Самый нижний (уровень IV ) – уровень межсетевых интерфейсов – соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных каналов это Ethernet , Token Ring , FDDI, для глобальных каналов – собственные протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP/PPP, которые устанавливают соединения типа "точка - точка" через последовательные каналы глобальных сетей, и протоколы территориальных сетей X.25 и ISDN. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня.

Следующий уровень (уровень III ) – это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей дейтаграмм с использованием различных локальных сетей, территориальных сетей X.25, линий специальной связи и т. п. В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP , который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol ) и OSPF (Open Shortest Path First ), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol ). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизатором и шлюзом, системой-источником и системой-приемником, то есть для организации обратной связи. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II ) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol ) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol ). Протокол TCP обеспечивает устойчивое виртуальное соединение между удаленными прикладными процессами. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным методом, то есть без установления виртуального соединения, и поэтому требует меньших накладных расходов, чем TCP.

Верхний уровень (уровень I ) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet , почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet и ее российской ветви РЕЛКОМ, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них, наиболее тесно связанных с тематикой данного курса.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol ) используется для организации сетевого управления. Проблема управления разделяется здесь на две задачи. Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия сервера с программой-клиентом, работающей на хосте администратора. Они определяют форматы сообщений, которыми обмениваются клиенты и серверы, а также форматы имен и адресов. Вторая задача связана с контролируемыми данными. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в шлюзах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB (Management Information Base ), определяет те элементы данных, которые хост или шлюз должен сохранять, и допустимые операции над ними.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol ) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений – TCP. Кроме пересылки файлов протокол, FTP предлагает и другие услуги. Так пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов, FTP позволяет пользователю указывать тип и формат запоминаемых данных. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль.

В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный протокол – простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol ). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения – UDP.

Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленной ЭВМ.

Коммуникационная сеть - это система, состоящая из объектов (пунктов или узлов сети) и линий передачи (связей, коммуникаций, соединений). Пункты осуществляют функции генерации, преобразования, хранения и потребления продукта, а связи - передачу продукта между пунктами. В качестве продукта могут фигурировать информация, энергия, масса. Сети в этих случаях называются информационные, энергетические, вещественные.

Отличительная особенность коммуникационной сети - большие расстояния между пунктами по сравнению с геометрическими размерами участков пространства, занимаемых пунктами. В группах сетей возможно разделение на подгруппы. Так, среди вещественных сетей могут быть выделены сети транспортные, водопроводные, производственные и др. При функциональном проектировании сетей решаются задачи синтеза топологии, распределения продукта по узлам сети, а при конструкторском проектировании выполняются размещение пунктов в пространстве и проведение (трассировка) соединений.

Информационная сеть - коммуникационная сеть, в которой в качестве продукта выступает информация.

Вычислительная сеть (ВС) - информационная сеть, в состав которой входят ЭВМ и периферийные устройства, являющиеся источниками и приемниками данных, передаваемых по сети. Эти компоненты составляют оконечное оборудование данных (ООД или DTE - Data Terminal Equipment). В качестве ООД могут выступать ЭВМ и другое вычислительное, измерительное и исполнительное оборудование автоматических и автоматизированных систем. Собственно пересылка данных происходит с помощью сред и средств, объединяемых под названием среда передачи данных.

Подготовка данных, передаваемых или получаемых ООД от среды передачи данных, осуществляется функциональным блоком, называемым аппаратурой окончания канала данных (АКД или DCE - Data Circuit-Terminating Equipment). АКД может быть конструктивно отдельным или встроенным в ООД блоком. ООД и АКД вместе представляют собой станцию данных, которую часто называют узлом сети. Примером АКД может служить модем.

На основе вычислительных сетей могут строиться автоматизированные системы (АС) - совокупность управляемого объекта и автоматических управляющих устройств, в которых часть функций управления выполняет человек-оператор; комплекс технических, программных, других средств и персонала, предназначенный для автоматизации различных процессов. В отличие от автоматической системы АС не может функционировать без участия человека.

Вычислительная система - совокупность ЭВМ и средств программного обеспечения, предназначенная для выполнения вычислительных процессов, а также любая автоматизированная система, основанная на использовании ЭВМ.

Системы обработки данных (СОД) - комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации и централизации обработки данных.

Системы обработки данных классифицируются на две группы: сосредоточенные и распределенные.

К сосредоточенным СОД относят отдельные ЭВМ, вычислительные комплексы и вычислительные системы; к распределенным - системы телеобработки, вычислительные сети и системы передачи данных (СПД).

Использование вычислительных сетей позволяет получить следующие результаты:

1. Сокращение затрат на поиск информации.
2. Доступ к общему программному обеспечению.
3. Получение значительных вычислительных мощностей (доступ к специальным процессорам, объединение вычислительных мощностей, входящих в сеть, и т.д.).
4. Доступ к памяти большой емкости, новые информационные технологии (сервис-интернет, дистанционное образование, банковские системы и т.д.).

Конечной целью создания любой вычислительной сети или системы передачи данных является интегральное обслуживание пользователей.

Существует основные критерии оценки ВС и СПД:

• производительность и пропускная способность;
• стоимость оборудования и монтажа;
• технологичность обслуживания;
• надежность и достоверность передачи информации;
• информационные возможности.

Централизация - процесс объединения различных данных в рамках вычислительной сети. Децентрализация - обратный процесс, когда данные распределяются по различным компьютерам сети.

Децентрализованная система - многопроцессорная система или вычислительная сеть, в которой управление распределено по различным ее узлам.

Распределенная система, или система с распределенными функциями, - автоматизированная система, в которой отдельные функции и операции реализуются ее распределенными в пространстве технологическими узлами или подсистемами, в том числе и автономными; любая вычислительная система, позволяющая организовать взаимодействие вне независимых, но связанных между собой машин.

Исторически заинтересованность компаний в централизованной обработке данных началась с мэйнфреймов. Мэйнфрейм (от англ. mainframe ) - большая универсальная ЭВМ, высокопроизводительный компьютер со значительным объемом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой емкости и выполнения интенсивных вычислительных работ. Если у компании не было собственных мэйнфреймов, она могла «арендовать» избыточные мощности у кого-то другого.

К 1970-м годам удаленная компьютерная обработка данных позволила начать использовать компьютерные технологии как средним, так и малым предприятиям. Это был период централизации данных и их обработки. С течением времени технологии совершенствовались и цены на ЭВМ снижались. К концу 1980-х компьютеры уменьшились настолько, что их можно стало содержать внутри обычных помещений. Пошел обратный процесс в сторону децентрализации. Централизованные системы сменились рабочими станциями, и все чаще стали использоваться термины «клиент-сервер» и «распределенные данные ».

К середине 1990-х годов всевозможные бизнес-приложения, начиная с простых бухгалтерских пакетов и заканчивая полномасштабными корпоративными решениями для управления ресурсами, стали непременными атрибутами практически для всех предприятий. Обработка данных распространилась повсеместно, как и сами данные. А затем появился Интернет, который стал использоваться как бизнес-инструмент.

Возможность мгновенно перемещать информацию в любую точку мира позволила свести практически к нулю временные и пространственные преграды, стоящие на пути распространения данных. Исчезла необходимость хранить данные в том месте, где они непосредственно добываются и используются. Более того, оказалось, что гораздо легче поддерживать точность и свежесть информации, когда она сосредоточена в одном месте. Таким образом, процессы централизации вернулись, однако вернулись на новом витке. Теперь централизация ведет к повышению информационной, а не вычислительной производительности.

Перечислим факторы, стимулирующие развитие распределенной обработки данных:

1. Снижение стоимости процессоров и вычислительных машин.
2. Тенденции к централизации ПО.
3. Повышение квалификации пользователя.
4. Необходимость повышения надежности обработки и хранения информации.
5. Творчество пользователя.
6. Высокая стоимость использования вычислительных каналов.
7. Более удобный диалог пользователя системы.
8. Проблема взаимодействия систем.
9. Удаленный доступ к базам данных.
10. Доступ к сетевому программному обеспечению.
11. Фактор секретности хранения информации (в распределенной системе легче обеспечить секретность в отличие от централизованных систем).
12. Перегрузка центральных процессоров.
13. Дефицит кадровых программистов.

Интегрированная вычислительная сеть (интерсеть) представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями.

В автоматизированных системах крупных предприятий подсети включают вычислительные средства отдельных проектных подразделений. Интерсети нужны для объединения таких подсетей, а также для объединения технических средств автоматизированных систем проектирования и производства в систему комплексной автоматизации (CIM - Computer Integrated Manufacturing). Обычно интерсети приспособлены для различных видов связи: телефонии, электронной почты, передачи видеоинформации, цифровых данных и т.п., ив этом случае они называются сетями интегрального обслуживания.

Развитие интерсетей заключается в разработке средств сопряжения разнородных подсетей и стандартов для построения подсетей, изначально приспособленных к сопряжению. Подсети в интерсетях объединяются в соответствии с выбранной топологией с помощью блоков взаимодействия.

В зависимости от расстояний между связываемыми узлами сети разделяются на территориальные и корпоративные.

Территориальные - сети, охватывающие значительное географическое пространство. Среди них можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы; региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей - WAN (Wide Area Network):

• WAN (Wide Area Network) - глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающая как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN - сети с коммутацией пакетов (Frame Relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети.
• LAN (Local Aiea Network) - локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров (до 10 км в радиусе).

Корпоративные (масштаба предприятия) - совокупность связанных между собой ЛВС (локально-вычислительных сетей), охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или нескольких близко расположенных зданиях.

Локальные и корпоративные вычислительные сети - основной вид вычислительных сетей, используемых в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Особо выделяют единственную в своем роде глобальную (GAN) сеть Интернет (реализованная в ней информационная служба World Wide Web (WWW) переводится на русский язык как всемирная паутина). В Интернете существует понятие интрасетей (Intranet) - корпоративных сетей.

Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей. В этих системах существует возможность функционального расширения и изменения системы без изменения ее остальной части.

