Типовые сетевые архитектуры

При всём многообразии конкретных реализаций современных инфор­мационных сетей, абсолютное большинство из них имеет в своей основе ту или иную типовую архитектуру.

На сегодняшний день принято определять пять типовых архитектур по­строения информационных сетей:

· архитектура терминал-главный компьютер;

· одноранговая архитектура;

· архитектура клиент-сервер;

· архитектура компьютер-сеть;

· архитектура интеллектуальной сети.

Следует отметить, что в рамках каждой из типовых архитектур сущест­вует определённое разнообразие подходов к реализации сетевой архитек­туры, но в основе своей все они укладываются в границы той или иной базо­вой концепции построения информационной сети, из числа упомянутых выше.

3.1. АРХИТЕКТУРА ТЕРМИНАЛ-ГЛАВНЫЙ КОМПЬЮТЕР

Архитектура «терминал-главный компьютер» (terminal-host computer architecture, англ.) – концепция построения информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется в одном либо группе главных компью­теров.

Эта архитектура определяет два типа оконечного сетевого оборудова­ния (Data Terminal Equipment – DTE [1]). Первый из них осуществляет хранение данных, их обработку, маршрутизацию в сети, управление сетью. Этот тип представлен так называемыми главными (центральными) компьютерами или мэйнфреймами (mainframe, англ.). Главные компьютеры в общем случае че­рез мультиплексоры-демультиплексоры [2] взаимодействуют со вторым типом оконечного оборудования – терминалами [3] (рис.3.1.), задачами которого явля­ются:

· передача мэйнфрейму[4] команд на организацию сеансов и выполне­ние заданий;

· ввод в мэйнфрейм данных, необходимых для выполнения заданий;

· получение от мэйнфрейма результатов проведенных расчетов.

Главный компьютер с группой терминалов образуют централизован­ный комплекс обработки данных. Здесь функции взаимодействия партнеров (мэйнфрейма и терминалов) резко асимметричны.

Во время появления рассматриваемой архитектуры Персо­нальных Компьютеров (ПК) ещё не было. Поэтому, неравно­пра­вие партнёров опреде­лялось сложностью и дорого­визной выпус­кавшихся базовых компьютеров, а также стремле­нием упростить оборудование, находящееся на рабочих местах специалистов, сделать его малогабаритным и экономически вы­годным. В сети используется один тип ОС, на котором работает мэйнфрейм.

Мэйнфрейм – классический пример централизации вычис­лений, по­скольку в едином комплексе сконцентрированы все ин­формационные и вы­числительные ресурсы, хранение и обработка огромных массивов данных.

Основные достоинства централизованной архитектуры «терминал-главный компьютер» обусловлены простотой админи­стрирования и защиты информации. Все терминалы были одно­типными, а, следовательно, устрой­ства на рабочих местах поль­зователей вели себя предсказуемо и в любой мо­мент могли быть заменены. Затраты на обслуживание терминалов и линий связи легко прогнозировались.

Классическим примером архитектуры сети с центральным компьюте­ром является известная сеть ALOHA (привет, гавай­ский яз.), представляю­щая собою сеть Гавай­ского университета. Сеть начала работать в 1970г. Она обеспечивала связь между центральной вычислительной машиной, располо­женной в Гоно­лулу, и терминалами, расположенными на всех островах Гавай­ского архипелага. Сеть ALOHA не использовала мультиплек­соры-де­мультиплек­соры. Вместо них для связи были выделены два радиочастотных канала: один отводился для передачи сооб­щений от мэйнфрейма к термина­лам, второй – в обратном на­правлении. Разделение второго канала между терминалами осу­ществлялось по методу случайного доступа.

В сетях рассматриваемой архитектуры постепенно терминалы заменя­лись ПК. Вследствие этого, часть функций обработки данных, ранее выпол­нявшихся мэйнфреймами, переходила на ПК. Помимо этого, с центральных компьютеров также снимались задачи коммутации и маршрутизации, кото­рые передавались узлам коммутации. Вместо мультиплексоров-демультип­лексоров стало использоваться специальное коммуникационное оборудова­ние (DCE).

