1. Требования к ИВС

Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Обычно локальные сети охва­ тывают одно либо несколько расположенных рядом зданий. Именно на базе локальной ИВС разрабатываются современные САПР, АСУ предприятий.

Региональная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном (от 10 до 1000 км) расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов города, района, области и даже неболь­ шой страны.

Третьим видом является глобальная ИВС, которая объединяет абонентов, расположенных на территории большой страны, разных стран и даже континентов. Построение этой сети возможно с помо­ щью спутников.

В последнее время для характеристики ИВС всё чаще стали ис­ пользовать понятие корпоративные сети. Эти сети объединяют ряд предприятий одной фирмы, в зависимости от взаиморасположения предприятий они могут быть региональными или глобальными.

Принципиальное отличие локальной вычислительной сети от глобальной сети - в маршрутизации информации (пакетов). Важ­ нейшей характеристикой ЛВС является скорость передачи данных, поэтому в локальных сетях применяются высокоскоросные цифро­ вые линии связи. Для связи в глобальной сети, наряду со спутнико­ выми и оптоволоконными, применяются низкоскоростные аналого­ вые линии связи на базе телефонных линий.

Чтобы понять, как происходит работа в ЛВС, необходимо иметь представление о физической и логической структуре сетей (рис. 4.3).

§2. ФИЗИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЛОКАЛЬНОЙ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Составляющие физической структуры ЛВС: 1) кабельная систе­

ма; 2) аппаратные средства.

1. Кабельная система (топология локальных сетей)

Наибольшее распространение в наше время получили провод­ ные сети. Топология сети идентифицирует схему проводных соеди­ нений в сети. Кабель в ЛВС определяет физическую среду передачи информации. Существуют три типа кабелей:

1.Коаксиальный (типа телевизионного).

2.Витая пара (физически этот кабель состоит из четырех витых пар в оплетке, одна пара используется для передачи информации

водном направлении, вторая - в другом направлении, две остав­ шиеся пары предназначены для передачи служебных сообщений по сети, на практике иногда они не используются).

3.Волоконно-оптический (физически это кварцевая нить в по­

лимерной оплетке, оплетка предназначена для придания гибкости кабелю; передача информации по кабелю производится световыми излучениями с разной дайной волны, за счет чего образуется ряд информационных каналов).

Скорость передачи информации - важнейший показатель эффективности сети, она измеряется в Мбит/с, Гбит/с. Скорость передачи информации по коаксиальному кабелю составляет от 0,5 до 10 Мбит/с, по витой паре - от 10 до 100 Мбит/с, по воло­ конно-оптическому теоретически - сотни Гбит/с, практически - около 2 Гбит/с (за счет более низкой пропускной способности приемных и передающих устройств).

Наиболее распространенной топологией сети является топо­ логия «общая шина». В этом случае все сетевые компьютеры (не >80-100 PC) связаны линейно (рис. 4.4) с помощью коаксиально­ го кабеля и все могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети.

Рис. 4.4. Топология сети «общая шина»

К достоинствам шинной архитектуры можно отнести относи­ тельно высокую скорость передачи данных (10 Мбит/с) и то, что такую сеть можно легко развивать, добавляя новые разветвления. Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вы­ числительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

Недостатки: весьма низкая надежность; при разрыве кабеля потеря сетью работоспособности; слабая защита информации.

Топология «Кольцо». ЛВС на базе кольцевого канала переда­ чи данных представлена на рис. 4.5.

Основное преимущество циклического кольцавысокая ско­ рость передачи данных (16 Мбит/с). Однако следует иметь в виду, что время передачи информации по кольцу зависит не только от скорости работы канала, но и числа PC, включенных в сеть. Основ­ ными недостатками циклического кольца являются его высокая стоимость и сложность включения систем, а также слабая защита информации. Структура циклического кольца проста, но имеет су­ щественный недостаток. При обрыве кольца прекращается работа всей информационной сети. Поэтому в реальных сетях предпочте­ ние отдается модернизированным кольцам, например, используют­ ся два циклических кольца. В нормальном режиме передача инфор­ мации ведется по обоим кольцам, но в разные стороны. При обрыве два кольца замыкаются в единое целое кольцо.

Топология «звезда». Это технология 70-80 годов. В условиях звездообразной (радиальной) структуры (рис. 4.6) организуется центральный узел (хаб, концентратор), через который посылаются все сообщения от абонентов сети.

Главная машина получает и обрабатывает все данные с пери­ ферийных устройств как активный узел обработки данных. Для подсоединения абонента к хабу используется кабель «витая пара». Хаб представляет собой маленькую коробочку, к которой подсое­ динен пучок кабелей. Таким образом, хаб обеспечивает связь ком­ пьютеров абонентов друг с другом (аналогично коммутатору в те­ лефонной сети).

