Понятие, архитектура и классификация компьютерных сетей

Архитектура компьютерной сети

Компьютерные сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. Наряду с компьютерными сетями к распределенным системам относятся также мультипроцессорные компьютеры и многомашинные вычислительные комплексы.

Создание распределенных систем служит двум основным целям:

• Повышению производительности системы за счет распределения процесса решения задач между компонентами системы.
• Повышению надежности и отказоустойчивости системы (то есть способности системы функционировать в условиях отказа некоторых ее частей) за счет переноса вычислительной нагрузки отказавших компонентов на функционирующие.

В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько процессоров, каждый из которых может независимо от остальных обращаться к общей памяти и выполнять собственную программу. Все периферийные устройства являются для общими для всех процессоров такого компьютера. В мультипроцессорном компьютере существует общая для всех процессоров операционная система, которая распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Мультипроцессорным компьютерам не свойственна территориальная распределенность – все его блоки располагаются в одном или нескольких близко расположенных конструктивных элементах, как у обычного компьютера.

Многомашинный комплекс (кластер) – это вычислительная система, состоящая из нескольких компьютеров (каждый из них работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства, связывающие эти компьютеры в одно целое. Связь по данным осуществляется через общую разделяемую дисковую память. Для обмена служебной информацией (распределение вычислительной нагрузки между компьютерами, синхронизация вычислений, реконфигурация системы при отказах) используются более быстрые межпроцессорные связи.

Вычислительная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими коммуникационными устройствами. Все сетевое оборудование работает под управлением системного и прикладного программного обеспечения. Связи между компьютерами здесь еще слабее, чем в кластерных системах. Каждый компьютер работает самостоятельно под управлением своей ОС, по мере необходимости обмениваясь сообщениями с другими компьютерами. Поток данных, пересылаемых по линиям связей компьютерной сети, называется сетевым трафиком.

Основной целью создания вычислительной сети является разделение локальных ресурсов отдельных компьютеров (хранилищ данных, внутренних и периферийных аппаратных устройств – процессоров, дисководов, принтеров) между всеми пользователями сети.

Чтобы компьютер мог работать в сети, его операционная система должна быть дополнена серверными и клиентскими модулями, а также средствами передачи данных между компьютерами. В результате такого добавления операционная система становится сетевой.

Модули первого вида называются программными серверами (server), так как их главная задача – обслуживать (serve) запросы на доступ к ресурсам своего компьютера, поступающие от других компьютеров, которые для формирования и передачи на нужный компьютер сетевых запросов должны быть снабжены модулями, называемыми программными клиентами (client). К одному серверу могут обращаться несколько клиентов.

Пара модулей «клиент-сервер» обеспечивает совместный доступ пользователей к ресурсам определенного типа, например, к файлам. В этом случае говорят, что пользователь имеет дело с файловой службой (service). Обычно сетевая операционная система поддерживает несколько видов сетевых служб для своих пользователей – файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа и т. п.

Сетевые службы относятся к распределенным системным программам. Однако в сети могут выполняться и распределенные прикладные программы – приложения. Распределенное приложение также состоит из нескольких частей, каждая из которых выполняет какую-то часть работы по решению прикладной задачи. Например, одна часть приложения, выполняющаяся на компьютере пользователя, может поддерживать специализированный графический интерфейс, вторая – работать на мощном удаленном компьютере и заниматься статистической обработкой введенных пользователем данных, третья – заносить полученные результаты в базу данных на компьютере с установленной стандартной СУБД. Распределенные приложения в полной мере используют потенциальные возможности распределенной обработки, предоставляемые вычислительной сетью, и поэтому часто называются сетевыми приложениями.

Следует подчеркнуть, что не всякое приложение, выполняемое в сети, является сетевым. Существует много популярных приложений, которые не являются распределенными и целиком выполняются на одном компьютере сети, но могут с помощью встроенных в ОС сетевых служб пользоваться возможностями сети. Например, такие приложения могут с помощью файловых служб получать с удаленных компьютеров данные и обрабатывать их на клиентской машине, как локальные.

Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он потребляет эти ресурсы – то клиентом или рабочей станцией. Иногда один и тот же компьютер может одновременно быть и сервером, и клиентом. С точки зрения такого деления различают одноранговые сети и серверные сети.

