Понятие и классификация Локальных вычислительных сетей

Компьютерная сеть – совокупность программно-технических средств, обеспечивающих обмен информацией между двумя и более пользователями, работающими на разных (автономных) компьютерах, соединенных между собой.

Компьютерные сети создаются для того, чтобы дать возможность территориально разобщенным пользователям обмениваться информацией между собой, использовать одинаковые программы, общие информационные и аппаратные ресурсы.

Под ресурсами понимаются данные, приложения (программы), различные периферийные устройства (принтеры, модемы, сканеры, жесткие и гибкие диски и т.д.).

По некоторым оценкам, более половины действующих ЭВМ подключены к сетям.

Использование компьютерных сетей имеет множество преимуществ:

Снижение затрат за счет коллективного использования разнообразных баз данных и аппаратных средств

Стандартизация приложений – все пользователи работают на одном и том же ПО (программном обеспечении), «говорят на одном языке»

Оперативность получения информации без отрыва от рабочих мест

Эффективное взаимодействие и планирование рабочего времени (проведении дискуссий, оперативных совещаний без отрыва от рабочих мест)

Общими компонентами всех сетей являются:

Серверы (server) – компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям;

Клиенты (client), рабочие станции – компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемыми сервером (серверами);

Среда (media) – средства передачи информации;

Совместно используемые данные – файлы, передаваемые серверами по сети;

Совместно используемые периферийные устройства.

Сети появились в результате творческого сотрудничества специалистов вычислительной техники и техники связи. Вычислительные сети подразделяются на два вида: локальные и глобальные.

Для создания единого информационного пространства, способного охватить всех пользователей предприятия и предоставления им информационно созданную в разное время и в разном программном обеспечении используют локальную вычислительную сеть (ЛВС). Под ЛВС понимают совместное подключение нескольких отдельных компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к единому каналу передачи данных. Самая простая сеть (англ. Network) состоит как минимум из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем. Это позволяет им использовать данные совместно. Все сети (независимо от сложности) основываются именно на этом простом принципе. Рождение компьютерных сетей было вызвано практическими потребностями - иметь возможность для совместного использования данных.

Понятие локальная вычислительная сеть (англ. LAN-Lokal Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связанны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодаря такому соединению пользователь может взаимодействовать с другими рабочими станциями, подключенными с этой ЛВС.

Локальные вычислительные сети классифицируются по нескольким признакам:

Существует два основных типа сетей: одноранговые и сети на основе сервера. В одноранговой сети все компьютеры равноправны т.е. нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного (англ. dedicated) сервера. Как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер; иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Все пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступным по сети. На сегодняшний день одноранговые сети бесперспективны. Если к сети подключено более 10 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей используют выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. Существуют и комбинированные типы сетей, совмещающие лучшие качества одноранговых сетей и сетей на основе сервера.

В производственной практики ЛВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему. Все ЛВС работают в одном стандарте, принятом для компьютерных сетей - в стандарте Open Systems Interconnection (OSI).

Глобальные сети. Для работы в глобальной сети требуется модем. При этом асинхронная передача каждого символа (буквы или цифры) осуществляется с помощью десяти битов (8 бит требуется для передачи символа и два бита служебных - стартовый и стоповый).

Таким образом, при скорости передачи данных 28800 бит/с в линию передается 2880 символов в секунду. При такой скорости передачи данных для пересылки одной страницы текста, содержащей 3000 символов, потребуется чуть больше одной секунды.

Скорость работы современных модемов различна. Разработаны промышленные модели модемов, работающие со скоростями 14400 бит/с, 16800 бит/с, 28800 бит/с, 33600 бит/с и 56000 бит/с.

В настоящее время в мире зарегистрировано более 200 глобальных сетей. Глобальные сети (как и локальные) состоят из компьютеров, соединенных каналами связи. Глобальные вычислительные сети (ГВС) всего мира объедены между собой с помощью Internet.

Для работы в ГВС пользователю необходимо иметь соответствующее аппаратное и программное обеспечение. В простейшем случае из аппаратных средств нужно дополнительно установить модем, с помощью которого осуществляется связь по телефонной линии (например, из квартиры).

Программное обеспечение делится на два класса:

программы-серверы, размещенные на том узле сети, который обслуживает компьютер пользователя;

программы-клиенты, которые находятся на компьютере пользователя и пользуются услугами сервера.

Глобальные сети предоставляют пользователям разнообразные услуги:

работа с распределенными базами данных,

электронная почта,

телеконференции,

общение в реальном масштабе времени,

пересылка файлов и т.д.

Каждая услуга (иногда говорят служба, сервис) работает по определенным правилам (протоколам).

Для реализации каждой сетевой услуги требуются своя программа-сервер и своя программа-клиент. Например, существуют почтовые серверы и клиенты, серверы и клиенты телеконференций (новостей).

В то же время современные программы-навигаторы (исследователи, браузеры, обозреватели) постепенно берут на себя функции отдельных служб глобальной сети и становятся “универсальными” клиентами.

Термин “сервер” имеет второе значение.

Сервером называют также и компьютер, на котором установлены программы-серверы. На одном сервере-компьютере может работать сразу несколько программ-серверов. Чаще всего мы будем понимать под термином ("сервер" некий компьютер)

Топологии вычислительных сетей

Термин «топология сети» относится к пути, по которому данные перемещаются по сети. Существуют три основных вида топологий: «звезда», «кольцо» и «общая шина».

Топология типа «звезда»

Рисунок 1.1 - Топология типа " Звезда"

Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой главная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных (рис.1.1). Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте сети RelCom. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети.

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает.

Кабельное соединение довольно простое, мак как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде «звезды» является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Центральный узел управления - файловый сервер реализует оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

Кольцевая топология

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географическое расположение рабочих станций далеко от формы кольца.

Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, мак как большинство сообщений можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, мак как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, мак как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Шинная топология

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети.

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet – кабель с тройниковым соединителем. Отключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

Новые технологии предлагают пассивные штепсельные коробки, через которые можно отключать и/или подключать рабочие станции во время работы вычислительной сети.

Благодаря тому, что рабочие станции можно подключать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию, т.е. ответвлять информацию из коммуникационной среды.

В ЛВС с прямой (не модулируемой) передачей информации всегда может существовать только одна станция, передающая информацию. Для предотвращения коллизий в большинстве случаев применяется временной метод разделения, согласно которому для каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи данных. Поэтому требования к пропускной способности вычислительной сети при повышенной нагрузке повышаются, например, при вводе новых рабочих станций. Рабочие станции присоединяются к шине посредством устройств ТАР (англ. Terminal Access Point – точка подключения терминала). ТАР представляет собой специальный тип подсоединения к коаксиальному кабелю. Зонд игольчатой формы внедряется через наружную оболочку внешнего проводника и слой диэлектрика к внутреннему проводнику и присоединяется к нему.

В ЛВС с модулированной широкополосной передачей информации различные рабочие станции получают, по мере надобности, частоту, на которой эти рабочие станции могут отправлять и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах, т.е. между средой передачи информации и рабочими станциями находятся соответственно модели для модуляции и демодуляции. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объем информации. Для дальнейшего развития дискретной транспортировки данных не играет роли, какая первоначальная информация подана в модем (аналоговая или цифровая), так как она все равно в дальнейшем будет преобразована.

Таблица 1.1 - Основные характеристики трех наиболее типичных типологий вычислительных сетей