Основными достоинствами звездообразной структуры являет­ ся независимость каждого радиального направления от остальных, т.е. неполадки на одном из участков кабеля никак не повлияют на работу остальных пользователей; высокая защита информации, ско­ рость передачи данных до 100 Мбит/с.

Недостатки: для каждого абонента требуется прокладка «сво­ его» кабеля; зависимость от надежности хаба (концентратора).

Комбинированная - древовидная топология сети. Наряду

сбазовыми топологиями вычислительных сетей «шина», «кольцо»,

и«звезда», на практике применяется и комбинированная, напри­ мер древовидна структура (рис. 4.7).

г\

Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислитель­ ной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).

Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сете­ вых структур в чистом виде. Это надежные легко перестраиваемые сети. Технически они могут быть организованы по-разному, этим занимаются проектировщики систем.

Наряду с вышеописанными проводными в локальные сети вне­ дряются новые системы передачи данных - беспроводные радио-

иинфракрасные сети и высокоскоростные системы. Новые систе­ мы передачи данных могут использоваться как самостоятельно, так

идля связи традиционных подсетей в более производительную сеть. Беспроводные сети предназначены, прежде всего, для условий, когда стационарная прокладка кабеля затруднена, либо неэффективна. Такие системы имеют относительно невысокую скорость передачи данных и наиболее эффективны для приложений, предусматриваю­ щих обмен небольшими объемами информации (электронная почта, удаленная печать, прием и передача факсимильных сообщений).

2. Аппаратные средства локальных сетей

Для функционирования сети помимо рабочих станций, серве­ ров, терминалов и кабелей требуется сетевая аппаратура: сетевые адаптеры (часто называемые сетевыми платами или картами), прие­ мопередатчики (трансиверы), повторители (репитеры), концентра­ торы (хабы), мосты, шлюзы, маршрутизаторы. Состав и конфигу­ рация сетевой аппаратуры во многом зависит от топологии сети.

Сетевые адаптеры технически нужны для подключения ком­ пьютера к кабелю. Как правило, сетевой адаптер вставляется в мате­ ринскую плату компьютера и имеет еще один-два разъема для под­ ключения к кабелю компьютерной сети. Адаптеры ориентированы на определенную топологию локальной сети, поэтому их можно классифицировать по типам: поддерживающим шинную тополо­ гию, кольцевую, звездную, древовидную.

Приемопередатчик (трансивер) - это устройство, связывающее компьютер с сетью и функционирующий как передатчик и приемник.

Повторитель (репитер) - это устройство с автономным питани­ ем, которое обеспечивает передачу данных между сегментами сети, если длина сегмента ограничена параметрами кабеля.

Концентратор (хаб) - это многопортовое устройство, к кото­ рому подключают компьютеры с помощью сетевых кабелей. Благо­ даря хабам можно формировать сеть произвольной топологии.

Мост - устройство, соединяющее две сети, использующие оди­ наковые методы передачи данных.

Шлюз - устройство для соединения различных сетей, исполь­ зующих различные протоколы взаимодействия.

Маршрутизатор - устройство, соединяющее сети разного типа, но использующее одну операционную систему.

2.1. Организация обмена информацией

взависимости от топологии сети

Для организации обмена информацией между ПК в ЛВС, в зави­ симости от топологии, применяются разные сетевые адаптеры, где в виде стандартных протоколов описаны методы доступа к сетевым каналам данных.

Протокол - это система соглашений, которые определяют все аспекты информационного взаимодействия между компонентами одной сети или разных сетей. Протокол включает правила, проце­ дуры, алгоритмы и требования, касающиеся порядка взаимодейст­ вия между компонентами сети. Шлюзы и мосты осуществляют согласование различных протоколов.

Наиболее известны и распространены три реализации методов доступа: Ethernet (для шинной топологии), Token Ring (кольцо), ARCNET (шина, звезда).

Метод доступа (или технология) Ethernet разработан совме­ стно фирмами DEC, Intel и Xerox. В настоящее время эта технология наиболее доступна и популярна. Каждый абонент работает в Ethernet

согласно принципу «Слушай канал передачи перед тем, как отпра­ вить сообщения; слушай, когда отправляешь; прекрати работу в случае помех и попытайся еще раз».

