Архитектура сети. Наиболее распространенные архитектуры.
Вычислительная сеть (ВС) - это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих аппаратных и программных компонентов. Аппаратными компонентами локальной сети являются компьютеры и различное коммуникационное оборудование (кабельные системы, концентраторы и т. д.). Программными компонентами ВС являются операционные системы (ОС) и сетевые приложения.
Сеть может быть построена по одной из трех схем:
· сеть на основе одноранговых узлов - одноранговая сеть;
· сеть на основе клиентов и серверов - сеть с выделенными серверами;
· сеть, включающая узлы всех типов - гибридная сеть.
Архитектура сети определяет основные элементы сети, характеризует ее общую логическую организацию, техническое обеспечение, программное обеспечение, описывает методы кодирования. Архитектура также определяет принципы функционирования и интерфейс пользователя.
Архитектура терминал-главный компьютер - это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров. Рассматриваемая архитектура предполагает два типа оборудования:
Главный компьютер, где осуществляется управление сетью, хранение и обработка данных;
Терминалы, предназначенные для передачи главному компьютеру команд на организацию сеансов и выполнения заданий, ввода данных для выполнения заданий и получения результатов.
Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) - это концепция информационной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. Данная архитектура характеризуется тем, что в ней все системы равноправны. К одноранговым сетям относятся малые сети, где любая рабочая станция может выполнять одновременно функции файлового сервера и рабочей станции.
Архитектура клиент-сервер (client-server architecture) - это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов. Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов:
· Серверы - это объекты, предоставляющие сервис другим объектам сети по их запросам. Сервис - это процесс обслуживания клиентов.
· Клиенты - это рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя. Интерфейсы пользователя это процедуры взаимодействия пользователя с системой или сетью. информатика компьютер процессор сеть
Классификация компьютерных сетей по степени географического распространения. Как соединяются между собой устройства сети.
По степени географического распространения сети делятся на локальные, городские, корпоративные, глобальные и др. Локальная сеть (LAN - Local Area NetWork) - сеть, связывающая ряд компьютеров в зоне, ограниченной пределами одной комнаты, здания или предприятия. Глобальная сеть (WAN - World Area NetWork) - сеть, соединяющая компьютеры, удаленные географически на большие расстояния друг от друга. Отличается от локальной более протяженными коммуникациями (спутниковыми, кабельными и др.). Глобальная сеть объединяет локальные сети. Городская сеть (MAN - Metropolitan Area NetWork) - сеть, которая обслуживает информационные потребности большого города.
Для соединения устройств сети используется специальное оборудование:
Ш Сетевые кабели
o коаксиальные, состоящие из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки;
o оптоволоконные;
o кабели на витых парах, образованные двумя переплетенными друг с другом проводами, и др.
Ш Коннекторы (соединители) для подключения кабелей к компьютеру, разъемы для соединения отрезков кабеля.
Ш Сетевые интерфейсные адаптеры для приема и передачи данных. В соответствии с определенным протоколом управляют доступом к среде передачи данных. Размещаются в системных блоках компьютеров, подключенных к сети. К разъемам адаптеров подключается сетевой кабель.
Ш Трансиверы повышают уровень качества передачи данных по кабелю, отвечают за прием сигналов из сети и обнаружение конфликтов.
Ш Хабы (концентраторы) и коммутирующие хабы (коммутаторы) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.
Ш Повторители (репитеры) усиливают сигналы, передаваемые по кабелю при его большой длине.
Сетевая архитектура - это сочетание топологии, метода доступа, стандартов, необходимых для создания работоспособной сети.
Выбор топологии определяется, в частности, планировкой помещения, в котором разворачивается ЛВС. Кроме того, большое значение имеют затраты на приобретение и установку сетевого оборудования, что является важным вопросом для фирмы, разброс цен здесь также достаточно велик.
Топология типа «звезда» представляет собой более производительную структуру (рис. 6). Каждый компьютер, в том числе и сервер, соединяется отдельным сегментом кабеля с центральным коммутатором (рис. 7).
Рисунок 6 - Топология звезда
Рисунок 7 - Сетевой коммутатор
Основным преимуществом такой сети является её устойчивость к сбоям, возникающим вследствие неполадок на отдельных ПК или из-за повреждения сетевого кабеля.
Важнейшей характеристикой обмена информацией в локальных сетях являются так называемые методы доступа (access methods), регламентирующие порядок, в котором рабочая станция получает доступ к сетевым ресурсам и может обмениваться данными.
За аббревиатурой CSMA/CD скрывается английское выражение «Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection » (коллективный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). С помощью данного метода все компьютеры получают равноправный доступ в сеть. Каждая рабочая станция перед началом передачи данных проверяет, свободен ли канал. По окончании передачи каждая рабочая станция проверяет, достиг ли адресата отправленный пакет данных. Если ответ отрицательный, узел производит повторный цикл передачи/контроля приема данных и так до тех пор, пока не получит сообщение об успешном приеме информации адресатом.