По принадлежности различают ведомственные и государственные сети.

Ведомственные сети принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Государственные - сети, используемые в государственных структурах.

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на:

• низкоскоростные (до 10 Мбит/с);
• среднескоростные (до 100 Мбит/с);
• высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с).

Для определения скорости передачи данных в сети широко используется единица бод (baud), измеряемая числом дискретных переходов или событий в секунду. Если каждое событие представляет собой 1 бит, бод эквивалентен 1 бит/с (в реальных коммуникациях это зачастую не выполняется).

По типу среды передачи сети разделяются на:

• проводные: коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные;
• беспроводные: с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне.

В зависимости от способа управления различают сети:

• клиент-сервер - в них выделяется один или несколько узлов (серверов), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети клиент-сервер различаются по характеру распределения функций между серверами, другими словами, по типам серверов (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям имеем сеть распределенных вычислений. Такие сети отличают также от централизованных систем, построенных на мэйнфреймах;
• одноранговые - в них все узлы равноправны; поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером - объект, предоставляющий эти услуги, то каждый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.

Существует так называемая «сетецентрическая концепция», в соответствии с которой пользователь может лишь приобрести дешевое оборудование для обращения к удаленным компьютерам, а сеть обслуживает заказы на выполнение вычислений и получение информации. То есть пользователю не нужно приобретать программное обеспечение для решения прикладных задач, ему нужно лишь платить за выполненные заказы. Подобные компьютеры называют тонкими клиентами или сетевыми компьютерами.

По типам используемых компьютеров и устройств различают сети однородные и неоднородные.

Однородные (гомогенные) сети характеризуются тем, что в ВС связываются однотипные ЭВМ и устройства, как правило, разработанные одной фирмой, имеющие одинаковые операционные системы и однотипный состав абонентских средств. В однородных сетях значительно проще выполнять многие распределенные информационные процедуры (в качестве примера можно назвать организацию и использование распределенных баз данных).

Неоднородные (гетерогенные) сети характеризуются тем, что в ВС присутствуют средства и устройства, разработанные разными фирмами, но заложенные в них правила позволяют им бесконфликтно взаимодействовать и функционировать. В крупных автоматизированных системах, как правило, сети оказываются неоднородными.

В зависимости от прав собственности на сети последние могут быть сетями общего пользования (public) или частными (private). Среди сетей общего пользования выделяют телефонные сети общего пользования (ТФОП, PSTN - Public Switched Telephone Network) и сети передачи данных (PSDN - Public Switched Data Network).

Сети также различают в зависимости от используемых в них протоколов и по способам коммутации.

Вычислительные сети делятся на два больших класса: одноранговые сети (Peer-to-Рееr Network) и клиент-серверные сети (иерархические, Client-Server Network).

В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, они могут выступать в трех разных ролях:

1. Компьютер, занимающийся исключительно обслуживанием запросов других компьютеров, играет роль выделенного сервера сети.
2. Компьютер, обращающийся с запросами к ресурсам другой машины, играет роль узла-клиента.
3. Компьютер, совмещающий функции клиента и сервера, является одноранговым узлом. Сеть не может состоять только из клиентских или только из серверных узлов.

В соответствии с указанными ролями 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.

Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, определяющие их области применения.

Одноранговые сети. В таких сетях все компьютеры равны в возможностях доступа к ресурсам друг друга. Это сети равноправных компьютеров, каждый их которых имеет уникальное имя (имя компьютера) и обычно пароль для входа в него во время загрузки операционной системы (ОС). Каждый компьютер может одновременно являться и сервером и клиентом сети, хотя вполне допустимо назначение одного компьютера только сервером, а другого только клиентом. Каждый пользователь может объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут с ним работать. В одноранговых сетях на всех компьютерах устанавливается такая операционная система, которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности. Например, каждый компьютер может предоставить доступ к файлам, размещенным на его дисках, и подключенным к нему принтерам.

При потенциальном равноправии всех компьютеров в одноранговой сети часто возникает функциональная несимметричность. Обычно некоторые пользователи не желают предоставлять свои ресурсы для совместного доступа. В таком случае серверные возможности их операционных систем не активизируются, и компьютеры играют роль «чистых» клиентов.

В то же время администратор может закрепить за некоторыми компьютерами сети только функции, связанные с обслуживанием

запросов от остальных компьютеров, превратив их таким образом в «чистые» серверы, за которыми пользователи не работают. В такой конфигурации одноранговые сети становятся похожими на сети с выделенными серверами, но это только внешнее сходство - между двумя типами сетей остается существенное различие. Изначально в одноранговых сетях отсутствует специализация ОС в зависимости от того, какую роль играет компьютер - клиента или сервера. Изменение роли компьютера в одноранговой сети достигается за счет того, что функции серверной или клиентской части не используются.

Одноранговые сетевые ОС способны предоставлять большинство тех же сервисов и ресурсов, что и клиент-с ер верные сетевые ОС. Они также характеризуются простотой установки и относительной дешевизной.

Достоинством одноранговых сетей является их высокая гибкость: в зависимости от конкретной задачи сеть может использоваться очень активно либо совсем не использоваться. Из-за большой самостоятельности компьютеров в таких сетях редко возникают перегрузки (к тому же количество компьютеров обычно невелико, не больше 10). Установка одноранговых сетей довольно проста. Кроме того, не требуются дополнительные дорогостоящие серверы, . Пользователи сами могут управлять своими ресурсами. В одноранговых сетях допускается определение различных прав пользователей по доступу к сетевым ресурсам, но система разграничения прав развита слишком слабо. Если каждый ресурс защищен своим паролем, то пользователю приходится запоминать большое число паролей.

Однако такие сети менее надежны и эффективны, чем полноценные клиент-серверные сети. Более того, производительность одноранговых сетей значительно снижается при увеличении размеров сети и количества участвующих в сетевых взаимодействиях компьютеров. Эксплуатация и поддержка таких сетей часто являются непростыми задачами. Из-за отсутствия централизованного управления администраторы вынуждены управлять множеством сервисов на каждой машине отдельно, обеспечивая корректность одновременного функционирования пользовательских приложений и серверных компонентов. Такая работа усложняется еще и тем, что пользователи, работающие на каждом из компьютеров, имеют возможность самостоятельно изменять настройки ОС, что нередко приводит к неработоспособности всего программного обеспечения этой машины.

К недостаткам одноранговых сетей относятся слабая система контроля и протоколирования работы сети, трудности с резервным копированием информации. Эффективная скорость передачи информации по одноранговой сети часто оказывается недостаточной, поскольку трудно обеспечить быстродействие процессоров, большой объем операций памяти и высокие скорости обмена с жестким диском для всех компьютеров сети. К тому же компьютеры работают не только на сеть, но и решают другие задачи.

Считается, что одноранговая сеть наиболее эффективна в небольших сетях, в которых количество компьютеров не превышает 10-20 единиц. В этом случае нет необходимости в применении централизованных средств администрирования - нескольким пользователям нетрудно договориться между собой о перечне разделяемых ресурсов и паролях доступа к ним. При увеличении количества компьютеров сетевые операции замедляют работу и создают множество других проблем. Тем не менее для небольшого офиса одноранговая сеть - это оптимальное решение. Самая распространенная в настоящий момент одноранговая сеть - сеть на основе Windows XP или более ранних версий ОС Windows.

В больших сетях необходимы средства централизованного администрирования, хранения и обработки данных, а особенно защиты данных. Такие возможности легче обеспечить в сетях с выделенными серверами.

Клиент-серверные сети применяются в тех случаях, когда в сеть должно быть объединено много компьютеров (более 20), которые постоянно используют множество пользователей, и возможностей одноранговых сетей уже не хватает. Тогда в сеть включают специализированный компьютер (или компьютеры) - выделенный сервер . Это абонент сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует ресурсы других абонентов, т.е. служит только сети. Клиентом сети называется абонент сети, который использует ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает, т.е. сеть его обслуживает. Компьютер-клиент часто называют рабочей станцией .

В сетях с выделенными серверами используются специальные варианты сетевых ОС, которые оптимизированы для работы в роли серверов и называются серверными ОС. Пользовательские компьютеры в таких сетях работают под управлением клиентских ОС. Серверные компьютеры предоставляют свои ресурсы клиентским рабочим станциям.

Сетевая ОС, работающая на сервере (серверная ОС), отвечает за координацию всех действий, связанных с использованием всех ресурсов и сервисов этого сервера. Клиентом в такой сети является любое сетевое устройство, формирующее запросы к серверу для использования его ресурсов и сервисов (например, рабочие станции пользователей). Для обеспечения взаимодействия клиента и сервера на клиенте устанавливается и функционирует клиентское программное обеспечение, поддерживающее общий протокол взаимодействия клиента и сервера.

В таких сетях пользователи обычно регистрируются в сети со своей рабочей станции. Для регистрации пользователь сообщает серверу свое имя и пароль. Если сообщенные пользователем имя и пароль корректны, то сервер аутентифицирует пользователя и предоставляет доступ ко всем ресурсам и сервисам, на которые пользователю были даны права. В соответствии с назначенными пользователю правами серверная ОС предоставляет приложениям пользователя необходимые для их работы ресурсы и сервисы.

Серверная ОС управляет множеством аппаратных ресурсов сервера, например дисками, оперативной памятью, принтерами, модемами. Файловая система сервера тоже является примером серверного ресурса.

В дополнение к перечисленному серверная ОС предоставляет множество сервисов, включая координацию доступа и совместного использования файлов (в том числе механизмов блокировки файлов и записей) и принтеров, управление памятью сервера, обеспечение безопасности данных и предоставление возможностей сетевого взаимодействия.

Выполнение этих задач специально разработанной серверной ОС гарантирует надежность и безопасность любых данных, хранящихся и обрабатывающихся на сервере.