В одноранговой сети каждый компьютер может быть как сервером, так и клиентом (это сети на основе Windows for Workgroups, Windows-98). В серверных сетях выделяются отдельные компьютеры для серверов и клиентские компьютеры (Novell NetWare, MS Windows NT/2000/2003 server). Для разных видов ресурсов могут использоваться разные сервера (файловые сервера, сервера печати и т. д.).

Итак, использование вычислительных сетей дает предприятию следующие возможности:

• Способность распараллеливать вычисления, увеличивая скорость решения задач.
• Повышение отказоустойчивости системы.
• Совместное использование данных и устройств сети всеми ее пользователями.
• Оперативный доступ к широкому информационному пространству, и, следовательно, возможность быстрого и качественного принятия решений.
• Совершенствование коммуникаций (E-mail, аудио- и видеоконференции и т. д.)

Архитектура компьютерной сети

Архитектура включает следующие компоненты:

• Топология – структура связей элементов в сети.
• Протоколы – правила взаимодействия функциональных элементов сети.
• Интерфейсы – средства сопряжения функциональных элементов-узлов и программных модулей.
• Технические средства – устройства, которые обеспечивают объединения компьютеров в единую сеть (сетевые адаптеры, концентраторы, кабели и т. д.)
• Сетевые программные средства – управляют работой сети и предоставляют пользовательский интерфейс (сетевые ОС, вспомогательные служебные программы).

Компьютерная (вычислительная) сеть – это совокупность компьютеров, соединенных между собой с помощью каких-то коммуникационных средств. Все сетевое оборудование работает под управлением системного программного обеспечения (ПО), в среде которого выполняются пользовательские прикладные программы.

Параметры компьютеров сети должны соответствовать в первую очередь требованиям прикладного ПО и соответственно требованиям системного ПО, в среде которого оно выполняется .

Протоколы и интерфейсы – это, соответственно, правила взаимодействия и средства сопряжения функциональных элементов сети, т. е. физических устройств и программных модулей (подробнее об этом – в разделе «стандартизация в компьютерных сетях»).

Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих эти протоколы программно-аппаратных средств, который является минимально достаточным для построения компьютерной сети.

Топология – структура связей между компьютерами и коммутирующими устройствами (подробнее рассмотрена ниже).

Коммуникационные средства включают в себя соединительные кабели, сетевые адаптеры, коммуникационные устройства: повторители, концентраторы, мосты , коммутаторы, маршрутизаторы.

Для обмена данными с внешними устройствами в компьютерах и коммуникационных устройствах предусмотрены порты (физические интерфейсы), для которых определены форматы представления данных, электрические характеристики и правила обмена данными с другими устройствами. Логикой передачи данных на внешний интерфейс компьютера управляет аппаратное устройство – сетевой адаптер (контроллер). Программная связь между сетевым адаптером и ОС компьютера осуществляется через драйвер адаптера.

Повторитель используется для усиления сигнала в линии связи и, таким образом, для передачи его на большие расстояния.

Концентратор – многопортовый повторитель, кроме усиления сигнала, пришедшего на один из портов, он рассылает полученные данные на другие порты в соответствии с алгоритмом (логической топологией сети), принятым в конкретной технологии. Например, в технологии Ethernet данные, пришедшие на один порт, концентратор рассылает на все остальные порты, т.е. всем подключенным к нему компьютерам.

Коммутатор и мост – в отличие от концентратора полученные на один порт данные отсылаются только на тот порт, к которому подключен компьютер-адресат. Это соответствие мост или коммутатор определяет из сопоставления адреса назначения в полученных данных и перечня адресов компьютеров, подключенных к его портам (таблицы коммутации).

Маршрутизатор – в отличие от коммутатора, может выбирать наиболее рациональный маршрут (например, кратчайший) до компьютера-адресата в большой сложной сети. Несколько маршрутов от отправителя к адресату могут проходить через разные порты маршрутизатора. Оптимальный маршрут выбирается по таблице маршрутизации, и данные пересылаются на соответствующий этому маршруту порт.

Системное ПО – это сетевые ОС и вспомогательные служебные программы. От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто выбранная ОС может взаимодействовать с другими, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и множество других моментов. Основные службы – файловая и печати, обычно предоставляются сетевой ОС, а вспомогательные службы , например, служба баз данных, факса или передачи голоса – системными сетевыми приложениями, или утилитами, работающими под управлением ОС. Вообще говоря, распределение служб между собственно ОС и утилитами весьма условно и меняется в конкретных реализациях ОС.