Так как этот метод хорошо зарекомендовал себя именно в малых и средних сетях, для предприятия данный метод подойдет. К тому же сетевая архитектура Ethernet, которую и будет использовать сеть предприятия, использует именно этот метод доступа.
Спецификацию Ethernet в конце семидесятых годов предложила компания Xerox Corporation. Позднее к этому проекту присоединились компании Digital Equipment Corporation (DEC) и Intel Corporation. В 1982 году была опубликована спецификация на Ethernet версии 2.0. На базе Ethernet институтом IEEE был разработан стандарт IEEE 802.3.
В настоящее время технология, применяющая кабель на основе витой пары (10Base - T), является наиболее популярной. Такой кабель не вызывает трудностей при прокладке.
Сеть на основе витой пары, в отличие от тонкого и толстого коаксиала, строится по топологии звезда. Чтобы построить сеть по звездообразной топологии, требуется большее количество кабеля (но цена витой пары не велика). Подобная схема имеет и неоценимое преимущество - высокую отказоустойчивость. Выход из строя одной или нескольких рабочих станций не приводит к отказу всей системы. Правда если из строя выйдет хаб, его отказ затронет все подключенные через него устройства.
Еще одним преимуществом данного варианта является простота расширения сети, поскольку при использовании дополнительных хабов (до четырех последовательно) появляется возможность подключения большого количества рабочих станций (до 1024). При применении неэкранированной витой пары (UTP) длина сегмента между концентратором и рабочей станцией не должна превышать 100 метров, чего не наблюдается в предприятии.
Следующим важным аспектом планирования сети является совместное использование сетевых ресурсов (принтеров, факсов, модемов).
Перечисленные ресурсы могут использоваться как в одноранговых сетях, так и в сетях с выделенным сервером. Однако в случае одноранговой сети сразу выявляются её недостатки. Чтобы работать с перечисленными компонентами, их нужно установить на рабочую станцию или подключить к ней периферийные устройства. При отключении этой станции все компоненты и соответствующие службы становятся недоступными для коллективного пользования.
В сетях с сервером такой компьютер существует по определению. Сетевой сервер никогда не выключается, если не считать коротких остановок для технического обслуживания. Таким образом, обеспечивается круглосуточный доступ рабочих станций к сетевой периферии.
На предприятии имеется десять принтеров: в каждом обособленном помещении. Администрация пошла на расходы для создания максимально комфортных условий работы коллектива.
Теперь вопрос подключения принтера к ЛВС. Для этого существует несколько способов.
Подключение к рабочей станции.
Принтер подключается к той рабочей станции, которая находиться к нему ближе всего, в результате чего данная рабочая станция становится сервером печати. Недостаток такого подключения в том, что при выполнении заданий на печать производительность рабочей станции на некоторое время снижается, что отрицательно скажется на работе прикладных программ при интенсивном использовании принтера. Кроме того, если машина будет выключена, сервер печати станет недоступным для других узлов.
Прямое подключение к серверу.
Принтер подключается к параллельному порту сервера с помощью специального кабеля. В этом случае он постоянно доступен для всех рабочих станций. Недостаток подобного решения обусловлен ограничением в длине принтерного кабеля, обеспечивающего корректную передачу данных. Хотя кабель можно протянуть на 10 и более метров, его следует прокладывать в коробах или в перекрытиях, что повысит расходы на организацию сети.
Подключение к сети через специальный сетевой интерфейс.
Принтер оборудуется сетевым интерфейсом и подключается к сети как рабочая станция. Интерфейсная карта работает как сетевой адаптер, а принтер регистрируется на сервере как узел ЛВС. Программное обеспечение сервера осуществляет передачу заданий на печать по сети непосредственно на подключенный сетевой принтер.
В сетях с шинной топологией сетевой принтер, как и рабочие станции соединяется с сетевым кабелем при помощи Т-коннектора, а при использовании «звезды» - через концентратор.
Интерфейсную карту можно установить в большинство принтеров, но её стоимость довольно высока.
Подключение к выделенному серверу печати.
Альтернативой третьему варианту является использование специализированных серверов печати. Такой сервер представляет собой сетевой интерфейс, скомпонованный в отдельном корпусе, с одним или несколькими разъемами (портами) для подключения принтеров. Однако в данном случае использование сервера печати является непрактичным.
В нашем случае в связи с нерентабельностью установки специального сетевого принтера, покупкой отдельной интерфейсной карты для принтера самым подходящим способом подключения сетевого принтера является подключение к рабочей станции. На это решение повлиял ещё и тот факт, что принтеры расположены около тех рабочих станций, потребность которых в принтере наибольшая.
Понятие “сетевая архитектура” включает общую структуру сети, т. е. все компоненты, благодаря которым сеть функционирует, в том числе аппаратные средства и системное программное обеспечение. Здесь будут обобщены уже полученные сведения о типах сетей, принципах их работы, средах и топологиях. Сетевая архитектура это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.
Ethernet
Ethernetсамая популярная в настоящее время архитектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию “шина”, а для регулирования трафика в основном сегменте кабеляCSMA/CD.
Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т. е. получает питание от компьютера. Следовательно, она прекратит работу из-за физического повреждения или неправильного подключения терминатора.
Рис. Сеть Ethernet топологии “шина” с терминаторами на обоих концах кабеля
Сеть Ethernet имеет следующие характеристики:
традиционная топология линейная шина;
другие топологии звезда-шина;
тип передачи узкополосная;
метод доступа CSMA/CD;
скорость передачи данных 10 и 100 Мбит/c;
кабельная система толстый и тонкий коаксиальный.
Формат кадра
Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат которых отличается от формата пакетов, используемого в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, передаваемые как единое целое. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байтов, но сама структура кадра Ethernet использует, по крайней мере, 18 байтов, поэтому размер блока данных Ethernetот 46 до 1500 байтов. Каждый кадр содержит управляющую информацию и имеет общую с другими кадрами организацию.
Например, передаваемый по сети кадр EthernetIIиспользуется для протоколаTCP/IP. Кадр состоит из частей, которые перечислены в таблице.
Ethernet работает с большинством популярных операционных систем, в их числе:
Microsoft Windows 95;
Microsoft Windows NT Workstation;
Microsoft Windows NT Server;
Token Ring
От других сетей Token Ring отличает не только кабельная система, но и использование доступа с передачей маркера.
Рис. Физическизвезда, логическикольцо
Сеть Token Ring имеет следующие характеристики:
Архитектура
Топология типичной сети Token Ring“кольцо”. Однако в версииIBMэто топология “звезда-кольцо”: компьютеры в сети соединяются с центральным концентратором, маркер передается по логическому кольцу. Физическое кольцо реализуется в концентраторе. Пользователичасть кольца, но они соединяются с ним через концентратор.
Формат кадра
Основной формат кадра Token Ring показан на рисунке ниже и описан в следующей таблице. Данные составляют большую часть кадра.
Рис. Кадр данных Token Ring
|
Поле кадра |
Описание |
|
Стартовый разделитель |
Сигнализирует о начале кадра |
|
Управление доступом |
Указывает на приоритет кадра и на то, что передаетсякадр маркера или кадр данных |
|
Управление кадром |
Содержит информацию Управления доступом к средедля всех компьютеров или информацию “конечной станции”только для одного компьютера |
|
Адрес приемника |
Адрес компьютера-получателя |
|
Адрес источника |
Адрес компьютера-отправителя |
|
Контрольная последовательность кадра | |
|
Конечный разделитель |
Сигнализирует о конце кадра |
|
Статус кадра |
Сообщает, был ли распознан и скопирован кадр (доступен ли адрес приемника) |
Функционирование
Когда в сети Token Ring начинает работать первый компьютер, сеть генерирует маркер. Маркер проходит по кольцу от компьютера к компьютеру, пока один их них не сообщит о готовности передать данные и не возьмет управление маркером на себя. Маркерэто предопределенная последовательность битов (поток данных), которая позволяет отправить данные по кабелю. Когда маркер захвачен каким-либо компьютером, другие компьютеры передавать данные не могут.
Захватив маркер, компьютер отправляет кадр данных в сеть (как показано на рис. ниже). Кадр проходит по кольцу, пока не достигнет узла с адресом, соответствующим адресу приемника в кадре. Компьютер-приемник копирует кадр в буфер приема и делает пометку в поле статуса кадра о получении информации.
Кадр продолжает передаваться по кольцу, пока не достигнет отправившего его компьютера, который и удостоверяет, что передача прошла успешно. После этого компьютер изымает кадр из кольца и возвращает туда маркер.
Рис. Маркер обходит логическое кольцо по часовой стрелке
В сети одномоментно может передаваться только один маркер, причем только в одном направлении.
Передача маркерадетерминистический процесс, это значит, что самостоятельно начать работу в сети (как, например, в средеCSMA/CD) компьютер не может. Он будет передавать данные лишь после получения маркера. Каждый компьютер действует как однонаправленный репитер, регенерирует маркер и посылает его дальше.
Мониторинг системы
Компьютер, который первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями: он должен осуществлять текущий контроль за работой всей сети. Он проверяет корректность отправки и получения кадров, отслеживая кадры, проходящие по кольцу более одного раза. Кроме того, он гарантирует, что в кольце одномоментно находится лишь один единственный маркер.
Распознавание компьютера
После появления в сети нового компьютера система Token Ring инициализирует его таким образом, чтобы он стал частью кольца. Этот процесс включает:
проверку уникальности адреса;
уведомление всех сети о появлении нового узла.
Аппаратные компоненты
Концентратор
В сети TokenRingконцентратор, в котором организуется фактическое кольцо, имеет несколько названий, например:
MAU ;
MSAU (MultiStation Access Unit);
SMAU.
Кабели соединяют клиенты и серверы с MSAU, который работает по принципу других пассивных концентраторов. При подсоединении компьютера он включается в кольцо (см. рис. ниже).
