Апаратно-програмні засоби ІОМ

Весь комплекс програмно-апаратних засобів мережі може бути описаний багатошаровою моделлю. Перший шар представлений апаратним шаром стандартизованих комп’ютерних платформ. У наш час в мережах широко і успішно застосовуються комп’ютери різних класів від персональних комп’ютерів до мейнфеймов і суперЕОМ. Набір комп’ютерів мережі повинен відповідати набору різноманітних задач, що вирішуються мережею.

Другий шар утворюють канали передачі даних та комунікаційне обладнання. Як за вартістю, так і за впливом на показники ІОМ комунікаційне обладнання не поступається власне комп’ютерам; комунікаційний пристрій може являти собою складний спеціалізований мультипроцесор, який треба конфігурувати, оптимізувати і адмініструвати.

Перший і другий шари відбивають технічні засоби ІОМ. Третій шар, який створює програмно-інформаційну платформу мережі, представлений мережевим програмним та інформаційним забезпеченням, нижню верству якого утворюють операційні системи, а верхню - мережеві додатки, такі як мережеві бази даних, поштові системи, ресурси архівування даних, системи автоматизації колективної роботи тощо.

До технічних засобів ІОМ відносять:

комп’ютери (хост-комп’ютери, мережеві комп’ютери, робочі станції, сервери), розміщені у вузлах мережі;

апаратуру і канали передачі даних із супутніми їм периферійними пристроями;

інтерфейсні плати і пристрої (мережеві плати, модеми);

маршрутизатори і комутаційні пристрої.

У мережах можуть об’єднуватися як однокористувацькі міні- і мікрокомп’ютери (у тому числі і персональні), оснащені термінальними пристроями для зв’язку із користувачем чи виконання функцій комутації і маршрутизації повідомлень, так і могутні однокористувацькі комп’ютери (мінікомп’ютери, мейнфрейми, суперЕОМ). Останні виконують ефективну обробку даних і дистанційно забезпечують користувачів мережі всілякими інформаційно-обчислювальними ресурсами. У локальних мережах ці функції реалізують сервери і робочі станції.

Комп’ютери, що мають безпосередній доступ в глобальну мережу, часто називають хост-комп’ютерами.

Робоча станція (workstation) — це підключений до мережі комп’ютер, через який користувач дістає доступ до її ресурсів. Часто робочу станцію (так само як і користувача мережі, і навіть прикладну задачу, що виконується в мережі) називають клієнтом мережі. В якості робочих станцій можуть виступати як звичайні могутні комп’ютери, так і спеціалізовані — «мережеві комп’ютери» (NET PC — Network Computer).

Робоча станція мережі на базі звичайного комп’ютера функціонує як в мережевому, так і в локальному режимах. Вона оснащена власною операційною системою і забезпечує користувача всім необхідним для вирішення прикладних задач. Робочі станції інколи спеціалізують для виконання графічних, інженерних, видавницьких і інших робіт. Робочі станції на базі мережевих комп’ютерів переважно функціонують лише в мережевому режимі за наявності в мережі сервера застосувань.

Сервер (server) — це виділений для обробки запитів від всіх робочих станцій мережі багатокористувацький комп’ютер, що надає цим станціям доступ до спільних системних ресурсів (обчислювальних потужностей, баз даних, бібліотек програм, принтерів, факсів тощо) і розподіляє ці ресурси. Сервер має свою мережеву операційну систему, під управлінням якої і відбувається спільна робота всіх ланок мережі.

Сервер, окрім надання мережевих ресурсів робочим станціям, може і сам виконувати змістовну обробку інформації за запитами клієнтів — такий сервер часто називають сервером додатків. Він має програмне забезпечення (застосування), з яким можуть працювати клієнти мережі.