Кроме собственно обмена данными, сетевые службы должны решать и другие, более специфические задачи, например, задачи распределенной обработки данных. К таким задачам относятся обеспечение непротиворечивости нескольких копий данных, расположенных на разных машинах (служба репликации), или организация выполнения одной задачи параллельно на нескольких машинах (служба вызова удаленных процедур).

Административные службы предназначены для управления работой сети в целом. К ним относятся: служба администрирования учетных записей о пользователях, которая позволяет администратору вести общую базу данных о пользователях сети; система мониторинга сети, позволяющая просматривать и анализировать сетевой трафик; служба безопасности, в функции которой может помимо всего прочего входить выполнение процедуры доступа с последующей проверкой имени и пароля; и другие.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2022 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.012 с) .

Понятие, архитектура и классификация компьютерных сетей

Компьютерная сеть представляет собой совокупность компьютеров и сетевого оборудования, объединенных линиями связи для обеспечения интерактивного информационного обмена с целью совместного использования ресурсовсети.

Компьютеры, входящие в сеть, называются узлами (клиентами, или рабочими станциями) сети. Ресурсы сети представляют собой компьютеры, данные, программы, сетевое оборудование, различные устройства внешней памяти, принтеры, сканеры и другие устройства, называемые компонентами сети.

Преимущества объединения компьютеров организации в сеть перед их локальным использованием заключаются в следующем:

— использование сетей позволяет разместить все данные организации на одном или нескольких компьютерах, обеспечивая доступ к ним со всех рабочих мест. Такая организация хранения данных в одном месте помимо создания условий для многопользовательского режима работы, позволяет повысить эффективность защиты данных и программ за счет обеспечения лучшей безопасности от несанкционированного доступа и создания архивных копий всех используемых данных;

— управляющие действия на рабочих местах выполняются едиными программными средствамии по единой технологии;

— информация, введенная в сеть сразу же становится доступной другим пользователям. Все пользователи работают с одной информацией;

— сети позволяют разным пользователями совместно использовать различные периферийные устройства: дисковую память, устройства печати, сканеры;

— сети обеспечивают разделение ресурсов процессора, что делает возможным использование вычислительных мощностей одного компьютера для обработки данных вместо другого, менее мощного;

— существенным оказывается сокращение бумажных потоков за счет организации обмена информацией в электронном виде.

Под архитектурой сети понимается вариант сети с конкретными компонентами сети, топологией построенияитехнологией функционирования сети.

Компьютерные сети классифицируютсяпо следующим признакам.

I. Классификация компьютерных сетей по размеру является наиболее известной и распространенной. В качестве критерия отнесения сети к определенному виду является размер площади, на которой располагаются входящие в сеть узлы. При этом количество узлов не имеет принципиального значения. В соответствии с этим критерием выделяют следующие виды компьютерных сетей:

1.Локальныекомпьютерные сети (LAN-сети, lokal-area networks), расположение узлов которых ограничено рамками небольших территорий.

2. Территориально-распределенные компьютерные сети (MAN-сети, metropolitan-area networks). Разновидностью этой категории сетей являются федеральные, региональные, общегородские, районные сети, а также сети корпораций и объединений.

3. Глобальныекомпьютерные сети(WAN-сети, wide-area networks). Глобальные сети не имеют ограничений по размеру, количеству узлов сети и представляют собой объединение множества других сетей разных видов. Наиболее известной глобальной сетью является Интернет, к глобальным сетям относятся также Sprint, America on Line и другие.

II. Классификация по ведомственной принадлежности предполагает выделение отраслевых компьютерных сетей, сетей отдельных объединений и организаций. В качестве примеров таких сетей выступают компьютерные сети «РАО ЕС», объединения «Сургутнефтегаз», Сберегательного банка России и другие.

III. Классификация по методам доступа к среде передачи данных различает сети Ethernet, Arcnet, Token Ring.

VI. Классификация по методам организации передачи данных в компьютерной сети выделяет сети с разделяемой средой передачи и коммутируемые сети.

Требования, предъявляемые к компьютерным сетям. Основной задачей работы компьютерной сети является обеспечение возможности совместного использования ресурсов клиентами сети. Для выполнения этой задачи сеть должна отвечать определенным требованиям.

