Введение
Необходимость изучения студентами экономической специальности “Информационные системы в экономике” основ информационно-вычислительных сетей (ИВС) объясняется местом, которое занимают ИВС в информатизации современного общества. Информационное обеспечение фирм, акционерных обществ, ВУЗов, банков базируется на локальных сетях, которые связаны между собой в региональные и глобальные сети.
Предметом дисциплины “Вычислительные сети и системы телекоммуникаций” является изложение основ построения, выбора и обеспечения надёжности информационно-вычислительных сетей. В предлагаемом пособии сделан акцент на особенности использования современных технических и программных средств при построении локальных и глобальных сетей. Определённое место в пособии отведено методике выбора Локальной сети. Особенностям обеспечения надёжности локальных сетей посвящена специальная лекция.
Изложенный в пособии учебный материал базируется на решениях комитета по стандартизации IEEE, Международной организации стандартов, Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии и лучших примерах построения локальных сетей.
Учебное пособие предназначено для студентов экономических ВУЗов, слушателей курсов подготовки и повышения квалификации специалистов в области информационных систем и практических работников.
Тема 1. Общая характеристика информационно-вычислительных сетей
1 вопрос.
Значительное повышение эффективности ЭВМ может быть достигнуто объединением их в вычислительные сети (ВС). Под ВС мы будем понимать любое множество ЭВМ, связанных между собой средствами передачи данных (средствами телекоммуникаций). Развитие ВС связано как с развитием собственно ЭВМ, входящих в состав сети, так и с развитием средств телекоммуникаций.
Работы по созданию ВС начались ещё в 60-х годах. Прообразом ВС явились системы телеобработки данных (СТД), построенные на базе больших (а позже и миниЭВМ). В качестве средств передачи данных использовалась существующая телефонная сеть. Структура СТД представлена на рис. 1.1. СТД состоит из: абонентских пунктов (АП); модемов, мультиплексора передачи данных (МПД) и ЭВМ. Телефонная сеть ориентирована на передачу речевой (аналоговой) информации, поэтому одни из элементов сети явились достаточно медленные аналоговые коммутаторы.
Рис. 1.1. Структура системы телеобработки.
Основным недостатком СТД является невысокое быстродействие (9600 бит/с, реально 2400 бит/с). Поэтому одним из направлений совершенствования СТД явилась разработка цифровых телефонных коммутаторов. Аналоговую речь при этом предлагалось переводить в дискретную форму.
Вторым существенным недостатком СТД является возможность передачи данных по каналу связи в один и тотже момент времени только с одной скоростью. Этот недостаток был преодолен использованием впервые в 70-х годах в США коммуникаций кабельного телевидения, позволяющих вести широкополосную передачу (ШП). ШП позволяет по одному кабелю вести передачу данных одновременно с различными скоростями.
Третьим направлением перехода к сетям была разработка высокоскоростных шин для обеспечения взаимодействия нескольких больших ЭВМ.
Четвёртым направлением развития ИВС была реализация распределённой обработки данных. Для этого в середине 70-х годов появились технические средства и программное обеспечение, позволяющие связать ЭВМ в виде кольца или шины.
В 80-х годах появились микроЭВМ. Существенно не отличаясь от больших и миниЭВМ по скорости обработки информации и объёму ОП, микроЭВМ имели в десятки раз меньшую внешнюю память. Поэтому 5-ым направлением создания ИВС была разработка специальных дисковых мультиплексоров.
Рис. 1.2. Направление развития сетей.
К середине 80-х годов все отмеченные тенденции развития сетей стали сближаться, что привело к разработке современных информационных сетей (рис. 1.2).
2 вопрос.
Общая структура ИВС представлена на рис.1.3. Основными компонентами сети являются:
каналы;
системы: абонентская (АбС) и ассоциативная (АсС);
сеть передачи данных.
Рис.1.3. Структура ИВС.
Имеются существенные отличия в функциональном назначении абонентских и ассоциативных систем, классификация которых представлена на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Классификация систем сети.
В зависимости от выполняемых функций ассоциативные системы подразделяются на два вида: межсетевые и сетевые.
Ассоциативная система, предназначенная для обеспечения взаимодействия двух либо более ИВС, называется межсетевой (на рис. 1.3 это система АсС5). Ассоциативная система, которая связывает абонентские системы внутри одной сети, получила название сетевой.
