Общие сведения о компьютерных сетях

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ 1.1 Классификация компьютерных сетей Компьютерная сеть представляет собой систему компьютеров, объединенных каналами передачи данных. Основное назначение компьютерной сети – обеспечение эффективного предоставления различных информационно-вычислительных услуг пользователям сети путем организации удобного и надежного доступа к ресурсам, распределенным в этой сети. Подавляющая часть услуг большинства сетей лежит в сфере информационного обслуживания. Информационные системы, построенные на базе компьютерных сетей, обеспечивают эффективное выполнение следующих задач: хранение данных, обработка данных, организация доступа пользователей к данным, передача данных и результатов обработки пользователям. Эффективность решения указанных задач обеспечивается: распределенными в сети аппаратными, программными и информационными ресурсами; возможным наличием централизованной базы данных наряду с распределенными базами данных; высокой надежностью функционирования системы, обеспечиваемой резервированием ее элементов; возможностью оперативного перераспределения нагрузки в пиковые периоды; специализацией отдельных узлов сети на решении задач определенного класса, решением сложных задач совместными усилиями нескольких узлов сети; оперативным дистанционным информационным обслуживанием клиентов. 5 Сеть должна обеспечивать выполнение всех предусмотренных для нее функций: по доступу ко всем ресурсам; совместной работе узлов; реализации всех протоколов и стандартов работы. Основными показатели качества компьютерной сети являются: − Производительность – среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени. − Надежность, характеризующаяся средним временем наработки на отказ. − Безопасность – способность сети обеспечить защиту информации от взлома. Современные сети часто имеют дело с конфиденциальной информацией, безопасность информации является важной характеристикой сети. − Масштабируемость – возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности. − Универсальность – возможность подключения к сети разнообразного техоборудования и программного обеспечения от разных производителей. − Прозрачность сети – невидимость особенностей внутренней архитектуры сети для пользователя: в оптимальном случае он должен обращаться к ресурсам сети как к локальным ресурсам своего компьютера. Компьютерные сети в зависимости от покрываемой ими территории делятся: − на локальные вычислительные сети (ЛВС, LAN – Local Area Network), − региональные (MAN – Metropolitan Area Network), − глобальные (WAN – Wide Area Network). Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом (в пределах нескольких километров) расстоянии друг от друга. ЛВС объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. Четких ограничений на территориальный разброс абонен6 тов локальной вычислительной сети не существует, обычно такая сеть привязывается к конкретному объекту – офису, зданию или комплексу зданий. Региональные сети связывают абонентов города, района, области или небольшой страны. Расстояния между абонентами региональной сети – порядка десятков и сотен километров. Глобальные сети объединяют абонентов, удаленных друг от друга на значительное расстояние, часто расположенных в различных странах или на разных континентах. 1.2 Сети одноранговые и «клиент-сервер» Существуют две основные архитектуры сети: одноранговая (peer-topeer) и «клиент/сервер» (client/server). В одноранговой сети все компьютеры равноправны – имеют один ранг. Поэтому любой компьютер может выступать как в роли сервера, то есть предоставлять свои ресурсы (файлы, принтеры) другому компьютеру, так и в роли клиента – использовать предоставленные ему ресурсы. В сети клиент/сервер существует один или несколько компьютеровсерверов, несущих дополнительную нагрузку по предоставлению определенных услуг другим компьютерам. Все остальные компьютеры сети называются клиентами или рабочими станциями. В зависимости от видов предоставляемых услуг серверы делятся на серверы баз данных, файловые серверы, серверы печати, почтовые серверы, web-серверы и т.д. 1.3 Механизм «клиент-сервер» Механизм «клиент-сервер» реализует доступ к информационным ресурсам, ввод и выполнение команд за счет использования двух взаимосвязанных программ. Первая принимает команды пользователя, на7 зывается «клиент» и использует вычислительные ресурсы пользователя. Вторая программа запускается на другом компьютере, который располагает информационными ресурсами и называется «сервер». Программа-сервер принимает заказ от своего удалённого клиента, обрабатывает его и отправляет обратно требуемую информацию с помощью соответствующего протокола передачи данных. Таким образом, предоставлением услуг управляют программы, которые состоят, в общем случае, из двух компонент – клиента и сервера. Серверная и клиентская компоненты могут быть размещены и на одном компьютере. В большинстве случаев на одном компьютере, предоставляющем свои ресурсы пользователям, устанавливают не одну, а несколько программ-серверов. Для этого необходимо отличать отдельные службы приложений при помощи различных точек входа – портов. Каждой программе-серверу присваивается определённый номер порта (то есть идентификатор сетевого процесса), по которой к этой программесерверу обращается соответствующий клиент. Поскольку сеть Internet обеспечивает связь со множеством клиентских компьютеров, для наиболее распространенных служб установлены стандартные номера портов, для использования всеми пользователями. Например, служба Telnet связана с портом 23, служба передачи файлов FTP — с портами 20 и 21, служба WWW – с портом 80. 