Понятие сетевой архитектуры. «Орский индустриальный колледж». По выполнению лабораторных работ

Сегодня уже вряд ли кого-то можно удивить понятием сетевых подключений. Однако при упоминании о них многие из нас особо даже не задумываются о том, что собой представляет такое подключение и как функционируют сетевые службы. Мы рассмотрим этот вопрос в кратком изложении, так как о сетях и их возможностях в современном мире можно написать большую монографию.

Архитектура сети: основные виды

Компьютерные сети, как следует из основной трактовки самого термина, представляют собой определенное количество компьютерных терминалов, соединенных между собой и образующих сеть. Сегодня выделяют два основных типа подключений: беспроводное и проводное. Бес проводное соединение использует соединение посредством маршрутизатора вроде роутера Wi-Fi. Однако это только вершина айсберга. Архитектура сети на самом деле предполагает использование сразу нескольких компонентов, и потому может иметь различную классификацию. На сегодняшний день принято выделять три типа сетей: одноранговые сети, сети с выделенными серверами, гибридные сети, которые включают в себя все типы узлов. Отдельную категорию помимо этого представляют широковещательные, локальные, глобальные, частные и другие разновидности. Мы будем останавливаться только на основных понятиях.

Описание сетей по основным типам

Прежде всего, начать стоит с сетей на основе взаимодействия «главный компьютер в сети-клиент». Как уже должно быть ясно, главное положение в данном случае занимает центральный терминал, на котором осуществляется управление сетью и ее компонентами. Терминалы клиентов могут только посылать запросы на предоставление соединения и на получение информации. В такой сети главный терминал не может играть роль клиентской машины. Одноранговые сети, которые еще часто называют пиринговыми, от первого типа отличаются тем, что в них ресурсы в равной степени распределены между всеми подключенными терминалами. В качестве самого простого примера можно привести процессы загрузки файлов при использовании торрентов. При такой организации конечный файл полностью или в частично загруженном виде может находиться на различных компьютерных терминалах. Пользовательская система, которая загружает его на свой компьютер, применяет все доступные на данный момент ресурсы сети, чтобы скачать части искомого файла. Чем больше будет таких файлов, тем выше будет скорость закачки. В данном случае сетевая адресация не играет особой роли. Главное условие заключается в том, чтобы на клиентской машине было установлено специальное программное обеспечение. Оно и будет осуществлять клиентские запросы. Архитектура сети типа «клиент-сервер» является наиболее простой. Для упрощенного понимания соединение между компьютерными терминалами можно представить в виде библиотеки, в которой есть полки с книгами (центральный сервер), а посетители могут прочесть любой материал, который находится на полках. Здесь прослеживается взаимосвязь: посетитель приходит в библиотеку, регистрируется или представляет уже зарегистрированные личные данные, а после этого ищет нужную литературу и читает ее. Такое сравнение является довольно примитивным. Современные сети работают намного сложнее. Однако такой пример как нельзя лучше подойдет для упрощенного понимания.

Вопрос идентификации терминалов

Поговорим немного о том, как осуществляется распознавание компьютеров сети любого типа. Если кто-то не знает, то при подключении любому терминалу присваивается два типа IP-адреса или уникального идентификатора: внешний и внутренний. Стоит отметить, что внутренний адрес не является уникальным. А нынешний IP адрес – да. В мире не существует двух машин с одинаковымIP. Это позволяет идентифицировать любое устройство, будь то мобильное устройство или компьютерный терминал. За это отвечает специальный протокол. Самым распространенным и широко применяемым на данный момент является протокол IPv4. Практика показывает, что данный протокол уже изжил себя, поскольку он неспособен предоставлять уникальные адреса в связи с возросшим числом клиентских устройств. Достаточно только взглянуть на мобильную технику, за последние десять лет количество применяемых гаджетов возросло на столько, что чуть ли не каждый второй житель земли в своем распоряжении имеет мобильный телефон.

Протокол IPv6

Архитектура сети стала постепенно меняться. На смену версии протокола IPv4 пришла IPv6. Пока она еще не получила особо широкого распространения, однако будущее данного протокола не за горами. В скором времени практически все провайдеры интернета, которые предоставляют доступ услугам связи, постепенно перейдут на этот протокол. Посудите сами, с использованием данного протокола с предоставлением 128-битного адреса можно зарезервировать намного больше адресов, чем при использовании четвертой версии.

Выделенные серверы

Рассмотрим, что собой представляют выделенные серверы. В данном случае обозначение уже говорит само за себя. Они предназначены для выполнения каких-то конкретных задач. Это самый настоящий интернет-сервер виртуального типа, который полностью принадлежит тому пользователю, который берет его в аренду. В этом и состоит смысл хостинга, когда владелец подкасты главного ресурса может размещать на выделенном пространстве любую информацию. За безопасность в данном случае отвечает не арендатор, а тот, кто сдает серверное пространство в аренду. Можно привести достаточно много примеров таких серверов. Здесь вам и личные страницы, ифайлообменники, и игры, и почта.