Абонентские системы в зависимости от выполняемых функций подразделяются на 4 вида: рабочие, терминальные, смешанные, административные.
Рабочая система предназначена для предоставления пользователю информационно-вычислительных ресурсов: банка данных, результатов обработки задач по подсистемам АСУ и т.д.
Терминальная система предоставляет абонентам (пользователям) ИВС через один или несколько терминалов информационно-вычислительные ресурсы рабочих систем. Часто функции рабочей и терминальной систем совмещены.
Система, на которую возлагаются функции управления всей либо какой-нибудь частью ИВС, называется административной.
Смешанной система называется в том случае, если она выполняет функции двух, а иногда даже трёх, рассмотренных выше видов абонентских систем.
Рис. 1.5. Классификация ИВС по их протяжённости.
Помимо классификации систем сети имеется и деление самих сетей. Основным признаком их отличия является классификация ИВС по их размерам. В зависимости от протяжённости ИВС принято делить на три вида: локальные, региональные и глобальные (рис. 1.5).
Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Обычно локальные сети охватывают одно либо несколько расположенных рядом зданий. Именно на базе локальной ИВС разрабатываются современные АСУ фирмы, банка, ВУЗа, и т.д.
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 небольшой страны.
Третьим видом является глобальная ИВС, которая объединяет абонентов, расположенных на территории большой страны, разных стран и даже континентов. Построение этой сети возможно с помощью спутников.
В последнее время для характеристики ИВС всё чаще стали использовать понятие корпоративные сети. Эти сети объединяют ряд предприятий одной фирмы, в зависимости от взаиморасположения предприятий они могут быть региональными или глобальными.
3 вопрос.
Основными требованиями, которым должна удовлетворять организация ИВС, являются следующие:
Открытость - возможность включения дополнительных абонентских, ассоциативных ЭВМ, а также линий (каналов) связи без изменения технических и программных средств существующих компонентов сети. Кроме того, любые две ЭВМ должны взаимодействовать между собой, несмотря на различие в конструкции, производительности, месте изготовления, функциональном назначении.
Гибкость - сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя ЭВМ или линии связи.
Эффективность - обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.
Для обеспечения открытости, гибкости и эффективности ИВС Международной организацией стандартов утверждены определённые требования к организации взаимодействия между системами сети. Эти требования получили название OSI (Open System Interconnection) - “эталонная модель взаимодействия открытых систем”. Согласно требованиям эталонной модели, каждая система ИВС должна осуществлять взаимодействие посредствам передачи кадра данных, процедура образования которого представлена на рис. 1.6. Согласно рис. 1.6 образование и передача кадра осуществляется с помощью 7-ми последовательных действий, получивших название “уровень обработки”.
Процесс взаимодействия между АбС возникает при необходимости передачи прикладной программой пользователя (уровень 7) данных по каналу связи. Однако, чтобы вторая АбС могла разобрать эти данные, необходимо указать способ их представления. Эта информация указывается в заголовке процесса, который добавляется к данным с помощью специальной программы, реализующей представительный уровень (уровень 6). При получении информации от другой АбС, указанная программа осуществляет также преобразование данных к единой форме представления. Действия выполняемые программой на уровнях 6 и 7 названы процессом.
Рис. 1.6. Процедура образования кадра данных в процессе взаимодействия АбС.
Сеансовый уровень (уровень 5) предназначен для организации сеансов связи на период взаимодействия процессов. На этом уровне по запросам процесса создаются порты для приёма передачи сообщений. Кроме того, для выявления ошибок после передачи данных пользователю, используются проверочные символы, добавляемые к данным пользователя (концевик процесса). Данные пользователя, снабжённые заголовком и концевиком процесса, получили название блока данных.
Уровень 4 (транспортный) реализует процедуру сопряжения абонентских систем с сетью передачи данных. С этой целью специальная программа уровня 4 добавляет в передаваемое сообщение заголовок передачи. Блок данных с заголовком передачи образуют фрагмент данных.
Уровень 3 (сетевой) обеспечивает передачу данных через сеть. Управление сетью, реализуемое на этом уровне, состоит в выборе маршрута передачи данных по линиям, связывающим узлы сети. Для этой цели к фрагменту данных добавляется заголовок пакета. Фрагмент данных расширяется и превращается в пакет данных.