1.4 Способы коммутации Основным требованием, предъявляемым к общедоступным сетям передачи данных, называемых сетями данных общего пользования, является способность поддержки оборудования от различных производителей, что требует разработки согласованных стандартов на доступ к этим сетям и их использованию. Эти стандарты (имеющие статус рекомендаций серий I и X) регламентируют скорость передачи данных и интерфейс пользователя с такими сетями. Существует два типа сетей 8 данных общего пользования: сети данных с коммутацией пакетов и сети данных с коммутацией каналов. Для каждого из этих типов разработаны различные стандарты. В результате любого установления соединения в сети с коммутацией каналов образуется отдельный физический коммуникационный канал, соединяющий аппаратуру вызвавшего и вызванного абонентов и используемый в течение всего сеанса связи исключительно двумя этими абонентами. Использование отдельного физического канала подразумевает одинаковую скорость передачи и приема информации осуществляющими обмен абонентами. Примером сети с коммутацией каналов является коммутируемая телефонная сеть общего пользования. В сети с коммутацией пакетов никакое физическое соединение не устанавливается, вместо этого сетевое оборудование исходного абонента сначала собирает все подлежащие передаче данные в один или несколько блоков сообщений, которые называются пакетами. Пакеты содержат адреса как исходного, так и приемного сетевого оборудования. Затем сетевое оборудование исходного абонента последовательно передает пакеты своему локальному центру коммутации пакетов (ЦКП). ЦКП при получении пакета запоминает его и исследует находящийся в пакете адрес получателя. Каждый ЦКП содержит справочник маршрутов, определяющий выходные пути каждого сетевого адреса. Таким образом, ЦКП, получив пакет, отправляет его дальше по соответствующему маршруту. По мере того, как каждый пакет поступает в каждый из расположенных вдоль выбранного маршрута ЦКП, его передача осуществляется вперемешку с другими пакетами. После поступления в конечный ЦКП пакеты передаются абоненту-адресату. В отличие от сетей с коммутацией каналов в сети с коммутацией пакетов взаимодействующие абоненты могут работать с различной скоростью, т.к. скорость, с которой данные передаются через интерфейс в сеть, определяется аппаратурой каждого из абонентов независимо. 9 Сеть с коммутацией каналов не позволяет управлять ошибками и потоком передаваемых данных; следовательно, это должно быть реализовано пользователем. В сети с коммутацией пакетов ЦПК реализуют в каждом звене сложные процедуры управления потоком и ошибками. 1.5 Эталонная модель взаимодействия открытых систем На основе анализа распределённых информационно-вычислительных систем Международной организацией по стандартизации (ISO) была предложена концепция будущих систем, называемая архитектурой открытых систем. В соответствии с этой концепцией применительно к распределенным информационно-вычислительным системам создана эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI – Open System Interconnection), на которой основывается взаимодействие различных разработчиков систем и которая дает основу для ввода необходимых междугородных стандартов. Модель OSI представляет собой эталонную форму описания распределенной информационно-вычислительной среды, ее структуры, входящих в ее состав компонентов, функций информационных ресурсов, а также правил и процедур взаимодействия компонентов среды в процессе функционирования. Компонентами модели OSI являются: − системы, соответствующие основным компонентам информационно-вычислительной среды; − прикладные процессы, характеризующие информационные ресурсы; − соединения, обеспечивающие обмен информации между прикладными процессами. Разнообразие функций, выполняемых распределенными информационно-вычислительными средами, привело к необходимости их 10 иерархического разделения на группы и созданию многоуровневой концепции сети. Согласно этой концепции создан ряд функциональных слоев, называющихся уровнями. Каждый уровень выполняет определенные логические функции и обеспечивает определенный набор услуг для расположенного над ними уровня. Границы между уровнями устанавливаются так, чтобы взаимодействие между соседними уровнями было минимальным, общее количество уровней достаточно небольшим, а изменения, производимые в пределах одного уровня, не требовали бы перестройки соседних уровней. Совокупность правил взаимодействия объектов одноименных уровней называется протоколом. Правила взаимодействия объектов смежных уровней одной и той же системы определяет межуровневый интерфейс. Основная идея, заложенная в модель OSI, заключается в том, что каждый уровень добавляет свои сервисные функции к тем, которые уже обеспечены находящимися ниже уровнями. Таким образом, верхний уровень, непосредственно взаимодействующий с приложением конечного пользователя, обеспечен полным набором сервисных функций, предлагаемых всеми нижними уровнями. Верхние уровни сообщают нижним, какие из услуг должны быть вызваны. В рамках модели OSI было выделены семь уровней, которые имеют следующий смысл. Уровень 1 – физический, реализует управление каналом связи и организацию дискретного канала, выполняет функции установления соединения, его поддержание и разъединение, преобразование кодов и синхронизацию по битам. Уровень 2 – канальный, обеспечивает надёжную передачу информации через физический канал, является уровнем управления передачей данных, организует побайтовую синхронизацию и выбор типа канала – проводной, радио, спутниковый. 