Сетевая операционная система и архитектура сети
При создании сетей необходимо решить ряд задач, определяющих механизмы взаимодействия компьютеров, периферийных устройств, линий связи и других составляющих. Эта задача решается путем установления правил обмена информацией, называемых протоколами. Протоколы могут иметь несколько видов реализации: либо аппаратные, либо программные. Каждый протокол должен быть прозрачным для соседних уровней. Прозрачность — свойство передачи информации, закодированной любым способом, понятным взаимодействующим уровням.
Протокол является соглашением, принятым двумя взаимодействующими объектами, но это не значит, что он обязательно является стандартным. Однако на практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы: фирменные, национальные или международные, что обусловило появление модели взаимодействия открытых систем. Данная модель описывает системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. В связи с этим было введено понятие архитектуры, основой которой является понятие уровня: каждый уровень выполняет свои функции. Уровень представляет собой совокупность станций одинакового ранга, входящих в иерархическую сеть. Выделяют семь уровней сети.
Первый уровень, физический, определяет некоторые физические характеристики канала. Это требования к характеристикам кабелей, разъемов и электрическим характеристикам сигнала. Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. На физическом уровне пересылаются биты информации. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята.
Второй уровень, канальный, управляет передачей данных между двумя узлами сети. Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого блока информации, называемого фреймом. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных блоков. Для повышения скорости обмена осуществляется сжатие данных. При получении сообщение разворачивается. Длина передаваемого блока может меняться в зависимости от качества канала.
В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютером и способы их адресации. Канальный уровень представляет собой весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети.
Третий уровень, сетевой, служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. На сетевом уровне сам термин «сеть» наделяется специфическим значением. В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.
Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из задач сетевого уровня. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных, оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.
Четвертый уровень, транспортный, обеспечивает приложениям передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самим приложением и протоколами более высоких уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая нижними уровнями.
Пятый уровень, сеансовый, обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.
Шестой уровень, представительный, имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет этого уровня информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов. На этом же уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб.
Седьмой уровень, прикладной, представляет собой набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты.
Для классификации компьютерных сетей используются различные признаки, но чаще всего сети делят по территориальному признаку, т.е. по величине территории, которую покрывает сеть. В соответствии с этим выделяются сети общественные, частные и коммерческие.
Локальные сети делятся на централизованные и одноранговые. Централизованные используют файл-сервер. Рабочие станции не контактируют друг с другом. Число пользователей более десяти. В одноранговых сетях сетевое управление таково, что каждый узел может выступать и как рабочая станция, и как файл-сервер. Рабочие станции можно объединить и совместно использовать базы на файл-сервере. Такие сети недороги, но число пользователей невелико. К наиболее распространенным локальным сетевым операционным системам относят Unix — для создания средних и больших сетей с сотнями пользователей, NetWare — для создания средних сетей от 20 до 100 пользователей в пределах одного здания, Vines — для создания больших распределенных ЛВС, LAN Manager — для средних и больших сетей с числом пользователей от 25 до 200 и др.
Наблюдается тенденция ускорения передачи данных до гига-битовых скоростей. К тому же требуется передавать данные типа высококачественного звука, речи, изображений. Все это приводит к отмиранию таких локальных сетей, как Token Ring, ArcNet, не позволяющих использовать новые информационные технологии. Приобрела огромную популярность операционная система Windows XP.
В последнее время большой популярностью стали пользоваться виртуальные локальные сети VLAN. Их отличие от обычных ЛВС заключается в том, что они не имеют физических ограничений. Виртуальные ЛВС определяют, какие рабочие станции включаются в конкретные физические группы на основе протокольной адресации, что позволяет располагать их в любом месте сети. Виртуальные сети предоставляют большие преимущества пользователям, но порождают ряд проблем, решением которых заняты ведущие фирмы.
Объединение нескольких ЛВС на основе протоколов TCP/IP и HTTP в пределах одного или нескольких зданий одной корпорации получило название интрасети. На принципе интрасети формируются корпоративные сети, подсоединяемые к глобальным сетям. Особое распространение интрасети получили в сети Интернет, обеспечивающей так называемую технологию intranet/ internet.
Всю сеть передачи данных можно разделить на несколько сетевых «островов», или функциональных классов, каждый из которых имеет собственные характеристики надежности и функционирования. Это личный офис, рабочая группа, учреждение (здание или группа зданий, район), удаленный офис, крупномасштабная сеть WAN (региональная или территориальная).
Разнообразные сетевые «острова» коррелируют с большинством крупных банковских, финансовых и других учреждений. Совместная работа этих «островов» должна быть незаметной для пользователя.
Особое внимание уделяется switch-технологии — одному из самых современных методов построения высокоскоростных сетей. Под switch-технологией подразумевается коммутация пакетов данных с созданием виртуальных каналов (КВК). Среди высокоскоростных сетей можно назвать FDDI, Fast Ethernet (100-Basex), Switched Ethernet, ATM, Fibre Cannel.
Switched Ethernet позволяет связывать коммутационные узлы (host-серверы) виртуальными каналами с гарантированной протечной способностью, которая предоставляется «по требованию» вне зависимости от нагрузки сети. Построение подобных систем не требует модификации кабельной проводки, сетевых адаптеров и позволяет подключать серверы, рабочие станции.
Данные сети не обеспечивают протоколов TCP/IP, DecNet, IPX и т.д., что не позволяет объединять сети с разными стандартами.
Решением явилось появление ATM — технологии, которая вскоре может стать всемирным стандартом для высокоскоростных телекоммуникаций, позволяющим как подключать отдельных пользователей, так и создавать глобальные высокоскоростные магистральные линии.
К современным сетям, передающим большие объемы видео-, аудио- и других видов информации, предъявляются следующие требования: высокая пропускная способность, предсказуемость и малые задержки (видеоизображение резко ухудшается при задержках даже в несколько миллисекунд) масштабируемость передачи данных. Всем этим требованиям удовлетворяет АТМ-тех-нология.
Технология Fibre Channel разработана комитетом ANSI ХЗТ9.3. Она осуществляет пять скоростей передачи данных в диапазоне от 266 Мбит/с до 4 Гбит/с, что обеспечивает малую задержку ответа, надежное управление потоками информации, отсутствие потерь даже при перегрузках и обеспечивает переменный размер кадра. Кроме того, она работает на расстоянии до 10 км по оптоволоконным кабелям. Сегодня Fibre Channel представляет собой единственный гигабитовый стандарт. Однако в нем не предусматривается связь с территориальными сетями.