Локальные вычислительные сети

В отличие от вычислительных сетей, создаваемых на базе больших ЭВМ и охватывающих значительную территорию, сети на базе ПЭВМ получили название локальных, т.к. они ориентированы в первую очередь на объединение вычислительных машин и периферийных устройств, сосредоточенных на небольшом пространстве (например, в пределах одного помещения, здания, группы зданий в пределах нескольких километров). Появление локальных вычислительных сетей (ЛВС) позволило значительно повысить применение СВТ за счет рационального использования аппаратных, программных и информационных ресурсов вычислительной системы, значительного улучшения эксплуатационных характеристик и создания максимальных удобств для работы конечных пользователей.

Локальные сети получили широкое распространение. Они могут иметь любую структуру, но чаще всего компьютеры в ЛВС связаны единым высокоскоростным каналом передачи данных. К преимуществам локальной сети можно отнести: использование в многопользовательском режиме общих ресурсов сети (дисков, модемов, принтеров, программ и данных), возможность передачи информации с одного компьютера на другой, сравнительно низкая стоимость, высокая живучесть и простота комплексирования эксплуатации ЛВС, оснащенность современными операционными системами различного назначения, высокая скорость передачи данных.

Все множество видов ЛВС можно разделить на четыре группы:

· к первой группе относятся ЛВС, ориентированные на массового пользователя. Такие ЛВС объединяют в основном персональные ЭВМ с помощью систем передачи данных;

· ко второй группе относятся ЛВС, объединяющие, кроме ПЭВМ, микропроцессорную технику, встроенную в технологическое оборудование (средства автоматизации проектирования, обработка документальной информации, кассовые аппараты и т.д.), а также средства электронной почты;

· к третьей группе относятся ЛВС, объединяющие ПЭВМ, мини ЭВМ и ЭВМ среднего класса. Эти ЛВС используются при организации управления сложными производственными процессами с применением робототехнических возможностей и гибких автоматизированных модулей, а также для создания систем автоматизации проектирования, систем управления научными исследованиями и т.д.

· для ЛВС четвертой группы характерно объединение в своем составе всех классов ЭВМ. Такие ЛВС применяются в сложных системах управления крупным производством и даже отдельной отраслью: они включают в себя основные элементы всех предыдущих групп ЛВС.

По топологическим признакам ЛВС делятся на сети следующих типов: с общей шиной (шинная), кольцевые, иерархические, радиальные, многосвязные.

В ЛВС с общей шиной одна из машин служит в качестве системного обслуживающего устройства, обеспечивающего централизованный доступ к общим файлам и базам данных, печатающим устройствам и другим вычислительным ресурсам. ЛВС данного типа популярны благодаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, легкости расширения сети. К недостаткам шинной топологии следует отнести необходимость использования довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.

Кольцевая топология характеризуется тем, что информация по кольцу может передаваться только в одном направлении и все подключенные ПЭВМ могут участвовать в ее приеме и передаче. При этом абонент - получатель должен пометить полученную информацию специальным маркером, иначе могут появиться “заблудшие” данные, мешающие нормальной работе сети.

Как последовательная конфигурация кольцо особенно уязвимо в отношении отказов: выход из строя какого-либо сегмента кабеля приводит к прекращению обслуживания всех пользователей.

Иерархическая ЛВС (конфигурация типа “дерево”) представляет собой более развитый вариант структуры ЛВС, построенной на основе общей шины. Дерево образуется путем соединения нескольких шин с корневой системой, где размещаются самые важные компоненты ЛВС. Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛВС несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории, и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих десятки и даже сотни абонентов.

Радиальную (звездообразную) конфигурацию можно рассматривать как дальнейшее развитие структуры “дерево с корнем” с ответвлением к каждому подключенному устройству. В центре сети обычно размещается коммутирующее устройство, обеспечивающее жизнеспособность системы. ЛВС такой топологии находят наиболее частое применение в автоматизированных учрежденческих системах управления, использующих центральную базу данных. Звездообразные ЛВС менее надежны, чем сети с общей шиной или иерархические. К недостаткам также можно отнести значительное потребление кабеля.

