КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Локальная вычислительная сеть
Вы узнали о двух различных подходах к созданию компьютерных сетей. Глобальная сеть строится таким образом, что процессы передачи данных, процедуры управления и административные службы отдельных подсетей не изменяются существенно. Каждая из подсетей сохраняет свою автономность, хотя требования к сетевому управлению и контролю ожесточаются. Локальная сеть проектируется как единая распределительная система, в которой приоритет отдается требованиям стандартности протоколов и эффективности общесетевых процедур управления.
При первом подходе объединение подсетей концентрируется в шлюзовых (межсетевых) устройствах. Сеть становится единой прежде всего с точки зрения пользователя. Такому подходу более всего соответствует глобальная сеть Интернет, реализованная механизмом виртуальных сетевых адресов компьютеров-клиентов.
Второй подход реализуется на практике в тех случаях, когда сеть физически соединяет компьютеры пользователей между собой и управляет ими на основе сервера. Совокупность компьютеров, обладающих возможностью информационного общения друг с другом, принято называть локальной компьютерной (вычислительной) сетью или ЛВС (LAN — Local Area Network). Самой распространенной технологией локальной компьютерной сети с середины 1990-х гг. стал Ethernet. Рассмотрим общую структуру ЛВС.
Любая ЛВС состоит из следующих аппаратных элементов:
• компьютеры, между которыми осуществляется связь, и внешние по отношению к ПК устройства, которые могут также входить в состав ЛВС (сетевые принтеры, сканеры, дополнительные «жесткие» диски, серверы различного назначения и т.п.);
• кабели, с помощью которых происходит соединение всех устройств в единую сеть. Это могут быть волоконно-оптические кабели, кабели типа «витая пара», коаксиальные кабели или бескабельные системы передачи информации от одного устройства к другому (инфракрасные источники, Wi-Fi и др.);
• узловые устройства, позволяющие локальной сети нормально функционировать (коммутаторы, маршрутизаторы и т.п.).
Локальные вычислительные сети бывают одно- и двухранговыми (иерархическими).
Одноранговые сети удобно использовать в небольших организациях, в которых имеется несколько компьютеров. В этом случае все компьютеры могут быть равноправными по своим сетевым функциям и все пользователи могут получать свободный доступ к общим ресурсам других компьютеров. В крупных сетях с большим числом компьютеров организовывают двухранговую (иерархическую) локальную сеть с выделенным более мощным компьютером, который называется сервером. Таких серверов может быть несколько, и выполняют они разные функции. Все остальные компьютеры локальной сети в таком случае являются клиентами или рабочими станциями. При этом клиентский компьютер должен предоставлять пользователю возможность сформулировать запрос на сервер или сетевой ресурс, отправить запрос серверу, получить ответ, осуществить его интерпретацию и представить пользователю в понятной форме.
Сервер должен быть настроен таким образом, чтобы иметь возможность получить от клиентского компьютера запросы на сетевые ресурсы, выяснить полномочия клиента на выполнение того или иного запроса и, если клиент имеет полномочия, выполнить его запрос и передать ему результат выполнения этого запроса. Для решения всех этих задач и на клиентском компьютере, и на сервере должна быть установлена сетевая операционная система. При этом на клиенте и сервере могут быть уста-новлены разные сетевые ОС, обеспечивающие управление каталогами и файлами, управление ресурсами сервера и всей сети в зоне ответственности данного сервера, коммуникативность, защиту от несанкционированного доступа как внутри сети, так и извне, отказоустойчивость составных частей ЛВС. В настоящее время наибольшее распространение получили сетевые ОС двух семейств: Unix и Windows.
Рассмотрим более детально составные элементы локальной сети.
Рабочая станция — это ПК, включенный в локальную сеть для осуществления обмена информацией. Он должен иметь сетевую плату, встроенный модем или устройство для приема сигнала без проводов (Wi-Fi-устройство, инфракрасный приемник и т.п.). Кроме того, на ПК должно быть установлено специальное ПО, позволяющее настроить его на прием и передачу информации в локальной сети.
Сервер — это специально выделенный компьютер для обработки запросов, поступающих от рабочих станций, который предоставляет рабочим станциям (клиентам) свои ресурсы (например, «жесткие» диски, прикладное ПО). На серверах устанавливается большой объем оперативной памяти, несколько дисков большого размера, а также высокопроизводительные процессоры. Рассмотрим некоторые специализации серверов.
Файловый сервер имеет диски большой емкости, к которым могут иметь доступ все компьютеры в сети. В этом случае информация хранится централизованно, причем с высокой степенью надежности, информация доступна с любого компьютера, подключенного к серверу, защищена от несанкционированного доступа, поскольку для подключения к серверу требуется пароль.
