 |
Сетевые компьютерные системы
|
|
|
|
Сетевая компьютерная система – это система, состоящая из нескольких, а может быть и нескольких десятков компьютеров, соединенных между собой в сеть.
Соединения компьютеров в сеть осуществляется в соответствии с принятой топологией. Под топологией понимается схема соединения компьютеров в сети.
Наиболее распространенные топологии: шинная, кольцевая, звездообразная, ячеистая, смешанная.
Шинная топология
Шина представляет собой сеть, проложенную по линии. Соединительный кабель проходит от одного компьютера к другому.
В сети с шинной топологией сообщения, посылаемые данным компьютером, поступает на все компьютеры, подключенные к шине.
Поскольку у каждой линии есть начало и конец, то на каждом конце линии должен быть терминатор (оконченное устройство).
Шинная топология представлена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Шинная топология
Кольцевая топология
В кольцевой топологии каждый компьютер соединен с двумя другими, и сигнал может проходить по кругу (рис. 2.5).
В кольцевой сети сигнал проходит по кругу в одном направлении. Каждый компьютер принимает сигнал от верхнего по течению компьютера и посылает сигнал нижнему по течению. Кольцевая топология называется активной, потому что каждый компьютер, прежде чем послать сигнал дальше, регенерирует его.
Звездообразная топология
Звезда образуется путем соединения каждого компьютера с центральным компьютером или соединительным устройством. Соединительное устройство может быть пассивным или интеллектуальным. Пассивное соединительное устройство представляет собой лишь точку соединения и не потребляет электроэнергию. Активное соединительное устройство, прежде чем передать сигнал другому компьютеру, усиливает его. Интеллектуальное соединительное устройство представляет собой активное соединительное устройство с возможностями диагностики.
|
|
|
Звездообразная топология представлена на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Звездообразная топология
Ячеистая топология
При ячеистой топологии каждый компьютер соединен непосредственно с каждым другим компьютером. Ячеистая топология представлена на рис. 2.7.
Благодаря избыточности соединений ячеистая топология наиболее устойчива к сбоям.
Смешанные топологии
Смешанной топологией называют топологию, объединяющую элементы двух или трех стандартных топологий.
Смешанная топология представлена на рис. 2.8.
Рис. 2.7. Ячеистая топология
Рис. 2.8. Смешанная топология
Схема передачи данных по сети представлена на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Схема передачи данных по сети
Передача данных по сетям осуществляется с помощью специального оборудования.
1. Передающая среда – любые средства передачи сигналов от одного компьютера к другому.
2. Сетевые адаптеры – плата, которая устанавливается в компьютере для соединения его с компьютерной сетью. Она соединяет компьютер со средой, которая в свою очередь соединена с другими компьютерами сети.
Передающая среда может быть проводной и беспроводной.
К проводной передающей сети относятся:
· Витая пара; два скрученных медных провода в защитной оболочке. В сетевых технологиях используются экранированные и неэкранированные витые пары. Экранированная витая пара окружена металлической защитной оболочкой, предохраняющей от помех.
· Коаксиальный кабель; медный провод, окруженный металлическим экраном, защищающим передаваемые данные от помех. Используются как тонкие, так и толстые коаксиальные кабели.
· Оптоволоконный кабель; представляет собой пучок стеклянных или пластмассовых нитей, по которым передаются импульсы света, несущие полезный сигнал. Однако при его использовании необходимо дополнительное оборудование, преобразующее оптические сигналы в электрические.
|
|
|
Беспроводная передающая среда может быть представлена устройствами радиосвязи, лазерами, инфракрасными устройствами и спутниковыми средствами связи.
В настоящее время становятся актуальными вопросы сегментации и создании подсетей.
Сегментация сети – это деление сети на сегменты, являющиеся частями этой сети.
Создание подсистем – это деление сетей на отдельные сети, называемой подсетями, на основе адресной информации.
При сегментации сетей и создании подсетей используются:
Повторители – это устройства, которые обеспечивают сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на расстояние, большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды.
Концентраторы – это устройства, коммутирующие несколько каналов связи на один путем частотного разделения.
Концентраторы служат центральной точкой соединения. Наиболее распространенные активные концентраторы, которые представляют собой повторители с несколькими выходами.
Мост – это устройство, соединяющее две сети, использующее одинаковые методы передачи данных.
