1.3. Архитектура компьютерных сетей.
Как и все сложные системы, компьютерные сети характеризуются определенными, присущими только им, принципами организации.
Эти вопросы рассматриваются в рамках архитектуры, которая определяет общие принципы построения, топологию, функциональные характеристики системы. В частности, архитектура компьютерных сетей охватывают вопросы организации логической и физической структуры (топологии) сети, структурную организацию аппаратных и программных средств, правила (протоколы) их взаимодействия. В компьютерных сетях широко используется многоуровневый принцип структурной организации, при котором все множество сетевых функций распределяется по определенным уровням. При этом взаимодействие между уровнями осуществляется стандартным образом, что обеспечивает определенную независимость функций, принадлежащих различным уровням. В первую очередь это необходимо для реализации принципа открытости вычислительных сетей, являющегося неотъемлемой частью современных сложных систем.
По функциональному признаку все множество систем компьютерной сети можно разделить на абонентские, коммутационные и главные (Host) системы.
Абонентская система представляет собой компьютер, ориентированный на работу в составе компьютерной сети и обеспечивающий пользователям доступ к ее вычислительным ресурсам.
Коммутационные системы являются узлами коммутации сети передачи данных и обеспечивают организацию каналов передачи данных между элементами системы. В качестве управляющих элементов узлов коммутации используются процессоры телеобработки или специальные коммутационные (сетевые) процессоры.
Большим разнообразием отличаются главные (Host) системы или сетевые серверы.
Сервером принять называть специальный компьютер, выполняющий основные сервисные функции: управление сетью, сбор, обработку, хранение и предоставление информации абонентам компьютерной сети.
В зависимости от территориальной рассредоточенности абонентских систем компьютерные (вычислительные) сети разделяют на три основных класса:
- глобальные сети (WAN – Wide Area Network);
- региональные сети (MAN – Metropolitan Area Network);
- локальные сети (LAN – Local Area Network).
Глобальная вычислительная сеть (ГВС) объединяет абонентские системы, рассредоточенные на большой территории, охватывающие различные страны и континенты. ГВС решают проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним. Взаимодействие абонентских систем (АС) осуществляется на базе различных территориальных сетей связи, в которых используются телефонные линии связи, радиосвязь, системы спутниковой связи. Региональная вычислительная сеть (РВС) объединяет абонентские системы, расположенные друг от друга на значительном расстоянии: в пределах отдельной страны, региона, большого города. Локальная вычислительная сеть (ЛВС) связывает абонентские системы, расположенные в пределах небольшой территории. К классу ЛВС относятся сети предприятий, фирм, банков, офисов, учебных заведений и т.д. Протяженность ЛВС ограничивается несколькими километрами. Отдельный класс составляют корпоративные вычислительные сети (КВС) или Intranet (Интранет). Их также называют сетями масштаба предприятий (корпораций), что соответствует термину «enterprise – wide network». Им принадлежит ведущая роль в реализации задач планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации. Другими словами, Intranet – это версия Internet на уровне компании, адаптация некоторых технологий, созданных для Internet, применительно к частным локальным (LAN) и глобальным (WAN) сетям организаций. Корпоративную сеть можно рассматривать как модель группового сотрудничества, вариант решения прикладного программного обеспечения для рабочих групп, основанного на открытых стандартах Internet. Она основана на технологии «клиент-сервер», то есть сетевое приложение делится на стороны: клиента, запрашивающего данные или услуги и сервера, обслуживающего запросы клиента. Типовая структура КВС приведена на рис. 5. Здесь выделено оборудование сети, размещенное в центральном офисе корпорации и в ее региональных отделениях. В центральном офисе (ЦОФ) имеется локальная сеть и учрежденческая автоматическая телефонная стация (УАТС) с подключением к ней телефонными аппаратами (Т). Через мультиплексор-коммутатор и модемы KDC и УАТС имеют выход на территориальную сеть связи (ТСС) типа Fram Relay или Х.25, где используются выделенные телефонные линии связи. Такое же оборудование имеется в каждом региональном отделении (РО-1…, РО-N). Удаленные персональные компьютеры (УПК) через сервер доступа и ТСС имеют прямую связь с ЛВС центрального офиса. Для установления Intranet необходимы следующие компоненты:
- компьютерная сеть для совместного использования ресурсов, или сеть взаимосвязанных ЛВС и УПК;
- сетевая операционная система, поддерживающая протокол TCP/IP (Unix, Windows NT, Netware, OS/2);
Рис. 5. Типовая структура корпоративной вычислительной (компьютерной) сети.
- компьютер-сервер, который может работать как сервер Internet;
- программное обеспечение сервера, поддерживающее запросы браузеров в формате протокола передачи интерфейсных сообщений (HTTP – HyperText Transfer Protocol;
- служба глобального соединения (WWW). Для удобства редактирования объектов используется браузер объектов (Browser) – интегрированный отладчик, позволяющий выполнять пошаговую трассировку кода, задавать точки остановок (Break points);
- компьютеры-клиенты, на которых имеется сетевое программное обеспечение, позволяющее посылать и принимать пакетные данные по протоколу TCP/IP;
- программное обеспечение браузера для различных компьютеров-клиентов (Netscape Navigator, Microsoft Internet Explorer).
Эти требования к оборудованию и программному обеспечению Intranet дополняются требованиями к знанию технологии составления документов на языке написания гипертекста (HTML – HyperText Markup Language – гипертекстовый высокоуровневый язык).