Локальные сети

Локальные сети, или как их еще часто называют «локалки», создаются для объединения ограниченного числа терминалов в одно целое. Как уже должно быть ясно, архитектура локальной сети в плане подключения, может представлять собой и доступ по типу VPN, и проводное соединение. В обоих случаях потребуется наличие подключения к главному администраторскому серверу. В данном случае сетевые службы могут работать в двойном режиме: с ручным вводом параметров и автоматической идентификацией, заключающейся в присвоении адреса каждой машине. В принципе у локальных сетей есть одна отличительная особенность, которая состоит только в том, что любому терминалу требуется регистрация и центральный сервер. Доступ к «расшаренной» информации может быть либо ограниченным, либо полным. В данном случае все будет зависеть от настроек. Однако если взглянуть даже не облачные сервисы, то по сути они представляют собой виртуальную сеть, в которой пользователи, проходя процедуру аутентификации, получают права для доступа к определенной информации, редактированию и скачиванию файлов. Иногда при этом даже предусмотрено одновременное изменение содержимого файла в режиме реального времени.

Архитектура сети: историческая справка

Перейдем, наконец, к самой большой сети в мире. Это, конечно же, Интернет. Прототипом Интернета принято считать ARPANET. Так называлась коммуникация, которая была разработана в 1969 году в США исключительно для военных целей. Правда, тогда соединение было протестировано только между двумя узлами. Со временем подключение к сети при помощи кабеля было установлено даже с терминалами, которые находятся в Великобритании. Позже появилась идентификация на основе протоколов TCP/IP и система присвоения доменных имен. Именно тогда и возникло то, что сегодня называют Интернетом. Вообще считается, что в сети Интернет не существует единого сервера, на котором могла бы храниться вся информация. На сегодняшний день даже не существует дисковых накопителей такой емкости. Информация распределена между сотнями тысяч отдельных серверов различного типа. Иначе говоря, Интернет можно отнести в равной степени к одноранговой и гибридной сети. При этом на отдельно взятой машине можно создать собственный интернет-сервер, который дает возможность не только управлять параметрами сети и сохранить нужную информацию, но и обеспечить доступ к ней другим пользователям. Самым простым примером является раздача Wi-Fi.

Основные настройки и параметры

Если же говорить о параметрах и настройках, то здесь все довольно просто. Ручной ввод сетевыхIP, прокси и DNS-серверов уже давно не применяется. Вместо этого провайдеры предоставляют услуги автоматического распознавания ПК или мобильного устройства в сети. В операционных системах семейства Windows доступ к данным настройкам осуществляется через свойства сети с выбором параметров протокола IPv4. В настройках указывается автоматическое получение адресов. Это позволяет избавить пользователя от ввода данных вручную. Однако в некоторых случаях, особенно при настройке клиентов RDP или организации доступа к некоторым специфичным службам, ручной ввод данный является обязательным.

Заключение

Как вы сами можете убедиться, разобраться в том, что собой представляет архитектура сети, не представляет особой сложности. В данном обзоре были рассмотрены только основные аспекты организации работы сетей. Этого вполне достаточно для того, чтобы объяснить неподготовленному пользователю принцип работы сети на пальцах. На самом деле все немного сложнее. В данной статье мы не затрагивали понятия серверов прокси, DNS, WINS, DHCP и т.д. Также здесь не рассматривались вопросы, связанные с программным обеспечением. Даже представленной информации будет вполне достаточно для понимания основных принципов функционирования сетей любого типа и структуры.

Наиболее распространённые архитектуры:

· Ethernet (англ. ether – эфир) – широковещательная сеть. Это значит, что все станции сети могут принимать все сообщения. Топология – линейная или звездообразная. Скорость передачи данных 10 или 100 Мбит/сек.

· Arcnet (Attached Resource Computer Network – компьютерная сеть соединённых ресурсов) – широковещательная сеть. Физическая топология – дерево. Скорость передачи данных 2,5 Мбит/сек.

· Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей маркера) – кольцевая сеть, в которой принцип передачи данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает прибытия некоторой короткой уникальной последовательности битов – маркера – из смежного предыдущего узла. Поступление маркера указывает на то, что можно передавать сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Скорость передачи данных 4 или 16 Мбит/сек.

· FDDI (Fiber Distributed Data Interface ) – сетевая архитектура высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи – 100 Мбит/сек. Топология – двойное кольцо или смешанная (с включением звездообразных или древовидных подсетей). Максимальное количество станций в сети – 1000. Очень высокая стоимость оборудования.

· АТМ (Asynchronous Transfer Mode ) – перспективная, дорогая архитектура, обеспечивает передачу цифровых данных, видеоинформации и голоса по одним и тем же линиям. Скорость передачи до 2,5 Гбит/сек. Линии связи оптические.

Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем – Model of Open System Interconnections). Модель OSI была создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).

Согласно модели OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней – до семи). Самый верхний уровень – прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний.

Рис. 8. Уровни управления и протоколы модели OSI

Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов). Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют протоколами.

Каждый уровень архитектуры подразделяется на две части:

· спецификацию услуг;

· спецификацию протокола.

Спецификация услуг определяет, что делает уровень, а спецификация протокола – как он это делает, причем каждый конкретный уровень может иметь более одного протокола.

Рассмотрим функции, выполняемые каждым уровнем программного обеспечения:

1. Физический уровень осуществляет соединения с физическим каналом, так, отсоединения от канала, управление каналом. Определяется скорость передачи данных и топология сети.

2. Канальный уровень добавляет в передаваемые массивы информации вспомогательные символы и контролирует правильность передаваемых данных. Здесь передаваемая информация разбивается на несколько пакетов или кадров. Каждый пакет содержит адреса источника и места назначения, а также средства обнаружения ошибок.

3. Сетевой уровень определяет маршрут передачи информации между сетями, обеспечивает обработку ошибок, а так же управление потоками данных. Основная задача сетевого уровня – маршрутизация данных (передача данных между сетями).

4. Транспортный уровень связывает нижние уровни (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами. Этот уровень разделяет средства формирования данных в сети от средств их передачи. Здесь осуществляется разделение информации по определенной длине и уточняется адрес назначения.

5. Сеансовый уровень осуществляет управление сеансами связи между двумя взаимодействующими пользователями, определяет начало и окончание сеанса связи, время, длительность и режим сеанса связи, точки синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче данных; восстанавливает соединение после ошибок во время сеанса связи без потери данных.

6. Представительский – управляет представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, производит компрессию и декомпрессию данных. Задачей данного уровня является преобразование данных при передаче информации в формат, который используется в информационной системе. При приеме данных данный уровень представления данных выполняет обратное преобразование.

7. Прикладной уровень взаимодействует с прикладными сетевые программами, обслуживающими файлы, а также выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации, передачу почтовых сообщений и т.п. Главная задача этого уровня – обеспечить удобный интерфейс для пользователя.

На разных уровнях обмен происходит различными единицами информации: биты, кадры, пакеты, сеансовые сообщения, пользовательские сообщения.

Преимущества работы в сети перед работой на ПЭВМ заключаются в том, что пользователь имеет значительные возможности за счет доступа к ее ресурсам, например, получить информацию (доступную для пользователей сети), находящуюся на других ПЭВМ, подключенных к сети. Имеется возможность воспользоваться мощными ЭВМ для запуска каких-либо программ (удаленный запуск программ), обмениваться информацией с другими пользователями сети. При этом можно сэкономить определенные средства за счет того, что сразу несколько пользователей получат возможность работать с одним общим устройством, например принтером.

Так, для офиса, учебного класса, отдела фирмы гораздо лучше и дешевле купить один дорогой, но хороший и быстродействующий принтер и использовать его как сетевой, чем к каждому компьютеру покупать дешевые, но плохие принтеры.

При организации связи между двумя компьютерами часто за одним компьютером закрепляется роль поставщика ресурсов (программ, данных и т. д.), а за другим - роль пользователя данных ресурсов. В этом случае первый компьютер называется сервером, а второй - клиентом или рабочей станцией, работающей под управлением специального программного обеспечения.

Сервер (англ, serve - обслуживать) - это высокопроизводительный компьютер с большим объемом внешней памяти, который обеспечивает обслуживание других компьютеров путем управления распределением дорогостоящих ресурсов совместного пользования (программ, данных и периферийного оборудования).

Клиент (рабочая станция) - любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера. Например, сервером может быть мощный компьютер, на котором размещается центральная база данных, а клиентом - обычный компьютер, программы которого по мере необходимости запрашивают данные с сервера. В некоторых случаях компьютер может быть одновременно и клиентом, и сервером, т. е. предоставлять свои ресурсы и хранимые данные другим компьютерам и в то же время использовать их ресурсы и данные.

Протокол коммуникации - это согласованный набор конкретных правил обмена информацией между разными устройствами передачи данных. Имеются протоколы для скорости передачи, форматов данных, контроля ошибок и др.

Для работы с сетью необходимо наличие специального сетевого программного обеспечения, которое обеспечивает передачу данных в соответствии с заданным протоколом. Протоколы коммуникации предписывают разбить весь объем передаваемых данных на пакеты - блоки фиксированного размера. Пакеты нумеруются, чтобы затем их можно было собрать в правильной последовательности. К данным, содержащимся в пакете, добавляется дополнительная информация следующего формата (рис. 4.1).

получателя

отправителя

контрольной суммы

Рис. 4.1. Формат пакета данных

Контрольная сумма данных пакета содержит информацию, необходимую для контроля ошибок. Первый раз она вычисляется передающим компьютером, второй раз - принимающим компьютером, после того как пакет будет передан. Если значения не совпадают, значит, данные пакета были повреждены при передаче. Такой пакет отбрасывается, и автоматически направляется запрос повторно передать пакет.

