Компьютерные сети

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Протекающие в ЭВМ любого класса информационные процессы локализованы рамками входящих в ее состав устройств. При этом обмен данными реализуется посредством системной шины и различного рода кабелей, обеспечивающих подключение внешних устройств. Современные информационные технологии предполагают широкое использование компьютерных сетей, в которых процессы обмена данными между компьютерами приобретают основополагающее значение.

Компьютерная сеть
- это система, состоящая из двух и более разнесенных в пространстве компьютеров, объединенных каналами связи, и обеспечивающая распределенную обработку данных. Компьютерные сети представляют собой распределенные системы, позволяющие объединить информационные ресурсы входящих в их состав компьютеров.

Общепринятой классификацией компьютерных сетей является их разделение на локальные (LAN - LocalAreaNetwork), глобальные (WAN - WorldAreaNetwork) и корпоративные сети.

Простейшая сеть образуется соединением двух рядом расположенных компьютеров через последовательные (СОМ) или параллельные (LPT) порты с помощью специальных кабелей. Такое соединение часто применяют при подключении ноутбука к другому компьютеру с целью передачи данных. В последние годы в практику входит использование инфракрасных портов для соединения компьютеров в пределах прямой видимости (без применения кабелей).

Локальная вычислительная сеть (ЛВС)
представляет собой распределенную на небольшой территории вычислительную систему, не требующую специальных устройств (за исключением сетевых карт и в более сложных конфигурациях - концентраторов) для передачи данных. В связи с ослаблением сигналов в соединяющих компьютеры электрических кабелях Протяженность всей системы не должна превышать нескольких километров, что ограничивает ее распространение рядом близко расположенных зданий.

Глобальная компьютерная сеть (ГКС)
связывает информационные ресурсы компьютеров, находящихся на любом удалении, что предполагает использование различных специализированных устройств и каналов связи для высокоскоростной и надежной передачи данных. Общедоступные глобальные сети ориентированы на обслуживание любых пользователей.

Корпоративная компьютерная сеть (ККС)
создается для обеспечения деятельности различного рода корпоративных структур (например, банков со своими филиалами), имеющих территориально удаленные подразделения. В общем случае корпоративная сеть является объединением ряда сетей, в каждой из которых могут быть использованы различные технические решения. По функциональному назначению корпоративная сеть ближе к локальным сетям, по особенностям используемых для передачи данных технических решений и характеру размещения информационных ресурсов — к глобальным сетям. В отличие от глобальных сетей как локальные, так и корпоративные сети являются, как правило, сетями закрытого типа, политика доступа в которые определяется их владельцами (как правило, для свободного доступа открыты небольшие сегменты сетей, ориентированные на рекламу, взаимодействие с клиентами и др.).

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ, ИХ ИЕРАРХИЯ, АРХИТЕКТУРА

• системный подход,
предполагающий подчинение всех принимаемых решений общей цели создания компьютерной системы. При этом выбор архитектуры сети, организация каналов передачи данных, характер территориального размещения баз данных, особенности доступа пользователей к ресурсам сети, функциональные возможности аппаратного и программного обеспечения должны соответствовать назначению сети, и в пределе оптимизировать принятые при ее проектировании критерии качества

• реализация архитектуры открытых систем,
ориентированной на возможность расширения (изменения), в том числе, через взаимодействие с другими сетями на основе принятых стандартов. Открытый характер построения сети позволяет осуществить ее декомпозицию в виде относительно самостоятельных подсистем меньшего масштаба и модулей, в пределах которых при проектировании могут быть использованы индивидуальные решения. Актуальность данного принципа подчеркивается значением модели взаимодействия открытых систем OSIкак общепризнанного стандарта построения сетей. Открытость системы является основой для ее адаптации (как правило, непрерывной) к изменяющимся условиям, включая решение вопросов ее последующего масштабирования;