Архитектура лвс
Различают три наиболее распространенные сетевые архитектуры, которые используют и для одноранговых сетей и для сетей с выделенным файл-сервером. Это так называемые шинная, кольцевая и звездообразная структуры.
В случае реализации шинной структурывсе компьютеры связываются в цепочку. Причем на ее концах надо разместить так называемые терминаторы, служащие для гашения сигнала. Если же хотя бы один из компьютеров сети с шинной структурой оказывается неисправным, вся сеть в целом становится неработоспособной. В сетях с шинной архитектурой для объединения компьютеров используется тонкий и толстый кабель. Максимальная теоретически возможная пропускная способность таких сетей составляет 10 Мбит/с. Такой пропускной способности для современных приложений, использующих видео- и мультимедийные данные, явно недостаточно. Поэтому почти повсеместно применяются сети с звездообразной архитектурой.
Для построения сети со звездообразной архитектуройв центре сети необходимо поместить концентратор (рис. 9). Его основная функция – обеспечение связи между компьютерами, входящими в сеть. То есть все компьютеры, включая файл-сервер, не связываются непосредственно друг с другом, а присоединяются к концентратору. Такая структура надежнее, поскольку в случае выхода из строя одной из рабочих станций все остальные сохраняют работоспособность. В сетях же с шинной топологией в случае повреждения кабеля хотя бы в одном месте происходит разрыв единственного физического канала, необходимого для движения сигнала. Кроме того, сети с звездообразной топологией поддерживают технологииFastEthernetиGigabitEthernet, что позволяет увеличить пропускную способность сети в десятки и даже сотни раз (при использовании соответствующих сетевых адаптеров и кабелей).
Рис. 9. ЛВС со звездообразной архитектурой
Кольцевая структура (рис. 10) используется в в сетях TokenRingи мало чем отличается от шинной. Также в случае неисправности одного из сегментов сети вся сеть выходит из строя. Правда, отпадает необходимость в использовании терминаторов.
Рис. 4.3. ЛВС с кольцевой архитектурой
Принципы работы сети
В сети любой структуры в каждый момент времени обмен данными может происходить только между двумя компьютерами одного сегмента. В случае ЛВС с выделенным файл-сервером – это файл-сервер и произвольная рабочая станция; в случае одноранговой ЛВС – это любые две рабочие станции, одна из которых выполняет функции файл-сервера. Упрощенно диалог между файл-сервером и рабочей станцией выглядит так: открыть файл подтвердить открытие файла; передать данные файла — пересылка данных; закрыть файлподтверждение закрытия файла. Управляет диалогом сетевая операционная система, клиентские части которой должны быть установлены на рабочих станциях.
Связь между компьютерами ЛВС физически осуществляется на основе одной из двух схем – обнаружения коллизий и передачи маркера. Метод обнаружения коллизийиспользуется стандартамиEthernet,FastEthernetиGigabitEthernet, апередачи маркера– стандартомTokenRing.
В сетях Ethernetадаптеры непрерывно находятся в состоянии прослушивания сети. Для передачи данных сервер или рабочая станция должны дождаться освобождения ЛВС и только после этого приступить к передаче. Однако не исключено, что передача может начаться несколькими узлами одного сегмента сети одновременно, что приведет к коллизии. В случае возникновения коллизии, узлы должны повторить свои сообщения. Повторная передача производится адаптером самостоятельно без вмешательства процессора компьютера. Время, затрачиваемое на преодоление коллизии, обычно не превышает одной микросекунды. Передача сообщений в сетяхEthernetпроизводится пакетами со скоростью 10, 100 и 1000 Мбит/с. Естественно, реальная загрузка сети меньше, поскольку требуется время на подготовку пакетов. Все узлы сегмента сети принимают сообщение, передаваемое компьютером этого сегмента, но только тот узел, которому оно адресовано, посылает подтверждение о приеме. Основными поставщиками оборудования для сетейEthernetявляются фирмы 3Com,BayNetworks(недавно компанияNortelкупилаBayNetworks),CNet.
В ЛВС с передачей маркерасообщения передаются последовательно от одного узла к другому вне зависимости от того, какую архитектуру имеет сеть – кольцевую или звездообразную. Каждый узел сети получает пакет от соседнего. Если данный узел не является адресатом, то он передает тот же самый пакет следующему узлу. Передаваемый пакет может содержать либо данные, направляемые от одного узла другому, либо маркер. Маркер – это короткое сообщение, являющееся признаком незанятости сети. В том случае, когда рабочей станции необходимо передать сообщение, ее сетевой адаптер дожидается поступления маркера, захватывает его, а затем формирует пакет, содержащий данные, и передает этот пакет в сеть. Пакет распространяется по ЛВС от одного сетевого адаптера к другому до тех пор, пока не дойдет до компьютера-адресата, который произведет в нем стандартные изменения. Эти изменения являются подтверждением того, что данные достигли адресата. После этого пакет продолжает движение дальше по ЛВС, пока не возвратится в тот узел, который его сформировал. Узел-источник убеждается в правильности передачи пакета и возвращает в сеть маркер. Важно отметить, что в ЛВС с передачей маркера функционирование сети организовано так, что коллизии возникнуть не могут. Пропускная способность сетейTokenRingравна 16 Мбит/с. Оборудование для сетейTokenRingпроизводитIBM, 3Com и некоторые другие фирмы.