Рис. Формирование кольца в концентраторе (указано направление движения маркера)
Емкость
IBMMSAUимеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до восьми компьютеров. Однако сетьTokenRingне ограничивается одним кольцом (концентратором). Каждое кольцо может насчитывать до 33 концентраторов.
Сеть на базе MSAU может поддерживать до 72 компьютеров - при использовании неэкранированной витой пары и до 260 компьютеров - при использовании экранированной витой пары.
Другие производители предлагают концентраторы большей емкости (в зависимости от модели).
Когда кольцо заполнено, т.е. к каждому порту MSAU подключен компьютер, сеть можно расширить за счет добавления еще одного кольца (MSAU).
Единственное правило, которого следует придерживаться: каждый MSAU необходимо подключить так, чтобы он стал частью кольца.
Гнезда “вход” и “выход” на MSAU позволяют с помощью кабеля соединить в единое кольцо до 12 MSAU, расположенных стопкой.
Рис. Добавляемые концентраторы не нарушают логического кольца
Под сетевой архитектурой понимают набор стандартов, топологий и протоколов низкого уровня, необходимых для создания работоспособной сети.
За многие годы развития сетевых технологий было разработано много различных архитектур. Рассмотрим их.
Token Ring .
Технология разработана компанией IBM в 1970-х годах, а затем была стандартизована IEEE в «Проекте 802» как спецификация 802.5. Она имеет следующие характеристики:
· физическая топология – «звезда»;
· логическая топология – «кольцо»
· скорость передачи данных – 4 или 16 Мбит/с;
· среда передачи – витая пара (используется 2 пары);
UTP – 150 м (для 4 Мбит/с)
STP – 300 м (для 4 Мбит/с)
или 100 (для 16 Мбит/с);
· максимальная длина сегмента с репитерами:
UTP – 365 м
STP – 730 м
* максимальное количество компьютеров на сегмент – 72 или 260 (в зависимости от типа кабеля)
Для объединения компьютеров в сетях Token Ring используются концентраторы MSAU, неэкранированная или экранированная витая пара (возможно и применение оптоволокна).
К преимуществам архитектуры Token Ring можно отнести высокую дальность передачи при использовании повторителей (до 730 м). Можно использовать в автоматизированных системах в реальном времени.
Недостатки архитектуры – довольно высокая стоимость, низкая совместимость оборудования.
Сетевая среда ARCNet была разработана корпорацией Datapoint в 1977 году. Стандартом она не стала, но соответствует спецификации IEEE 802.4. Это простая, гибкая и недорогая архитектура для небольших сетей (до 256 компьютеров) характеризуется следующими параметрами:
· физическая топология – «шина» или «звезда»;
· логическая топология – «шина»
· метод доступа – передача маркера;
· скорость передачи данных – 2,5 или 20 Мбит/с;
· среда передачи – витая пара или коаксиальный кабель;
· максимальный размер кадра – 516 байт;
· среда передачи – витая пара или коаксиальный кабель
· максимальная длина сегмента:
Для витой пары – 244 м (для любой топологии)
Для коаксиального кабеля – 305 м или 610 м (для топологии «шина» или «звезда», соответственно).
Для соединения компьютеров используются концентраторы. Основной тип кабеля – коаксиальный типа RG-62. Поддерживается также витая пара и оптоволокно. Для коаксиального кабеля используется BNC-коннекторы, для витой пары – коннекторы RJ-45. Основное достоинство не большая стоимость оборудования и сравнительно большая дальность.
AppleTalk .
Фирменная сетевая среда, предложенная компанией Apple в 19883 году и встроенная в компьютеры Macintosh. Она включает в себя целый набор протоколов, соответствующих модели OSI. На уровне сетевой архитектуры используется протокол LokalTalkФ, имеющий следующие характеристики:
· топология – «шина» или «дерево»;
· метод доступа – CSMA/CA;
· скорость передачи данных – 230,4 Кбит/с;
· среда передачи данных – экранированная витая пара;
· максимальная длина сети – 300 м;
· максимальное число компьютеров – 32.
Очень низкая пропускная способность привела к тому, что многие производители стали предлагать адаптеры расширения, позволяющие AppleTalk работать с сетевыми средами большой пропускной способности – EtherTalk, TokenTalk, FDDITalk. В локальных сетях, построенных на базе IBM-совместимых компьютеров сетевая среда AppleTalk практически не встречается.
100VG-AnyLAN .
Архитектура 100VG-AnyLAN была разработана в 90-х годах компаниями AT&T и Hewlett-Packard для объединения сетей Ethernet b Token Ring. В 1995 году эта архитектура получила статус стандарта IEEE 802.12. Она имеет следующие параметры:
· топология – «звезда»;
· метод доступа – по приоритету запроса;
· скорость передачи данных – 100 Мбит/с;
· среда передачи – витая пара категории 3,4 или 5 (используются все 4 пары);
· максимальная длина сегмента (для оборудования HP) – 225 м.
Из-за сложности и высокой стоимости оборудования в настоящее время практически не применяется.
Архитектура для домашних сетей.
Home PNA .