Уровень 2 (канальный) предназначен для обеспечения передачи данных по информационному (логическому) каналу сети. С этой целью к пакету данных добавляется заголовок кадра, содержащий адрес необходимого информационного канала, и концевик кадра с информацией для проверки искажения пакета на приёмной стороне. Пакет данных с заголовком и концевиком кадра образует кадр данных.
Уровень 1 (физический) реализует управление физическим каналом связи, что сводится к подключению и отключению канала связи и формированию сигналов, представляющих передаваемые данные.
Задачей всех семи уровней является обеспечение надёжного взаимодействия систем сети. При этом каждый уровень выполняет возложенную на него задачу. Однако уровни работают так, чтобы в нужных ситуациях подстраховывать и проверять работу других уровней. Так, если канальный уровень случайно пропустит ошибку, появившуюся при передачи информации, то её “поймёт” и исправит транспортный уровень и т.д.
Тема 2. Общая характеристика локальных сетей
Основными характеристиками локальной сети являются:
Разделение ресурсов. ЛВС обеспечивает коллективное использование (разделение между несколькими пользователями) различных периферийных устройств: лазерных принтеров, графопостроителей и т.д.
Разделение данных. ЛВС обеспечивает коллективное использование общих баз данных.
Разделение программных средств. ЛВС обеспечивает коллективное использование общих программ.
Электронная почта. ЛВС обеспечивает обмен информацией между АбС сети.
Существует большое разнообразие ЛВС, которые можно объединить в несколько групп согласно следующим критериям:
способ организации: реальные (одноранговые и с центральным управлением), искусственные;
наличие проводных соединений: проводные беспроводные;
топология: звезда
шина
кольцо;
технология: Ethernet
Token Ring
Arcnet
FDDI.
По способу организации сети подразделяются на реальные и искусственные. Реальные сети делятся на одноранговые и с центральным управлением. Более подробно они будут описаны во 2-ом вопросе.
Искусственные сети позволяют связывать компьютеры вместе через последовательные или параллельные порты и не нуждаются в специальных сетевых адаптерах. Иногда связь в такой сети называют связью по нуль-модему ( не используется модем) или через нуль-слот (поскольку ни один слот машины не занят сетевой платой). Сами сети называют сетями на нуль-модеме или нуль-слоте. Сеть на нуль-слоте предоставляет те же возможности, что и другие сети, но при этом она очень медлительна. Искусственные сети используются когда необходимо перекачать информацию с одного компьютера на другой. MS DOS 6.0 и 6.2 снабжены программой INTER LINK, которая обеспечивает возможность такой перекачки. Однако данная программа работает одновременно только с двумя компьютерами и не может связать три или более машин. Если это необходимо, то требуется специальное программное обеспечение Laplink.
Наибольшее распространение в наше время получили проводные сети. Именно они будут в дальнейшем рассмотрены более подробно. Однако более перспективными являются беспроводные сети. При этом используются инфракрасные лучи (волны в инфракрасном диапазоне) при небольшом расстоянии между АбС и волны радиочастот для региональных и глобальных сетей. Вскоре модемы сотовой (беспроводной) телефонной связи и переносные компьютеры с питанием от батарей могут послужить основой для создания виртуальных сетей, пользователи которых могут перемещаться в пространстве, не теряя при этом связи друг с другом. В наше время виртуальные сети очень дорогое удовольствие. Однако в будущем этот вид сетей должен получить широкое распространение.
Реальные ЛВС подразделяются на одноранговые сети и сети с централизованным управлением.
Одноранговые сети содержат в своем составе АбС идентичные по своим функциям: выполнение пользовательских программ, хранение и печать данных и другое. В условиях данного вида сети одна абонентская система имеет доступ к дискам и принтерам другой АбС, стоит лишь сделать этот компьютер АдС (сервером).
Достоинства одноранговых сетей:
Наиболее просты в установке и эксплуатации.
В сети любой компьютер, имеющий ресурсы для совместного использования, может быть сервером.
Для сервера сети не требуется специальная ОС. Он работает под управлением обычной DOS.
Недостатки:
в условиях одноранговых сетей затруднено решение вопросов защиты информации. Поэтому такой способ организации сети используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным.