При установлении связи устройства обмениваются сигналами для согласования коммуникационных каналов и протоколов. Этот процесс называется подтверждением установления связи.

Архитектура сети - реализованная структура сети передачи данных, определяющая ее топологию, состав устройств и правила их взаимодействия в сети. В рамках архитектуры сети рассматриваются вопросы кодирования информации, ее адресации и передачи, управления потоком сообщений, контроля ошибок и анализа работы сети в аварийных ситуациях и при ухудшении характеристик.

Наиболее распространенные архитектуры:

Ethernet (англ, ether - эфир) - широковещательная сеть, в которой станции сети могут принимать все сообщения. Топология сети линейная или звездообразная, скорость передачи данных 10 или 100 Мбит/с;
Arcnet (Attached Resource Computer Network - компьютерная сеть соединенных ресурсов) - широковещательная сеть. Физическая топология - дерево, скорость передачи данных 2,5 Мбит/с;
Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей маркера) - кольцевая сеть, в которой принцип передачи данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает прибытия некоторой короткой уникальной последовательности битов (маркера) из смежного предыдущего узла. Поступление маркера указывает на то, что можно передавать сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Скорость передачи данных 4 или 16 Мбит/с;
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - сетевая архитектура высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Топология - двойное кольцо или смешанная (с включением звездообразных или древовидных подсетей), скорость передачи 100 Мбит/с. Максимальное количество станций в сети - 1000;
ATM (Asynchronous Transfer Mode) - перспективная, дорогая архитектура, обеспечивает передачу цифровых данных, видеоинформации и голоса по одним и тем же линиям, скорость передачи до 2,5 Гбит/с. Линии связи оптические.

Для соединения используется специальное оборудование:

сетевые кабели (коаксиальные, состоящие из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки; оптоволоконные; кабели на витых парах, образованные двумя переплетенными друг с другом проводами, и др.);
коннекторы (соединители) для подключения кабелей к компьютеру, разъемы для соединения отрезков кабеля;
сетевые интерфейсные адаптеры для приема и передачи данных. В соответствии с определенным протоколом управляют доступом к среде передачи данных. Размещаются в системных блоках компьютеров, подключенных к сети. К разъемам адаптеров подключается сетевой кабель;
трансиверы повышают уровень качества передачи данных по кабелю, отвечают за прием сигналов из сети и обнаружение конфликтов;
хабы (концентраторы) и коммутирующие хабы (коммутаторы) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля;
повторители (репитеры) усиливают сигналы, передаваемые по кабелю при его большой длине.

Технология «клиент-сервер». Характер взаимодействия компьютеров в локальной сети принято связывать с их функциональным назначением. Как и в случае прямого соединения, в рамках локальных сетей используются понятия «клиент» и «сервер». Технология «клиент-сервер» - это особый способ взаимодействия компьютеров в локальной сети, при котором один из компьютеров (сервер) предоставляет свои ресурсы другому компьютеру (клиенту). В соответствии с этим различают одноранговые и серверные сети.

При одноранговой архитектуре в сети отсутствуют выделенные серверы, каждая рабочая станция может выполнять функции клиента и сервера. В этом случае рабочая станция выделяет часть своих ресурсов в общее пользование всем рабочим станциям сети. Как правило, одноранговые сети создаются на базе одинаковых по мощности компьютеров. Одноранговые сети - достаточно простые в наладке и эксплуатации. В том случае, когда сеть состоит из небольшого числа компьютеров и ее основная функция - обмен информацией между рабочими станциями, одноранговая архитектура является наиболее приемлемым решением (табл. 4.1).

Таблица 4.1. Одноранговые ЛВС и ЛВС с выделенным файловым сервером

В одноранговых ЛВС все рабочие места (компьютеры) обладают одинаковыми возможностями по отношению друг к другу

В ЛВС с выделенным сервером один из компьютеров (сервер) наделяется диспетчерскими функциями. Этот компьютер, как правило, обладает наибольшей производительностью и управляет накопителями на жестких дисках (файловый сервер), поддерживает коллективные периферийные устройства, такие как устройства печати (сервер печати), графопостроители, стримеры, сканеры, модемы и т. п.)

Для ЛВС используются различные типы кабелей, а также ра-диоволновые, инфракрасные и оптические каналы.

Топология вычислительной сети. От конфигурации ЛВС зависит, как размещаются абоненты сети и как они соединяются между собой. Существует несколько конфигураций локальных вычислительных сетей (табл. 4.2).

Таблица 4.2. Топологии локальных вычислительных сетей

Окончание табл. 4.2

Звездообразные ЛВС возникли на основе учрежденческих телефонных сетей с АТС.