Наиболее сложной и дорогой является многосвязная топология, в которой каждый узел связан со всеми другими узлами сети. Эта топология ЛВС применяется очень редко, в основном там, где требуются исключительно высокие надежность сети и скорость передачи данных.

На практике чаще встречаются смешанные (гибридные) ЛВС, приспособленные к требованиям конкретного заказчика и сочетающие фрагменты шинной, звездообразной и других топологий.

Основными аппаратными компонентами ЛВС являются:

· рабочие станции

· серверы

· интерфейсные платы

· кабели

Рабочие станции - это, как правило, персональные ЭВМ, которые являются рабочими местами пользователей сети.

Серверы ЛВС выполняют функции распределения сетевых ресурсов. Обычно его функции возлагают на достаточно мощный ПК, мини ЭВМ, большую ЭВМ или специальную ЭВМ - сервер. В одной сети может быть один или несколько серверов.

В серверных ЛВС реализованы две модели взаимодействия пользователей с рабочими станциями (РС): модель «файл – сервер» и модель «клиент – сервер».

В первой модели сервер обеспечивает доступ к файлам базы данных для каждой рабочей станции, и на этом его работа заканчивается. Например, если используется база данных типа «файл – сервер» для получения сведений о налогоплательщиках, проживающих на какой - либо конкретной улице, по сети будет передана вся таблица по городу, и решать, какие записи в ней удовлетворяют запросу, а какие нет, приходится самой рабочей станции.

В модели “клиент - сервер” прикладная система делится на две части: внешнюю, обращенную к пользователю и называемую клиентом, и внутреннюю, обслуживающую и называемую сервером. Сервером является машина, обладающая ресурсами и предоставляющая их, а клиентом - потенциальный потребитель этих ресурсов. Роль ресурсов может играть файловая система (файловый сервер), процессор (вычислительный сервер), база данных (сервер БД), принтер (принтер - сервер) и др. Так как сервер (или серверы) обслуживает одновременно многих клиентов, то на серверном компьютере должна функционировать многозадачная операционная система.

В модели “клиент - сервер” сервер играет активную роль, ибо его программное обеспечение заставляет сервер “сначала подумать, а потом сделать”. Потоки информации, текущие по сети, становятся меньшими, поскольку сервер сначала обрабатывает запросы, а затем посылает клиенту то, в чем он нуждается. Сервер также контролирует допустимость обращения к записям на индивидуальной основе, что обеспечивает большую безопасность данных. В модели “клиент - сервер”, созданной на основе ПЭВМ, предлагается следующее:

· сеть содержит значительное количество серверов и клиентов;

· основу вычислительной системы составляют рабочие станции, каждая из которых функционирует как клиент и запрашивает информацию, которая находится на сервере;

· пользователь системы освобожден от необходимости знать, где находится требуемая ему информация, он просто запрашивает то, что ему нужно;

· система реализуется в виде открытой архитектуры, объединяющей ЭВМ различных классов и типов с различными системами.

Важнейшими параметрами, которые должны учитываться при выборе компьютера - сервера, являются: тип процессора, объем оперативной памяти, тип и объем жесткого диска и тип дискового контроллера. Значения указанных параметров зависят от решаемых задач, организации вычислений в сети, загрузки сети, используемой ОС и других факторов.

Рабочие станции и серверы в сети соединяются друг с другом посредством линий передачи данных, в роли которых выступают кабели. Подключение компьютеров к кабелю осуществляется с помощью интерфейсных плат - сетевых адаптеров. В проводных сетях в качестве физической связи в каналах используются:

· плоский двухжильный кабель,

· витая пара проводов,

· коаксиальный кабель,

· световод (оптово-волоконный кабель).

В последнее время стали появляться беспроводные сети, где используются частотные каналы передачи данных (средой является эфир). Основное преимущество беспроводных технологий - это возможности, предоставляемые пользователям портативных компьютеров. Однако скорость передачи в беспроводных технологиях не может пока сравниваться с пропускной способностью кабеля.

