5.9. Компьютерные сети

Системы, состоящие из двух и более компьютеров, разне­сенных в пространстве и объединенных линиями связи, назы­вают распределенными вычислительными системами или се­тями ЭВМ. Именно в таких системах процесс обмена данны­ми реализуется в наиболее полном виде и составляет основу функционирования открытых систем. Под открытыми системами в современном мире понимается концепция объедине­ния с помощью процессов обмена данными информационно­го ресурса мирового сообщества. В более узком смысле - это информационно-вычислительные сети, к которым может под­ключиться через компьютер любой человек Земли, любая орга­низация, корпорация, фирма и т.д. и воспользоваться инфор­мационными ресурсами этой системы или предложить ей свой информационный ресурс. Наиболее ярким представителем та­кой системы является мировая вычислительная сеть Интернет. Ее еще называют сеть сетей, так как она объединяет многие открытые системы (сети) на всех континентах нашей планеты.

Понятие вычислительных сетей. Распределенные вычислительные сис-темы (вычислительные сети) создаются в целях объединения информационных ресур­сов нескольких компьютеров (под словом "несколько" пони­мается от двух до нескольких миллионов компьютеров). Ре­сурсы компьютера - это прежде всего память, в которой хра­нится информация, и производительность процессора (процес­соров), определяющая скорость обработки данных. Поэтому в распределенных системах общая память и производитель­ность системы как бы распределены между входящими в нее ЭВМ. Совместное использование общих ресурсов сети поро­дило такие понятия и методы, как распределенные базы и бан­ки данных, распределенная обработка данных. В концептуаль­ном плане вычислительные сети, как и отдельные компьюте­ры, являются средством реализации информационных техно­логий и их процессов.

Вычислительные сети принято подразделять на два класса: локальные вычислительные сети (ЛВС) и глобальные вычис­лительные сети (ГВС).

Под локальной вычислительной сетью понимают распреде­ленную вычис-лительную систему, в которой передача данных между компьютерами не тре-бует специальных устройств, а достаточно электрического соединения компью-теров с помо­щью кабелей и разъемов. Так как электрический сигнал осла­бевает (уменьшается его мощность) при передаче по кабелю, и тем сильнее, чем про-тяженнее кабель, то, естественно, длина проводов, соединяющих компьютеры, ограничена. Поэтому ЛВС объединяют компьютеры, локализованные на весьма ог­раниченном пространстве. Обычно длина кабеля, по которо­му передаются данные между компьютерами, не должна пре­вышать в лучшем случае 1 км. Указанные ограничения обус­ловили расположение компьютеров ЛВС в одном здании или в рядом стоящих зданиях. Обычно службы управления пред­приятий так и расположены, что и определило широкое ис­пользование в них для реализации процессов обмена локаль­ных вычислительных сетей.

Глобальные сети объединяют ресурсы компьютеров, распо­ложенных на значительном удалении, таком, что простым ка­бельным соединением не обойтись и приходится добавлять в межкомпьютерные соединения специальные устройства, позво­ляющие передавать данные без искажения и по назначению. Эти устройства коммутируют (соединяют, переключают) меж­ду собой компьютеры сети и в зависимости от ее конфигура­ции могут быть как пассивными коммутаторами, соединяю­щими кабели, так и достаточно мощными ЭВМ, выполняю­щими логические функции выбора наименьших маршрутов передачи данных. В глобальных вычислительных сетях, поми­мо кабельных линий, применяют и другие среды передачи дан­ных. Большие расстояния, через которые передаются данные в глобальных сетях, требуют особого внимания к процедуре передачи цифровой информации с тем, чтобы посланные в сети данные дошли до компьютера-получателя в полном и неиска­женном виде. В глобальных сетях компьютеры отдалены друг от друга на расстояние не менее 1 км и объединяют ресурсные возможности компьютеров в рамках района (округа) города или сельской местности, региона, страны и т.д.