Обеспечениенеобходимой производительности сети, которая определяется объемом передаваемых данных и временем, требуемым на их передачу. Для оценки производительности используются числовые характеристики – трафик сети, который измеряется объемом переданной по сети информации за некоторый период времени; быстродействие сети, измеряемое максимально возможным объемом данных, переданным по сети за единицу времени; время задержки передачи данных.

Достижениеопределенной надежности работы сети, измеряемой вероятностью выхода из строя всей сети или отдельных ее сегментов.

Обеспечениебезопасной работы сети, означающую наличие высокой степени защиты от несанкционированного доступа к ресурсам сети и устойчивость сети к преднамеренным разрушающим действиям.

Возможностьмасштабированиясети, заключающуюся в создании предпосылок наращивания размеров сети и вычислительной мощности.

Созданиеусловийпрозрачности работы сети необходимо с точки зрения администрирования сети. Означает возможность ведения постоянного мониторинга состояния сети в целом, отдельных ее частей и процессов с целью быстрого и эффективного обнаружения и устранения неисправностей в сети, предупреждения сбоев в работе.

Обеспечение совместимости работы сети с разными техническими и программными платформами.

В классификации по скорости передачи данных выделяют:

— низкоскоростные(до 10 Мбит/с);

— среднескоростные (10 Мбит/с-100 Мбит/с);

— высокоскоростные (от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с и выше).

Классификация по типу среды передачи данных разделяет сети на проводные(коаксиальные, на витой паре, волоконно-оптические) и беспроводные (радиоканалы и спутниковые каналы).

Дата добавления: 2016-05-31 ; просмотров: 3140 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

АРХИТЕКТУРЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ, ВЫБОР АРХИТЕКТУРЫ

Сетевая архитектура — это совокупность стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.

В конце 70х годов, когда ЛВС стали восприниматься в качестве потенциального инструмента для работы и были сформулированы основные стандарты (Project 802).

Project 802 установил основные стандарты для физических компонентов сети — сетевых карт и кабельных систем.

Стандарты ЛВС, определенные Project 802, делятся на 12 категорий, каждая из которых имеет свой номер.

• 802.1 — объединение сетей
• 802.2 — управление логической связью
• 802.3 — ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet)
• 802.4 — ЛВС топологии “шина” с передачей маркера
• 802.5 — ЛВС топологии “кольцо” с передачей маркера
• 802.6 — сеть масштаба города
• 802.7 — Консультативный совет по широковещательной технологии
• 802.8 — Консультативный совет по оптоволоконной технологии
• 802.9 — интегрированные сети с передачей речи и данных
• 802.10 — безопасность сетей
• 802.11 — беспроводные сети (радио сети)
• 802.12 — ЛВС с доступом по приоритету запроса

Наибольшую популярность получил стандарт 802.3 Ethernet именно на этой архитектуре построения компьютерных сетей остановимся более подробно.

Ethernet — самая популярная в настоящее время сетевая архитектура, Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/сек и топологию “шина”, а для регулирования трафика в основном кабеле — CSMA/CD.

Сеть Ethernet имеет следующие характеристики:

традиционная топология — линейная шина;

другие топологии — звезда — шина;

тип передачи — узкополосная;

метод доступа — CSMA/CD;

скорость передачи данных — 10, 100 и 1000 Мбит/сек;

кабельная система — Толстый и тонкий коаксиальный кабель, витая пара (UTP, STP), оптоволокно.

В основе построения любой сети стоит эталонная модель OSI (Open System Interconnection, Взаимодействие открытых систем), Эта модель разделяет работающее оборудование и процессы, происходящие при объединение компьютерных сетей согласно логике их работы. Каждый из уровней выполняет свою специфическую, функцию тем самым облегчая проектирование всей системы в целом. При сетевом обмене сообщаются соответствующие уровни двух компьютеров делаемся это не напрямую, а путем запроса на обслуживание у ниже лежащего. Уровни могут иметь одинаковую реализацию, а могут и разную. Самое главное то, что они идентично работаю демонстрируя полное взаимопонимание. Самому нижнему уровню не некого “свалить” работу, поэтому физическая реализация должна совпадать (по крайней мере на уровне одного сегмента сети).

