Преимущества использования сетей

ВВЕДЕНИЕ

Сетью называют группу компьютеров, объединенных между собой при помощи специальной аппаратуры, обеспечивающей обмен данными между любыми компьютерами группы.

Сети бывают локальными и глобальными.

Локальной называют сеть, в которой компьютеры расположены недалеко друг от друга и объединяются в сеть при помощи высокоскоростных цифровых линий связи (со скоростью передачи данных порядка 10-1000Мбит в секунду). При этом компьютеры обычно располагаются в пределах одной комнаты, одного здания или в нескольких близко расположенных зданиях. Сокращенное обозначение локальных сетей – LAN (Local Area Network).

Если требуется объединить компьютеры или локальные сети, расположенные на значительном удалении друг от друга (в разных районах города, в разных городах или на разных континентах), для связи компьютеров используются модемы и дальние линии связи. В этом случае говорят о глобальных сетях компьютеров. Сокращенное обозначение глобальных сетей – GAN (Global Area Network).

Глава 1

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

История развития сетей

Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции компьютерной технологии. Выделяют следующие этапы эволюции глобальных и локальных сетей:

Системы пакетной обработки (50-е годы)

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма – мощного и надежного компьютера универсального назначения. Данные системы работали в пакетном режиме – пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр, операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали обычно только на следующий день. Пакетный режим – это самый эффективный режим использования вычислительной мощности, так как он позволяет выполнить в единицу времени больше пользовательских задач, чем любые другие режимы.

Многотерминальные системы (60-е годы)

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких системах компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в свое распоряжение терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Причем, время реакции вычислительной системы было достаточно мало для того, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером и других пользователей.

Терминал, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной, некоторые функции – такие, как ввод и вывод данных – стали распределенными. Такие многотерминальные централизованные системы внешне уже были похожи на локальные вычислительные сети.

Появление глобальных сетей (60-е годы – начало 70-х годов)

К этому времени назрела потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Началось все с решения простой задачи – доступ к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные линии с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными системами типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что и является базовым механизмом любой вычислительной сети. Используя этот механизм, в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевыми службами.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные вычислительные сети. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных сетей. Такие, например, как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, технология коммутации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях.

Первые локальные сети (70-е годы)

В начале 70-х годов произошел технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов – появились большие интегральные схемы. Их сравнительно небольшая стоимость и высокие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов.

Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность покупать для себя компьютеры. Мини-компьютеры выполняли задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня подразделения предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию.

Потребности пользователей вычислительной техники постоянно росли, им стало недостаточно собственных компьютеров. Возникла потребность в обмене данными с другими близко расположенными компьютерами. В связи с этой потребностью предприятия и организации стали объединять свои мини-компьютеры вместе и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их взаимодействия. В результате появились первые локальные вычислительные сети. Первые локальные сети во многом отличались от современных вычислительных сетей, в первую очередь – своими устройствами сопряжения. На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались саамы разнообразные нестандартные устройства со своим способом представления данных на линиях связи, своими типами кабелей и т.п. Эти устройства могли соединять только те типы компьютеров, для которых были разработаны. Например, мини-компьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или компьютеры «Наири» с компьютерами «Днепр».

Создание стандартных технологий локальных сетей (80-е годы)

В середине 80-х годов положение в локальных сетях стало кардинально меняться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet, Token Ring. Мощным стимулом для их развития служили персональные компьютеры. ПК явились идеальными элементами для построения сетей – с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой – явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. Поэтому ПК стали преобладать в сетях, причем не только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.

Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта (например, Ethernet), стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем (например, NetWare), после этого сеть начинала работать.

Современные тенденции

Сегодня вычислительные сети продолжают развиваться, причем достаточно быстро. Основные тенденции современного этапа развития вычислительных сетей:

· разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные, как и службы локальных сетей. Например, популярная глобальная сеть Internet;

· в локальных сетях вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля появилось разнообразное коммуникационное оборудование – коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому оборудованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей, насчитывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру;

· возродился интерес к крупным компьютерам – в основном из-за того, что после спада эйфории по поводу легкости работы с персональными компьютерами выяснилось, что системы, состоящие из сотен серверов, обслуживались сложнее, чем несколько больших компьютеров. Поэтому на новом витке эволюционной спирали мейнфремы стали возвращаться в корпоративные вычислительные системы;

· как в локальных, так и в глобальных сетях стала обрабатываться несвойственная ранее вычислительным сетям информация – голос, видеоизображения, рисунки. Это потребовало внесения изменений в работу протоколов, сетевых операционных систем и коммуникационного оборудования. Сложность передачи такой мультимедийной информации по сети связана с её чувствительностью к задержкам при передаче пакетов данных – задержки обычно приводят к искажению такой информации в конечных узлах сети. Сегодня эти проблемы решаются самыми различными способами (например, использование сетей ATM).