Сервер прикладных программ используется для выполнения прикладных программ пользователей. В этом случае нет необходимости приобретать и устанавливать пользовательские программы на каждый компьютер.
Сервер базы данных хранит и позволяет обрабатывать большие БД.
Сервер удаленного доступа дает возможность любому компьютеру, находящемуся далеко от офиса, работать так, как будто он находится в офисе.
Сервер печати служит для распечатывания документов на одном или нескольких общих (сетевых) принтерах. В этом случае отпадает необходимость подключать принтер к каждому компьютеру.
Сервер резервного копирования обеспечивает создание, хранение и восстановление копий данных, расположенных на файловом сервере и рабочих станциях.
Кроме того, существуют коммуникационный сервер, факс-сервер, почтовый сервер, которые могут находиться на одном или нескольких выделенных компьютерах.
Кабели предназначены для передачи информации по проводным каналам связи. Используются разные типы электрических проводников: коаксиальный кабель и витая пара, а также волоконно-оптический кабель. Коаксиальный кабель представляет собой проводник, заключенный в экранирующую оплетку. Витая пара представляет собой восемь проводников, свитых попарно и заключенных в общую изолирующую трубку. Такой кабель называется неэкранированной витой парой UTP (Unshielded Twisted Pair — неэкранированные скрученные пары). Выпускается и применяется также кабель, называемый экранированной витой парой STP (Shielded Twisted Pairs — экранированные скрученные пары). Применение экранов позволяет снизить уровень помех, создаваемых таким кабелем, и увеличить помехозащищенность такого кабеля от внешних помех.
Передача информации по волоконно-оптическим кабелям наиболее применима в настоящее время. По своей конструкции волоконно-оптический кабель похож на коаксиальный, только вместо центрального металлического проводника располагается стеклянное или пластиковое волокно, по которому распространяется пучок света. В зависимости от траектории распространения луча света по оптическому волокну различают одномодовый (по кабелю идет один луч) и многомодовый волоконно-оптический кабель. В этом случае по кабелю проходит много лучей, движущихся по соседним траекториям.
При подключении компьютеров к ЛВС могут применяться устройства беспроводной связи. В этом случае отпадает необходимость прокладывать кабельные сети. Для подключения компьютеров используются сетевые адаптеры ввода-вывода с интерфейсами PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимосвязь периферийных компонентов) и USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина). Беспроводной доступ может быть организован и с помощью обычных сетевых адаптеров, но при этом сетевой адаптер должен быть подключен к радиоприемнику-передатчику (точке беспроводного доступа) посредством стандартного соединительного шнура. Кроме того, точка доступа (хот-спот) играет роль центра беспроводной сети при объединении более двух компьютеров в беспроводную сеть. В таком случае она подключается к серверу.
В зависимости от частоты, на которой работает аппаратура беспроводной передачи, типа и мощности самой аппаратуры дальность устойчивой связи может составлять от нескольких десятков метров до не-скольких десятков километров. Одной из тенденций развития внутрикорпоративных сетей является беспроводная технология Wi-Fi (Wireless Fidelity — беспроводная точность). В этом случае любая точка доступа включает в себя Wi-Fi-антенну для передачи радиосигнала, специальное Wi-Fi-оборудование — сетевой адаптер (беспроводная сетевая плата), беспроводные точки доступа (маршрутизаторы) и различные коммутационные устройства.
Bluetooth также является технологией беспроводных сетей. Физически типичное Bluetooth-устройство представляет собой радиоприемник и радиопередатчик, работающие на определенных частотах. Расстояние, на которое может быть установлено Bluetooth-соединение, невелико и составляет от 10 до 30 м. В настоящее время ведутся работы над увеличением этого расстояния. Преимущество Bluetooth состоит том, что для него не требуется прямой видимости или какой-либо направленной антенны, соединение может быть установлено даже через стену. Главной же особенностью Bluetooth является то, что различные Bluetooth-устройства соединяются друг с другом автоматически. Для этого важно, чтобы Bluetooth-устройства находились достаточно близко друг к другу, обо всем остальном должны позаботиться сами Bluetooth-устройства и ПО. В настоящее время для включения в компьютерную сеть устройства с Bluetooth достаточно, чтобы Bluetooth был активирован. Примером работы с Bluetooth может служить использование мобильного телефона как сетевого клиента для пересылки информации из его памяти на компьютер, и наоборот, например фотографий, мелодий и пр.