В центре звездообразной ЛВС находится центральный коммутатор, который последовательно опрашивает абонентов и предоставляет им право на обмен данными

В кольцевых ЛВС информация передается по замкнутому каналу (кольцу), в большинстве случаев только в одном направлении. Каждый абонент непосредственно связан с двумя соседними абонентами, но «прослушивает» передачу любого абонента сети

Управление сетями. Вычислительные сети имеют те же недостатки, что и ПК в виде автономной системы. Ошибочные включения и выключения какого-либо оборудования, выход за границы области, злоупотребления информацией и (или) манипулирование сетью могут разрушить рабочую систему. Обеспечение надежности функционирования сети входит в обязанности администратора сети, который должен быть всегда информирован о физическом состоянии и производительности сети и вовремя принимать соответствующие решения.

Администратор сети управляет счетами и контролирует права доступа к данным. Для этого в сетях применяется система имен и адресация. Каждый пользователь имеет собственный идентификатор - имя, в соответствии с которым получает ограниченный доступ к сетевым ресурсам и к времени работы в сети. Пользователи, кроме того, могут быть объединены в группы со своими правами и ограничениями. Для предотвращения несанкционированного доступа применяется система паролей.

Один из недостатков одноранговых сетей - наличие распределенных данных и возможность изменения серверных ресурсов каждой рабочей станции - усложняет защиту информации от несанкционированного доступа. Понимая это, разработчики начинают уделять особое внимание вопросам защиты информации в одноранговых сетях. Другой недостаток одноранговых сетей - их низкая производительность. Это объясняется тем, что сетевые ресурсы сосредоточены на рабочих станциях, которым приходится одновременно выполнять функции клиентов и серверов.

В серверных сетях осуществляется четкое разделение функций между компьютерами: одни из них постоянно являются клиентами, а другие - серверами. Учитывая многообразие услуг, предоставляемых компьютерными сетями, существует несколько типов серверов, а именно: сетевой сервер, файловый сервер, сервер печати, почтовый сервер и др.

Сетевой сервер представляет собой специализированный компьютер, ориентированный на выполнение основного объема вычислительных работ и функций по управлению компьютерной сетью. Этот сервер содержит ядро сетевой операционной системы, под управлением которой осуществляется работа всей локальной сети. Сетевой сервер обладает достаточно высоким быстродействием и большим объемом памяти. При подобной сетевой организации функции рабочих станций сводятся к вводу-выводу информации и обмену ею с сетевым сервером.

Термин файловый сервер относится к компьютеру, основная функция которого - хранение, управление и передача файлов данных. Он не обрабатывает и не изменяет сохраняемые и передаваемые им файлы. Сервер может «не знать», является ли файл текстовым документом, графическим изображением или электронной таблицей. В общем случае на файловом сервере могут даже отсутствовать клавиатура и монитор. Все изменения в файлах данных осуществляются с клиентских рабочих станций. Для этого клиенты считывают файлы данных с файлового сервера, проводят необходимые изменения данных и возвращают их на файловый сервер. Подобная организация наиболее эффективна при работе большого количества пользователей с общей базой данных. В рамках больших сетей могут одновременно использоваться несколько файловых серверов.

Сервер печати (принт-сервер) представляет собой печатающее устройство, которое с помощью сетевого адаптера подключается к передающей среде. Сервер печати работает независимо от других сетевых устройств, обслуживает заявки на печать от всех серверов и рабочих станций. В качестве серверов печати используются специальные высокопроизводительные принтеры.

При высокой интенсивности обмена данными с глобальными сетями в рамках локальных сетей выделяются почтовые серверы , с помощью которых обрабатываются сообщения электронной почты.

Компоновка и компоненты сети. «Сервер» и «рабочая станция»

Вычислительная сеть(ВС) – это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих аппаратных и программных компонентов. Аппаратными компонентами локальной сети являются компьютеры и различное коммуникационное оборудование (кабельные системы, концентраторы и т. д.). Программными компонентами ВС являются операционные системы (ОС) и сетевые приложения.

Компоновкой сети называется процесс составления аппаратных компонентов с целью достижения нужного результата.

В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, они могут выступать в трех разных ролях:

1. Компьютер, занимающийся исключительно обслуживанием запросов других компьютеров, играет роль выделенного сервера сети (рис. 1.4).

2. Компьютер, обращающийся с запросами к ресурсам другой машины, играет роль узла-клиента (рис. 1.5).

3. Компьютер, совмещающий функции клиента и сервера, является одноранговым узлом (рис. 1.6).

Рис. 1.4. Компьютер ‑ выделенный сервер сети

Рис. 1.5. Компьютер в роли узла-клиента

Очевидно, что сеть не может состоять только из клиентских или только из серверных узлов.

Сеть может быть построена по одной из трех схем:

· сеть на основе одноранговых узлов – одноранговая сеть;

· сеть на основе клиентов и серверов – сеть с выделенными серверами;

· сеть, включающая узлы всех типов – гибридная сеть.

Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, определяющие их области применения.