Преимущества использования сетей

1. Концептуальным преимуществом сетей перед централизованными системами является их способность выполнять параллельные вычисления. Распределенные системы потенциально имеют лучшее соотношение производительность-стоимость, чем централизованные системы.

2. Более высокая отказоустойчивость. Под отказоустойчивостью понимается способность системы выполнять свои функции при отказах отдельных элементов аппаратуры и неполной доступности данных. Основой повышения отказоустойчивости в распределенных системах является избыточность.

3. Использование территориально-распределенных вычислительных систем больше соответствует распределенному характеру прикладных задач в некоторых предметных областях, таких как автоматизация технологических процессов и т.д.

4. Возможность совместного использования данных и устройств.

5. Обеспечение доступа к обширной корпоративной информации.

6. Сети снижают потребность в других формах передачи информации (телефон, почта).

Классификация сетей

В терминах размеров сети можно классифицировать на:

· глобальные, WAN;

· региональные (общегородские) MAN;

· локальные LAN.

ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ

Глобальная сеть (Wide Area Networks, WAN) – это сеть передачи данных, которая охватывает очень большую географическую область (более 100километров). Такие сети обычно формировались из арендованных каналов коммутируемой телефонной сети общего пользования (Public Switched Telephone Networks, PSTN). Самые высокоскоростные глобальные сети работают на скоростях порядка 10 Гбит/с.

РЕГИОНАЛЬНЫЕ СЕТИ

Региональные сети (Metropolitan Area Networks, MAN) обслуживают т, что часто называют «зоной метро» и, по существу, обеспечивают передачу данных для довольно густонаселенных регионов типа городов. Первоначально ограниченные зоны действия региональных сетей (порядка десятков километров) позволяли определять в стандартах эти сети более высокие скорости передачи данных, чем для глобальных сетей, но современные WAN-стандарты допускают столь же высокие скорости, как и в MAN-стандартах, стирая различия между MAN- и WAN-сетями.

ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ

Локальная сеть (Local Area Networks, LAN) – это система, которая имеет ограниченный географический размер и соединяет множество отдельных вычислительных или иных устройств обработки данных (например, неречевых служб), находящихся внутри некоторого операционного узла. Она позволяет устройствам этого узла связываться с другими устройствами того же самого узла. В общем случае в таких сетях могут поддерживаться самые разные службы и скорости передачи данных, а в отношении задержек и потерь они обладают относительно высокоэффективными характеристиками.

Характеристики сетей

Основными характеристиками сетей является:

1. Обеспечение пользователям потенциальной возможности доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть.

2. Производительность.

Существует несколько основных характеристик производительности:

· время реакции;

· пропускная способность.

Время реакции сети определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос. Время реакции сети обычно складывается из нескольких составляющих. В общем случае в него входит время подготовки запросов на клиентском компьютере, время передачи запросов между клиентом и сервером через сегменты сети и промежуточное коммутационное оборудование, время обработки запросов на сервере, время передачи ответа от сервера к клиенту и время обработки получаемых от сервера ответов на клиентском компьютере.

3. Надежность и безопасность

Для оценки надежности сложных систем применяется следующий набор характеристик:

· готовность или коэффициент готовности (availability). Означает долю времени, в течение которого система может быть использована. Готовность может быть улучшена путем внесения избыточности в структуру системы: ключевые элементы системы должны существовать в нескольких экземплярах, чтобы при отказе одного из них функционирование системы обеспечивали другие;

· сохранность данных и защита от искажений;

· согласованность (непротиворечивость) данных. Например, если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько копий данных, то нужно постоянно обеспечивать их идентичность;

· вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений;

· безопасность (security) – способность системы защитить данные от несанкционированного доступа;

· отказоустойчивость (fault tolerance) – способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов.