Сервери в мережі часто спеціалізуються. Спеціалізовані сервери використовуються для усунення найбільш «вузьких» місць в роботі мережі: це створення і управління базами даних і архівами даних (файл-сервери, сервери резервного копіювання); підтримка багатоадресного факсимільного зв’язку і електронної пошти (факс-сервери та поштові сервери); управління багатокористувацькими терміналами (принтери, плоттери); забезпечення доступу до глобальної мережі (проксі-сервери) тощо. Файл-сервер (File Server), призначений для роботи з БД, має об’ємні дискові запам’ятовуючі пристрої на відмовостійких дискових масивах RAID ємністю до терабайта. Сервер резервного копіювання (Storage Express System), який застосовується для резервного копіювання інформації у великих багатосерверних мережах, використовує накопичувачі на магнітній стрічці (стримери) зі змінними картріджами ємністю до 5 Гбайт. Факс-сервер (Fax server) представляє собою виділену робочу станцію для організації ефективного багатоадресного факсимільного зв’язку із кількома факс-модемними платами та спеціальним захистом інформації від несанкціонованого доступу в процесі передачі і системою зберігання електронних факсів. Функції та склад поштового сервера (Mail Server) аналогічні стосовно реалізації електронній кореспонденції з електронними поштовими скриньками. Проксі-сервер (Proxy Server) — засіб підключення локальних корпоративних мереж до мережі Інтернет — являє собою комп’ютер, постійно підключений до мережі Інтернет, що завантажує інформацію з мережі Інтернет в базу даних і передає її далі по локальній мережі.

Комунікаційне обладнання забезпечує фізичну структуризацію мережі та взаємодію окремих сегментів мережі між собою. Основним призначенням вузлів комутації є прийом, аналіз, а в мережах з маршрутизацією ще і вибір маршруту, і відправка даних за вибраним напрямком. У загальному випадку вузли комутації включають і пристрої міжмережевого інтерфейсу.

Вузли комутації обчислювальних мереж містять пристрої комутації (комутатори). Якщо вони виконують комутацію на основі ієрархічних мережевих адрес, їх називають маршрутизаторами (router). Комутатори служать для почергового підключення кількох вхідних каналів зв’язку до одного вихідного без зміни швидкості передачі. Комутатори застосовуються у вузлах комутації і як міжмережевий і внутрішньомережевий інтерфейси, виконуючи функції моста — з’єднувача декількох сегментів мережі воєдино.

Міст (bridge) ділить середовище передачі мережі на частини (часто звані логічними сегментами), передаючи інформацію з одного сегмента в інший, лише якщо адреса комп'ютера призначення належить іншій підмережі. Тим самим міст ізолює трафік однієї підмережі від трафіка іншої, підвищуючи загальну продуктивність передачі даних в мережі.

Найпростіший з комунікаційних пристроїв - повторювач (repeat e r) використовується для фізичного з'єднання різних сегментів кабелю локальної мережі з метою збільшення загальної довжини мережі. Повторювачі підсилюють електричні сигнали і забезпечують збереження форми і амплітуди сигналу при передачі його на великі відстані. Повторювач передає сигнали, що приходять з одного сегмента мережі, в інші її сегменти і дає змогу подолати обмеження на довжину ліній зв'язку за рахунок поліпшення якості (форми) та збільшення потужності сигналу.

Повторювач, який має декілька портів і з'єднує декілька фізичних сегментів, часто називають концентратором (concentrator) або хабом (hub). У мережах основні функції концентратора полягають в повторенні сигналів (повторювач) і концентрації в собі (концентратор) як в центральному пристрої функцій об’єднання комп’ютерів в єдину мережу. Концентратор утворює з підключених до його портів окремих фізичних сегментів мережі спільне середовище передачі даних — певний логічний сегмент, що має всі функції фізичного.

Розташовані у вузлах комутації концентратори і віддалені мультиплексори використовуються для комутації каналів в комп’ютерних мережах. Основне призначення цих пристроїв полягає в об’єднанні і ущільненні вхідних потоків даних, що надходять від абонентів за низькошвидкісними каналами зв’язку, в один або декілька швидкісніших каналів зв’язку і навпаки.

Маршрутизатори деколи називають дзеркалами: вони отримують повідомлення з однієї ділянки мережі, визначають наступного отримувача повідомлення і передають це повідомлення на іншу ділянку мережі. Вони широко використовуються і як міжмережевий інтерфейс, забезпечуючи з’єднання мереж на більш високому рівні, ніж мости, оскільки їм доступна інформація про структуру мережі і зв’язки її елементів між собою. Маршрутизатори зазвичай створюються на базі одного або декількох процесорів і мають спеціалізовану операційну систему.

Модем (МОдулятор-ДЕМодулятор) — пристрій прямого (модулятор) і зворотного (демодулятор) перетворення сигналів до вигляду, прийнятного для використання в певному каналі зв’язку. Бувають аналогові та цифрові модеми, залежно від передаваного сигналу.