11 Уровень 3 – сетевой, обеспечивает сквозную передачу между системами. На этом уровне осуществляется выбор маршрута передачи данных по линиям, связывающим узлы сети. Уровень 4 – транспортный, реализует процедуры сопряжения абонентов сети с базовой сетью передачи данных, производит разборку и сборку сообщений и транспортировку блоков сообщений от пользователя до пользователя. Уровень 5 – сеансовый, организует сеансы связи на период взаимодействия процессов. На этом уровне создаются порты для приема и передачи сообщений, происходит синхронизация отдельных событий. Уровень 6 – представления, обеспечивает представление данных в согласованном синтаксисе (трансляция языков, форматов и кодов, шифрация, сжатие данных, упаковка и т.д.). Уровень 7 – прикладной, согласует семантику данных, задаёт требования по качеству обслуживания, опознаёт партнёра-пользователя и определяет его доступность в данный момент, выполняет обработку информации, представленной пользователем. 1.6 Топологии локальных сетей Топология компьютерной сети – это физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Понятие топологии относится прежде всего к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом информацией, надежность работы, возможности расширения сети. Существуют три основных топологии сети: • шина, при которой все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 1.1); 12 Рис. 1.1. Топология «шина» • звезда, при которой к одному центральному компьютеру под- ключаются остальные периферийные компьютеры, каждый из которых использует свою отдельную линию связи (рис. 1.2); Рис. 1.2. Топология «звезда» • кольцо, когда каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему за ним в цепочке, а получает информацию только от предыдущего, и эта цепочка замкнута в кольцо (рис. 1.3). 13 Рис. 1.3. Топология «кольцо» На практике могут применяться и комбинации базовых топологий, но большинство сетевых стандартов ориентированы именно на эти три. 1.6.1 Топология «шина» Топология «шина» (или «общая шина») своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров и равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать данные только по очереди, так как линия связи единственная, и в противном случае передаваемая информация будет искажаться в результате наложения сигналов, называемого конфликтом или коллизией. Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного обмена информацией (в обоих направлениях, но не одновременно, а по очереди). В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает ее надежность. До14 бавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями. Так как разрешение возможных конфликтов в шине ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента, аппаратура сетевого адаптера при использовании шинной топологии получается сложнее, чем при других топологиях. Шине не страшны отказы отдельных компьютеров, так как все остальные компьютеры сети могут нормально продолжать обмен. Может показаться, что шине не страшен и обрыв кабеля, поскольку в этом случае мы получим две вполне работоспособные шины. Однако из-за особенностей распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных согласующих устройств – терминаторов. Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Так что при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть. Любой отказ сетевого оборудования в шине очень трудно локализовать, так как все адаптеры включены параллельно. 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. Кроме того, 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, каждый из которых представляет 15 Рис. 1.4. Соединение сегментов сети с помощью повторителя собой шину, соединенных между собой с помощью специальных восстановителей сигналов – репитеров, или повторителей (рис. 1.4). Однако такое наращивание длины сети не может продолжаться бесконечно, так как существуют еще и ограничения, связанные с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи. 1.6.2 Топология «звезда» Топология «звезда» – это топология с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. Весь обмен информацией производится исключительно через центральный компьютер, на который таким образом ложится большая нагрузка, поэтому центральный компьютер, как правило, занимается только управлением обменом. Появление конфликтов в сети с топологией «звезда» в принципе невозможно, так как управление полностью централизовано. Выход из строя периферийного компьютера никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. Поэтому должны приниматься специальные меры по повышению надежности 16