В 1966 году целый ряд компаний объединились для создания стандарта, позволяющего строить домашние сети на основе обычной телефонной проводки. Результатом этой работы стало появление в 1998 году архитектуры Home PNA 1.0, а затем Home PNA 2.0, Home PNA3.0 . Их краткие характеристики:
Таблица № 1. Сравнение стандартов Home PNA.
Во всех указанных стандартах используется самый популярный метод доступа к среде – CSMA/CD; в качестве среды – телефонный кабель; в качестве разъемов – телефонные коннекторы RJ-11. Устройства Home PNA могут работать и с витой парой и с коаксиальным кабелем, причем, дальность передачи существенной возрастает.
Следует не забывать, что телефонные линии в России не отвечают стандартым развитых стран как по качеству, так и по охвату. Цены на адаптеры довольно высоки. Тем не менее, данную архитектуру можно рассматривать в качестве альтернативы для беспроводных сетей в офисных зданиях и жилых домах.
Домашние сети на базе электропроводки.
Эта технология появилась недавно и получила название Home PLC. Оборудование в продаже имеется, но популярности пока не имеет.
Параметры сетей HomePlug:
· топология – «шина»;
· скорость передачи данных – до 85 Мбит/c$
· метод доступа – CSMA/CD;
· среда передачи – электрическая проводка;
Недостатки сетей Home PLC –незащищенность от перехвата, требующая обязательного применения шифрования и большая чувствительность к электрическим помехам. К тому же такая технология пока еще дорога.
Технологии, используемые в современных локальных сетях.
Ethernet .
Архитектура Ethernet объединяет целый набор стандартов, имеющих как общие черты, так и отличные. Первоначально она была создана фирмой Xerox в середине 70-х годов и представляла собой систему передачи со скоростью 2,93 Мбит/с. После доработки с участием компаний DEC и Intel архитектура Ethernet послужила основой принятого в 1985 году стандарта IEEE 802.3, определившая для нее следующие параметры:
· топология – «шина»;
· метод доступа – CSMA/CD;
· скорость передачи – 10 Мбит/с;
· среда передачи – коаксиальный кабель;
· применение терминаторов – обязательно;
· максимальная длина сегмента сети – до 500 м;
· максимальная длина сети – до 2,5 км;
· максимальное количество компьютеров в сегменте – 100;
· максимальное количество компьютеров с сети – 1024.
В исходной версии предусматривалось применение коаксиального кабеля двух типов «толстого» и «тонкого» (стандарты 10Base-5 и 10Base-2 соответственно).
В начале 90-х годов появилась спецификация для построения сетей Ethernet c использованием витой пары (10Base-T) и оптоволокна (10Base-FL). В 1995 году был опубликован стандарт IEEE 802.3u, обеспечивающий передачу на скоростях до 100 Мбит/с. В 1998 году появился стандарт IEEE 802.3z и 802.3ab, а в 2002 году IEEE802.3 ae. Сравнение стандартов приведены в таблице № 12.2.
Таблица № 12.2. Характеристики различных стандартов Ethernet.
| Реализация | Скорость Мбит/c | Топология | Среда передачи | Максимальная длина кабеля, м |
| Ethernet | ||||
| 10Base-5 | «шина» | Толстый коаксиальный кабель | ||
| 10Base-2 | «шина» | Тонкий коаксиальный кабель | 185; реально до 300 | |
| 10Base-T | «звезда» | Витая пара | ||
| 10Base-FL | «звезда» | оптоволокно | 500 (станция-концентратор); 200 (между концертраторами) | |
| Fast Ethernet | ||||
| 100Base-TX | «звезда» | Витая пара категории 5 (используется 2 пары) | ||
| 100Base-T4 | «звезда» | Витая пара категории 3,4, 5 (используется четыре пары) | ||
| 100Base-FX | «звезда» | Многомодовое или одномодовое оптоволокно | 2000 (многомодовый) 15000 (одномодовый) реально – до 40 км | |
| Gigabit Ethernet | ||||
| 1000Dase-T | «звезда» | Витая пара категории 5 или выше | ||
| 1000Dase-CX | «звезда» | Специальный кабель типа STR | ||
| 1000Dase-SX | «звезда» | оптоволокно | 250-550 (многомодовый), в зависимости от типа | |
| 1000Dase-LX | «звезда» | оптоволокно | 550 (многомодовый); 5000 (одномодовый); реально – до 80 км | |
| 10 Gigabit Ethernet | ||||
| 10GDase-x | «звезда» | оптоволокно | 300-40000 (в зависимости от типа кабеля и длины волны лазера) |
Недостаток сетей Ethernet связан с использованием в них метода доступа к среде CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений). При увеличении количества компьютеров растет число столкновений, что снижает пропускную способность сети и увеличивает время доставки кадров. Поэтому рекомендуемой нагрузкой сети Ethernet считается уровень в 30-40% от общей полосы пропускания. Этот недостаток легко устраняется путем замены концентраторов мостами и коммутаторами, умеющими изолировать передачу данных между двумя компьютерами в сети от других.