Пример разделения сети на два сегмента с помощью моста представлен на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Пример разделения сети на два сегмента с помощью моста
Маршрутизаторы – это устройства, соединяющие сети разного типа, но использующие одну операционную систему.
С помощью маршрутизаторов соединяются отдельные сети (или подсети). Маршрутизаторы выбирают оптимальный маршрут передачи данных (пакета) среди немалого количества других возможных маршрутов.
Шлюз – это устройство, позволяющее организовать обмен данными между двумя сетями, использующими разные протоколы взаимодействия.
Коммутаторы – это устройства, которые осуществляют выбор пути, по которому следует передать данные (коммутатор передает пакет по назначению).
В настоящее время любая сеть включает в себя компьютеры двух типов: серверы и клиенты.
Сервер – это компьютер, предоставляющий свои ресурсы (данные, программное обеспечение, периферийное оборудование) другим компьютерам системы.
|
|
|
Термин «сервер» чаще всего означает специально выделенный высокопроизводительный компьютер со специальной серверной операционной системой, централизованно управляющий сетью.
Клиентами сети являются компьютеры или другие сетевые устройства, имеющие доступ к ресурсам сети (сервера). Чаще всего клиентом является компьютер. Однако принтер или любое устройство, получающее доступ к ресурсам, технически тоже может быть клиентом. Термин «клиент» также может обозначать программы, имеющие доступ к программам сервера. Например, программа поддержки электронной почты, выполняющаяся на настольном компьютере и передающая запросы для загрузки поступивших сообщений с сервера, называется клиентом электронной почты.
На компьютере, выполняющем роль клиента, устанавливается клиентская операционная система.
Информационные системы могут быть построены на одноранговых компьютерных сетях, сетях клиент/сервер или корпоративных сетях.
В одноранговых компьютерных сетях каждый компьютер выполняет функции, как сервера, так и клиента, причем каждый пользователь самостоятельно управляет своим компьютером.
Для сетей клиент/сервер наиболее характерной особенностью является централизованное управление сетью.
Корпоративные сети – это сети, объединяющие компьютеры офисов предприятия (фирмы) в одну внутреннюю сеть и с Internet.
2.2.1. Основы организации передачи данных в распределенных
компьютерных системах
В распределенных компьютерных системах компьютеры и терминалы объединяются в компьютерную сеть посредством каналов передачи данных. Для передачи данных используются различные типы каналов связи: телефонные, радиоканалы, каналы спутниковой связи. В качестве передающей среды могут использоваться: витая пара проводов, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель.
Существуют три режима передачи данных:
1) Симплексный – передача данных осуществляется только в одном направлении.
2) Полудуплексный – данные по каналу передаются как в прямом, так и в обратном направлении, но в разные временные интервалы.
|
|
|
3) Дуплексный – одновременная передача данных в прямом и обратном направлении.
Данные по каналам можно передавать с использованием технологии коммутации каналов или технологии коммутации пакетов.
Технология коммутации каналов применяется в телефонных системах. Когда в телефонной сети абонент набирает телефонный номер, между ним и его абонентом устанавливается только один физический путь на все время сеанса связи. Это путь или канал поддерживается исключительно для двух абонентов, пока один из них не прервет соединения, повесив трубку.
В сетях с коммутацией пакетов путь между двумя абонентами не устанавливается. При передачи данных с одного компьютера на другой данные представляются небольшими фрагментами, которые называются пакетами. Эти пакеты могут передаваться различными путями. И хотя все они пребудут в один и тот же пункт назначения, это не означает, что они прошли по одному и тому же пути.
В каждом пакете кроме передаваемых данных, есть данные, отображающие заголовок пакета. Заголовок содержит информацию об адресе, к которому он должен попасть. В заголовке также содержится информация о месте пакета в последовательности других пакетов, чтобы в принимающем компьютере пакеты были собраны в необходимом порядке. Заголовок размещается в начале пакета, перед данными. Пакет может также содержать трейлер, присоединенный к концу пакета. Информация в трейлере чаще всего предназначена для обнаружения ошибок передачи. Обычно в трейлере находится код CRG (cyclical redundancy check), представляющий собой короткую последовательность нулей и единиц. Вычисления с кодом CRG выполняются дважды: перед отправкой пакета в сеть специальная процедура формирует код CRG, а после получения пакета адресатом такая же процедура вычисляет его еще раз. Если результаты этих двух вычислений отличаются, значит, данные в процессе передачи изменились.