Специализация операционной системы для работы в роли сервера является естественным способом повышения эффективности серверных операций. А необходимость такого повышения часто ощущается весьма остро, особенно в большой сети. При существовании в сети сотен или даже тысяч пользователей интенсивность запросов к разделяемым ресурсам может быть очень значительной, и сервер должен справляться с этим потоком запросов без больших задержек. Очевидным решением проблемы является использование в качестве сервера компьютера с мощной аппаратной платформой и операционной системой, оптимизированной для серверных функций.

Чем меньше функций выполняет ОС, тем более эффективно можно их реализовать, поэтому для оптимизации серверных операций разработчики ОС вынуждены ограничивать некоторые другие ее функции, причем иногда даже полностью отказываться от них. Существует несколько принципиальных особенностей серверных ОС:

• поддержка мощных аппаратных платформ, в том числе мультипроцессорных;
• поддержка большого числа одновременно выполняемых процессов и сетевых соединений;
• включение в состав ОС компонентов централизованного администрирования сети (например, справочной службы или службы аутентификации и авторизации пользователей сети);
• более широкий набор сетевых служб.

Клиентские операционные системы в сетях с выделенными серверами обычно освобождаются от серверных функций, что значительно упрощает их организацию. Разработчики клиентских ОС уделяют основное внимание пользовательскому интерфейсу и клиентским частям сетевых служб. Наиболее простые клиентские ОС поддерживают только базовые сетевые службы, обычно файловую и службу печати. В то же время существуют так называемые универсальные клиенты, которые поддерживают широкий набор клиентских частей, позволяющих им работать практически со всеми серверами сети.

Большинство сетевых ОС выпускаются в двух версиях. Одна версия предназначена для работы в качестве серверной ОС, а другая - для работы на клиентской машине. Эти версии чаще всего основаны на одном и том же базовом коде, но отличаются набором служб и утилит, а также параметрами конфигурации, в том числе устанавливаемыми по умолчанию и не поддающимися изменению.

Например, операционная система Windows 2000 выпускалась в версии для рабочей станции - Windows 2000 Workstation, а в версии для выделенного сервера - Windows 2000 Server. Оба варианта операционной системы включают клиентские и серверные части многих сетевых служб.

Так, ОС Windows 2000 Workstation, кроме выполнения функций сетевого клиента, может предоставлять сетевым пользователям файловый сервис, сервисы печати, удаленного доступа и другие, а следовательно, может служить основой для одноранговой сети. С другой стороны, ОС Windows 2000 Server содержит все необходимые средства, которые позволяют задействовать компьютер в качестве клиентской рабочей станции. Под управлением ОС Windows 2000 Server локально запускаются прикладные программы, которые могут потребовать выполнения клиентских функций ОС при появлении запросов к ресурсам других компьютеров сети.

Windows 2000 Server имеет такой же развитый графический интерфейс, как и Windows 2000 Workstation, что позволяет с равным успехом применять эти ОС для интерактивной работы пользователя или администратора. Однако версия Windows 2000 Server имеет больше возможностей для предоставления ресурсов своего компьютера другим пользователям сети, так как может выполнять более широкий набор функций, поддерживает большее количество одновременных соединений с клиентами, реализует централизованное управление сетью, имеет более развитые средства защиты. Поэтому рекомендуется применять Windows 2000 Server в качестве ОС для выделенных серверов, а не клиентских компьютеров.

Наиболее популярные серверные ОС:

Windows NT/2000/2003/2008 Server - решение компании Microsoft;

Unix Solaris, MP-UX, ATX, FreeBSD;

Novell NetWare 5.1/6.0/6.5.

Серверы специально оптимизированы для быстрой обработки сетевых запросов на разделяемые ресурсы, а также для управления защитой файлов и каталогов. Однако при больших размерах сети мощности одного сервера может оказаться недостаточно, и тогда в сеть включают несколько серверов.

Серверы могут выполнять и некоторые другие задачи:

• сетевая печать;
• выход в глобальную сеть;
• связь с другой локальной сетью;
• обслуживание электронной почты и т.п.

Количество пользователей сети на основе серверов может достигать нескольких тысяч. Одноранговой сетью такого размера управлять просто было бы невозможно (каждый пользователь должен быть администратором).

Кроме того, в сети на основе сервера можно легко менять количество подключаемых компьютеров. Такие сети называются масштабируемыми.

Под сервером и клиентом часто понимают не сами компьютеры, а работающие на них приложения. В этом случае приложение, которое отдает ресурсы в сеть, является сервером, а приложение, которое только пользуется сетевыми ресурсами, называется клиентом.

Достоинством сети на основе сервера часто называют надежность. Это верно, но только с одной оговоркой: если сервер действительно точно надежен. В противном случае любой отказ сервера приводит к полному параличу сети, в отличие от одноранговой сети, где отказ одного из компьютеров не приводит к отказу всей сети. Бесспорное достоинство сети с сервером - высокая скорость обмена, так как сервер всегда оснащается быстрым процессором (или даже несколькими), ОЗУ большого объема и быстрыми жесткими дисками.

Так как все ресурсы сети с серверами собраны в одном месте, возможно применение гораздо более мощных средств управления доступом, зашиты данных, протоколирования обмена, чем в одноранговых сетях. Для обеспечения надежной работы сети при аварии электропитания применяется бесперебойное электропитание сервера. В данном случае это гораздо проще, чем в одноранговой сети, где желательно оснащать источником бесперебойного питания все компьютеры сети.

К недостаткам сети на основе сервера относятся зависимость всех компьютеров-клиентов от работы сервера, а также более высокая стоимость вследствие дорогого сервера для администрирования сети (т.е. для управления распределением ресурсов контроля прав доступа и защиты данных файловой системы резервирования файлов).

В сети на основе серверов обязательно наличие специального человека-администратора сети, имеющего соответствующую квалификацию. С другой стороны, централизованное администрирование облегчает обслуживание сети и позволяет оперативно решать все вопросы. Особенно это важно для надежной защиты данных от несанкционированного доступа. В одноранговой сети можно обойтись и без администратора, но при этом все пользователи сети должны иметь хоть какое-то представление об администрировании.

4. Сеть, в которой допустимо назначение одного компьютера только сервером, а другого только клиентом: ...

1. одноранговая
2. одноуровневая
3. клиент-сервер
4. иерархическая
5. полуиерархическая
6. серверная

5. Достоинства одноранговых сетей: ...

1. простота установки
2. отсутствие дорогостоящих серверов
3. нет необходимости в системном администрировании
4. пользователи могут сами управлять своими ресурсами
5. высокая надежность сети
6. отказ одного из компьютеров не приводит к полному сбою сети
7. высокая скорость обмена данными
8. бесперебойное электропитание нужно устанавливать только на главном компьютере

6. Недостатки одноранговых сетей: ...

1. слабая система контроля и протоколирования работы сети
2. сетевые операции замедляют работу сети
3. зависимость компьютеров-клиентов от сервера
4. высокая стоимость
5. обязательное централизованное администрирование

7. Оптимальное максимальное число компьютеров одноранговой сети - ...

1. не ограничено

8. Одноранговая сеть вполне подходит там, где: ...

1. количество пользователей не превышает нескольких человек
2. потоки данных невелики
3. в будущем не ожидается значительного расширения сети

9. Нежелательно реализовывать одноранговую сеть там, где: ...

1. необходима высокая скорость передачи данных
2. в будущем ожидается значительное расширение сети
3. основным является вопрос защиты данных
4. пользователи расположены на большом расстоянии друг от друга
5. пользователи расположены компактно
6. вопросы защиты данных не критичны
7. потоки данных невелики

10. Для реализации одноранговой сети необходимо: ...

1. приобрести дорогостоящий сервер
2. приобрести достаточно мощные компьютеры
3. чтобы пользователи были расположены на значительном расстоянии друг от друга
4. чтобы пользователи были расположены компактно
5. взять на работу системного администратора

11. Для объединения двух компьютеров в локальную сеть необходимо: ...

1. чтобы компьютеры были оснащены сетевой картой
2. приобрести сервер
3. чтобы в качестве кабельной системы было выбрано оптоволокно
4. чтобы компьютеры находились на незначительном расстоянии друг от друга
5. подключить к компьютерам модем
6. чтобы оперативная память обоих компьютеров была не менее 250 Мбайт

12. В архитектуре клиент-сервер клиенты - это: ...

1. рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя
2. объекты, предоставляющие сервис другим объектам сети по их запросам
3. сотрудники данной организации, которые используют программное обеспечение с лицензионных дисков
4. модемы, позволяющие рабочим станциям связываться с другими сетями
5. системные администраторы
6. абоненты сети, которые только используют сетевые ресурсы, но сами свои ресурсы в сеть не отдают

13. Сервер - это...

1. объект сети, предоставляющий сервис другим объектам сети по их запросам
2. абонент сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует ресурсы других абонентов, т.е. служит только сети
3. модем, позволяющий рабочим станциям связываться с другими сетями
4. процесс обслуживания клиентов
5. центральный процессор

14. Интерфейсы пользователя - это...

1. процедуры взаимодействия пользователя с системой или сетью
2. рабочий стол станции-клиентов
3. оконечное оборудование данных
4. соседние компьютеры сети
5. документация по работе с программным обеспечением

15. Выделенный сервер - это...

1. сервер, занимающийся только сетевыми задачами
2. сетевой принтер
3. сервер, который помимо обслуживания сети занимается другими задачами
4. сервер, который обслуживает только администрацию предприятия
5. сервер, который обслуживает узкий круг пользователей общей сети

16. Предпочтение клиент-серверной сети нужно отдать, если: ...

1. количество пользователей больше 10
2. требуется централизованное управление, безопасность, управление ресурсами или резервное копирование
3. нужен доступ к глобальной сети
4. требуется разделять ресурсы на уровне пользователей
5. нет возможности или необходимости в централизованном администрировании
6. вопросы защиты данных не критичны

17. Преимущества клиент-серверной архитектуры: ...

1. возможность организации сети с большим количеством рабочих станций
2. обеспечение централизованного управления учетными записями пользователей
3. эффективный доступ к сетевым ресурсам
4. пользователю нужен один пароль для входа в сеть и для получения доступа
5. нет необходимости в системном администрировании
6. невысокая стоимость

18. В клиент-серверной архитектуре выделяются группы объектов: ...