Преимуществ у сети Ethernet очень много. Сама технология проста в реализации. Стоимость оборудования не высока. Можно использовать практически любые виды кабеля. Поэтому в настоящее время данная архитектура сетей можно сказать, что она является господствующей.
Wi-Fi – популярная в мире и быстро развивающаяся в России технология, обеспечивающая беспроводное подключение мобильных пользователей к локальной сети и Интернету (рис.12.5).
В стандарте 802.11 предусматривается использование только полудуплексные приемопередатчики, которые не могут одновременно передавать и принимать информацию. Поэтому в качестве метода доступа к среде во всех стандартах используется метод CSMA/CA (с предотвращением коллизий), позволяющий избегать столкновений.
Основным недостатком сетей Wi-Fi является малая дальность передачи данных, не превышающая для большинства устройств 150 м (максимум 300 м) на открытом пространстве и всего несколько метров в помещении.
Данную проблему решает архитектура WiMAX, разрабатываемая в рамках рабочей группы IEEE 802.16. Реализация этой технологии, также использующей радиосигналы в качестве среды передачи, позволит предоставить пользователям скоростной беспроводной доступ на расстояниях до нескольких десятков км (рис. 10.6.).
Рис. 12.6. Беспроводное подключение мобильных пользователей к локальной сети и Интернету (до десятков км).
Новая технология Bluetooth использует радиосигнал 2,4 Ггц. Она имеет низкое энергопотребление, что позволяет использовать ее в переносных устройствах – ноутбуках, мобильных телефонах (рис.12.7.)
 |
Рис. 12.7. Беспроводное подключение мобильных пользователей к локальной сети и Интернету (до десяти метров).
Bluetooth практически не требует настройки. У нее низкие показатели по дальности (до 10 метров) при 400-700 Кбит/с.
Специализация распределенных вычислений:
Сети и протоколы;
Сетевые мультимедиасистемы;
Распределенные вычисления;
КУРС «КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
ТЕМА 5a
СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Понятие компьютерных сетей
Компьютерная сеть (КС) – это совокупность нескольких компьютеров или вычислительных систем, объединенных между собой средствами телекоммуникаций в целях эффективного использования вычислительных и информационных ресурсов при выполнении информационно-вычислительных работ.
Задачи, которые решаются с помощью персональных компьютеров, работающих в локальной сети:
1. Разделение файлов. (позволяет многим пользователям одно временно работать с одним и тетм же файлом, который хранится на цен тральном файл-сервере);
2. Передача файлов (позволяет быстро копировать файлы любого размера с одного компьютера на другой);
3. Доступ к информации и файлам (позволяет запускать прикладные программы с любой рабочей станции компьютерной сети);
4. Разделение прикладных программ (дает возможность двум пользователям применять одну и ту же копию программы);
5. Одновременный ввод данных в прикладные программы (сетевые прикладные программы позволяют нескольким пользователям одновременно вводить данные, необходимые для работы этих программ);
6. Разделение принтера, накопителя и т.д.
В глобальном масштабе компьютерные сети позволяют решить следующие задачи:
1. Обеспечение информацией по всем областям человеческой деятельности;
2. Электронные коммуникации (электронная почта, телеконференции и т.д.).
В настоящее время компьютерные сети делят по территориальному размещению на:
1. Локальные компьютерные сети, LAN-сети (Local Area Network);
2. Региональные компьютерные сети, MAN-сети (Metropolitan Area Network);
3. Глобальные компьютерные сети, WAN-сети (Wide Area Network).
Корпоративная сеть – это, как правило, закрытая компьютерная сеть, в состав которой могут входить сегменты LAN-сетей малых, средних и крупных отделений корпорации, объединенные с центральным офисом MAN и WAN компьютерными сетями с использованием сетевых технологий глобальных компьютерных сетей.
Компьютерные сети – это сложный комплекс., включающий в себя технические, программные и информационные средства.
Технические средства составляют:
1. ЭВМ различных типов (от супер до компьютеров малой мощности);
2. Транспортная (телекоммуникационная) среда передачи данных, связывающая вычислительные центры или сервера сети и клиентские машины;
3. Адаптеры (сетевая карта), коммутаторы, концентраторы, шлюзы, маршрутизаторы и другое сетевое оборудование для подключения компьютеров к транспортной телекоммуникационной среде и организации топологии компьютерной сети.
Концентратор (HUB) предназначен для распознавания конфликтов между элементами сети и их ликвидации, а также синхронизации информационных потоков внутри сети.
Коммутатор – аппаратное средство, обеспечивающее прием, контроль поступления и маршрутизацию информационных пакетов.
Маршрутизатор предназначен для организации взаимосвязи между несколькими локальными сетями, объединения их в сети более высокого уровня, распределения потоков информации между сегментами сетей.
Программные средства компьютерных сетей состоят из трех частей: общего, специального и системного программного обеспечения.