4. Расширяемость и масштабируемость

Расширяемость (extensibity) означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

Масштабируемость (scalability) означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается. Для обеспечения масштабируемости сети приходится применять дополнительные коммутационное оборудование и специальным образом структурировать сеть (коммутаторы, маршрутизаторы).

5. Прозрачность

Прозрачность (transparency) сети достигается в том случае, когда сеть представляется пользователем не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабелей, а как единая традиционная вычислительная машина с системой разделения времени.

6. Управляемость

Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети. Необходимость централизованного управления особенно проявляется в больших корпоративных сетях.

7. Совместимость

Совместимость или интегрируемость означает, что сеть способна включать в себе самой разнообразное программное и аппаратное обеспечение, то есть в ней могут существовать различные ОС, поддерживающие разные стеки коммуникационных протоколов и работать аппаратные средства и приложения от разных производителей. Сеть, состоящая из разнотипных элементов, называется неоднородной или гетерогенной.

Базовые топологии сетей

Термин топология сетей характеризует физическое расположение компьютеров, узлов коммутации и каналов связи в сети.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

· звезда (star);

· кольцо (ring);

· шина (bus);

Топология звезда характерна тем что в ней все узлы соединены с одним центральным узлом (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Звездообразная топология сети

Подобная структура экономична и удобна в отношении организации управления взаимодействия компьютеров (абонентов). Звездообразную сеть легко расширить, поскольку для добавления нового компьютера нужен только один новый канал связи. Существенным недостатком звездообразной топологии является низкая надежность: при отказе центрального узла выходит из строя вся сеть.

В топологии кольцо компьютеры подключаются к повторителям (репитерам) сигналов, связанных в однонаправленное кольцо (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Кольцевая топология сети

По методу доступа к каналу связи (среде передачи данных) различают два основных типа кольцевых сетей: маркерное и тактированное кольца.

В маркерных кольцевых сетях по кольцу передается специальный управляющий маркер (метка), разрешающий передачу сообщений из компьютера, который им «владеет». Если компьютер получил маркер и у него есть сообщение для передачи, то он «захватывает» маркер и передает сообщение в кольцо. Данные проходят через все повторители, пока не окажутся на том повторителе, к которому подключен компьютер с адресом, указанным в данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть. При отсутствии у компьютера сообщения для передачи он пропускает движущийся по кольцу маркер.

В тактированном кольце по сети непрерывно вращается замкнутая последовательность тактов – специально закодированных интервалов фиксированной длинны. В каждом такте имеется бит – указатель занятости. Свободные такты могут заполнятся передаваемыми сообщениями по мере необходимости либо за каждым узлом могут закрепляться определенные такты.

Достоинством кольцевых сетей считается равенство компьютеров по доступу к сети и высока я расширяемость. К недостаткам можно отнести выход из строя всей сети при выходе из строя одного повторителя и остановку работы сети при изменении ее конфигурации.

В топологии шина все компьютеры подключены к единому каналу связи с помощью трансиверов (приемо – передатчиков) (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Шинная топология сети

Канал ограничивается с двух сторон пассивными терминаторами, поглощающими передаваемые сигналы. Данные от передающего компьютера направляются всем компьютерам сети, однако воспринимаются только тем компьютером, адрес которого указан в передаваемом сообщении. Причем в каждый момент только один компьютер может вести передачу.

Шина пассивная топология. Это означает, что компьютеры только «слушают» предаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтом если один компьютер выйдет из строя, это не скажется на работе остальных, что является достоинством шинной топологии.

В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети (как повторители компьютеров в кольцевой топологии). Другие достоинства «шины» - высокая расширяемость и экономичность в организации каналов связи.

К недостаткам шинной организации сети относится уменьшение пропускной способности сети при значительных трафиках (трафик – это объем передаваемых данных).

В настоящее время часто используются топологии, комбинирующие базовые : звезда – шина, звезда – кольцо.

Топология «звезда – шина» чаще всего выглядит как объединение с помощью магистральной «шины» нескольких звездообразных сетей (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Топология звезда – шина

При топологии «звезда – кольцо» несколько звездообразных сетей соединяются своими центральными узлами коммутации в кольцо (рис.1.5).

Рис. 1.5. Топология звезда – кольцо