1. клиенты
2. серверы
3. данные
4. сетевые службы
5. системные администраторы
6. сетевые принтеры

19. Недостатки клиент-серверной архитектуры: ...

1. неисправность главного компьютера может сделать сеть неработоспособной
2. необходимость квалифицированного персонала для администрирования
3. высокая стоимость сетей и сетевого оборудования
4. система разграничения прав не слишком развита
5. бесперебойное электропитание нужно устанавливать на всех компьютерах, входящих в сеть
6. невозможность обеспечения конфиденциальности данных

Ответы:

1 - а, b, с, d; 2 - a, b; 3 - a, b; 4 - a, b; 5 - а, b, с, d, f; 6 - a, b, c, d; 7 - a; 8 - a, b, с, d, e; 9 - а, b, c, d;10 - b, d; 11 - a, d; 12 - a, f; 13 - a, b; 14 - a; 15 - a; 16 - a, b, c; 17 - a, b, c, d; 18 - a, b, c, d; 19 - a, b, c.

Классификация компьютерных сетей осуществляется по наиболее характерным признакам – структурным, функциональным, информационным.

По степени территориальной рассредоточенности основных элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные, региональные и локальные компьютерные сети.

Глобальные компьютерные сети (ГКС) объединяют абонентские системы, рассредоточенные на большой территории, охватывающей различные страны и континенты. Они решают проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним.

Региональные компьютерные сети (РКС) объединяют абонентские системы, расположенные в пределах отдельного региона – города, административного района; функционируют в интересах организаций и пользователей региона и, как правило, имеют выход в ГКС. Взаимодействие абонентских систем осуществляется также с помощью ТСС.

Локальные компьютерные сети (ЛКС) объединяют абонентские системы, расположенные в пределах небольшой территории (этаж здания, здание, несколько зданий одного и того же предприятия). К классу ЛКС относятся сети предприятий, фирм, банков, офисов, учебных заведений и т.д. Принципиальным отличием ЛКС от других классов сетей является наличие своей штатной системы передачи данных.

Отдельный класс представляют корпоративные компьютерные сети (ККС), которые являются технической базой компаний, корпораций, организаций и т.д. Такая сеть играет ведущую роль в реализации задач планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации. Объединение ЛКС, РКС, ККС, ГКС позволяет создавать сложные многосетевые иерархии.

По способу управления различают сети с централизованным управлением, когда в сети имеется один или несколько управляющих органов, децентрализованным (каждая АС имеет средства для управления сетью) и смешанным управлением, в которых в определенном сочетании реализованы принципы централизованного и децентрализованного управления (например, под централизованным управлением решаются только задачи с высшим приоритетом, связанные с обработкой больших объемов информации).

По организации передачи информации различают сети с селекцией информации и маршрутизацией информации.

Первые строятся на основе моноканала, взаимодействие АС осуществляется выбором (селекцией) адресованных им блоков данных (кадров): всем АС сети доступны все передаваемые в сети кадры, но копию кадра снимают только АС, которым они предназначены. Вторые используют механизм маршрутизации для передачи кадров (пакетов) от отправителя к получателю по одному из альтернативных маршрутов. По типу организации передачи данных сети с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией каналов, коммутацией сообщений и коммутацией пакетов. В эксплуатации находятся сети, в которых используются смешанные системы передачи данных.

Важным признаком классификации сетей ЭВМ является их топология. Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.

По топологии , т.е. по конфигурации элементов в сети, различают широковещательные сети и последовательные. Широковещательные сети и значительная часть последовательных конфигураций (кольцо, звезда с «интеллектуальным центром») характерны для ЛКС. Для глобальных и региональных сетей наиболее распространенной является произвольная (ячеистая) топология.

В сетях с широковещательной конфигурацией характерен широковещательный режим работы, когда на передачу может работать только одна рабочая станция, а все остальные станции сети – на прием. Это локальные сети с селекцией информации: общая шина, «дерево», «звезда» с пассивным центром.

Для построения сетей ЭВМ используются следующие топологические структуры:

Кольцевая;

Радиальная (звездообразная);

Полносвязная;

Древовидная (иерархическая);

Смешанная.

Топология шина (или, как ее еще называют, общая шина) самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов по доступу к сети (рис. 1). Компьютеры в шине могут передавать информацию только по очереди, так как линия связи в данном случае единственная. Если несколько компьютеров будут передавать информацию одновременно, она исказится в результате наложения (конфликта, коллизии). В шине всегда реализуется режим так называемого полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).

Рис. 1. Сетевая топология шина

В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через который передается вся информация, это увеличивает ее надежность (ведь при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.

Поскольку центральный абонент отсутствует, разрешение возможных конфликтов в данном случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина сложнее, чем при других топологиях. Тем не менее, из-за широкого распространения сетей с топологией шина (прежде всего наиболее популярной сети Ethernet) стоимость сетевого оборудования не слишком высока.

Важное преимущество шины состоит в том, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать обмен.

В случае разрыва или повреждения кабеля нарушается согласование линии связи, которое обеспечивают специальные согласующие устройства – терминаторы, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть.

Отказ сетевого оборудования любого абонента в шине может вывести из строя всю сеть. К тому же такой отказ довольно трудно локализовать, поскольку все абоненты включены параллельно, и понять, какой из них вышел из строя, невозможно.

При прохождении по линии связи сети с топологией шина информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что накладывает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи. Причем каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния до передающего абонента. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования.

Для увеличения длины сети с топологией шина часто используют несколько сегментов (частей сети, каждый из которых представляет собой шину), соединенных между собой с помощью специальных усилителей и восстановителей сигналов – репитеров или повторителей. Однако такое наращивание длины сети не может продолжаться бесконечно. Ограничения на длину связаны с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи.

Топология звезда – это единственная топология сети с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты . Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер (рис. 2), на который ложится большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он, как правило, заниматься не может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более сложным, чем оборудование периферийных абонентов . О равноправии всех абонентов (как в шине) в данном случае говорить не приходится. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.

Если говорить об устойчивости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного компьютера или его сетевого оборудования никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим должны приниматься специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевой аппаратуры.

Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально продолжать работу. В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента : центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи , каждая из которых передает информацию в одном направлении, то есть на каждой линии связи имеется только один приемник и один передатчик. Это так называемая передача точка - точка . Все это существенно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет от необходимости применения дополнительных, внешних терминаторов.

Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в звезде проще, чем в случае шины, ведь каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня. Предельная длина сети с топологией звезда может быть вдвое больше, чем в шине.

Серьезный недостаток топологии звезда состоит в жестком ограничении количества абонентов . Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8-16 периферийных абонентов . В этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, но за ними оно просто невозможно. В звезде допустимо подключение вместо периферийного еще одного центрального абонента (в результате получается топология из нескольких соединенных между собой звезд).

Звезда, показанная на рис. 2, носит название активной или истинной звезды. Существует также топология , называемая пассивной звездой, которая только внешне похожа на звезду (рис. 3). В настоящее время она распространена гораздо более широко, чем активная звезда. Достаточно сказать, что она используется в наиболее популярной сегодня сети Ethernet.

В центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а специальное устройство – концентратор или, как его еще называют, «хаб» (hub), которое выполняет ту же функцию, что и повторитель, то есть восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их во все другие линии связи .

Получается, что хотя схема прокладки кабелей подобна истинной или активной звезде, фактически речь идет о шинной топологии , так как информация от каждого компьютера одновременно передается ко всем остальным компьютерам, а никакого центрального абонента не существует. Безусловно, пассивная звезда дороже обычной шины, так как в этом случае требуется еще и концентратор. Однако она предоставляет целый ряд дополнительных возможностей, связанных с преимуществами звезды, в частности, упрощает обслуживание и ремонт сети. Именно поэтому в последнее время пассивная звезда все больше вытесняет истинную звезду, которая считается малоперспективной топологией .

Большое достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шинной топологии ), а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения. К периферийному абоненту в случае звезды может подходить как один кабель (по которому идет передача в обоих направлениях), так и два (каждый кабель передает в одном из двух встречных направлений), причем последнее встречается гораздо чаще.

Общим недостатком для всех топологий типа звезда (как активной, так и пассивной) является значительно больший, чем при других топологиях , расход кабеля. Это существенно влияет на стоимость сети в целом и заметно усложняет прокладку кабеля.

К недостаткам сетей с радиальной топологией можно отнести: нарушение связи при выходе из строя центрального узла коммутации, отсутствие свободы выбора различных маршрутов для установления связи между АС, увеличение задержек в обслуживании запросов при перегрузке центра обработки, значительное возрастание общей протяженности линий связи при размещении АС на большой территории.

Топология кольцо – это топология , в которой каждый компьютер соединен линиями связи с двумя другими: от одного он получает информацию, а другому передает (рис. 4). На каждой линии связи , как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник (связь типа точка-точка). Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов. Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает, усиливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли повторителя. Затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Если предельная длина кабеля, ограниченная затуханием, составляет L пр, то суммарная длина кольца может достигать NL пр, где N – количество компьютеров в кольце. Полный размер сети в пределе будет NL пр /2, так как кольцо придется сложить вдвое. На практике размеры кольцевых сетей достигают десятков километров (например, в сети FDDI). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии . Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент , который управляет обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен .

Строго говоря, компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии ). Ведь один из них обязательно получает информацию от компьютера, ведущего передачу в данный момент, раньше, а другие – позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на кольцо. В таких методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в кольцо выполняется достаточно просто, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае шины, максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками информации.

Сигнал в кольце проходит последовательно через все компьютеры сети, поэтому выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) нарушает работу сети в целом. Это существенный недостаток кольца.

Точно так же обрыв или короткое замыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной. Из трех рассмотренных топологий кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому в случае топологии кольца обычно предусматривают прокладку двух (или более) параллельных линий связи , одна из которых находится в резерве. Иногда сеть с топологией кольцо выполняется на основе двух параллельных кольцевых линий связи , передающих информацию в противоположных направлениях. Цель подобного решения – увеличение (в идеале – вдвое) скорости передачи информации по сети. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем (правда, предельная скорость уменьшится).

Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология дерево (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд (рис.5). При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном – концентраторы (хабы).

1.3. Многоуровневая организация вычислительных сетей

1.3.1. Требования к организации компьютерных сетей

Для обеспечения эффективного функционирования к компьютерным сетям предъявляются требования, основными среди которых являются

1) открытость – возможность добавления в сеть новых компонентов (узлов и каналов связи, средств обработки данных) без изменения существующих технических и программных средств;

2) гибкость – сохранение работоспособности при изменении структуры сети в результате сбоев и отказов отдельных компонентов сети

или при замене оборудования; 3) совместимость – возможность работы в сети оборудования

разного типа и разных производителей; 4) масштабируемость – способность сети увеличивать свою

производительность при добавлении ресурсов (узлов и каналов связи); 5) эффективность – обеспечение требуемого качества обслуживания

пользователей, задаваемого в виде показателей производительности, временны х задержек, надежности и т.д., при минимальных затратах.

Требования к организации компьютерных сетей

открытость совместимость эффективность

гибкость масштабируемость

Указанные требования реализуются за счет многоуровневой

организации управления процессами в сети, в основе которой лежат понятия процесса, уровня, интерфейса и протокола (рис.1.17).

Понятия многоуровневой организации

прикладной

системный

Интерфейс

программный

Протокол

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

1.3.2. Понятия процесса и уровня

Функционирование вычислительных систем и сетей удобно описывать в терминах процессов.

Процесс – динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки или передачи данных.

Процессы делятся на:

1) прикладные – обработка данных в ЭВМ и терминальном оборудовании, а также передача данных в СПД;

2) системные – обеспечение прикладных процессов (активизация терминала для прикладного процесса, организация связи между процессами и др.).

Данные между процессами передаются в виде сообщений через логические программно-организованные точки, называемые портами .

Порты разделяются на входные и выходные .

Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом или сессией .

В каждом узле обработки данных (компьютере) могут одновременно выполняться несколько независимых прикладных процессов, связанных, например, с обработкой данных (такие процессы называются вычислительными процессами). Эти процессы путём обмена сообщениями через соответствующие порты могут взаимодействовать с прикладными процессами, протекающими в других узлах вычислительной сети так, как это показано на рис.1.18.

Здесь в узле 1 и 2 выполняются по 3 прикладных процесса А1 , А2 , А3

и В 1 , В2 , В3 соответственно, а в узле 3 выполняется один прикладной процесс С. Эти процессы через соответствующие порты обмениваются сообщениями, причем процесс С обменивается сообщениями через два порта: входной, через который поступают сообщения от процесса В3 , и выходной, который служит для передачи сообщений от процесса С к процессу А1 .

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Уровень (layer) – понятие, позволяющее разделить всю совокупность функций обработки и передачи данных в вычислительной сети на несколько иерархических групп. На каждом уровне реализуются определенные функции обработки и передачи данных с помощью аппаратных и/или программных средств сети. Каждый уровень обслуживает вышележащий уровень и, в свою очередь, пользуется услугами нижележащего.

1.3.3. Модель взаимодействия открытых систем (OSI-модель)

Международная Организация по Стандартам (МОС, International Standards Organization – ISO) предложила в качестве стандарта открытых систем семиуровневую коммуникационную модель (рис.1.19), известную как OSI-модель (Open Systems Interconnection) – модель Взаимодействия Открытых Систем (ВОС).

Каждый уровень OSI-модели отвечает за отдельные специфические функции в коммуникациях и реализуется техническими и программными средствами вычислительной сети.

1.3.3.1. Физический уровень

Уровень 1 – физический (physical layer) – самый низкий уровень OSI-модели, определяющий процесс прохождения сигналов через среду передачи между сетевыми устройствами (узлами сети).

Реализует управление каналом связи:

∙ подключение и отключение канала связи;

∙ формирование передаваемых сигналов и т.п.

Описывает:

∙ механические, электрические и функциональные характеристики среды передачи;

∙ средства для установления, поддержания и разъединения физического соединения.

Обеспечивает при необходимости:

∙ кодирование данных;

∙ модуляцию сигнала, передаваемого по среде.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Данные физического уровня представляют собой поток битов (последовательность нулей или единиц), закодированные в виде электрических, оптических или радио сигналов.

Из-за наличия помех, воздействующих на электрическую линию связи, достоверность передачи , измеряемая как вероятность искажения одного бита, составляет 10-4 – 10 -6 . Это означает, что в среднем на 10000 – 1000000 бит передаваемых данных один бит оказывается искажённым.

1.3.3.2. Канальный уровень

Канальный уровень или уровень передачи данных (data link layer)

является вторым уровнем OSI-модели. Реализует управление:

∙ доступом сетевых устройств к среде передачи, когда два или более устройств могут использовать одну и ту же среду передачи;

∙ надежной передачей данных в канале связи, позволяющей увеличить достоверность передачи данных на 2-4 порядка.

Описывает методы доступа сетевых устройств к среде передачи, основанные, например, на передаче маркера или на соперничестве.

Обеспечивает:

∙ функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разрыва соединения;

∙ управление потоком для предотвращения переполнения приемного устройства, если его скорость меньше, чем скорость передающего устройства;

∙ надежную передачу данных через физический канал с вероятностью искажения данных 10-8 – 10 -9 за счёт применения методов и средства контроля передаваемых данных и повторной передачи данных при обнаружении ошибки.

Таким образом, канальный уровень обеспечивает достаточно надежную передачу данных через ненадежный физический канал.

Блок данных, передаваемый на канальном уровне, называется

кадром (frame).

На канальном уровне появляется свойство адресуемости

передаваемых данных в виде физических (машинных) адресов, называемых также MAC-адресами и являющихся обычно уникальными идентификаторами сетевых устройств.

Как будет показано в разделе 3, универсальные МАС-адреса в ЛВС Ethernet и Token Ring являются 6-байтными и записываются в шестнадцатеричном виде, причём байты адреса разделены дефисом,

например: 00-19-45-A2-B4-DE .

К процедурам канального уровня относятся:

∙ добавление в кадры соответствующих адресов;

∙ контроль ошибок;

∙ повторная, при необходимости, передача кадров.

На канальном уровне работают ЛВС Ethernet, Token Ring и FDDI.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

1.3.3.3. Сетевой уровень

Сетевой уровень (network layer), в отличие от двух предыдущих, отвечает за передачу данных в СПД и управляет маршрутизацией сообщений – передачей через несколько каналов связи по одной или нескольким сетям, что обычно требует включения в пакет сетевого адреса получателя.

Блок данных, передаваемый на сетевом уровне, называется пакетом

(packet).

Сетевой адрес – это специфический идентификатор для каждой промежуточной сети между источником и приемником информации.

Сетевой уровень реализует:

∙ обработку ошибок,

∙ мультиплексирование пакетов;

∙ управление потоками данных.

Самые известные протоколы этого уровня:

∙ Х.25 в сетях с коммутацией пакетов;

∙ IP в сетях TCP/IP;

∙ IPX/SPX в сетях NetWare.

Кроме того, к сетевому уровню относятся протоколы построения маршрутных таблиц для маршрутизаторов: OSPF, RIP, ES-IS, IS-IS.

1.3.3.4. Транспортный уровень

Транспортный уровень (transport layer) наиболее интересен из высших уровней для администраторов и разработчиков сетей, так как он управляет сквозной передачей сообщений между оконечными узлами сети ("end-end"), обеспечивая надежность и экономическую эффективность передачи данных независимо от пользователя. При этом оконечные узлы возможно взаимодействуют через несколько узлов или даже через несколько транзитных сетей.

На транспортном уровне реализуется:

1) преобразование длинных сообщений в пакеты при их передаче в сети и обратное преобразование;

2) контроль последовательности прохождения пакетов ;

3) регулирование трафика в сети ;

4) распознавание дублированных пакетов и их уничтожение.

Способ коммуникации "end-end" облегчается еще одним способом адресации – адресом процесса , который соотносится с определенной прикладной программой (прикладным процессом), выполняемой на компьютере. Компьютер обычно выполняет одновременно несколько программ, в связи с чем необходимо знать какой прикладной программе (процессу) предназначено поступившее сообщение. Для этого на

транспортном уровне используется специальный адрес, называемый адресом порта . Сетевой уровень доставляет каждый пакет на конкретный

адрес компьютера, а транспортный уровень передаёт полностью собранное сообщение конкретному прикладному процессу на этом компьютере.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Транспортный уровень может предоставлять различные типы сервисов, в частности, передачу данных без установления соединения или с предварительным установлением соединения. В последнем случае перед началом передачи данных с использованием специальных управляющих пакетов устанавливается соединение с транспортным уровнем компьютера, которому предназначены передаваемые данные. После того как все данные переданы, подключение заканчивается. При передаче данных без установления соединения транспортный уровень используется для передачи одиночных пакетов, называемых дейтаграммами , не гарантируя их надежную доставку. Передача данных с установлением соединения применяется для надежной доставки данных.

1.3.3.5. Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (session layer) обеспечивает обслуживание двух "связанных" на уровне представления данных объектов сети и управляет ведением диалога между ними путем синхронизации, заключающейся в установке служебных меток внутри длинных сообщений. Эти метки позволяют после обнаружения ошибки повторить передачу данных не с самого начала, а только с того места, где находится ближайшая предыдущая метка по отношению к месту возникновения ошибки.

Сеансовый уровень предоставляет услуги по организации и синхронизации обмена данными между процессами уровня представлений.

На сеансовом уровне реализуется:

1) установление соединения с адресатом и управление сеансом;

2) координация связи прикладных программ на двух рабочих станциях.