В результате, постепенно архитектура «терминал-главный компьютер» в её чистом виде была преимущественно вытеснена другими архитектурами и, прежде всего, архитектурой «клиент-сервер».

3.2. ОДНОРАНГОВАЯ АРХИТЕКТУРА СЕТИ

Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) – концепция ин­формационной сети, в которой каждая рабочая станция может предоставлять и потреблять ресурсы. Иногда такую сеть (архитектуру) называют пиринго­вой. ^[5]

Архитектура одноранговой сети характеризуется тем, что в ней все ра­бочие станции (компьютеры) равноправны (рис.3.2)и их обращение к ресурсам друг друга является симметричным. Благодаря этому, пользователь может выполнять распределенную обработку данных, работать с прикладными про­граммами, внешними устройствами, а также файлами, находя­щимися в любых системах. Одноранговая ар­хитектура обес­печивает:

· подключение одноранговой сети в качестве единого клиента к боль­шой локальной сети, основанной на архитектуре клиент-сервер;

· облегченную организацию телеконференций.

Роль, которую играет каждый компьютер во взаимодействиях с дру­гими компьютерами сети при предоставлении некоторого сервиса, не фикси­руется, как это имеет место, например, в архитектуре «клиент-сервер», а за­висит от контекста выполняемой операции и от характеристик текущей си­туации. В одних случаях компьютер может быть сервером, в других - клиен­том.

Эта архитектура характеризуется простотой организации сети, легко расширяется.

Основными преимуществами одноранговой архитектуры перед архи­тектурами «терминал-главный компьютер» и «клиент-сервер» выступают низкая стоимость, простота эксплуатации и хорошее отражение реального процесса работы групп пользовате­лей. Именно здесь предоставляются удоб­ные формы передачи данных друг другу и извлечения необходимых про­грамм и данных из всех компьютеров сети.

Использование одноранговой архитектуры не исключает применение в этой же сети также элементов архитектур других типов. В таком случае при­нято говорить об интегральной архитектуре, при использовании которой одни виды взаимодействия происходят при выполнении симметричных, а другие – несимметричных (относительно объектов сети) протоколов.

На этапе раннего развития персональных компьютеров одноранговая сеть с равноправными узлами была общепринятым способом совместного использования файлов и периферийных устройств. Одноранговые сети по­требляют достаточно мало ресурсов компьютера, однако интенсивная работа в сети существенно замедляет непосредственную работу пользователя на сервере.

Основные ограничения для одноранговых сетей следующие:

· Количество компьютеров в одноранговой сети должно быть в преде­лах 10 – 30, в зависимости от интенсивности обмена информационными со­общениями в сети.

· Не принято использовать рабочие станции, связанные одноранговой сетью, в качестве серверов приложений. [6] Эти сети предназначены для разделе­ния таких ресурсов, как файлы, многопользовательские базы данных, периферийное оборудование (принтеры, сканеры и др.).

· Работа приложений на компьютере, служащем сервером в одноранго­вой сети, ухудшается, когда ресурсы этого компьютера использу­ются другими. Можно управлять степенью ухудшения производительности, назначая более высокие приоритеты локальным задачам, однако при этом замедляется доступ других пользователей сети к её разделяемым аппаратным и программным ресурсам.

Проблемой одноранговой сети является ситуация, когда рабочая стан­ция (станции) отключается от сети. В этих случаях из сети исчезают те виды сервиса, которые предоставляла отключенная станция. Поэтому возникает потребность осуществлять мониторинг состояния компонентов сети, которые могут независимо отключаться от нее в любое время. Усложняется решение проблем безопасности и обеспечения целостности данных.

Одноранговая архитектура эффективна в небольших локальных сетях. В крупных сетях (с большим числом станций), в том числе локальных, она уступает место архитектуре клиент-сервер.

Одной из первых одноранговых сетевых систем была система PC LAN фирмы IBM, разработанная в кооперации с Microsoft. PC LAN была проста в установке и управлении, не требовала привлечения администратора сети для поддержания ее работоспособности. Однако когда количество соединенных в такую сеть компьютеров приближалось к сотне, характеристики системы резко ухудшались.

