Архитектура компьютерной сети
Компьютерные сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. Наряду с компьютерными сетями к распределенным системам относятся также мультипроцессорные компьютеры и многомашинные вычислительные комплексы.
Создание распределенных систем служит двум основным целям:
- Повышению производительности системы за счет распределения процесса решения задач между компонентами системы.
- Повышению надежности и отказоустойчивости системы (то есть способности системы функционировать в условиях отказа некоторых ее частей) за счет переноса вычислительной нагрузки отказавших компонентов на функционирующие.
В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько процессоров, каждый из которых может независимо от остальных обращаться к общей памяти и выполнять собственную программу. Все периферийные устройства являются для общими для всех процессоров такого компьютера. В мультипроцессорном компьютере существует общая для всех процессоров операционная система, которая распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Мультипроцессорным компьютерам не свойственна территориальная распределенность – все его блоки располагаются в одном или нескольких близко расположенных конструктивных элементах, как у обычного компьютера.
Многомашинный комплекс (кластер) – это вычислительная система, состоящая из нескольких компьютеров (каждый из них работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства, связывающие эти компьютеры в одно целое. Связь по данным осуществляется через общую разделяемую дисковую память. Для обмена служебной информацией (распределение вычислительной нагрузки между компьютерами, синхронизация вычислений, реконфигурация системы при отказах) используются более быстрые межпроцессорные связи.
Вычислительная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими коммуникационными устройствами. Все сетевое оборудование работает под управлением системного и прикладного программного обеспечения. Связи между компьютерами здесь еще слабее, чем в кластерных системах. Каждый компьютер работает самостоятельно под управлением своей ОС, по мере необходимости обмениваясь сообщениями с другими компьютерами. Поток данных, пересылаемых по линиям связей компьютерной сети, называется сетевым трафиком.
Основной целью создания вычислительной сети является разделение локальных ресурсов отдельных компьютеров (хранилищ данных, внутренних и периферийных аппаратных устройств – процессоров, дисководов, принтеров) между всеми пользователями сети.
Чтобы компьютер мог работать в сети, его операционная система должна быть дополнена серверными и клиентскими модулями, а также средствами передачи данных между компьютерами. В результате такого добавления операционная система становится сетевой.
Модули первого вида называются программными серверами (server), так как их главная задача – обслуживать (serve) запросы на доступ к ресурсам своего компьютера, поступающие от других компьютеров, которые для формирования и передачи на нужный компьютер сетевых запросов должны быть снабжены модулями, называемыми программными клиентами (client). К одному серверу могут обращаться несколько клиентов.
Пара модулей «клиент-сервер» обеспечивает совместный доступ пользователей к ресурсам определенного типа, например, к файлам. В этом случае говорят, что пользователь имеет дело с файловой службой (service). Обычно сетевая операционная система поддерживает несколько видов сетевых служб для своих пользователей – файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа и т. п.
Сетевые службы относятся к распределенным системным программам. Однако в сети могут выполняться и распределенные прикладные программы – приложения. Распределенное приложение также состоит из нескольких частей, каждая из которых выполняет какую-то часть работы по решению прикладной задачи. Например, одна часть приложения, выполняющаяся на компьютере пользователя, может поддерживать специализированный графический интерфейс, вторая – работать на мощном удаленном компьютере и заниматься статистической обработкой введенных пользователем данных, третья – заносить полученные результаты в базу данных на компьютере с установленной стандартной СУБД. Распределенные приложения в полной мере используют потенциальные возможности распределенной обработки, предоставляемые вычислительной сетью, и поэтому часто называются сетевыми приложениями.
Следует подчеркнуть, что не всякое приложение, выполняемое в сети, является сетевым. Существует много популярных приложений, которые не являются распределенными и целиком выполняются на одном компьютере сети, но могут с помощью встроенных в ОС сетевых служб пользоваться возможностями сети. Например, такие приложения могут с помощью файловых служб получать с удаленных компьютеров данные и обрабатывать их на клиентской машине, как локальные.
Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он потребляет эти ресурсы – то клиентом или рабочей станцией. Иногда один и тот же компьютер может одновременно быть и сервером, и клиентом. С точки зрения такого деления различают одноранговые сети и серверные сети.
В одноранговой сети каждый компьютер может быть как сервером, так и клиентом (это сети на основе Windows for Workgroups, Windows-98). В серверных сетях выделяются отдельные компьютеры для серверов и клиентские компьютеры (Novell NetWare, MS Windows NT/2000/2003 server). Для разных видов ресурсов могут использоваться разные сервера (файловые сервера, сервера печати и т. д.).
Итак, использование вычислительных сетей дает предприятию следующие возможности:
- Способность распараллеливать вычисления, увеличивая скорость решения задач.
