каналов связи

по сравнению с проводными, влияние таких факторов,

как необходимые метео- и геоусловия, и, конечно, необходимость проведения

работ по легализации сети в целом или даже отдельного канала связи.

4.2.4. Платы сетевого адаптера

Сетевые адаптеры (контроллеры, карты) – это одна из основных частей

аппаратуры локальной сети. Минимальный набор аппаратуры, которой надо ос-

настить

компьютеры для объединения их в сеть, должен включать в себя адапте-

ры (по одному на каждый компьютер) и соединительные кабели с соответст-

вующими разъемами. Все остальное оборудование сети служит для улучшения

ее характеристик, а также для повышения удобства ее использования.

Плата сетевого адаптера состоит из аппаратной части и встроенных про-

грамм, записанных в ПЗУ. Каждый тип кабеля имеет различные физические ха-

рактеристики, которым должна соответствовать сетевая плата.

Основные сетевые функции адаптера

1. Гальваническая развязка компьютера и локальной сети. Эта функция

не является обязательной. При некоторых типах среды передачи (оптоволокон-

ный кабель, радиоканал) развязка не нужна.

2. Преобразование уровней сигналов из логических

(0,1) в сетевые при

передаче и из сетевых в логические при приеме.

3. Кодирование сигналов при передаче и декодирование при приеме.

4. Распознавание своего пакета при приеме.

5. Преобразование параллельного кода в последовательный при переда-

че и последовательного кода в параллельный при приеме.

6. Буферирование передаваемых и принимаемых данных в буферном

оперативном запоминающем устройстве.

7. Контроль состояния сети, разрешение конфликтов (проведение ар-

битража).

Первые четыре функции всегда реализуются аппаратно, хотя третья и

четвертая в принципе могут выполняться программно.

Перед тем как послать данные в сеть, плата сетевого адаптера должна

перевести их из формы, понятой компьютеру, в форму, в которой они могут пе

редаваться по сетевому кабелю. Внутри компьютера данные передаются по ши-

нам. Это, как правило, несколько проводников, расположенных близко друг к

другу. Так как линий несколько, то и биты данных могут передаваться по ним

группами, а не последовательно. Современные компьютеры оснащены 32-

разрядной шиной, т.е. 32 бита движутся параллельно друг друга (32-полосная

автострада, по которой рядом движутся 32 машины, каждая из которых перево-

зит бит). В сетевом же кабеле данные должны перемещаться в виде потоков би-

тов. Иными словами, кабель – это дорога с одной полосой, по таким дрогам дан-

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-16

ные в каждый момент времени движутся в одном направлении. Следовательно,

информация в локальных сетях передается в последовательном коде, бит за би-

том. Почему бы не использовать здесь параллельную передачу, ведь она горазда

быстрее, к тому же не требует преобразования параллельного кода компьютера в

последовательный, и наоборот? Прежде всего, это связано с

тем, что при парал-

лельной передаче увеличивается количество соединительных проводов в число

раз, равное количеству разрядов параллельного кода (проложить один кабель го-

раздо проще, чем 32 или 64). Значительно дороже при параллельной передаче

обойдется также поиск повреждений и ремонт кабеля. Передача при любом типе

кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры: надо

формировать

мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал на прием-

ном конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один пе-

редатчик и один приемник. При параллельной же передаче количество передат-

чиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого

параллельного кода.

Таким образом, плата сетевого адаптера принимает параллельные дан-

ные

и организует их для последовательной побитовой передачи. Этот процесс

завершается переводом цифровых данных компьютера в электрические и опти-

ческие сигналы, которые и передаются по сетевым кабелям.

Помимо преобразования данных, плата сетевого адаптера должна указать

свое местонахождение, или адрес, чтобы ее могли отличить от остальных плат.

Каждая плата имеет свой уникальный

адрес, размер которого 6 байт, например

00–А0–17–5Е–24–01. Сетевые адреса определены комитетом IEEE (Institute of

Electrical and Electronics Engineers, Inc. – Организация, объединяющая специали-

стов в области инженерных разработок и электроники). Этот комитет закрепляет

за каждым производителем плат сетевого адаптера некоторый интервал адресов.

Первые три байта адреса называются префиксом и закреплены за производите-

лем. Производители зашивают эти адреса в

микросхемы. Благодаря этому каж-

дая плата и, следовательно, каждый компьютер имеют уникальный адрес в сети.

Перед тем как послать данные по сети, плата сетевого адаптера проводит

электронный диалог с принимающей платой, во время которого они «обговари-

вают»:

• максимальный размер блока передаваемых данных;

• объем данных, передаваемых без подтверждения о

получении;

• интервалы между передачами блоков данных;

• интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение;

• объем данных, который может принять каждая плата, не переполняясь;

• скорость передачи данных;

• каждая плата оповещает другую о своих параметрах, принимая чужие пара-

метры и подстраиваясь к ним. После того как все детали определены

, платы

начинают обмен данными.