Данный принцип можно расшифровать (объяснить) следую­ щим образом. Никому не разрешается посылать сообщения в то время, когда этим занят уже кто-то другой (слушай перед тем, как отправить). Если два или несколько отправителей начинают посы­ лать сообщения примерно в один и тот же момент, рано или поздно их сообщения «столкнутся» друг с другом в проводе, что называет­ ся коллизией. Коллизии нетрудно распознать, поскольку они всегда вызывают сигнал помехи, который не похож на допустимое сооб­ щение. Ethernet может распознать помехи и заставляет отправителя приостановить передачу, подождать некоторое время, прежде чем повторно отправить сообщение.

Достоинства Ethernet и причины широкой распространенно­ сти и популярности: дешевизна, большой опыт использования, про­ должающиеся нововведения, богатство выбора. Многие изготови­ тели ПК предлагают аппаратуру построения сетей, базирующуюся на Ethernet.

Недостатки Ethernet: возможность столкновений сообщений (коллизии, помехи); в случае большой загрузки сети время передачи сообщений непредсказуемо.

Технология Token Ring разработана фирмой IBM. Технология ориентирована на кольцо, по которому постоянно движется маркер. Каждая абонентская станция работает в Token Ring согласно прин­ ципу «Ждать маркера, если необходимо послать сообщение, присое­ динить его к маркеру, когда он будет проходить мимо. Если прохо­ дит маркер, снять с него сообщение и послать маркер дальше».

Достоинства Token Ring: гарантированная доставка сообще­ ний; высокая скорость (160 % Ethernet).

Недостатки: необходимость дорогостоящих устройств досту­ па к среде; большая сложность технологии в реализации; высокая стоимость (160-200 % от Ethernet).

Технология ARCNET разработана фирмой Datapoint Corporation. Принцип работы сети ARCNET аналогичен Token Ring, т.е. исполь­ зуется маркер для разрешения абоненту сети передать информацию в соответствующий момент времени. Однако «способ» реализации маркера здесь отличен от Token Ring. Кроме того, технология ARCNET ориентирована на шину (в случае коаксиального кабеля) или звезду (при наличии витой пары проводов).

Достоинства ARCNET: невысокая стоимость (самая дешевая); простота использования; гибкость.

Недостатки: низкое быстродействие (1/4 Ethernet, 1/2-1/7 Token Ring); плохая работа в условиях мультимедиа, в режиме ре­ ального времени; отсутствие перспективы развития.

§2. Л о г и ч е с к а я с т р у к т у р а л о к а л ь н о й

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Существуют два основных принципа управления в локальных сетях: централизация и децентрализация. Эти принципы лежат в основе логической структуры сети, которую можно реализовать на любой топологии.

В децентрализованных, так называемых одноранговых сетях все PC равноправны, могут видеть файловые структуры других машин

иимеют доступ ко всем разделяемым ресурсам. Функции управления по очереди передаются от одной рабочей станции к другой. Такая ор­ ганизация используется при объединении компьютеров в рабочие группы. Рабочих групп в одной сети может быть несколько.

Достоинства одноранговых сетей: наиболее просты в установке

иэксплуатации; в сети любой компьютер, имеющий ресурсы для со­ вместного использования, может быть сервером; для сервера сети не требуется специальная операционная система, он может работать да­ же под управлением обычной операционной системы MS DOS.

Недостатки: в условиях одноранговых сетей затруднено реше­

ние вопросов защиты информации, поэтому такой способ организа­ ции сети используется для сетей с небольшим количеством компью­ теров и там, где вопрос защиты данных не является принципиаль­ ным; производительность сети в целом, как правило, невысока.

В сетях с централизованным управлением функции управления обменом данными возложены на файл-серверы (один или несколько), которые заранее выделяются при установке сети. Файлы, хранящиеся на сервере, доступны PC сети. Одна PC к файлам другой PC обычно доступа не имеет, но с помощью специального программного обес­ печения такой доступ можно организовать. На файл-серверах уста­ навливается специальная сетевая операционная система, как правило,

многозадачная. В свою очередь, на рабочих станциях устанавливает­ ся специальное программное обеспечение (программная оболочка), работающее в среде операционной системы на данной PC.

Основным достоинством сети с централизованным управле­ нием является высокий уровень защиты данных, поскольку пользо­ ватели изолированы друг от друга.

К недостаткам централизованной сети относятся: сложность установки и модернизации сети; необходимость дополнительной операционной системы для сервера: необходимость предваритель­ ного определения файл-сервера.

По способу организации сетей с централизованным управлени­ ем различают модели сети типа:

♦«фал-сервер»,

♦«клиент-сервер»,

♦Intranet-сети.

В ИВС термины клиент и сервер являются базовыми. Под сер­ вером понимается любая система (отдельный компьютер с соответ­ ствующим программным обеспечением или отдельная программная система в составе программного обеспечения), предназначенная для предоставления некоторых вычислительных ресурсов другим сис­ темам (компьютерам или программам), называемым клиентами.