Изначально на одноранговой архитектуре основывалась и ведомствен­ная сеть ARPANet (см. раздел 5 настоящего пособия), впоследствии ставшая стартовым ядром Internet.

В 90-х годах прошлого столетия одноранговая архитектура, в силу при­сущих ей ограничений, сдала позиции в пользу других сетевых архитектур. Однако в настоящее время вновь оживился интерес к этой сетевой концеп­ции. Не в последнюю очередь, это связано с резко возросшими показателями производительности рабочих станций. Появились исследовательские про­екты, системные прототипы и программные продукты, посвященные этой проблематике. Продолжается поиск и новых технических решений. Вполне можно предположить, что многие распределенные системы нового поколе­ния станут базироваться на одноранговой архитектуре.

3.3. АРХИТЕКТУРА КЛИЕНТ-СЕРВЕР

Архитектура клиент-сервер (CSA – Client-Server Architec­ture, англ.) – концепция организации сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредо­точена в серверах, обслуживающих своих клиентов.

Техническая революция, вызванная появлением ПК, сделала возмож­ным во многих случаях иметь вычислительные и инфор­мационные ресурсы на рабочем столе пользователя и управлять ими по собственному желанию с помощью оконного графиче­ского интерфейса. Увеличение производительно­сти ПК позво­лило перенести части системы (интерфейс с пользователем, при­кладную логику) для выполнения на ПК, непосредственно на ра­бочем месте, а функции обработки данных оставить на централь­ном компьютере. Система стала распределенной – одна часть функций выполняется на цен­тральном компьютере, другая – на персональном, который связан с цен­тральным посредством ком­муникационной сети. Таким образом, появилась клиент-сервер­ная модель взаимодействия компьютеров и программ в сети и на этой основе стали развиваться средства разработки приложений для реа­лизации информационных систем [8].

Как следует из названия, архитектура CSA определяет два типа взаи­модействующих в сети компонентов: серверы и клиенты. Каждый из них яв­ляется комплексом взаимосвязанных прикладных программ. Серверы[7] предос­тавляют ресурсы, необходимые пользователям. Клиенты используют эти ресурсы и предоставляют удобные пользовательские интерфейсы.

Термины «клиент» и «сервер» обозначают роли, которые играют раз­личные компоненты в распределенной среде вычислений. Компоненты «кли­ент» и «сервер» не обязательно должны работать на разных машинах, хотя чаще всего именно так и бывает – клиент-приложение находится на рабочей станции пользователя, а сервер – на специальной выделенной машине.

Клиент формирует запрос на сервер для выполнения соответствующих функций. Например, файл-сервер обеспечивает хранение данных общего пользования, организует доступ к ним и передает данные клиенту. Обработка данных распределяется в том или ином соотношении между сервером и кли­ентом. В последнее время долю обработки, приходящуюся на клиента, стали называть «толщиной» клиента.

В современной архитектуре «клиент-сервер» выделяется четыре группы объектов: клиенты, серверы, данные и сетевые службы. Клиенты располагаются в системах (например, компьютерах), находящихся на рабо­чих местах пользователей. Данные, в основном, хранятся в серверах. Сетевые службы являются совместно используемыми прикладными программами, ко­торые взаимодействуют с клиентами, серверами и данными. Кроме этого, службы управляют процедурами распределенной обработки данных, инфор­мируют пользователей о происходящих в сети изменениях.

В зависимости от сложности выполняемых прикладных процессов и числа работающих клиентов различают двух- и трехуровневые архитектуры.

Наиболее простой является двухуровневая (Two-tier archi­tecture, англ.) архи­тектура (рис.3.3). Здесь, клиенты выполняют простые операции обработки данных, отрабатывают интерфейс взаимодействия с сервером, обращаются к нему с запросами. Большую же часть задач обработки выполняет сервер, ко­торый для этих целей зачастую имеет базу данных (БД) и в этом случае на­зывается сервером базы данных. Сервер БД отвечает за хране­ние, управление и целостность данных, а также обеспечивает возможность одновременного дос­тупа нескольких пользователей. Клиентская часть представлена «тол­стым клиентом», то есть приложением, на котором сконцентрированы ос­новные правила работы системы и расположен программный пользова­тель­ский интерфейс.