Каждый компьютер, подключаемый к сети, должен быть оснащен сетевым адаптером (или сетевой платой). Самыми известными являются адаптеры следующих типов: Arc-Net, Token Ring, Ethernet. Из них последний используется в России наиболее широко.
Внутренний сетевой адаптер, представляющий собой плату, вставляется в разъем на системной плате компьютера. Кроме того, в настоящее время имеются сетевые адаптеры, подключаемые к USB-nopту. Подключение такого адаптера к ПК возможно без отключения питания. Далее к сетевому адаптеру подключается линия связи ЛВС (например, витая пара). Для объединения компьютеров в сеть, состоящую более чем из двух компьютеров по физической топологии «звезда», необходимо устройство, исполняющее роль центра «звезды». Таким устройством чаще всего является концентратор, или хаб (от англ. hub — ступица).
Маршрутизатор (router) представляет собой устройство для разделения или объединения нескольких компьютерных сетей. Задача маршрутизатора — отфильтровывать информационные пакеты и пропускать с одного интерфейсного входа на другой только те пакеты, которые адресованы компьютером, находящимся в одной сети, компьютеру, находящемуся в другой сети.
Способ организации связи компьютеров ЛВС между собой называется топологией локальной сети (архитектурой, конфигурацией). Существует три основные топологии, входящие в состав ЛВС: «шина», «кольцо» и «звезда».
Топология «шина» предполагает подключение всех компьютеров к одному общему проводнику. На обоих концах такого проводника размещаются специальные согласующие устройства, называемые терминаторами. Основные преимущества данной топологии — дешевизна и простота монтажа. К недостаткам относятся сложность локализации места неисправности и низкая надежность: повреждение кабеля в любом месте приводит к прекращению обмена информацией между всеми компьютерами, входящими в сеть.
В топологии «кольцо» каждый компьютер сети связан с двумя близлежащими ПК. Достоинства и недостатки такой топологии такие же, как и для топологии «шина».
Топология «звезда» предусматривает прокладку для каждого компьютера в сети отдельного кабеля, соединяющего все компьютеры сети со специальным соединительным устройством, называемым концентратором. Достоинство данной топологии — высокая надежность работы сети. Обрыв любого проводника отключает только одного абонента.
Для пересылки данных от одного компьютера на другой необходимо знать и указать его адрес. В современных сетях используются три типа адресов: физические, числовые и символьные.
Каждый сетевой адаптер, мост, маршрутизатор и другое сетевое оборудование имеет уникальный цифровой аппаратный адрес, называемый физическим, который и используется для адресации в локальной сети. Такой адрес получил название МАС-адреса (Media Access Control — управление доступом к среде). МАС-адрес устройства можно видеть на его тыльной стороне.
Использование числовых адресов связано с работой TCP/IP, который является одним из основных протоколов, обеспечивающих доставку информации от источника к адресату. Символьные адреса или имена предназначены для запоминания пользователями, поэтому обычно несут смысловую нагрузку. Для локальных сетей символьное имя может иметь краткую форму, например: school627PC002 (школа № 627, персональный компьютер № 002).
В современных сетях для адресации узлов применяют, как правило, одновременно все три схемы. Пользователи адресуются к компьютерам символьными именами, которые автоматически заменяются в передаваемых по сети сообщениях на составные числовые адреса. После доставки сообщения в сеть назначения вместо числового адреса может использоваться аппаратный адрес компьютера или другого устройства в сети.
ПРЕИМУЩЕСТВА РАБОТЫ В ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ
Основным преимуществом работы в локальной сети является использование в многопользовательском режиме общих ресурсов сети: дисков, принтеров, модемов, программ и данных, хранящихся на общедоступных дисках, а также возможность передавать информацию с одного компьютера на другой.
Перечислим преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде внутрифирменной вычислительной сети.
Разделение ресурсов. Это позволяет экономно использовать ресурсы, например управлять периферийными устройствами, такими, как принтеры, внешние устройства хранения информации, модемы и т.д., со всех подключенных рабочих станций.
Разделение данных. Разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.
Разделение программных средств. В этом случае появляется возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств.
Разделение ресурсов процессора. В этом случае возможно использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть. Многопользовательский режим. Этот режим позволяет одновременно использовать централизованные прикладные программные средства, которые обычно устанавливаются на сервере приложений.
Помимо перечисленного, локальная сеть обеспечивает доступ пользователя с любого компьютера локальной сети к ресурсам глобальной сети при наличии единственного коммуникационного узла глобальной сети.
Контрольные вопросы
1. Что такое локальная сеть?
2. Дайте определения понятий: «рабочая станция», «сервер сети» и «коммутационные узлы».
3. Какие бывают сети по широте охвата пользователей? Дайте им краткую характеристику.