В сети с централизованным управлением при установке сети заранее выделяются одна или несколько машин, управляющих обменом данных по сети (административные АбС). Диски выделенных машин (серверов) доступны всем остальным компьютерам сети. Остальные компьютеры (рабочие станции) имеют доступ к дискам файл-сервера и совместно используемым принтерам. С одной рабочей станции нельзя работать с дисками других станций.
Основным достоинством сети с централизованным управлением является более высокий уровень защиты данных.
К недостаткам централизованной сети, по сравнению с одноранговыми сетями, относятся:
Необходимость дополнительной ОС для сервера.
Сложность установки и модернизации сети.
Необходимость предварительного определения файл-сервера.
Топология (topology) - идентифицирует схему проводных соединений в сети.
В условиях звездообразной (радиальной) структуры (рис.2.1) организуется центральный узел (хаб, концентратор), через который посылаются все сообщения от АбС. Для подсоединения АбС к хабу используется витая пара проводов. Хаб представляет собой маленькую коробочку, к которой подсоединен пучок кабелей. Таким образом хаб обеспечивает связь компьютеров (АбС) друг с другом (аналогично коммутатору в телефонной сети).
Основным достоинством звездообразной структуры является независимость каждого радиального направления от остальных, т.е. неполадки на одном из участков кабеля никак не повлияют на работу остальных пользователей.
Для каждой АбС требуется прокладка “своего” кабеля.
Зависимость от надежности хаба (концентратора).
Невысокая скорость работы.
Рис.2.1. Звездообразная структура сети.
Наиболее распространенной топологией сети является топология типа “шина”. В этом случае все сетевые компьютеры (АбС) связаны линейно (рис.2.2) с помощью коаксиального кабеля.
Рис.2.2. Шинная архитектура сети.
Достоинства:
Относительно высокая надежность и скорость передачи.
Сеть можно легко развивать, добавляя новые разветвления.
Рис.2.3. Шинная архитектура сети с разветвлением.
при разрыве кабеля сеть теряет работоспособность.
ИВС на базе кольцевого канала передачи данных представлена на рис.2.4. В качестве точек подключения АбС в кольцо вставляются простейшие аппараты, называемые повторителями. Задачей повторителя является небольшая задержка проходящего через него пакета и усиление сигналов, передающих информацию. Указанная задержка необходима для того , чтобы станция могла, прочтя заголовок информации в проходящем мимо нее пакете, сделать в этом пакете необходимые пометки.
Рис.2.4. ИВС на базе кольцевого канала.
Существует несколько способов передачи информации через кольцо. Суть наиболее распространенного заключается в следующем. По кольцу в одном направлении движутся один за другим электронные “конверты”. Каждый из “конвертов” является группой электронных сигналов, чередующихся с паузой. Посылая сигналы во время паузы, можно заполнить “конверт” и превратить его в пакет или блок информации.
Структура циклического кольца проста, но имеет существенный недостаток. При обрыве кольца прекращается работа всей информационной сети. Поэтому в реальных сетях предпочтение отдается модернизированным кольцам.
Первая модернизация заключается в том, что в ЛВС используются 2 циклических кольца. В нормальном режиме передача информации ведется по обоим кольцам, но в разные стороны.
Рис.2.5. ИВС с 2 циклическими кольцами в аварийном режиме.
При обрыве два кольца замыкаются в единое целое кольцо.
Например, при обрыве в точках “аа” АбС, расположенные рядом с точками разрыва, переходят в аварийный режим. В этом режиме, кроме выполнения своих функций, каждая из АбС замыкает друг с другом внешнее и внутреннее теперь уже полукольцо в одно единое кольцо.
На следующем рисунке представлен еще один вид модернизации кольца. Вторая модернизация циклического кольца заключается в изменении топологии так, как это показано на рис.2.6. В центре устанавливается коммутатор. От коммутатора ко всем повторителям проведены лучи кольцевого канала.
Рис.2.6 Лучевое циклическое кольцо.
Коммутатор имеет столько переключателей, сколько может работать систем в ИВС. Когда переключатели находятся в таком положении, как представлено на рис. 2.6, пакеты проходят через каждую систему. Если в одном из лучей произошел обрыв, кольцо разрывается. В этом случае соответствующий переключатель коммутатора замыкается, восстанавливая движение по кольцу, но уже мимо вышедшего из строя луча и связанной с ним системы. Поврежденный луч отключается от кольца для ремонта.