1.3.3.6. Уровень представления

Уровень представления (presentation layer) обеспечивает совокупность служебных операций, которые можно выбрать на прикладном уровне для интерпретации передаваемых и получаемых данных. Эти служебные операции включают в себя:

∙ управление информационным обменом ;

∙ преобразование (перекодировка) данных во внутренний формат каждой конкретной ЭВМ и обратно;

∙ шифрование и дешифрование данных с целью защиты от несанкционированного доступа;

∙ сжатие данных , позволяющее уменьшить объём передаваемых данных, что особенно актуально при передаче мультимедийных данных, таких как аудио и видео.

Служебные операции этого уровня представляют собой основу всей семиуровневой модели и позволяют связывать воедино терминалы и средства вычислительной техники (компьютеры) самых разных типов и производителей .

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

1.3.3.7. Прикладной уровень

Прикладной уровень (application layer) обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя, а также управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети. Другими словами, прикладной уровень обеспечивает интерфейс между прикладным ПО и системой связи. Он предоставляет прикладной программе доступ к различным сетевым службам, включая передачу файлов и электронную почту.

1.3.3.8. Процесс передачи сообщений в OSI-модели

Транспортный, сеансовый, представительский и прикладной уровни

(уровни 4 – 7) относятся к высшим уровням OSI-модели . В отличие от низших уровней (1 – 3) они отвечают за коммуникации типа "end-end",

т.е. коммуникации между источником и приемником сообщения.

В соответствии с OSI-моделью сообщения в передающем узле А (компьютере) проходят вниз через все уровни от верхнего У 7 до самого нижнего У 1 (рис.1.20), причем многоуровневая организация управления процессами в сети порождает необходимость модифицировать на каждом уровне передаваемые сообщения применительно к функциям, реализуемым на этом уровне. Модификация заключается в добавлении к сообщению на каждом уровне соответствующих заголовков З i и концевиков К i , называемых обрамлением сообщения , в которых содержится информация об адресах взаимодействующих объектов, а также информация, необходимая для обработки сообщения на данном уровне.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

передающей среды. В приемном узле (компьютере) сообщение от нижнего физического уровня У 1 проходит наверх через все уровни, где от него отсекаются соответствующие заголовки и концевики. Таким образом, каждый уровень оперирует с собственным заголовком и концевиком, за счет чего обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачей сообщений.

1.3.4. IEEE-модель локальных сетей

Институт инженеров по электронике и электротехнике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) предложил вариант OSI-модели,

используемый при разработке и проектировании локальных сетей и получивший название IEEE-модели .

В IEEE-модели канальный уровень разбивается на два подуровня

∙ подуровень управления доступом к среде передачи (Medium Access Control , MAC-подуровень), описывающий способ доступа сетевого устройства к среде передачи данных ;

∙ подуровень управления логическим соединением (Logical Link Control , LLC-подуровень), описывающий способ установления и

завершения соединения, а также способ передачи данных.

доставки не гарантирует доставку данных и обычно применяется в приложениях, использующих для контроля передачи данных и защиты от ошибок протоколы более высоких уровней.

Сервис с установлением соединения обеспечивает надежный обмен данными.

Главной функцией МАС-уровня является обеспечение доступа к каналу передачи данных. На этом уровне формируется физический адрес устройства, который называется МАС-адресом . Каждое устройство сети идентифицируется этим уникальным адресом, который присваивается всем сетевым устройствам.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

1.3.5. Понятия интерфейса и протокола

Описание сетевой технологии и алгоритма функционирования компьютерной сети связано с описанием соответствующих интерфейсов и протоколов.

Интерфейс – соглашение о взаимодействии (границе) между уровнями одной системы, определяющее структуру данных и способ (алгоритм) обмена данными между соседними уровнями OSI-модели.

Интерфейсы подразделяются на:

1) схемные – совокупность интерфейсных шин;

2) программные – совокупность процедур реализующих порядок взаимодействия между уровнями.

Протокол – совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры взаимодействия процессов одноименных уровней на основе обмена сообщениями.

Описание протокола предполагает задание:

1) логической характеристики протокола, определяющей

структуру (формат) и содержание (семантику) сообщений путём

перечисления типов сообщений и их смысла; 2) процедурной характеристики протокола , представляющей

собой правила выполнения действий , предписанных протоколом взаимодействия и задаваемых в форме: операторных схем алгоритмов. автоматных моделей, сетей Петри и др.

Рис.1.22 иллюстрирует понятия интерфейсов и протоколов и их соответствие уровням OSI-модели.

Система (узел) А

7 - прикладной

6 - представления

5 - сеансовый

4 - транспортный

3 - сетевой

2 - канальный

1 - физический

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

называется стеком протоколов . В настоящее время существует большое количество разнообразных сетевых технологий и соответствующих им стеков протоколов, наиболее известными и распространёнными среди которых являются стеки протоколов: TCP/IP, XNS, IPX, AppleTalk, DECnet, SNA. Краткое описание перечисленных стеков протоколов приводится в конце данного раздела (см. п.1.7).

1.3.6. Протокольные блоки данных (PDU)

Данные, передаваемые на разных уровнях в сети, формируются в виде блоков, называемых протокольными блоками данных (Protocol Data Unit – PDU). PDU представляет собой единицу данных, передаваемую как единое целое и имеющую обрамление в виде заголовка со служебной информацией (адрес отправителя, адрес получателя, длина блока и т.п.) и, возможно, концевика.

На разных уровнях OSI-модели используются разные PDU, имеющие специальные названия. Наибольшее распространение получили следующие названия блоков данных: сообщение , дейтаграмма , пакет ,

кадр (рис. 1.23).

Сообщение (message) – блок данных, рассматриваемых как единое целое при передаче между двумя пользователями (процессами) и имеющих определенное смысловое значение. Сообщения используются на 7-м уровне OSI-модели для передачи данных между прикладными процессами и могут иметь произвольную длину.

Кадр (frame) – блок данных 2-го (канального) уровня OSI-модели,

имеющий ограниченную длину и передаваемый как единое целое в локальной сети или по выделенному каналу связи между двумя узлами.

Пакет (packet) – блок данных на 3-го (сетевого) уровня OSI-модели, имеющий ограниченную длину и представляющий собой единицу передачи данных в СПД.

Дейтаграмма (datagram) – блок данных 4-го (транспортного)

уровня OSI-модели, передаваемый дейтаграммным способом без установления соединения.

Предельный размер кадра, пакета и дейтаграммы зависит от сетевой технологии и устанавливается соответствующими протоколами, определяющими формат и допустимый размер блока данных.

Лекция 1.Введение в дисциплину Характеристики сетей ЭВМ

Сети ЭВМ могут характеризоваться совокупностью показателей качества , к основным из которых относятся следующие:

1. функциональные возможности сети –– перечень основных информационно вычислительных услуг, предоставляемых пользователям сети;

2. производительность сети –– среднее количество запросов пользователей сети, обслуживаемых за единицу времени;

3. пропускная способность сети (канала) – максимально возможное количество информации, которое может быть передано по сети (по каналу) за единицу времени. Пропускная способность измеряется в битах в секунду (бит/с), в килобитах в секунду (Кбит/с), в мегабитах в секунду (Мбит/с), в гигабитах в секунду (Гбит/с) и т. д.

4. надежность сети –– среднее время наработки на отказ основных компонентов сети;

§ вычислительные сети;

§ информационно-вычислительные сети.

Информационные сети предоставляют пользователям в основном информационные услуги. К таким сетям относятся сети научно-технической и справочной информации, резервирования и продажи билетов на транспорте, сети оперативной информации служб специального назначения и т. д.

Вычислительные сети отличаются наличием в своем составе более мощных вычислительных средств, запоминающих устройств повышенной емкости для хранения прикладных программ, банков данных и знаний, доступных для пользователей, возможностью оперативного перераспределения ресурсов между задачами.

На практике наибольшее распространение получили смешанные информационно-вычислительные сети , в которых осуществляются хранение и передача данных, а также решение различных задач по обработке информации.

По размещению основных информационных массивов (банков данных) сети подразделяются на следующие типы:

§ сети с централизованным размещением информационных массивов;

§ сети с локальным (абонентским) размещением информационных массивов.

В сетях с централизованным размещением информационные массивы формируются и хранятся на главном файловом сервере сети. В сетях с локальным размещением информационные массивы могут находиться на различных файловых серверах.

По степени территориальной рассредоточенности компонентов сети различают:

§ глобальные сети, охватывающие территорию страны или нескольких стран с расстояниями между отдельными узлами сети в несколько тысяч километров;

§ региональные сети, расположенные в пределах определенного территориального региона (города, района, области и т. п.);

§ локальные вычислительные сети, охватывающие сравнительно небольшую территорию (в радиусе до 10 км).

По типу используемых вычислительных средств сети могут быть:

§ однородными (ЭВМ всех абонентских систем сети аппаратно и программно совместимы);

неоднородными (ЭВМ абонентских систем сети аппаратно и программно несовместимы).

Локальные сети ЭВМ обычно являются однородными, а региональные и глобальные – неоднородными.

По методу передачи данных различают сети:

§ с коммутацией каналов;

§ с коммутацией сообщений;

§ с коммутацией пакетов;

со смешанной коммутацией.

Важным признаком классификации сетей ЭВМ является их топология, т. е. структура связей между элементами сети. Топология оказывает существенное влияние на пропускную способность, на устойчивость сети к отказам ее оборудования, на качество обслуживания запросов пользователей, на логические возможности и стоимость сети.

Для построения сетей ЭВМ используются следующие топологические структуры (рис. 2):

§ радиальная (звездообразная);

§ кольцевая;

§ шинная;

§ полносвязная;

§ древовидная (иерархическая);

смешанная.

Рис. 2. Топологические структуры сетей ЭВМ

Основу сетей с радиальной (звездообразной) топологией (рис. 2.а) составляет главный центр, который может быть как активным (выполняется обработка информации), так и пассивным (выполняется только ретрансляция информации). Такие сети довольно просты по своей структуре и организации управления . К недостаткам сетей с радиальной топологией можно отнести: нарушение связи при выходе из строя центрального узла коммутации, отсутствиесвободы выбора различных маршрутов для установления связи между АС, увеличение задержек в обслуживании запросов при перегрузке центра обработки, значительное возрастание общей протяженности линий связи при размещенииАС на большой территории.