Файл-серверные сети являются наиболее простыми. В этом случае сервер используется только для хранения базы данных и пе­ ресылки её файлов на компьютеры-клиенты, которые выполняют всю обработку данных (рис. 4.8).

Клиенты при этом должны обладать полным набором необхо­ димых для обработки программных компонент. В классическом случае на каждой PC дублируются не только прикладные програм­ мы, но и средства управления ими. В этой модели от сервера не требуется высокой вычислительной мощности (так как он не вы­ полняет обработку данных), но требуется достаточная емкость дис­ ковой памяти. Компьютерная сеть при этом должна обладать высо­ кой пропускной способностью, а клиенты - достаточной произво­ дительностью.

Рис. 4.8. Классическое представление архитектуры сети «файл-сервер»

Организация систем управления на основе использования выде­ ленных файл-серверов все еще является достаточно распространен­ ной в связи с наличием большого количества персональных ЭВМ разного уровня развитости.

В целом, в файл-серверной архитектуре почти вся работа вы­ полняется на стороне клиента, а от сервера требуется только доста­ точная емкость дисковой памяти. Прикладные программы на PC работают фактически независимо друг от друга, и каждая из них, обращаясь к серверу за информацией, обычно захватывает весь информационный файл, даже если ей нужно всего несколько запи­ сей. Это вызывает существенную перегрузку трафика (поскольку на стороне клиента для выборки полезных данных в общем случае необходимо просмотреть соответствующий файл целиком). Кроме того, каждая программа устанавливает собственные правила захвата и блокировки информационных ресурсов (с целью не допустить одновременного изменения одних и тех же данных разными поль­ зователями). В сущности, такой подход является тупиковым. Можно установить превосходную операционную систему, договориться с программистами об единой технологии обработки данных, но на­ грузка на сеть будет расти, вплоть до полного паралича системы.

Выход был найден, когда возникла и стала быстро развивать­ ся другая модель обработки данных в сетях - технология «клиентсервер».

В клиент-серверных системах сервер выполняет не только пассивную функцию хранения данных, но и играет активную роль в обработке данных, выполняя получаемые от клиентов за­ просы к базе данных. На сервер при этом возлагается большая часть обязанностей по оптимизации обслуживания, поддержке целостности и безопасности данных, контроль за доступом к дан­ ным и т.д.

На компьютерах-клиентах устанавливаются только те компо­ ненты программного обеспечения, которые реализуют интерфейс­ ные функции и выполняют прикладные функции информационной системы, соответствующие специфике предметной области, форми­ руя для этого необходимые запросы к базе данных. По сети пользо- вателем-клиентом передается только запрос и получается резуль­ тат, перекачка файлов не производится. Вся обработка информа­ ции производится на сервере.

Нагрузка на сеть при этом существенно уменьшается по срав­ нению с моделью файл-сервера, но резко возрастают требования к серверу и по объему дискового пространства, и по оперативной памяти, и по быстродействию. Требования к производительности клиентов остаются достаточно высокими.

Структура архитектуры «клиент-сервер» представлена на рис. 4.9. С точки зрения программного обеспечения технология «клиентсервер» подразумевает наличие программ-клиентов и программсерверов. Некоторая программа, выполняемая в сети, по отноше­ нию к одним программам может выступать в роли клиента, и в то же время являться сервером для других программ, при этом их роли могут меняться.

Технология «клиент-сервер» на первый взгляд кажется го­ раздо более дорогой, чем «файл-сервер»: требуются более мощ­ ные технические средства (по крайней мере, для сервера) и суще­ ственно более развитые средства управления базами данных. Однако это верно лишь частично. Наиболее существенным преимущест­ вом «клиент-серверной» архитектуры по сравнению с «файл-сер- верной» являются ее масштабируемость и способность к раз­ витию.

Рис. 4.9. Структурная схема архитектуры «клиент-сервер»

Развитие глобальных вычислительных сетей Internet естест­ венным образом повлияло на технологию создания корпоративных систем управления, породив новую архитектуру под названием Intranet (Интранет) (рис. 4.10), построенную на принципах, заимст­ вованных из сети Internet.

Рис. 4.10. Структурная схема простой организации Intranet-системы

Такая система может быть локальной, изолированной от гло­ бальной вычислительной сети. В отличие от технологии «клиентсервер» эта технология ориентирована не на данные, а на информа­ цию в ее окончательно готовом к потреблению виде. Вычислитель­ ные системы, построенные на основе этой технологии, имеют в сво­