Перетворення, що виконується при передачі даних за допомогою аналогового сигналу, зазвичай пов’язане з їх модуляцією. Модуляція — це зміна певного параметра сигналу в каналі зв’язку (модульованого сигналу) відповідно до поточних значень передаваних даних (модулюючого сигналу). Демодуляція — це зворотне перетворення модульованого сигналу (можливо, спотвореного перешкодами при проходженні в каналі зв’язку) в модулюючий сигнал.

У сучасних аналогових модемах найчастіше застосовують три види модуляції: частотну — FSK (Frequence Shift Keying); фазову — PSK (Phase Shift Keying) та квадратурну амплітудну — QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Передача даних і їх перетворення в модемах виконуються відповідно до певних ухвалених протоколів. Протокол передачі даних — це сукупність правил, що регламентують формат даних і процедури їх передачі в каналі зв’язку. У протоколі, зокрема, може детально вказуватися, як представити дані, який спосіб модуляції даних обрати для прискорення і захищеності їх передачі, як виконати з’єднання з каналом, подолати шуми, що діють в каналі, і забезпечити достовірність передачі даних.

Стандарт, зазвичай, включає сукупність протоколів, рідше — один протокол. Офіційним законодавцем в області протоколів передачі даних для модемів є МККТТ — Міжнародний консультативний комітет з телеграфії і телефонії, нещодавно перейменований в Міжнародний союз телекомунікацій (ITU — International Telecommunication Union).

Більшість модемів, окрім забезпечення процедур передачі інформації, виконують і додаткові корисні функції, зокрема: «оцифровування» голосу і відновлення оцифрованого голосу (voice-модеми); прийом і передача факсимільних повідомлень (факс-модеми); автоматичне визначення номера абонента (АВН); функції автовідповідача та електронного секретаря тощо.

Модеми класифікують за: конструкцією (автономні і вбудовувані в апаратуру); інтерфейсом з каналом зв’язку (контактні і безконтактні (аудіо)); призначенням (модеми, факс-модеми тощо); швидкістю передачі (від 300 до сотень тисяч біт/с) відповідно до стандарту (шкали) швидкостей МККТТ для каналів зв’язку кожного типу.

Цифрові модеми, які застосовують у цифрових технологіях передачі даних, коректніше називати мережевими адаптерами, оскільки класична модуляція / демодуляція сигналів в них відсутня: як вхідний, так і вихідний сигнали такого модему є імпульсними. Цифрові модеми випускаються для роботи в конкретних цифрових технологіях (мережевих технологіях нижнього рівня): ISDN, HDSL, ADSL, SDSL тощо.

Замість модему в локальних мережах можна використовувати мережеві адаптери (network adapter), мережеві карты (net card), виконані у вигляді плат розширення, встановлюваних в роз’єм материнської плати. Як міжмережевий інтерфейс для з’єднання мереж між собою задіюються повторювачі, мости, маршрутизатори і шлюзи.

Мости описуються протоколами мережевого рівня OSI. Вони регулюють трафік (передачу даних) між мережами, що використовують однакові протоколи передачі даних на мережевому і вище рівнях, виконуючи фільтрацію інформаційних пакетів відповідно до адрес отримувачів. Міст може з’єднувати мережі різних топологій, якщо вони працюють під управлінням однотипних мережевих операційних систем.

Маршрутизатори виконують свої функції на транспортному рівні протоколів моделі OSI і забезпечують з’єднання логічно не зв’язаних мереж, що мають однакові протоколи на сеансовому і вище рівнях OSI; вони аналізують повідомлення, визначають його подальший найкращий шлях, здійснююють деяке його протокольне перетворення для узгодження і передачі в іншу мережу, створюють потрібний логічний канал і передають повідомлення за призначенням. Маршрутизатори можуть: з’єднувати мережі і різними методами доступу; перерозподіляти навантаження в лініях зв’язку, спрямовуючи повідомлення так, щоб обминути найбільш завантажені лінії тощо.

Шлюзи {gateway) є пристроїями, що дають змогу об’єднати обчислювальні мережі, що використовують різні протоколи еталонної моделі OSI на всіх її рівнях; вони виконують протокольне перетворення для всіх семи рівнів управління OSI. Окрім функцій маршрутизаторів вони виконують ще й перетворення формату та перекодування модулів даних, що особливо суттєво при об’єднанні неоднорідних мереж.

Апаратно мости, маршрутизатори і шлюзи в ІОМ реалізують переважно у вигляді виділених комп’ютерів зі спеціальним програмним забезпеченням і додатковими пристроями спряження з апаратурою передачі даних і термінальними пристроями. Функції пристроїв спряження виконують: лінійні адаптери; мультиплексори передачі даних; зв’язні процесори.