Рис. 1.6. Компьютер ‑ одноранговый узел

В одноранговых сетях один и тот же ПК может быть и сервером, и клиентом, в том числе и клиентом своего клиента. В иерархических сетях разделяемые ресурсы хранятся только на сервере, сам сервер может быть клиентом только другого сервера более высокого уровня иерархии.

При этом каждый из серверов может быть реализован как на отдельном компьютере, так и в небольших по объему ЛВС, быть совмещенным на одном компьютере с каким-либо другим сервером.

Существуют и комбинированные сети, сочетающие лучшие качества одноранговых сетей и сетей на основе сервера. Многие администраторы считают, что такая сеть наиболее полно удовлетворяет их запросы.

Архитектура сети определяет основные элементы сети, характеризует ее общую логическую организацию, техническое обеспечение, программное обеспечение, описывает методы кодирования. Архитектура также определяет принципы функционирования и интерфейс пользователя.

Архитектура терминал-главный компьютер;

Одноранговая архитектура;

Архитектура клиент-сервер.

Архитектура терминал-главный компьютер

Архитектура терминал-главный компьютер (terminal-host computer architecture) – это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров.

Рассматриваемая архитектура предполагает два типа оборудования:

Главный компьютер, где осуществляется управление сетью, хранение и обработка данных;

Терминалы, предназначенные для передачи главному компьютеру команд на организацию сеансов и выполнения заданий, ввода данных для выполнения заданий и получения результатов.

Главный компьютер через МПД взаимодействуют с терминалами, как представлено на рис. 1.7.

Классический пример архитектуры сети с главными компьютерами – системная сетевая архитектура (System Network Architecture – SNA).

Рис. 1.7. Архитектура терминал-главный компьютер

Одноранговая архитектура

Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) – это концепция информационной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. Данная архитектура характеризуется тем, что в ней все системы равноправны.

К одноранговым сетям относятся малые сети, где любая рабочая станция может выполнять одновременно функции файлового сервера и рабочей станции. В одноранговых ЛВС дисковое пространство и файлы на любом компьютере могут быть общими. Чтобы ресурс стал общим, его необходимо отдать в общее пользование, используя службы удаленного доступа сетевых одноранговых операционных систем. В зависимости от того, как будет установлена защита данных, другие пользователи смогут пользоваться файлами сразу же после их создания. Одноранговые ЛВС достаточно хороши только для небольших рабочих групп.

Одноранговые ЛВС являются наиболее легким и дешевым типом сетей для установки. При соединении компьютеров, пользователи могут предоставлять ресурсы и информацию в совместное пользование.

Одноранговые сети имеют следующие преимущества:

Они легки в установке и настройке;

Отдельные ПК не зависят от выделенного сервера;

Пользователи в состоянии контролировать свои ресурсы;

Малая стоимость и легкая эксплуатация;

Минимум оборудования и программного обеспечения;

Нет необходимости в администраторе;

Хорошо подходят для сетей с количеством пользователей, не превышающим десяти.

Проблемой одноранговой архитектуры является ситуация, когда компьютеры отключаются от сети. В этих случаях из сети исчезают виды сервиса, которые они предоставляли. Сетевую безопасность одновременно можно применить только к одному ресурсу, и пользователь должен помнить столько паролей, сколько сетевых ресурсов. При получении доступа к разделяемому ресурсу ощущается падение производительности компьютера. Существенным недостатком одноранговых сетей является отсутствие централизованного администрирования.

Использование одноранговой архитектуры не исключает применения в той же сети также архитектуры терминал-главный компьютер или архитектуры клиент-сервер.

Архитектура клиент-сервер

Архитектура клиент-сервер (client-server architecture) – это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов (рис. 1.8). Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов: серверы и клиенты.

Сервер – это объект, предоставляющий сервис другим объектам сети по их запросам. Сервис – это процесс обслуживания клиентов.

Сервер работает по заданиям клиентов и управляет выполнением их заданий. После выполнения каждого задания сервер посылает полученные результаты клиенту, пославшему это задание.

Сервисная функция в архитектуре клиент-сервер описывается комплексом прикладных программ, в соответствии с которым выполняются разнообразные прикладные процессы.

Рис. 1.8. Архитектура клиент – сервер

Процесс, который вызывает сервисную функцию с помощью определенных операций, называется клиентом. Им может быть программа или пользователь. На рис. 1.9 приведен перечень сервисов в архитектуре клиент-сервер.

Клиенты – это рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя. Интерфейсы пользователя (рис. 1.9) это процедуры взаимодействия пользователя с системой или сетью.

В сетях с выделенным файловым сервером на выделенном автономном ПК устанавливается серверная сетевая операционная система. Этот ПК становится сервером. ПО, установленное на рабочей станции, позволяет ей обмениваться данными с сервером. Наиболее распространенные сетевые операционная системы:

NetWare фирмы Novel;

Windows NT фирмы Microsoft;

UNIX фирмы AT&T;

Помимо сетевой операционной системы необходимы сетевые прикладные программы, реализующие преимущества, предоставляемые сетью.