В сетях с кольцевой топологией (рис. 2.б) информация между абонентскими станциями передается только в одном направлении. Кольцевая структураобеспечивает широкие функциональные возможности сети при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости, простоте методовуправления, возможности контроля работоспособности моноканала. К недостаткам сетей с кольцевой топологией можно отнести: нарушение связи при выходе из строя хотя бы одного сегмента канала передачи данных.

В сетях с шинной топологией (рис. 2.в) используется моноканал передачи данных, к которому подсоединяются абонентские системы. Данные от передающей АС распространяются по каналу в обе стороны. Информация поступает на все АС, но принимает сообщение только та АС, которой оно адресовано.

Шинная топология – одна из наиболее простых. Она позволяет легко наращивать и управлять сетью ЭВМ, является наиболее устойчивой к возможным неисправностям отдельных абонентских систем. Недостатком шинной топологии является полный выход из стоя сети при нарушении целостности моноканала.

В полносвязной сети (рис. 2.г) информация может передаваться между всеми АС по собственным каналам связи. Такое построение сети требует больного числа соединительных линий связи. Оно эффективно для малых сетей с небольшим количеством центров обработки, работающих с полной загрузкой каналов связи.

В сетях с древовидной топологией (рис. 2.д) реализуется объединение нескольких более простых сетей с шинной топологией. Каждая ветвь дерева представляет собой сегмент. Отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных сегментов.

Топология крупных сетей обычно представляет собой комбинации нескольких топологических решений. Примером такой сети может служить сеть со смешанной радиально – кольцевой топологией, представленная на рис. 2.е.

Правильный и рациональный выбор основных функциональных, технических и программных компонентов сетей ЭВМ, их топологической структуры оказывают непосредственное влияние на все технические характеристики и общую эффективность функционирования сетей ЭВМ в целом. Это особенно важно для вычислительных сетей военного назначения, предназначенных для обработки и передачи больших информационных массивов данных в условиях жесткого лимита времени и высоких требований к достоверности информации.

Лекция 3. Методы структуризации сетей ЭВМ

Физическая структуризация

Построение сетей ЭВМ с небольшим (10-30) количеством абонентских систем чаще всего осуществляется на основе одной из типовых топологий - общая шина, кольцо, звезда или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры абонентских систем в такой сети имеют одинаковые права в отношении информационного взаимодействия друг с другом (за исключением центрального компьютера при соединении звезда). Такая однородность структуры значительно упрощает процедуру наращивания общего числа абонентских систем, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети ЭВМ

Построение больших сетей ЭВМ, объединяющих более 30 – ти абонентских систем, на основе унифицированных типовых топологических структур порождает различные ограничения, наиболее существенными из которых являются:

ü ограничения на длину связи между узлами;

ü ограничения на количество узлов в сети;

ü ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Например, технология Ethernet на тонком коаксиальном кабеле позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров, к которому можно подключить не более 30 сетевых ЭВМ (рис.3.1). Однако, если абонентские системы интенсивно обмениваются информацией между собой, то приходится снижать число подключенных к каналу компьютеров до 10 - 20, чтобы каждой абонентской системе доставалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование – повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Такое оборудование также называют коммуникационным .

Простейшим из коммуникационных устройств является повторитель (repeater).

Повторители используются для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети ЭВМ с целью увеличения общей длины сети.

Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты (рис.Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала - восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п.

Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называется концентратором или хабом . В данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети.

Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей - Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI и т. п.

В работе концентраторов различных типов и технологий много общего – они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 3.2, а). А концентратор Token Ring (рис. 3.2, б) повторяет входные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту - на том, к которому подключена следующая в кольце АС.

Концентратор всегда изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменения ее логическую топологию.

Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают (рис. 3.3а). Однако это выполняется не всегда. Сеть на рис. 3.3б, демонстрирует пример несовпадения физической и логической топологии. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина, а логически – по кольцевой топологии.

Физическая структуризация сети с помощью концентраторов целесообразна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надежности. Например, если какая-либо абонентская система сети Ethernet с физической общей шиной из-за сбоя начинает непрерывно передавать данные по общему кабелю, то вся сеть выходит из строя, и для решения этой проблемы остается только один выход - вручную отсоединить сетевой адаптер этой абонентской системы от кабеля. В сети Ethernet, построенной с использованием концентратора, эта проблема может быть решена - концентратор отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединенный к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть. Концентратор может блокировать некорректно работающий узел и в других случаях, выполняя роль некоторого управляющего узла.

Лекция 4. Логическая структуризация сети.

Физическая структуризация полезна во многих отношениях, однако в сетях большого и среднего размера, без логической структуризации обойтись невозможно. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, является проблема передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети.

В большой сети возникает неоднородность информационных потоков: сеть состоит из множества подсетей, отделов, рабочих групп и др. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары ПК занимает сеть на все время обмена, поэтому при увеличении числа ПК в сети шина становится узким местом. ПК одного отдела вынуждены ждать, пока завершит обмен пара ПК другого отдела. (Рис.1)

https://pandia.ru/text/78/378/images/image007_101.gif" width="14" height="14">

Рис. 1 Физическая структуризация на основе концентраторов

На рисунке показана сеть, построенная на основе концентраторов. Пусть ПК А, находящийся в одной подсети с ПК В, посылает ему данные. Т. к. концентраторы распространяют любой кадр по всем сегментам сети, то кадр посылаемый ПК А, хотя он и не нужен ПК других сегментов поступит на эти сегменты тоже (на рисунке кадр – заштрихованный кружок). И до тех пор пока ПК В не получит адресованный ему кадр, ни один из ПК этой сети не сможет передавать данные.

Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура данной сети осталась однородной, она не учитывает возможность локальной обработки трафика внутри отдела и предоставляет всем ПК равные возможности по обмену информацией (рис. 2).

Рис. 2. Противоречие между физической структуризацией сети и информационными потоками

Для решения проблемы нужно отказаться от единой разделяемой среды. Например, на примере рисунка 2 желательно сделать так, чтобы кадры выходили за пределы сегмента 1, только в том случае, если эти кадры направлены какому-либо ПК другого сегмента. При такой организации производительность сет существенно повысится, т. к. ПК одного отдела не будут постаивать, пока обмениваются данными ПК других отделов.

Распространение трафика, предназначенного для ПК некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента, называется локализацией трафика. Логическая структуризация сети – это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком. Для логической структуризации используются: мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы.

Мост ( Bridge) делит среду передачи сети на логические сегменты, передавая информацию только в том случае, если адрес ПК-получателя принадлежит другой подсети. Таким образом, мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой (рис. 2)

https://pandia.ru/text/78/378/images/image025_22.jpg" width="40" height="28">

Рис. 3. Логическая структуризация сети с помощью моста

Таким образом, если ПК А пошлет данные ПК В, то эти данные будут повторены только на тех сетевых интерфейсах, которые отмечены на рисунке заштрихованными кружками.

Коммутатор (Switch) по принципу обработки информационных кадров полностью аналогичен мосту. Основное его отличие от моста состоит в том, что он способен осуществлять информационный обмен одновременно между несколькими парами логических сегментов сети, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что мосты – это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме.

Маршрутизатор (Router) – коммуникационное устройство с расширенными интеллектуальными возможностями по сравнению с мостами и коммутаторами. Маршрутизаторы реализуют более эффективные методы разграничения трафика отдельных логических сегментов сети. Маршрутизаторы реализуют более эффективные методы разграничения трафика отдельных логических сегментов сети. Это достигается за счет использования составных числовых адресов и явной адресации логических сегментов сети (рис. 3.6).

№ сегмента сети № абонентской системы

Рис.3 Структура составного адреса

Кроме локализации трафика, маршрутизаторы способны выполнять еще ряд задач, наиболее важными из которых являются выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных. Другой важной возможностью маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные на основе разных сетевых технологий (рис 4). Особенностью данной сети является наличие дополнительной связи между сегментами 1 и 2, которая может благодаря наличию маршрутизаторов использоваться как для повышения производительности сети, так и дляповышения ее надежности. В данной сети информационный обмен осуществляется одновременно между двумя парами абонентских систем А и В, С и D.

Кроме перчисленных устройств, отдельные части сети может соединять шлюз ( gateway ). Обычно основной особенностью шлюза явяется необходимость объединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения , а не желание локализовать трафик. Тем не менее, шлюз обеспечивает и локализацию трафика в качестве некоторого побочного эффекта. Крупные сети практически никогда не строятся без физической и логической структуризации. Для отдельных сегментов и подсетей характерны типовые однородные топологии базовых технологий, и для их объединения всегда используется оборудование, обеспечивающее локализацию трафика, - мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы и т. п.

Лекция 5. Архитектура и принципы построения сетей. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе можно выделить следующие задачи:

ü Распознать данные

ü Разбить их на управляющие блоки

ü Добавить информацию к каждому блоку, чтобы указать местонахождение данных и получателя

ü Добавить информацию синхронизации и информацию для проверки ошибок

ü Поместить данные в сеть и отправить их по заданному адресу

Сетевая ОС при выполнении всех этих задач следует строгому набору процедур. Эти процедуры называются протоколами.

В 1984 году International Standards Organization (ISO) выпустила набор спецификаций для открытых систем, чтобы все они могли использовать одинаковые протоколы и стандарты для обмена информацией. Этим стандартом стала модель (Open System Interconnection reference model), названная эталонной моделью взаимодействия открытых систем

В модели OSI сетевые функции распределены между семью уровнями. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции и протоколы (рис.1)

Рис. 1 Взаимосвязи между уровнями модели OSI

Каждый уровень предоставляет несколько услуг, которые готовят данные для доставки по сети на другой компьютер. Уровни разделяются друг от друга границами – интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень для выполнения своих функций использует услуги нижележащего уровня (рис 1)

Когда в модели OSI процесс А на машине 1 хочет взаимодействовать с процессом Б на машине 2, он формирует сообщение и передает его прикладному уровню модели OSI на своей машине. Затем программное обеспечение прикладного уровня добавляет свой заголовок к сообщению и передает его при помощи интерфейса 7\6 уровней представительному уровню и т. д. Некоторые уровни добавляют не только заголовок, но и концевик. Когда сообщение достигает самого нижнего уровня, физический уровень действительно передает сообщение, которое при поступлении на машину 2 передается в обратном порядке (снизу вверх). При этом каждый уровень проверяет и удаляет свой собственный заголовок. Наконец, сообщение поступает к получателю, процессу Б, который может ответить на него, используя аналогичный путь.