Общее программное обеспечение КС включает:
1. Операционную систему (отвечает за распределение потоков заданий и данных между серверами и клиентскими машинами сети, управление подключением и отключением отдельных серверов сети, обеспечение динамики координации работы сети);
2. Систему программирования (включает средства автоматизации составления программ по технологии клиент/сервер, их трансляции и отладки);
3. Систему технического обслуживания (представляет собой комплекс программ для осуществления проверки и профилактики работы технических и программных средств связи).
Архитектура компьютерных сетей
Архитектура компьютерных сетей может рассматриваться с двух точек зрения:
1. С точки зрения топологии КС, т.е. каким образом организована сеть на физическом уровне;
2. С точки зрения ее логической организации, которая включает такие вопросы, как организация доступа пользователей к информационным ресурсам КС, их иерархия, взаимоотношения между компьютерами, сегментами КС, распределения информационных ресурсов по сети (сервера, базы данных и т.д.), управления сетью в целом и др.
При построении компьютерных сетей важным является выбор физической организации связей между отдельными компьютерами, т.е. топологии сети. Топология – описание физических соединений в LAN (или логических связей между узлами), указывающее, какие пары узлов могут связываться между собой.
Наиболее распространены следующие топологии:
1. Шина – кабель, объединяющий узлы в сеть (компьютеры подключаются к одному общему кабелю (шине), по которому и происходит обмен информацией между компьютерами, преимущества - дешевизна и простота разводки кабеля по отдельным помещениям, недостатки - низкая надежность, так как любой дефект общего кабеля полностью парализует всю сеть, а также невысокая производительность, поскольку в любой момент только один компьютер может передавать данные в сеть);
2. Звезда – узлы сети соединены с центром кабелями-лучами (предусматривает подключение каждого компьютера отдельным кабелем к концентратору, который находится в центре сети, преимущества - высокая надежность, недостатки – дороговизна);
3. Кольцо – узлы объединены в сеть замкнутой кривой (данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении, если компьютер распознает данные как "свои", то он их принимает, такие сети используются, если требуется контроль предаваемой информации, так как данные, сделав полный оборот, возвращаются к компьютеру-источнику);
4. Смешанная топология – комбинация топологий, перечисленных выше.
Наряду с топологией компьютерной сети, определяющей на физическом уровне построение КС, архитектура компьютерной сети определяет на логическом уровне структуру взаимодействия пользователей, компьютеров и ресурсов КС. Именно на этом уровне руководитель концептуально определяет, кто из пользователей или групп пользователей имеет право доступа к тем или иным ресурсам компьютерной сети (компьютерам, сетевым устройствам, файлам и т.д.) и где находятся эти ресурсы. Администратор компьютерной сети реализует выбранную политику с помощью средств администрирования сети.
На логическом уровне локальные сети могут быть:
1. Одноранговые LAN – это сеть, в которой все компьютеры равноправны и могут выступать в роли как пользователей (клиентов) ресурсов, так и их поставщиков (серверов), предоставляя другим узлам право доступа ко всем или к некоторым из имеющихся в их распоряжении локальным ресурсам (файлам, принтерам, программам);
2. LAN с выделенным сервером. Для эффективного администрирования компьютерных сетей используются сети со специальным компьютером (выделенным сервером).
Существует много серверов компьютерной сети, например, сервер печати, сервер баз данных, сервер приложений, файл-сервер и т.д. В отличие от перечисленных выше сервер компьютерной сети осуществляет управление сетью и на нем, в частности, находятся базы данных, содержащие учетные записи пользователей сети, определяющих их политику доступа к ресурсам КС.
В компьютерных сетях с выделенным сервером рабочие станции подключаются к выделенным серверам, а серверы в свою очередь группируются в домены.
Домен (Domain) – группа компьютеров и периферийных устройств, с общей системой безопасности. В OSI (ниже рассматривается эта модель) термин "домен" используется применительно к административному делению сложных распределенных систем. В сети Internet-часть иерархии имен.
Доменная организация сети позволяет:
1. Упростить централизованное управление сетью;
2. Облегчить создание сетей методом объединения существующих сетевых фрагментов;
3. Обеспечить пользователям однократную регистрацию в сети для доступа ко всем серверам и ресурсам информационной системы независимо от места регистрации.
Важным фактором, определяющим архитектуру компьютерной сети, является ее масштабируемость и, в частности, доменной архитектуры.
При объединении доменов следует выделить три основные модели отношений:
1. Модель мастер-домена (один из доменов объявляется главным, и в нем хранятся записи всех пользователей сети, остальные домены являются ресурсными, все ресурсные домены доверяют главному домену, который является главным мастер-доменом, такая архитектура плохо масштабируется (изменяется число доменов));
2. Модель с несколькими мастер-доменами (несколько доменов объявляются главными, и в каждом из них хранятся учетные записи подмножества пользователей сети, остальные домены являются вторичными, данная модель хорошо масштабируется);
3. Модель полностью доверительных отношений (не существует главного домена, и каждый из них может содержать как учетные записи, так и ресурсы, данная модель хорошо подходит для создания сколь угодно больших сетей, однако чрезвычайно сложна для администрирования сети).