Рис. 1.9. Модель клиент-сервер

Круг задач, которые выполняют серверы в иерархических сетях, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в ЛВС стали специализированными. Так, например, в операционной системе Windows NT Server существуют различные типы серверов:

1. Файл-серверы и принт-серверы. Они управляют доступом пользователей к файлам и принтерам. Так, например, для работы с текстовым документом вы прежде всего запускаете на своем компьютере (PC) текстовый процессор. Далее требуемый документ текстового процессора, хранящийся на файл-сервере, загружается в память PC, и таким образом Вы можете работать с этим документом на PC. Другими словами, файл-сервер предназначен для хранения файлов и данных.

2. Серверы приложений (в том числе сервер баз данных (БД), WEB-сервер). На них выполняются прикладные части клиент серверных приложений (программ). Эти серверы принципиально отличаются от файл-серверов тем, что при работе с файл-сервером нужный файл или данные целиком копируются на запрашивающий PC, а при работе с сервером приложений на PC пересылаются только результаты запроса. Например, по запросу можно получить только список работников, родившихся в сентябре, не загружая при этом в свою PC всю базу данных персонала.

3. Почтовые серверы управляют передачей электронных сообщений между пользователями сети.

4. Факс-серверы управляют потоком входящих и исходящих факсимильных сообщений через один или несколько факс-модемов.

5. Коммуникационные серверы управляют потоком данных и почтовых сообщений между данной ЛВС и другими сетями или удаленными пользователями через модем и телефонную линию. Они же обеспечивают доступ к Internet.

6. Сервер служб каталогов предназначен для поиска, хранения и защиты информации в сети. Windows NT Server объединяет PC в логические группы-домены, система защиты которых наделяет пользователей различными правами доступа к любому сетевому ресурсу.

Клиент является инициатором и использует электронную почту или другие сервисы сервера. В этом процессе клиент запрашивает вид обслуживания, устанавливает сеанс, получает нужные ему результаты и сообщает об окончании работы.

Сети на базе серверов имеют лучшие характеристики и повышенную надежность. Сервер владеет главными ресурсами сети, к которым обращаются остальные рабочие станции.

В современной клиент-серверной архитектуре выделяется четыре группы объектов: клиенты, серверы, данные и сетевые службы. Клиенты располагаются в системах на рабочих местах пользователей. Данные в основном хранятся в серверах. Сетевые службы являются совместно используемыми серверами и данными. Кроме того службы управляют процедурами обработки данных.

Сети клиент-серверной архитектуры имеют следующие преимущества:

Позволяют организовывать сети с большим количеством рабочих станций;

Обеспечивают централизованное управление учетными записями пользователей, безопасностью и доступом, что упрощает сетевое администрирование;

Эффективный доступ к сетевым ресурсам;

Пользователю нужен один пароль для входа в сеть и для получения доступа ко всем ресурсам, на которые распространяются права пользователя.

Наряду с преимуществами сети клиент-серверной архитектуры имеют и ряд недостатков:

Неисправность сервера может сделать сеть неработоспособной;

Требуют квалифицированного персонала для администрирования;

Имеют более высокую стоимость сетей и сетевого оборудования.

Выбор архитектуры сети

Выбор архитектуры сети зависит от назначения сети, количества рабочих станций и от выполняемых на ней действий.

Следует выбрать одноранговую сеть, если:

Количество пользователей не превышает десяти;

Все машины находятся близко друг от друга;

Имеют место небольшие финансовые возможности;

Нет необходимости в специализированном сервере, таком как сервер БД, факс-сервер или какой-либо другой;

Нет возможности или необходимости в централизованном администрировании.

Следует выбрать клиент-серверную сеть, если:

Количество пользователей превышает десять;

Требуется централизованное управление, безопасность, управление ресурсами или резервное копирование;

Необходим специализированный сервер;

Нужен доступ к глобальной сети;

Требуется разделять ресурсы на уровне пользователей.

Понятие “сетевая архитектура” включает общую структуру сети, т. е. все компоненты, благодаря которым сеть функционирует, в том числе аппаратные средства и системное программное обеспечение. Здесь будут обобщены уже полученные сведения о типах сетей, принципах их работы, средах и топологиях. Сетевая архитектура это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.

Ethernet

Ethernetсамая популярная в настоящее время архитектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию “шина”, а для регулирования трафика в основном сегменте кабеляCSMA/CD.

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

Рис. Сеть Ethernet топологии “шина” с терминаторами на обоих концах кабеля

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/c;

кабельная система толстый и тонкий коаксиальный.

Формат кадра

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 байтов, но сама структура кадра Ethernet использует, по крайней мере, 18 байтов, поэтому размер блока данных Ethernetот 46 до 1500 байтов. Каждый кадр содержит управляющую информацию и имеет общую с другими кадрами организацию.