4. Перечислите типы линий связи, используемые для построения сетей.
5. Какие сетевые операционные системы вы знаете?
6. Как классифицируются сети по топологии?
7. На какие уровни разделяет средства взаимодействия модель OSI?
8. Что собой представляет локальная сеть с выделенным сервером?
9. Назовите основные особенности одноранговой локальной сети.
10. На какие уровни разделяет средства взаимодействия процесса передачи данных модель OSI?
11. Перечислите преимущества работы в локальных сетях.
Топология локальных сетей
Под топологией вычислительной сети понимается способ соединения ее отдельных компонентов (компьютеров, серверов, принтеров и т.д.). Различают три основные топологии:
- топология типа звезда;
- топология типа кольцо;
- топология типа общая шина.
При использовании топологии типа звезда информация между клиентами сети передается через единый центральный узел. В качестве центрального узла может выступать сервер или специальное устройство — концентратор (Hub).
Преимущества данной топологии состоят в следующем:
- Высокое быстродействие сети, так как общая производительность сети зависит только от производительности центрального узла.
- Отсутствие столкновения передаваемых данных, так как данные между рабочей станцией и сервером передаются по отдельному каналу, не затрагивая другие компьютеры.
Однако помимо достоинств у данной топологии есть и недостатки:
- Низкая надежность, так как надежность всей сети определяется надежностью центрального узла. Если центральный компьютер выйдет из строя, то работа всей сети прекратится.
- Высокие затраты на подключение компьютеров, так как к каждому новому абоненту необходимо ввести отдельную линию.
При топологии типа кольцо все компьютеры подключаются к линии, замкнутой в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер.
Передача информации в такой сети происходит следующим образом. Маркер (специальный сигнал) последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, которому требуется передать данные. Получив маркер, компьютер создает так называемый «пакет», в который помещает адрес получателя и данные, а затем отправляет этот пакет по кольцу. Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя.
После этого принимающий компьютер посылает источнику информации подтверждение факта получения данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.
Преимущества топологии типа кольцо состоят в следующем:
- Пересылка сообщений является очень эффективной, т.к. можно отправлять несколько сообщений друг за другом по кольцу. Т.е. компьютер, отправив первое сообщение, может отправлять за ним следующее сообщение, не дожидаясь, когда первое достигнет адресата.
- Протяженность сети может быть значительной. Т.е. компьютеры могут подключаться к друг к другу на значительных расстояниях, без использования специальных усилителей сигнала.
К недостаткам данной топологии относятся:
- Низкая надежность сети, так как отказ любого компьютера влечет за собой отказ всей системы.
- Для подключения нового клиента необходимо отключить работу сети.
- При большом количестве клиентов скорость работы в сети замедляется, так как вся информация проходит через каждый компьютер, а их возможности ограничены.
- Общая производительность сети определяется производи¬тельностью самого медленного компьютера.
При топологии типа общая шина все клиенты подключены к общему каналу передачи данных. При этом они могут непосредственно вступать в контакт с любым компьютером, имеющимся в сети.
Передача информации в данной сети происходит следующим образом. Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети. Однако информацию принимает только тот компьютер, адрес которого соответствует адресу получателя. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу данных.
Преимущества топологии общая шина:
- Вся информация находится в сети и доступна каждому компьютеру.
- Рабочие станции можно подключать независимо друг от друга. Т.е. при подключении нового абонента нет необходимости останавливать передачу информации в сети.
- Построение сетей на основе топологии общая шина обходится дешевле, так как отсутствуют затраты на прокладку дополнительных линий при подключении нового клиента.
- Сеть обладает высокой надежностью, т.к. работоспособность сети не зависит от работоспособности отдельных компьютеров.
К недостаткам топологии типа общая шина относятся:
- Низкая скорость передачи данных, т.к. вся информация циркулирует по одному каналу (шине).
- Быстродействие сети зависит от числа подключенных компьютеров. Чем больше компьютеров подключено к сети, тем медленнее идет передача информации от одного компьютера к другому.
- Для сетей, построенных на основе данной топологии, характерна низкая безопасность, так как информация на каждом компьютере может быть доступна с любого другого компьютера.
Самым распространенным типом сети с топологией общая шина является сеть стандарта Ethernet со скоростью передачи информации 10 — 100 Мбит/сек.
Мы рассмотрели основные топологии ЛВС. Однако на практике при создании ЛВС организации могут одновременно использоваться сочетание нескольких топологий. Например, компьютеры в одном отделе могут быть соединены по схеме звезда, а в другом отделе по схеме общая шина, и между этими отделами проложена линия для связи.