• использование унифицированных решений.
Широкая номенклатура современных серийно выпускаемых специализированных аппаратных и программных средств обеспечивает соответствие действующим международным стандартам в области построения компьютерных сетей, что способствует снижению затрат и сокращению времени на их проектирование, монтаж и отладку, а также повышает надежность их последующей работы;

• поддержка различных способов доступа пользователей к ресурсам сети,
соответствующих реализованным в ней сервисам (функциям), характеру и использованию конкретных ресурсов и др. При необходимости в сети должен быть обеспечен режим удаленного доступа, реализована возможность одновременного использования сетевого ресурса несколькими пользователями или процессами;

• обеспечение безопасности информации,
включающее в себя сохранение ее целостности, конфиденциальности и доступность информации для пользователей при наличии у них требуемых уровней полномочий.

Любая компьютерная сеть в самом общем виде может быть представлена в виде двух взаимодействующих составляющих: коммутационной системы и совокупности абонентов (включая их оборудование: рабочие станции, серверы и др.). Основным назначением коммутационной системы является формирование транспортной среды, обеспечивающей связь абонентов друг с другом. Абоненты сети потенциально могут как предоставлять сетевые услуги, так и потреблять их. Изменение масштабов компьютерной сети приводит к изменению сложности ее обеих составляющих.

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ И КОММУНИКАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Телекоммуникационная система
представляет собой распределенную сеть, объединяющую традиционные сети передачи данных с передачей сообщений в цифровой форме и телефонные сети с передачей сообщений в аналоговой форме, предназначенную для передачи между абонентами трафика различной природы, с различными вероятностно-временными характеристиками.

Основной функцией телекоммуникационных систем, поддерживающих работу компьютерных сетей, является организация оперативного и надежного обмена данными между абонентами. Главный показатель эффективности функционирования телекоммуникационных систем - время доставки сообщений - определяется рядом факторов:

• структурой сети связи;

• пропускной способностью линий связи;

• способами соединения каналов связи между абонентами;

• используемыми протоколами информационного обмена;

• методами доступа абонентов к передающей среде;

• методами маршрутизации пакетов и др.

В целом на телекоммуникационную систему возлагается выполнение ряда задач связанных с обеспечением пользовательского трафика:

· согласование форматов сообщений (сигналов) передаваемых через различные каналы системы;

· синхронизацию работы каналов;

· коммутацию (каналов, сообщений, пакетов);

· маршрутизацию (сообщений, пакетов);

· обеспечение требуемого уровня помехозащищенности и др.

Соответственно, все аппаратные и программные средства, обеспечивающие решение этих задач, являются частью телекоммуникационной системы.

Для телекоммуникационных систем характерен ряд специфических особенностей:

· разнотипность применяемых каналов связи - от телефонных до спутниковых;

· ограниченность числа каналов между абонентами, которые можно использовать для передачи различного рода сообщений;

· различные уровни пропускной способности доступных каналов связи.

Одним из важнейших факторов, определяющим возможности телекоммуникационных систем и компьютерных сетей в целом, являются технические характеристики каналов связи.

Канал связи
(передачи данных) состоит из линии связи и используемой на обеих сторонах линии аппаратуры передачи данных.

Линия связи
представляет собой физическую среду, через которую с помощью сигналов осуществляется передача данных. Для передачи большого трафика на значительные расстояния широкое применение находят спутниковые, радиорелейные, кабельные и оптоволоконные каналы связи.

Для оценивания свойств каналов связи и коммуникационной сети используют ряд характеристик:

· скорость передачи данных по каналу связи (измеряется в бит/с);

· пропускную способность канала связи (измеряется количеством передаваемых символов за секунду);

· достоверность передачи данных (измеряется количеством ошибок на один переданный знак);

· надежность (измеряется средним временем безотказной работы в часах).