В этом случае пакет отбрасывается и посылается запрос на его повторную передачу.
Структура типичного пакета данных представлена на рис. 2.11.
| Заголовок | Данные | Трейлер |
| Адрес источника, адрес назначения (другие поля, в зависимости от используемого протокола) | Код CRG, проверочная информация |
Рис. 2.11. Структура пакета данных
Конкретное положение в пакете и размеры полей заголовка и трейлера зависит от сетевой архитектуры и протоколов. Например, в Ethernet кадр (так здесь называется пакет) может иметь размер от 64 до 1518 байт, причем 18 байт всегда используются под заголовок и трейлер. Поэтому в одном кадре Ethernet можно передать не более 1500 байт данных. Пакеты Token Ring.
|
|
|
Для организации передачи данных в современных корпоративных сетях используется модель OSI (Open System Interconnection), разработанная международной организацией стандартизации OSI (International Organization for Standardization) в 80-е годы прошлого столетия.
Модель OSI определяет семь уровней взаимодействия систем. Каждый уровень модели выполняет определенную задачу процесса коммутации и передает данные вверх или вниз на следующий уровень (в зависимости от режима работы компьютера: передача данных или прием данных). По мере прохождения данных по уровням, каждый уровень добавляет свою информацию в виде заголовков перед исходными данными. Когда данные поступают на принимающий компьютер, этот процесс выполняется в обратной последовательности и информация передается по уровням вверх. Когда данные прошли все уровни в принимающем компьютере, вся заголовочная информация оказывается удаленной, и данные принимают исходную форму. В этом виде они представляются принимающему приложению.
Протокол – набор правил и соглашений, специфицирующих обмен информацией между сетевыми устройствами.
Схема взаимодействия передающего и принимающего компьютера при передаче данных представлена на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Схема взаимодействия передающего и принимающего компьютера при передаче данных
Рассмотрим функции, выполняемые каждым уровнем.
7 уровень. Прикладной уровень – обеспечивает взаимодействие между пользовательским приложением и сетью с помощью разнообразных протоколов. Например, протокол FTP (File Transfer Protocol) используется для передачи файлов между компьютерами, на которых могут быть установлены различные ОС или платформы, HTTP (Hypertext Transfer Protocol).
6 уровень. Уровень представления. Он с вязан с формой представления передаваемых по сети данных, т. е. с формированием пакетов.
На этом уровне осуществляются:
· сжатие данных; уменьшение размеров передаваемых данных с целью их быстрой передачи по сети, при этом различные типы данных могут сжиматься в разной степени;
· шифрование данных; преобразование данных в закодированную форму таким образом, чтобы они не могли быть прочитаны посторонними лицами;
· преодоление синтаксических различий в представлении данных или же различия кодов символов.
5 уровень. Сеансовый уровень. Протоколы этого уровня отвечают за установление сеанса связи между передающим и принимающим компьютером, а также представляют средства синхронизации, которые позволяют вставить контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все сначала.
4 уровень. Транспортный уровень. Обеспечивает приложенным или верхним уровням – прикладному и сеансовому – передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов услуг, предоставляемых транспортным уровнем:
· срочность передачи;
· возможность восстановления прерванной связи;
· возможность мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол;
· способность к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря или дублирование пакетов.
На транспортном уровне отслеживается целостность и последовательность пакетов данных.
Главная задача – обеспечение сквозного контроля ошибок.
3 уровень. Сетевой уровень. Отвечает за доставку пакетов по адресу. Он 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. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощение адресаций в крупных сетях и создание надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.
2 уровень. Канальный уровень. Осуществляет проверку доступности среды передачи данных, а также реализацию механизма обнаружения и коррекции ошибок.
1 уровень. Физический уровень. Обеспечивает передачу данных (битов) по физическим каналам связи, таким, например, как витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель и др.
Здесь данные и заголовки, поступившие со всех верхних уровней, транслируются в сигнал, передаваемый в сеть. Протоколы физического уровня преобразуют все нули и единицы в электрические импульсы, которые передаются по проводам или по воздуху.
|
|
|