Основное преимущество циклического кольца - высокая скорость передачи данных. Однако следует иметь в виду, что время передачи информации по кольцу зависит не только от скорости работы канала, но и числа систем включенных в сеть. Это связанно с тем, что около каждой системы конверт должен сделать остановку. Основным недостатком циклического кольца является его высокая стоимость и сложность включения систем.
Тема 3. Технические средства реализации физического и канального уровней локальной сети
Комитет по стандартизации ЛВС IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) уточнил структуру уровней 1 и 2 взаимодействия открытых систем, утвержденную Международной организацией стандартов (рис.3.1).
Канальный уровень делится на два подуровня:
Управление логическим каналом LLC (Logical Link Control). На этом уровне осуществляется передача кадров между станциями, включая исправление ошибок.
Управление доступом к передающей среде MAC ( Medium Access Control). Этот уровень определяет технологию работы сети, которая была описана в разделе 2.
Физический уровень делится на три подуровня:
Передача физических сигналов PS (Physical Signaling).
Интерфейс с устройством доступа AUI (Access-Unit Interface). Интерфейс представляет собой кабель, позволяющий размещать устройства PS на некотором расстоянии от носителя информации.
Подключение к физической среде PMA (Physical Medium Attachment).
Рис.3.1. Эталонная модель IEEE.
В качестве физической среды передачи наиболее часто используются: витая пара проводов (рис.3.2), коаксиальный кабель (рис.3.3), оптоволоконные линии (рис.3.4).
Рис.3.2 Двухпроводная линия (витая пара проводов).
Рис.3.3 Коаксиальный кабель.
Рис.3.4 Оптоволоконный проводник
с преобразователем (дешифратором).
Двухпроводная линия TP ( Twisted Pair) является наиболее дешевым носителем данных, ранее применяемых для обеспечения телефонных коммуникаций.
Основные достоинства:
Низкая стоимость.
Простота монтажных работ по подключению абонента к ЛВС.
Обязательно требуется hub (концентратор) при построении сети.
Плохая защищенность от электрических помех (без экранирования). Возможно экранирование (экранирование - металлическая оплетка вокруг отдельно скрученных проводов), но от этого увеличивается стоимость.
Простота несанкционированного подключения.
Жесткие ограничения на дальность (до 100 м между хабом и ПК, реально всего 23 м ) и скорость передачи (до 10 Мбит/с).
Витая пара может быть использована только в звездообразных ЛВС.
Коаксиальный кабель (Coaxial cable, обозначение: 10base2 - тонкий, 10base5-толстый) имеет среднюю цену, хорошо помехозащищен и применяется для связи на большие расстояния. В ЛВС применяются два основных вида коаксиального кабеля:
Широкополосный толстый (10base5 - протяженность 500 м).
Широкополосный тонкий (10base2 - протяженность 200 м).
В любом случае коаксиальный кабель состоит из четырех частей (рис.3.3):
Внутренний проводник.
Слой изолирующего покрытия.
Экран.
Наружное пластиковое покрытие.
Оптоволоконные линии передают световые сигналы или сигналы в инфракрасном диапазоне. Кабель состоит из светопроводящего наполнителя на кремниевой или пластмассовой основе, заключенного в материал с низким коэффициентом преломления. Благодаря этому световые лучи отражаются от внутренней поверхности кабеля, и потери световой энергии сокращаются до минимума.
Для обмена информацией по оптоволоконному кабелю необходимо преобразовывать электрические сигналы в световые при передачи информации и, наоборот - световые в электрические при приеме. В первом случае используются светодиоды, во втором случае - фотодиоды.
Достоинство:
Небольшая масса.
Скорость передачи больше 1Гбит/с.
Невосприимчивость к электрическим помехам.
Полностью пожаро- и взрывобезопасны.
Дальность передачи более 50 км.
Обладают противоподслушивающими свойствами, так как техника ответвлений очень сложна.
высокая стоимость;
сигнал может передаваться только в одном направлении.
Применяется там, где возникают электромагнитные поля помех или требуется передача данных на очень большие расстояния без использования повторителей. Оптоволоконные линии используются при организации сети типа кольцо.
Каждый из указанных носителей отличается по ряду показателей, сравнительная характеристика значений которых представлена в табл. 3.1
Таблица 3.1
Сводная характеристика передающих сред