В зависимости от вида используемых линий связи каналы подразделяются на проводные и беспроводные. К беспроводным каналам относят: спутниковые, инфракрасные, радиорелейные и другие каналы связи. В проводных каналах используются телефонные
линии,
различного рода кабели для передачи электрических и оптических сигналов.

Появление спутниковых сетей связи (первый спутник связи запущен в 1958 году) сравнимо по значимости с изобретением телефона. В настоящее время спутники связи выводятся на геостационарные орбиты, при этом они постоянно находятся над определенными участками поверхности Земли. К преимуществам спутниковой связи относятся: большая пропускная способность, обусловленная работой в широком диапазоне гигагерцовых частот; обеспечение связи между узлами (станциями), расположенными на большом расстоянии друг от друга; независимость оплаты трафика от расстояния (стоимость определяется временем работы или объемом трафика). В то же время при использовании спутниковой связи необходимо предпринимать меры повышенной информационной безопасности, исключающие возможность перехвата передаваемых сообщений, имеет место задержка сигнала при приеме из-за больших расстояний, возможно временное ухудшение качества связи из-за воздействия атмосферных явлений.

Различают выделенные некоммутируемые каналы связи и каналы связи с коммутацией на время передачи данных по этим каналам.

При использовании выделенных каналов
связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации и более высокое качество связи. Однако, из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только при условии высокой загрузки каналов.

Для коммутируемых каналов,
создаваемых только на время передачи определенного объема данных, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость при малом объеме трафика. Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (на установление связи между абонентами), возможность блокировки передачи из-за занятости отдельных участков линии связи, пониженное качество передачи, большая стоимость при значительном объеме трафика.

В каналах связи используется три режима передачи: симплексный, полудуплексный и дуплексный.

Симплексный режим
используется для передачи данных только в одном направлении. Характерным примером организации симплексного канала является система телевизионного вещания (от излучающей антенны телевизионного центра к принимающей антенне абонента).

Полудуплексный режим
обеспечивает возможность передачи сообщений в обоих направлениях, но в любой момент времени всегда только в одном направлении. Полудуплексный режим обмена сообщениями характерен для нормального протекания экзамена, когда вопросы одной стороны сопровождаются последующими ответами другой стороны.

Дуплексный режим
обеспечивает одновременную передачу сообщений в обоих направлениях. Фактически дуплексный канал представляет собой два разнонаправленных симплексных канала между двумя узлами сети. Дуплексный режим широко используется при передаче сообщений как в локальных, так и в глобальных сетях, обеспечивая эффективное использование ЭВМ и каналов связи.

Для сопряжения компьютеров с каналами связи необходимы специализированные устройства - сетевые адаптеры.
Они позволяют согласовать параметры сигналов внутреннего интерфейса компьютеров с параметрами сигналов, используемых в каналах связи определенного типа. При этом обеспечивается как физическое согласование по форме, уровню сигналов, так и на уровне кодирования. Помимо одноканальных адаптеров в сетях широко используют и многоканальные адаптеры - мультиплексоры передачи данных.
В сетях со сложной конфигурацией находят применение специализированные интеллектуальные связные процессоры.

При подключении компьютера к телефонной линии функции сетевого адаптера выполняет модем. При увеличении протяженности сети с использованием кабелей применяют повторители, обеспечивающие поддержание формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее по сравнению с типовыми значениями расстояние.

ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИ

Международная организация стандартов (ISO - InternationalOrganizationStandardization) для координации разработки открытых сетей приняла в 1978 году в качестве стандарта базовую эталонную модель
OSI
(OpenSystemInterconnection). Эта модель допускает эволюцию сетей с учетом новых результатов в теории и технике. Модель OSI определяет общие рекомендации для построения стандартов сетей, реализуемые как программными, так и аппаратными средствами. Она включает в себя семь иерархических уровней, каждый из которых выполняет определенную функциональную задачу .