При всей простоте построения такой архитектуры, она обладает серь­ёзными не­достатками, наиболее су­щественные из которых – высокие требо­вания к сетевым ресурсам и пропускной спо­собности сети, а также слож­ность обновления про­граммного обеспечения из-за логики взаимодействия, распределённой ме­жду клиентом и сервером БД. Кроме того, при большом количе­стве клиентов возрастают требования к аппаратному обеспечению сервера БД – самого дорогостоящего узла в лю­бой информационной системе.

Следующим шагом развития клиент-сервер­ной архитектуры стало внедрение среднего уровня, реализующего за­дачи управления механиз­мами доступа к БД (рис.3.4). В трехуровневой архитектуре (three-tierar­chitecture, англ.) вместо единого сервера приме­няются серверы приложе­ний и серверы БД. Их ис­пользование позволяет резко увеличивать произ­водительность локальной сети.

Плюсы данной ар­хитектуры очевидны. На сервере приложений, стало возможно подклю­чать различные БД. Те­перь, сервер базы данных освобожден от задач распараллеливания работы между различными пользо­вателями, что существенно снижает его аппаратные требования. В такой си­туации оказалось возможным снизить требования к клиентским машинам за счет выполнения ресурсоемких операций сервером приложений и решающих теперь только задачи визуализации данных. Поэтому такой вариант CSA часто называют архитектурой «тонкого клиента».

Но узким местом здесь, как и в двухуровневой CSA, остаются повы­шенные требования к пропускной способности сети, что накладывает жест­кие ограничения на использование таких систем в сетях с неустойчивой свя­зью и малой пропускной способностью (сети мобильной связи, GPRS, а в ряде случаев и Internet).

Дальнейшее развитие CSA связано с многоуровневой архитектурой (N-tier architecture, англ.), которая использует средства разделения программ или распределенные объекты для разделения вычислительной нагрузки среди такого количества серверов приложений, которое необходимо при имею­щемся уровне нагрузки. При многоуровневой модели системы количество возможных клиентских мест значительно больше, чем при использовании двух- и трехзвенной моделей.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Служба тематических толковых словарей «Glossary Commander». (http://www.glossary.ru).

…

…

…

8. Альперович М. Еще раз об архитектуре «клиент-сервер». «Компьютер-Информ». 1997г., № 2

[1] Оконечное оборудование [данных] – DTE, представляет собою тип сете­вых устройств, генерирующих или принимающих данные в соответствии с принятыми протоколами, выполняющих их обработку и хранение и функ­ционирующих под управлением прикладного процесса [1].

Наряду с оборудованием DTE, в сетях широко используется еще один тип оборудования – DCE (Data Commu­nication Equipment, англ. – комму­никационное оборудование), не являющегося источником или конечным получателем данных.

[2] Мультиплексор – устройство, создающее из нескольких отдельных информационных потоков общий агрегированный поток, который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Демультиплексор – устройство, разделяющее суммарный агрегированный поток на несколько составляющих потоков.

[3] Терминал - устройство для оперативного ввода и вывода информации, используемое при взаимодействии удалённого пользователя с вычислительной машиной или сетью.

[4] Термин «мэйнфрейм» в общем случае имеет два толкования: 1. Большая универсальная ЭВМ — высокопроизводительный компьютер со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ. 2. Компьютер с архитектурой IBM System/360, 370, 390, zSeries.

[5] Пиринговая – от английского peer-to-peer – равный с равным.

[6] Сервер приложений – компьютер, позволяющий другим компьютерам запускать операционную систему и приложения с него, а не со своих локальных дисков.

[7] Наиболее распространены следующие виды серверов: файл-серверы, северы баз данных, серверы печати, серверы электронной почты, WEB-серверы и другие. В последнее время интенсивно внедряются многофункциональные серверы приложений.