Отдельные локальные и глобальные вычислительные сети могут объеди-няться, и тогда возникает сложная сеть, которую называют распределенной сетью. 

Таким образом, в общем виде вычислительные сети пред­ставляют собой систему компьютеров, объединенных линия­ми связи и специальными устройствами, позволяющими пере­давать без искажения и переключать между компьютерами потоки данных. Линии связи вместе с устройствами передачи и приема данных называют каналами связи, а устройства, про­изводящие переключение потоков данных в сети, можно опре­делить одним общим названием -узлы коммутации.

Базовые топологии локальных компьютерных сетей. Термин тополо-гия сетей характеризует физическое располо­жение компьютеров, узлов комму-тации и каналов связи в сети.

Проблема синтеза структуры (топологии) сети является од­ной из важнейших, но до конца не решенной, в связи с чем при решении задач определения числа и взаимосвязи компонентов сети используются приближенные, эмпирические методы.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий: "звезда" (star), "кольцо" (ring), "шина" (bus).

Топология звезда характерна тем, что в ней все узлы соеди­нены с одним центральным узлом (рис.5.39). 

Достоинства подобной структуры состоят в экономич­ности и удобстве с точки зрения организации управления взаи­модействием компьютеров (абонентов). Звездообразную сеть лег­ко расширить, поскольку для добавления нового компьютера нужен только один новый канал связи. Существенным недо­статком звездообразной топологии является низкая надеж­ность: при отказе центрального узла выходит из строя вся сеть.

Рис. 5.39. Звездообразная топология сети.

В топологии кольцо компьютеры подключаются к повто­рителям (репитерам) сигналов, связанным в однонаправлен­ное кольцо (рис.5.40). 

Рис. 5.40. Кольцевая топология сети.

По методу доступа к каналу связи (среде передачи данных) различают два основных типа кольцевых сетей: маркерное и тактированное кольца.

В маркерных кольцевых сетях по кольцу передается специ­альный управляющий маркер (метка), разрешающий переда­чу сообщений из компьютера, который им "владеет".

Если компьютер получил маркер и у него есть сообщение для передачи, то он "захватывает" маркер и передает сообще­ние в кольцо. Данные проходят через все повторители, пока не окажутся на том повторителе, к которому подключен ком­пьютер с адресом, указанным в данных. Получив подтвержде­ние, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть. При отсутствии у компьютера сообщения для передачи он пропускает движущийся по кольцу маркер.

В тактированном кольце по сети непрерывно вращается замкнутая последовательность тактов - специально закодирован­ных интервалов фиксированной длины. В каждом такте имеется бит-указатель занятости. Свободные такты могут заполняться передаваемыми сообщениями по мере необходимости либо за каждым узлом могут закрепляться определенные такты.

Достоинствами кольцевых сетей являются равенство компьютеров по доступу к сети и высокая расширяемость. К недостаткам можно отнести выход из строя всей сети при выходе из строя одного повторителя и остановку работы сети при изменении ее конфигурации.

В топологии шина, широко применяемой в локальных се­тях, все компьютеры подключены к единому каналу связи с помощью трансиверов (приемопередатчиков) (рис.5.41).

Рис. 5.41. Шинная топология сети.

Канал оканчивается с двух сторон пассивными терминато­рами, поглощающими передаваемые сигналы. Данные от пе­редающего компьютера передаются всем компьютерам сети, однако воспринимаются только тем компьютером, адрес ко­торого указан в передаваемом сообщении. Причем в каждый момент только один компьютер может вести передачу. "Шина" - пассивная топология. Это означает, что компьютеры только "слушают" передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому если один компью­тер выйдет из строя, это не скажется на работе остальных, что является достоинством шинной топологии. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети (как повторители компьютеров в кольцевой тополо­гии). Другими достоинствами шины являются высокая расширяемость и экономичность в организации каналов связи. К недостаткам шинной организации сети относится умень­шение пропускной способности сети при значительных объе­мах трафика (трафик - объем данных).