Три верхних уровня вместе с прикладными процессами пользователей образуют область обработки данных. Три нижних уровня образуют область передачи данных между взаимодействующими системами и реализуют коммуникационные процессы по передаче данных. Средний (транспортный) уровень обеспечивает транспортировку данных (собственно трафик в сети) от отправителя к получателю. Он занимает особое место в иерархии уровней, поскольку здесь коммуникационная подсеть (три нижних уровня) с пакетом данных в качестве автономно транспортируемого объекта объединяется с верхними уровнями, использующими сообщение в качестве отдельного объекта.

Протокол
- набор правил, определяющих процедуру взаимодействия процессов, устройств, систем. Применительно к модели сети, используемые в ней протоколы, управляют преобразованием форматов передаваемых сообщений (пакетов), последовательностью работы компьютерной техники, коммутационной аппаратуры и каналов связи, контролем и исправлением возникающих ошибок. За исключением физического уровня (его протоколы выполняются аппаратно) для всех уровней модели сети протоколы реализуются программным способом через драйверы, управляющие соответствующими сетевыми устройствами.

Семиуровневая архитектура вычислительной сети (указано направление передачи данных слева направо)

ОРГАНИЗАЦИЯ ЛОКАЛЬНЫХ И КОРПОРАТИВНЫХ СЕТЕЙ, ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИХ ТОПОЛОГИИ И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Одной из важных характеристик ЛВС является топология сети,
которая характеризует усредненную геометрическую схему расположения входящих в состав сети компьютеров, узлов коммутации и каналов связи. Узел коммутации
-это устройство, задающее направление передачи данных в сети. Для ЛВС характерны три базовых топологии: кольцо (ring), шина (bus) и звезда (star).

В топологии Кольцо
повторители сигналов (репитеры) с помощью соединительных кабелей связаны в единую однонаправленную замкнутую цепь (рис.7.4). К каждому из повторителей подключено по одному компьютеру. Сообщение передается от одного повторителя к другому по кольцу до повторителя,295

опознающего адрес сообщения и отправляющего это сообщение подключенному к данному повторителю компьютеру. Для управления передачей сообщений по кольцу передается специальный маркер, разрешающий передачу сообщения из компьютера, инициировавшего формирование маркера. В общем случае маркер представляет собой служебное сообщение, в которое помещаются сообщения абонентов сети. Топология Кольцо обеспечивает равенство компьютеров, позволяет наращивать их число, однако последовательный характер обслуживания значительно снижает быстродействие сети, а выход из строя одного из повторителей приводит к остановке работы сети в целом. В настоящее время топология Кольцо используется очень редко.

В топологии Шина
все компьютеры подключены к общей единой линии связи (рис.7.5). В отличие от топологии Кольцо, допускающей использование любых кабелей в качестве передающей сигналы среды, данная топология ориентирована на применение только коаксиального кабеля (тонкого или толстого). В наиболее широко используемом варианте с тонким кабелем выходы сетевых карт соседних компьютеров непосредственно связываются отрезками кабеля, формируя тем самым шину. Данные от передающего компьютера одновременно поступают на все компьютеры сети, однако их воспринимает только тот компьютер, адрес которого указан в передаваемом сообщении. В любой момент времени осуществлять передачу данных может только один компьютер. При выходе отдельного компьютера из строя сеть продолжает нормально функционировать. Для топологии Шина характерно высокое быстродействие ЛВС, простая процедура наращивания размера сети, однако при значительном объеме трафика ее пропускная способность может значительно понизиться.

Топология Звезда
предполагает наличие центрального узла коммутации, с которым соединяются компьютеры сети посредством отдельных линий связи (рис.7.
3). Данные между компьютерами передаются через центральный узел, обеспечивающий их маршрутизацию в сети. Данная топология обеспечивает простоту расширения и управления сетью, однако ее работоспособность полностью определяется состоянием центрального узла коммутации. Топология Звезда является более гибкой архитектурой позволяющей, строить как простые, так и сложные сегментированные, разветвленные сети. Скорость работы такой сети существенно выше, кроме того, имеется возможность построения сегментов с разной скоростью передачи данных в зависимости от ее технического оснащения и организации. При повреждении линии связи конкретного луча от сети отключаются только компьютеры, связанные с этим лучом.