Прикладной уровень(Application) – он представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Он обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя (ПО для передачи файлов, доступа к базам данных , электронной почты). Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением после сбоев связи.

Представительный уровень(Presentation) – определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми ПК. Его можно назвать переводчиком. Здесь данные, поступившие от прикладного уровня, переводятся в общепонятный промежуточный формат. Этот уровень отвечает за преобразование протоколов, трансляцию и шифрование данных и т. д. Кроме того, данный уровень управляет сжатием данных для уменьшения общего числа передаваемых битов. На представительном уровне работает редиректор, назначение которого состоит в перенаправлении локальных операций на сетевой сервер.

Сеансовый уровень(Session) - позволяет двум приложениям на разных ПК устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. На этом уровне выполняются функции по распознаванию имен и защите, необходимой для связи двух ПК в сети.

Транспортный уровень (Transport)- гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне сообщения переупаковываются: длинные сообщения разбиваются на несколько пакетов, короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети

Сетевой уровень (Network) – отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические. На этом уровне определяется маршрут от ПК-отправителя к ПК-получателю. На этом этапе решаются проблемы, связанные с сетевым трафиком: коммутация пакетов, маршрутизация и перегрузки

Канальный уровень (Data Link) – выполняет передачу кадров от сетевого уровня к физическому. Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Канальный уровень упаковывает «сырой» поток битов, поступающих от физического уровня, в кадры данных. Данный уровень обеспечивает точность передачи кадров между ПК через Физический уровень

Физический уровень(Physical) – осуществляет передачу потока битов по физической среде (например, по сетевому кабелю). Здесь реализуются механический, электрический, оптический и функциональный интерфейс с кабелем. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера и способ передачи сигналов по сетевому кабелю. Этот уровень отвечает за кодирование данных и синхронизацию битов, гарантируя, что переданная 1 будет воспринята именно как 1, а не как 0

Лекция 6 . Основные типы кабелей, их конструкция, характеристики и функционирование

На сегодняшний день подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения провода и кабели. Существуют различные типы кабелей, но на практике в большинстве сетей применяются только три основные группы:

Коаксиальный кабель (coaxial cable) Витая пара (twisted pair) Неэкранированная Экранированная Оптоволоконный кабель (fiber cable)

Назначение и структура коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель предназначен для передачи высокочастотных сигналов в различной электронной аппаратуре, особенно в радио- и ТВ-передатчиках, компьютерах, трансмиттерах.

Конструкция коаксиального кабеля состоит из медной жилы или стальной жилы плакированной медью, изоляции, ее окружающей, экрана в виде герметичного слоя фольги и металлической оплетки, внешней оболочки (см. рис. 1). При наличии сильных электромагнитных помех в месте прокладки сети можно воспользоваться кабелем с трехкратной (фольга + оплетка + фольга) или четырехкратной (фольга + оплетка + фольга + оплетка) экранизацией. Экран защищает передаваемые по кабелю данные, поглощая внешние электромагнитные сигналы - помехи или шумы. Таким образом, экран не позволяет помехам исказить данные. Трехкратный экран рекомендуется использовать в условиях сильного электромагнитного шума, например в городских индустриальных районах. Четырехкратный экран разработан для использования в местах с чрезвычайно высоким уровнем электромагнитного шума, например вблизи от электрических машин, магистралей, в метро или поблизости от организаций оборудованных мощными радиопередатчиками.

Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Жила - это один провод (сплошная) или пучок проводов. Сплошная жила изготавливается, из меди или стали плакированной медью. Жила окружена изоляционным слоем, который отделяет ее от металлической оплетки. Оплетка играет роль заземления и защищает жилу от электрических шумов и перекрестных помех (электрические наводки, вызванные сигналами в соседних проводах). Проводящая жила и металлическая оплетка не должны соприкасаться, иначе произойдет короткое замыкание, помехи проникнут в жилу, и данные разрушатся. Снаружи кабель покрыт непроводящим слоем - из резины, тефлона или пластика.

Коаксиальный кабель более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше чем в витой паре. Ввиду того, что плетеная защитная оболочка поглощает внешние электромагнитные сигналы, не позволяя им влиять на передаваемые по жиле данные, то коаксиальный кабель можно использовать при передаче на большие расстояния и в тех случаях, когда высокоскоростная передача данных осуществляется на несложном оборудовании.

Существует два типа коаксиальных кабелей :

Тонкий коаксиальный кабель - гибкий кабель диаметром около 0,5 см, прост в применении и годится практически для любого типа сети, способен передавать сигнал на расстояние до 185 м без его заметного искажения, вызванного затуханием. Основная отличительная особенность - медная жила. Она может быть сплошной или состоять из нескольких переплетенных проводов.

Толстый коаксиальный кабель - относительно жесткий кабель с диаметром около 1 см. Иногда его называют «стандартный Ethernet», поскольку он был первым типом кабеля, применяемым в Ethernet - популярной сетевой архитектуре. Медная жила толстого коаксиального кабеля больше в сечении, чем тонкого, поэтому он передает сигналы на расстояние до 500 м. Толстый коаксиальный кабель иногда используют в качестве основного кабеля, который соединяет несколько небольших сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле.

Сравнение двух типов коаксиальных кабелей

Как правило, чем толще кабель, тем сложнее его прокладывать. Тонкий коаксиальный кабель гибок, прост в установке и относительно недорог. Толстый коаксиальный кабель трудно гнуть, следовательно, его сложнее монтировать, это очень существенный недостаток, особенно в тех случаях, когда необходимо проложить кабель по трубам или желобам

Выбор того или иного типа коаксиальных кабелей зависит от места где этот кабель будет прокладываться. Существуют поливинилхлоридные и пленумные классы коаксиальных кабелей.

Поливинилхлорид – это пластик, который применяется в качестве изолятора или внешней оболочки у большинства коаксиальных кабелей. Его прокладывают на открытых участках помещений. Однако при горении он выделяет ядовитые газы.

Пленумные коаксиальные кабели – прокладываются в вентиляционных шахтах, между подвесными потолками и перекрытиями пола.

Монтирование кабельной системы

Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют специальное устройство – трансивер. Он снабжен специальным коннектором пронзающим ответвителем, который проникает через слой изоляции и вступает в контакт с проводящей жилой.

Для подключения тонкого коаксиального кабеля используются BNC-коннекторы.
BNC коннектор (Рис 1), BNC T коннектор (Рис.2) и BNC баррел коннектор

https://pandia.ru/text/78/378/images/image040_15.jpg" width="228" height="201 src=">

Назначение и структура витой пары

Самая простая витая пара – это два перевитых изолированных медных провода. Согласно стандарту различают два вида витых пар:

§ UTP - кабель на основе неэкранированной медной пары

§ STP - кабель на основе экранированной медной пары

Неэкранированная витая пара (UTP, unshielded twisted pair) - это кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание проводников уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю. э.

Кабель на основе неэкранированной медной пары различают по его пропускной способности, выделяя тем самым несколько категорий:

Категория 6 : Кабель этой категории является одной из наиболее совершенных сред передачи данных среди вышеперечисленных категорий. Его частота передачи сигнала доходит до 250 МГц, что почти в два раза больше пропускной способности категории 5е. Улучшена помехозащищенность.

Монтаж кабельной системы на основе витой пары

Рис. 1 Порт MDI/MDI-X и разъем RJ-45

Прямая разводка – применяется, когда кабель соединяет ПК с концентратором или концентратор с концентратором

Кросс-разв одка – применяется для соединения ПК друг с другом

Прямая разводка кабеля выполняется согласно таблице 1

Кросс-разводка кабеля выполняется согласно таблице 2

После подключения коннекторов кабель следует проверить с помощью специального тестера, который определит, правильно ли проводники витых пар подсоединены к контактам коннекторов, а также целостность самого кабеля.
Назначение и функции оптоволокна

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно защищенный способ передачи, поскольку при нем не используются электрические сигналы. Следовательно, к оптоволоконному кабелю невозможно подключиться, не разрушая его, и перехватывать данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы

Рис.1 Структура оптоволоконного кабеля: 1 –cердцевина с показателем преломления n1;

2 - отражающая оболочка с показателем преломления n2, n1 > n2;.3 – защитное покрытие.

Кабель содержит несколько световодов, хорошо защищенных пластиковой изоляцией. Он обладает сверхвысокой скоростью передачи данных (до 2 Гбит), абсолютно не подвержен помехам и сам не создает излучения, долговечен (срок службы 25 лет). Расстояние между системами, соединенными оптиковолокном, может достигать 100 километров. Основа оптоволокна - кварц (SiO2), самый распространенный в природе материал, недорогой в отличие от меди.

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления(а) многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления(б) одномодовое волокно (в)

Рис.2 Типы оптического кабеля

В одномодовом кабеле используется центральный проводник очень малого диаметра - от 5 до 15 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая - до сотен гигагерц на километр.

Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания - от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются светодиоды и полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC.

Казалось бы, идеальный проводник для сети найден, но стоит оптический кабель чрезвычайно дорого (около 1-3$ за метр), и для работы с ним требуется специальные сетевые карты, коммутаторы и т. д. Данное соединение применяется для объединения крупных сетей, высокосортного доступа в Интернет (для провайдеров и крупных компаний), а также для передачи данных на большие расстояния. В домашних сетях, если требуется высокая скорость соединения, гораздо дешевле и удобнее воспользоваться гигабитной сетью на витой паре.