По методам доступа в ЛВС выделяются такие наиболее распространенные сети, как Ethernet, ARCnet, Token Ring.

Метод доступ Ethernet, пользующийся наибольшей популярностью, обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Для него используется топология “общая шина”, поэтому сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к общей шине. Но поскольку сообщение включает адреса станций отправителя и адресата, то другие станции это сообщение игнорируют. Это метод множественного доступа. При нем перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если свободен, то станция начинает передачу.

Метод доступа ARCnet получил распространение в силу дешевизны оборудования. Он используется в ЛВС со звездообразной топологией. Одна из ПЭВМ создает специальный маркер (сообщение специального вида), который последовательно передается от одной ПЭВМ к другой. Если станция передает сообщение другому компьютеру, она должна дождаться маркера и добавить к нему сообщение, дополненное адресами отправителя и назначения. Когда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет отделено от маркера и передано станции.

Метод доступа Token Ring рассчитан на кольцевую топологию и также использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. Но при нем имеется возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям. При этом методе маркер перемещается по кольцу, давая последовательно расположенным на нем компьютерам право на передачу. Если компьютер получает пустой маркер, он может заполнить его сообщение кадром любой длины, однако лишь в течение того промежутка времени, который отводит специальный таймер для нахождения маркера в одной точке сети. Кадр перемещается по сети и каждая ПЭВМ регенерирует его, но только принимающая ПЭВМ копирует этот кадр в свою память и отмечает его как принятый, однако не выводит сам кадр из кольца. Эту функцию выполняет передающий компьютер, когда его сообщение возвращается к нему обратно. Тем самым подтверждается факт передачи сообщения.

Компьютерные сети, в которых нет выделенного сервера, а все локальные компьютеры могут общаться друг с другом на равных правах, называются одноранговыми.

Сетевое программное обеспечение, поддерживающее функционирование ЛВС и обеспечивающее организацию услуг сети и доступ пользователя к этим услугам, реализуется сетевой операционной системой. Сетевая операционная система необходима для работы сети также, как для локального ПК нужна одна из ОС: MS DOS, WINDOWS, UNIX и др.

Сетевая операционная система выполняет на файловом сервере помимо функций, присущих обычной ОС (доступ к диску, хранение файлов, использование памяти), функции защиты данных, размещаемых на файловом сервере, от несанкционированного доступа и управляет правами пользователя. Кроме того, сетевая ОС обеспечивает работу со всеми рабочими станциями, на которых могут быть установлены различные операционные системы.

В настоящее время широко используются 32-разрядные сетевые операционные системы (или сетевые службы): NetWare 4.1 - фирмы Novell, Windows NT Server 4.0 фирмы Microsoft, Vines 6.0 фирмы Banyan, OS/2 Warp Advanced Server фирмы IBM, сетевые ОС семейства UNIX и др.

Оценить сетевую ОС можно по ее соответствию основным требованиям к сетевой среде, а именно по возможности:

· совместного использования файлов и принтеров при высокой производительности;

· эффективного выполнения прикладных программ, ориентированных на архитектуру клиент - сервер, в т.ч. прикладных программ производителей;

· работать на различных платформах и с различным сетевым оборудованием;

· обеспечить интеграцию с INTERNET;

· реализации дистанционного доступа к сети;

· организации внутренней электронной почты, групповых дискуссий;

· обеспечения доступа к ресурсам в территориально разбросанных, многосерверных сетях с помощью служб каталогов и имен.

Любая из перечисленных выше сетевых ОС может быть названа лучшей, хотя ни одна из них не может удовлетворить все требования пользователя полностью. Для удовлетворения всех требований к сетевой обработке целесообразно объединять сетевые ОС разных производителей. В настоящее время в большинстве сетей используются несколько сетевых ОС.

В целях достижения универсальности и производительности часто совместно применяют NetWare и Windows NT Server. При этом NetWare используют для работы с файлами и обслуживания печати, а Windows NT - для обмена сообщениями и работы серверов приложений, таких как СУБД на различных платформах.