На практике, как правило, реализуют комбинированные варианты построения локальной сети на основе топологии Звезда.

Для расширения числа подключаемых рабочих станций при создании сетей произвольной конфигурации широко используют специальные устройства — концентраторы
(hub), фактически выполняющие функцию многопортовых (со многими входами) повторителей. Задачей концентратора является сбор воедино подходящих к нему сетевых соединений и организация приема и передачи данных между адресатами. Выпускают концентраторы пассивные и активные с автономным питанием. Основными их параметрами являются: скорость передачи данных и количество портов. Различные модели устройств работают на скоростях 10 Мбит/с и 10/100 Мбит/с (в новейших моделях максимально возможная скорость достигает 1000 Мбит/с) и имеют 4, 5, 8, 12, 16, 24 и 32 портов.

В ЛВС для соединения устройств между собой обычно используют кабели нескольких видов, а в ряде случаев, радиоканал и инфракрасный канал. Среди различных типов кабелей наиболее часто применяют витую пару, реже коаксиальный и оптоволоконный кабель.

В простейшем случае витая пара
(VTP) образуется двумя свитыми (скрученными) изолированными проводниками. Существует несколько категорий витой пары, отличающихся максимально возможной скоростью передачи и помехозащищенностью. Для повышения помехозащищенности используют экранированную витую пару (STR). В последние годы витая пара является наиболее широко используемым видом передающей среды. Этот тип кабеля обеспечивает высокую скорость передачи - до 100 Мбит/с, прост при монтаже, нетребователен при эксплуатации. Используется только в сетях с топологией Звезда. Недостатком является небольшая длина луча (до 100 м).

Коаксиальный кабель
на срезе представляет собой совокупность изолированной центральной жилы (проводника) и окружающей ее защитной металлической оплетки, обеспечивающей высокую помехозащищенность от внешних электромагнитных полей. В сетях используют два вида коаксиального кабеля: толстый и тонкий. Толстый кабель характеризуется более высокими значениями эксплуатационных параметров. При построении новых сетей коаксиальный кабель практически не применяется из-за малых для современных сетей скоростей передачи данных.

Оптоволоконный кабель
является наиболее современным техническим решением, обеспечивающим наибольший уровень помехозащищенности. По сравнению с электрическими кабелями он не излучает электромагнитных колебаний при передаче данных, что актуально для сетей с повышенными требованиями информационной безопасности, нечувствителен к внешним электромагнитным полям. Оптоволоконный кабель характеризуется высокой скоростью передачи (до 1000 Мбит/с) и большой длиной луча (до сотни км), однако, в то же время, он является наиболее дорогим решением по стоимости как оборудования, так и монтажа, а также требует сложных переходных (стыковочных) устройств для преобразования электрических сигналов в световые и обратно. В течение последних лет в ЛВС доминирующим решением является архитектура Ethernet. В качестве передающей среды в различных спецификациях могут использоваться витая пара, толстый и тонкий коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.

В ряде случаев при невозможности или нецелесообразности прокладки кабелей используют радиосети, включающие в свой состав необходимое количество установленных на компьютерах радиотрансиверов (комплект приемник-передатчик), обменивающихся данными по радиоканалу. Обычно радиоканал организуют на расстояние до 5 км (известны решения с дальностью действия до 40 км и скоростью передачи до 11 Мбит/с). Для такой технологии характерна высокая стоимость, кроме того, для ее применения необходимо получать соответствующее разрешение в Государственной комиссии по радиочастотам.