В настоящее время часто используются топологии, комби­нирующие базовые: "звезда-шина", "звезда-кольцо".

Рис. 5.42. Топология звезда – шина.

Топология звезда - шина чаше всего выглядит как объеди­нение с помощью магистральной шины нескольких звездооб­разных сетей (рис.5.42).

При топологии звезда - кольцо несколько звездообразных сетей соединяется своими центральными узлами коммутации в кольцо (рис.5.43).

Рис. 5.43. Топология звезда – кольцо.

Топология глобальной вычислительной сети. Расширение локальных сетей как базовых, так и комбиниро­ванных топологий из-за удлинения линий связи приводит к необходимости их расчленения и создания распределенных сетей, в которых компонентами служат не отдельные компь­ютеры, а отдельные локальные сети, иногда называемые сег­ментами. Узлами коммутации таких сетей являются ак­тивные концентраторы (К) и мосты (Мет) - устройства, ком­мутирующие линии связи (в том числе разного типа) и одно­временно усиливающие проходящие через них сигналы. Мо­сты, кроме того, еще и управляют потоками данных между сегментами сети. При соединении компьютеров или сетей (локальных или распределенных), удаленных на большие расстояния, используются каналы связи и устройства комму­тации, называемые маршрутизаторами (М) и шлюзами (Ш). Маршрутизаторы взаимодействуют друг с другом и соеди­няются между собой каналами связи, образуя распределен­ный магистральный канал связи. Для согласования парамет­ров данных (форматов, уровней сигналов, протоколов и т.п.), передаваемых по магистральному каналу связи, между мар­шрутизаторами и терминальными компонентами включаются устройства сопряжения (УС). При подключении к магист­ральному каналу вычислительных сетей (например, мэйнф­реймов), которые невозможно согласовать с помощью стан­дартных устройств сопряжения, используются стандартные средства, называемые шлюзами. Терминальными абонента­ми называют отдельные компьютеры, локальные или распре­деленные сети, через маршрутизаторы подключенные к ма­гистральному каналу. Таким образом, возникает глобальная вычислительная сеть, типовая типология которой приведена на рис.5.44. Глобальные сети могут объединяться между со­бой путем соединения через маршрутизаторы магистральных каналов, что в конечном итоге приводит к созданию миро­вой (действительно глобальной) информационно-вычисли­тельной сети.

Спецификация Ethernet – самая популярная в настоящее время сетевая архи­тектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию шина, а для регулирования трафика в основном сегменте кабеля - CSMA/CD (МДПН/ОС).

Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т.е. получает питание от компьютера. Следовательно, она прекратит рабо­ту из-за физического повреждения или неправильного подклю­чения терминатора.

Сеть Ethernet имеет следующие характеристики:

• традиционная топология - линейная шина;

• другие топологии - звезда - шина;

• тип передачи - узкополосная;

• метод доступа - CSMA/CD;

• скорость передачи данных - 10 и 100 Мбит/с;

• кабельная система - тонкий и толстый коаксиальный, UTP (Unshielded Twisted-Pair - неэкранированная витая пара).

Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат кото­рых отличается от формата пакетов, используемого в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, переда­ваемые как единое целое. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байт, но сама структура кадра Ethernet использует по крайней мере 18 байт, поэтому размер блока данных в Ethernet - от 46 до 1500 байт. Каждый кадр содержит управляющую ин­формацию и имеет общую с другими кадрами организацию. 

Рис. 5.44. Типовая топология глобальной 

информационно-вычислительной сети.

Глобальная сеть Интернет. В настоящее время суще­ствует два созвуч-ных термина - internet и Internet (INTERNET - system of INTERconnected compu-ter NETworks). 

Под internet понимают технологию обмена данными, основанную на исполь­зовании протоколов TCP/IP, а под Internet - глобальное сооб­щество мировых сетей, которые используют интернет для об­мена данными. Internet (далее - Интернет) начинался анало­гично большинству современных технологий как военная про­грамма, направленная на повышение устойчивости системы обороны США.