5.3. Internet\Intranet технологии
Интернет изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих локальных, и ее предшественницей, как уже упоминалось, являлась сеть ARPANET. Идея создания Интернет возникла в связи с необходимостью построения отказоустойчивой сети, которая могла бы продолжать работу, даже если большая часть ее стала неработоспособной. Решение состояло в том, чтобы создать сеть, где информационные пакеты могли бы передаваться от одного узла к другому без какого-либо централизованного контроля. Если основная часть сети не работает, пакеты самостоятельно должны передвигаться по сети до тех пор, пока не достигнут точки своего назначения. Одновременно сеть должна быть достаточно устойчивой к возможным ошибкам при передаче пакетов, т.е. обладать механизмом контроля пакетов и обеспечить наблюдение за доставкой информации.
Основой сети Интернет является стек проколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). TCP обеспечивает на передающем компьютере разбивку отправляемого сообщения на куски, так называемые дейтаграммы, восстановление на принимающем компьютере сообщения из поступающих дейтаграмм в нужном порядке, повторную отправку не доставленных или поврежденных дейтаграмм. IP выполняет функции маршрутизации и доставки по адресу отдельных дейтаграмм. Стек TCP/IP изначально был разработан для сети ARPANET и рассматривался как экспериментальный протокол для сети с коммутацией пакетов. Эксперимент дал положительный результат и этот протокол был принят в промышленную эксплуатацию, а в дальнейшем расширялся и совершенствовался в течение нескольких лет. В 1983 г. министерство обороны США объявило о переходе к технологии Интернет. Это означало, что с данного момента все компьютеры, присоединенные к глобальной сети, должны использовать стек TCP/IP.
Существует много причин, почему протоколы TCP/IP были выбраны за основы сети Интернет. Это прежде всего возможность работы с указанными протоколами как в локальных, так и глобальных сетях. Кроме того, эти протоколы обеспечивают взаимодействие компьютеров, работающих под управлением различных операционных систем.
Как уже указывалось выше, задачей протокола IP является маршрутизация пакетов сообщений. Маршрутизация между локальными сетями осуществляется в соответствии с IP-адресами. IP-адрес назначается администратором сети во время конфигурации компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера локальной сети и номера хоста в ней. Хост представляет собой объект сети, который может передавать и принимать IP-адреса, например, компьютер или маршрутизатор.
Номер локальной сети как составной части Интернет назначается по рекомендации специального подразделения Интернет- Internet Network Information Center (InterNIC). Обычно диапазоны адресов у InterNIC получают специальные организации, занимающиеся поставкой услуг Интернет, - провайдеры. Последние распределяют IP-адреса между своими абонентами. Номер хоста в локальной сети администратор назначает произвольно. IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значение каждого байта в десятичной форме и разделенных точками (например, 128.9.1.28). Все IP-адрееа, а значит, и подключаемые к Интернет сети, делятся на четыре класса: класс А, класс В, класс D и класс Е. Сети класса А предназначены главным образом для использования крупными организациями, так как количество таких сетей- 126. Но количество хостов в них составляет 16 777 216. Класс В имеет 65 536 сетей и такое же количество хостов. Класс С определяет 16 777 216 сетей и всего лишь по 256 компьютеров в каждой сети. Сети класса D - это особый класс, т.е. такие IP-адреса присваиваются специфическим сетям, а класс Е зарезервирован для будущих применений.
Поскольку при работе в сети Интернет использовать цифровую адресацию сетей крайне неудобно, то вместо цифр используются символьные имена, называемые доменными именами.
Доменом называется группа компьютеров, объединенных одним именем. Символьные имена дают пользователю возможность лучше ориентироваться в киберпро-странстве Интернет, поскольку запомнить имя всегда проще, чем цифровой адрес. Для преобразования имен в цифровой адрес разработана специальная система DNS (Domain Name System), для реализации которой был создан специальный сетевой протокол DNS. Кроме того, в сети созданы специальные информационно-поисковые компьютеры-серверы (DNS-серверы). DNS-серверы обеспечивают однозначное соответствие между символьными адресами и физическими цифровыми IP-адресами, передаваемыми по сети Интернет. Каждый домен должен иметь свой DNS-сервер. В результате этого в сети Интернет функционирует огромное количество DNS-серверов, которые хранят имена хостов (поддоменов) своего домена. Как и цифровой IP-адрес, имя сервера разделяется точками для удобства построения иерархии в домене на основании имен. По правилам построения имени иерархия задается справа налево. Например, в адресе www.microsoft.com домен верхнего уровня com. По имени можно получить информацию о профиле организации или ее местоположении. Шесть доменов высшего уровня определены следующим образом: gov - правительственные организации, mil - военные организации, edu - образовательные организации, com - коммерческие организации, org - общественные организации, net - организации, предоставляющие сетевые услуги, как правило, региональные сетевые организации.
Кроме того, все страны мира имеют свое собственное символьное имя, обозначающее домен верхнего уровня этой страны. Например, by-Беларусь, de-Германия, us-США, ru-Россия и т.д.