В последние годы в связи с широким применением ЛВС типичной стала задача соединения ряда автономных сетей в единое целое с целью объединения ресурсов и организации единой транспортной сети. Подобная необходимость возникает практически всегда при организации корпоративных сетей.

Простейший вариант объединения нескольких сегментов сети с шинной топологией для увеличения ее общей протяженности реализуется с помощью приемопередатчиков (трансиверов) и повторителей (репитеров).

Приемопередатчик
представляет собой устройство, предназначенное для приема пакетов от сетевых карт и последующей их передачи в шину.

Повторитель
(устройство с автономным питанием) выполняет функцию усилителя мощности сигналов, передающих пакеты данных между сегментами определенной длины.

В случае объединения однотипных близкорасположенных сетей используют наиболее простое техническое решение - мост,
предполагающий использование в обеих сетях одинаковых методов передачи данных. Объединяемые сети должны иметь одинаковые сетевые уровни модели OSI, однако при этом допускаются некоторые различия на физическом и канальном уровнях. Мост позволяет объединять и сети с различной топологией при использовании однотипных сетевых операционных систем. Различают локальные и удаленные мосты. В отличие от локальных удаленные мосты позволяют посредством внешних каналов и модемов связать территориально разнесенные сети.

Более сложным техническим решением является использование шлюза,
представляющего собой устройство для организации обмена данными между сетями с различными протоколами взаимодействия. Непосредственное назначение шлюза заключается в согласовании протоколов, используемых в объединяемых сетях. Функции шлюза реализуются на всех уровнях модели OSI выше сетевого уровня. Именно шлюзы позволяют реализовать подключение ЛВС к глобальной сети.

В сетях со сложной конфигурацией или в объединенных сетях широко применяют маршрутизаторы
(router), представляющие собой устройства для оптимизации управления передачей сообщений в сетях различного типа, использующих одинаковые операционные системы. Маршрутизатор определяет наиболее эффективный путь передачи сообщения (пакетов) конкретному абоненту сети, обеспечивая при этом балансировку загрузки сети (оптимизацию) с подключением к работе свободных каналов связи. Маршрутизатор пропускает в конкретную сеть только те сообщения, которые адресованы ее абонентам. Адрес конкретного абонента определяется его собственным адресом в рамках сети и адресом этой сети. Функции маршрутизатора реализуются на сетевом и транспортном уровнях модели OSI, при этом более высокие уровни объединяемых сетей должны быть одинаковы.

При построении сложных сетей для обеспечения необходимой интенсивности и оптимизации работы вместо концентратора используют более интеллектуальное устройство - коммутатор (switch). Его принципиальным отличием от концентратора является наличие внутренней логики и микропрограммы, которые более оптимально используют ресурсы сети (фактически реализуя функции маршрутизатора), разгружая ее и повышая общую производительность. Они обладают большей пропускной способностью и малым временем задержки, что обеспечивает в сетях поддержку интерактивного трафика между взаимодействующими рабочими станциями.

Различные виды коммутационного оборудования (мосты, маршрутизаторы и коммутаторы) по назначению и функциональным возможностям близки друг другу. Мосты обеспечивают сегментацию сети на нижнем (физическом) уровне, поэтому их "интеллектуальные" возможности малы. Маршрутизаторы, объединяя физические и логические сегменты сети в единое целое, выполняют при этом ряд "интеллектуальных" функций, но они вносят заметные задержки, что негативно сказывается на оперативности управления трафиком. Коммутаторы обеспечивают меньшее время задержки и наиболее эффективны в сетях с небольшим числом пользователей. Однако в сложных сетях с большим числом коммутационных устройств маршрутизаторы обеспечивают более эффективное управление трафиком, чем коммутаторы.

Конструктивно мосты, маршрутизаторы и шлюзы обычно выполняются в виде плат, устанавливаемых в компьютеры и управляемых с помощью специализированного программного обеспечения. В высокопроизводительных системах они могут быть выполнены в виде внешних устройств с автономным питанием.