Лінійні адаптери — це одноканальні пристрої спряження, що забезпечують узгодження каналу введення-виведення комп’ютера з одним каналом передачі даних. Мультиплексори передачі даних (МПД) або групові адаптери — це багатоканальні пристрої узгодження. Зв’язні процесори - це мікрокомп’ютери, споряджені програмними засобами і змінними лінійними адаптерами, які забезпечують спряження їх з апаратурою передачі даних, основним комп’ютером, а деколи і з потужним зовнішнім запам’ятовуючим пристроєм.

У склад мережевого програмного забезпечення входять загальне, системне та спеціальне програмне забезпечення. Загальне програмне забезпечення утворюється із| компонентів базового програмного забезпечення окремих комп’ютерів, що входять до складу мережі, і включає операційні системи, системи автоматизації програмування і системи технічного обслуговування. Системне програмне забезпечення представлене комплексом програмних засобів, що підтримують і координують взаємодію всіх ресурсів мережі як єдиної системи. Спеціальне програмне забезпечення призначене для забезпечення користувачів програмними засобами обробки найбільш типових задач і містить сумісні з іншими мережевими додатками прикладні програми користувача, орієнтовані на специфіку його предметної області.

Програмну платформу мережі задають операційні системи (ОС). Вони входять у склад, як загального (операційні системи окремих комп’ютерів), так і системного програмного забезпечення (мережева ОС, встановлювана на сервері або на одному з комп’ютерів однорангової мережі). Від того, які концепції управління локальними і розподіленими ресурсами покладені в основу мережевої ОС, залежить ефективність роботи всієї мережі. Мережева ОС складається з сукупності керуючих і обслуговуючих програм, системна взаємодія яких забезпечує|: координацію роботи всіх ланок і елементів мережі; оперативний розподіл ресурсів по її елементах; розподіл потоків завдань між вузлами ІОМ; встановлення послідовності вирішення задач і забезпечення їх загальномережевими ресурсами; контроль працездатності елементів мережі і забезпечення достовірності вхідної і вихідної інформації; захист даних і обчислювальних ресурсів від несанкціонованого доступу; видачу довідок про використання ресурсів мережі. Функціональні можливості ОС розширюються за допомогою утиліт — спеціальних програм, використовуваних операційною системою для виконання прикладних функцій.

У більшість мережевих ОС вбудована підтримка протоколів TCP/IP, IPX/SPX, NetBEUI. Протоколи TCP/IP, розроблені для мережі Міністерства оборони США ARPAnet, стали базовими протоколами для мережі Інтернет і забезпечують високу надійність управління мережею за невимогливості до типу використовуваних комп’ютерів (IBM РС, Macintosh тощо) і операційних систем (Windows, UNIX тощо),.

Перевагою протоколів SPX/IPX, розроблених фірмою Novell, є маршрутизація, яка забезпечує найкоротший шлях для передачі даних мережею, що збільшує гарантованість швидкого встановлення надійного зв’язку. Вибір найкоротшого шляху базується на наступному механізмі. Машина-джерело посилає мережею широкомовний запит по всіх шляхах до машини-приймача. Шлях, який продемонстрував мінімальну затримку в отриманні у відповідь ехо-сигналу,| приймається за найкоротший. Основним недоліком цього механізму є істотне збільшення мереженого трафіку.

Протокол NetBEUI (фірма IBM) відрізняється простотою і високою швидкістю роботи. Він призначений і активно застосовується при обслуговуванні невеликих мереж. Його основні недоліки – відсутність маршрутизації і підтримка вузького кола ОС (наприклад, підтримується ОС Windows і не підтримується ОС UNIX).

Інформаційне забезпечення мережі становить єдиний інформаційний фонд, зміст якого визначається задачами, на розв’язання яких орієнтована ІОМ. Він містить масиви даних спільного використання, доступні всім абонентам мережі, і масиви індивідуального використання, доступні окремим абонентам. До складу інформаційного забезпечення входять бази даних і знань індивідуального і колективного використання. Вони можуть бути як локальними (зберігаються на сервері або на одному комп’ютері), так і розподіленими (зберігаються на кількох серверах або комп’ютерах). Для роботи з мережевими базами даних застосовуються звичайні системи управління базами даних (СУБД) і мережеві системи управління розподіленими базами даних (СУРБД).