- Повышение отказоустойчивости системы.
- Совместное использование данных и устройств сети всеми ее пользователями.
- Оперативный доступ к широкому информационному пространству, и, следовательно, возможность быстрого и качественного принятия решений.
- Совершенствование коммуникаций (E-mail, аудио- и видеоконференции и т. д.)
Архитектура компьютерной сети
Архитектура включает следующие компоненты:
- Топология – структура связей элементов в сети.
- Протоколы – правила взаимодействия функциональных элементов сети.
- Интерфейсы – средства сопряжения функциональных элементов-узлов и программных модулей.
- Технические средства – устройства, которые обеспечивают объединения компьютеров в единую сеть (сетевые адаптеры, концентраторы, кабели и т. д.)
- Сетевые программные средства – управляют работой сети и предоставляют пользовательский интерфейс (сетевые ОС, вспомогательные служебные программы).
Компьютерная (вычислительная) сеть – это совокупность компьютеров, соединенных между собой с помощью каких-то коммуникационных средств. Все сетевое оборудование работает под управлением системного программного обеспечения (ПО), в среде которого выполняются пользовательские прикладные программы.
Параметры компьютеров сети должны соответствовать в первую очередь требованиям прикладного ПО и соответственно требованиям системного ПО, в среде которого оно выполняется.
Протоколы и интерфейсы – это, соответственно, правила взаимодействия и средства сопряжения функциональных элементов сети, т. е. физических устройств и программных модулей (подробнее об этом – в разделе «стандартизация в компьютерных сетях»).
Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих эти протоколы программно-аппаратных средств, который является минимально достаточным для построения компьютерной сети.
Топология – структура связей между компьютерами и коммутирующими устройствами (подробнее рассмотрена ниже).
Коммуникационные средства включают в себя соединительные кабели, сетевые адаптеры, коммуникационные устройства: повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы.
Для обмена данными с внешними устройствами в компьютерах и коммуникационных устройствах предусмотрены порты (физические интерфейсы), для которых определены форматы представления данных, электрические характеристики и правила обмена данными с другими устройствами. Логикой передачи данных на внешний интерфейс компьютера управляет аппаратное устройство – сетевой адаптер (контроллер). Программная связь между сетевым адаптером и ОС компьютера осуществляется через драйвер адаптера.
Повторитель используется для усиления сигнала в линии связи и, таким образом, для передачи его на большие расстояния.
Концентратор – многопортовый повторитель, кроме усиления сигнала, пришедшего на один из портов, он рассылает полученные данные на другие порты в соответствии с алгоритмом (логической топологией сети), принятым в конкретной технологии. Например, в технологии Ethernet данные, пришедшие на один порт, концентратор рассылает на все остальные порты, т.е. всем подключенным к нему компьютерам.
Коммутатор и мост – в отличие от концентратора полученные на один порт данные отсылаются только на тот порт, к которому подключен компьютер-адресат. Это соответствие мост или коммутатор определяет из сопоставления адреса назначения в полученных данных и перечня адресов компьютеров, подключенных к его портам (таблицы коммутации).
Маршрутизатор – в отличие от коммутатора, может выбирать наиболее рациональный маршрут (например, кратчайший) до компьютера-адресата в большой сложной сети. Несколько маршрутов от отправителя к адресату могут проходить через разные порты маршрутизатора. Оптимальный маршрут выбирается по таблице маршрутизации, и данные пересылаются на соответствующий этому маршруту порт.
Системное ПО – это сетевые ОС и вспомогательные служебные программы. От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто выбранная ОС может взаимодействовать с другими, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и множество других моментов. Основные службы – файловая и печати, обычно предоставляются сетевой ОС, а вспомогательные службы, например, служба баз данных, факса или передачи голоса – системными сетевыми приложениями, или утилитами, работающими под управлением ОС. Вообще говоря, распределение служб между собственно ОС и утилитами весьма условно и меняется в конкретных реализациях ОС.
Кроме собственно обмена данными, сетевые службы должны решать и другие, более специфические задачи, например, задачи распределенной обработки данных. К таким задачам относятся обеспечение непротиворечивости нескольких копий данных, расположенных на разных машинах (служба репликации), или организация выполнения одной задачи параллельно на нескольких машинах (служба вызова удаленных процедур).
Административные службы предназначены для управления работой сети в целом. К ним относятся: служба администрирования учетных записей о пользователях, которая позволяет администратору вести общую базу данных о пользователях сети; система мониторинга сети, позволяющая просматривать и анализировать сетевой трафик; служба безопасности, в функции которой может помимо всего прочего входить выполнение процедуры доступа с последующей проверкой имени и пароля; и другие.