На каждом из уровней единицы информации называются по разному. На физическом уровне мельчайшая единица — бит. На канальном уровне информация объединена во фреймы, На сетевом уровне мы говорим о дейтаграммах. На транспортном уровне единицей измерения является сегмент. Прикладные уровни обмениваются сообщениями. Прямая параллель с файловой системой на диске — локальные изменения намагниченности (биты) объединены в сектора, имеющие заголовки, сектора объединяются в блоки, а те, в свою очередь, в файлы, тоже имеющие заголовки, содержащие служебную информацию.

Важно понимать, что эталонная модель не является чем то реальным, таким что обеспечивает связь. Сама по себе она не заставляет коммуникации функционировать и служит лишь для классификации. Она классифицирует то, что непосредственно вместе работает, а именно- протоколы. Протоколы считаются набором спецификаций, определяющих реализацию одного или нескольких уровней OSI. Спецификация протоколов разрабатываются стандартизирующими организациями, так и производителями оборудования. Многие разработанные производителями протоколы оказываются настолько успешными, что применяются не только разработчиками но и другими фирмами становясь стандартом де-факто.

Физический уровень определяет механические и электрические параметры среды передачи, сетевых плат, соединителей, способы помещения информации в среду передачи и извлечения ее оттуда. Спецификации физического уровня определяют тип разъема и назначение ножек, уровень сигнала, скорость передачи и т.д.

Канальный уровень формирует из битов, получаемых от физического уровня, последовательности пакетов или фреймов. Здесь также осуществляется управление доступом к разделяемой всеми сетевыми устройствами передающей среде и обнаруживается и корректируется часть ошибок. Как и большинство других уровней канальный добавляет заголовок передаваемой информации. В заголовке обычно содержится физический адрес приемника, адрес источника и другая информация.

Сетевой уровень заведует движением информации по сетям, состоящим из нескольких или многих сегментов. Для успешного решения этой задачи в протокол данного уровня вносится информация о логическом адресе источника и адреса пакета. При прохождении пакетов через узлы, соединяющие различные сети, эта информация анализируется и пакет пересылается к следующему узлу, принадлежащему уже другому сегменту. Информация о том , куда пересылать пакет, может содержаться в таблицах устройства выполняющего роль маршрутизатора, или вычисляться в реальном времени. Таким образом, пакеты путешествуют по сети переходя от узла к узлу. В функции сетевого уровня входит также идентификация и удаление “заблудившихся” пакетов, то есть таких которые прошли через некоторое число узлов, ноток и не попали к адресату.

Транспортный уровень находится в самом центре эталонной модели. Он отвечает за гарантированную доставку данных, компенсируя ошибки которые могут возникать при работе нижележащих уровней. “Гарантированная” доставка не означает, что данные попадут к адресату в любом случае: оборванный кабель, отстыкованный разъем, вышедшая из строя сетевая карта — все это “гарантирует именно недоставку”. Однако надежные реализации протоколов транспортного уровня обеспечивают подтверждение успеха или не успеха доставки, информируя вышележащие уровни которые предают сообщения по требовавшему обслуживания программному приложению. Гарантированная доставка осуществляется при помощи различных механизмов, среди которых — установление и разрыв соединения, механизм подтверждения и контроль скорости потока.

Сеансовый уровень отвечает за вызовы удаленных процедур. Это специальный поддерживаемый соответствующими протоколами интерфейс, при котором вызов программной процедуры производится на одном компьютере а выполнение — на другом, после чего результат возвращается к вызвавшей программе так, словно процедура была выполнена локально. Сеансовый уровень также контролирует установление, течение и завершение сеанса связи между взаимодействующими программами, что и отражается в его названии.

Представительский уровень занимается преобразованиями формата, упаковкой , распаковкой, шифрованием и дешифрованием здесь осуществляется преобразование исключительно формата, а не логической структуры данных. То есть представляет данные в том виде и формате, какой необходим для последнего из выше лежащих уровней.

Последний прикладной уровень он отвечает за интерфейс с пользователем и взаимодействие прикладных программ выполняемых на взаимодействующих компьютерах. Предоставляемые услуги — электронная почта идентификаци пользователей, передача файлов и т.п.

Рисунок 1. Семиуровневая модель OSI для протоколов связи локальных сетей

топология локальный сеть

Исходя из выше приведенного и анализа основных тенденций развития сетевых технологий считается наиболее перспективным использование архитектуры Ethernet. Эта технология на обозримое будущее останется самой распространенной и наиболее подходящей для реализации по соотношению цена/производительность.