Например, передаваемый по сети кадр EthernetIIиспользуется для протоколаTCP/IP. Кадр состоит из частей, которые перечислены в таблице.

Ethernet работает с большинством популярных операционных систем, в их числе:

Microsoft Windows 95;

Microsoft Windows NT Workstation;

Microsoft Windows NT Server;

Token Ring

От других сетей Token Ring отличает не только кабельная система, но и использование доступа с передачей маркера.

Рис. Физическизвезда, логическикольцо

Сеть Token Ring имеет следующие характеристики:

Архитектура

Топология типичной сети Token Ring“кольцо”. Однако в версииIBMэто топология “звезда-кольцо”: компьютеры в сети соединяются с центральным концентратором, маркер передается по логическому кольцу. Физическое кольцо реализуется в концентраторе. Пользователичасть кольца, но они соединяются с ним через концентратор.

Формат кадра

Основной формат кадра Token Ring показан на рисунке ниже и описан в следующей таблице. Данные составляют большую часть кадра.

Рис. Кадр данных Token Ring

Поле кадра	Описание
Стартовый разделитель	Сигнализирует о начале кадра
Управление доступом	Указывает на приоритет кадра и на то, что передаетсякадр маркера или кадр данных
Управление кадром	Содержит информацию Управления доступом к средедля всех компьютеров или информацию “конечной станции”только для одного компьютера
Адрес приемника	Адрес компьютера-получателя
Адрес источника	Адрес компьютера-отправителя
	Передаваемая информация
Контрольная последовательность кадра
Конечный разделитель	Сигнализирует о конце кадра
Статус кадра	Сообщает, был ли распознан и скопирован кадр (доступен ли адрес приемника)

Функционирование

Когда в сети Token Ring начинает работать первый компьютер, сеть генерирует маркер. Маркер проходит по кольцу от компьютера к компьютеру, пока один их них не сообщит о готовности передать данные и не возьмет управление маркером на себя. Маркерэто предопределенная последовательность битов (поток данных), которая позволяет отправить данные по кабелю. Когда маркер захвачен каким-либо компьютером, другие компьютеры передавать данные не могут.

Захватив маркер, компьютер отправляет кадр данных в сеть (как показано на рис. ниже). Кадр проходит по кольцу, пока не достигнет узла с адресом, соответствующим адресу приемника в кадре. Компьютер-приемник копирует кадр в буфер приема и делает пометку в поле статуса кадра о получении информации.

Кадр продолжает передаваться по кольцу, пока не достигнет отправившего его компьютера, который и удостоверяет, что передача прошла успешно. После этого компьютер изымает кадр из кольца и возвращает туда маркер.

Рис. Маркер обходит логическое кольцо по часовой стрелке

В сети одномоментно может передаваться только один маркер, причем только в одном направлении.

Передача маркерадетерминистический процесс, это значит, что самостоятельно начать работу в сети (как, например, в средеCSMA/CD) компьютер не может. Он будет передавать данные лишь после получения маркера. Каждый компьютер действует как однонаправленный репитер, регенерирует маркер и посылает его дальше.

Мониторинг системы

Компьютер, который первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями: он должен осуществлять текущий контроль за работой всей сети. Он проверяет корректность отправки и получения кадров, отслеживая кадры, проходящие по кольцу более одного раза. Кроме того, он гарантирует, что в кольце одномоментно находится лишь один единственный маркер.

Распознавание компьютера

После появления в сети нового компьютера система Token Ring инициализирует его таким образом, чтобы он стал частью кольца. Этот процесс включает:

проверку уникальности адреса;

уведомление всех сети о появлении нового узла.

Аппаратные компоненты

Концентратор

В сети TokenRingконцентратор, в котором организуется фактическое кольцо, имеет несколько названий, например:

MAU ;

MSAU (MultiStation Access Unit);

SMAU.

Кабели соединяют клиенты и серверы с MSAU, который работает по принципу других пассивных концентраторов. При подсоединении компьютера он включается в кольцо (см. рис. ниже).

Рис. Формирование кольца в концентраторе (указано направление движения маркера)

Емкость

IBMMSAUимеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до восьми компьютеров. Однако сетьTokenRingне ограничивается одним кольцом (концентратором). Каждое кольцо может насчитывать до 33 концентраторов.

Сеть на базе MSAU может поддерживать до 72 компьютеров - при использовании неэкранированной витой пары и до 260 компьютеров - при использовании экранированной витой пары.

Другие производители предлагают концентраторы большей емкости (в зависимости от модели).

Когда кольцо заполнено, т.е. к каждому порту MSAU подключен компьютер, сеть можно расширить за счет добавления еще одного кольца (MSAU).

Единственное правило, которого следует придерживаться: каждый MSAU необходимо подключить так, чтобы он стал частью кольца.

Гнезда “вход” и “выход” на MSAU позволяют с помощью кабеля соединить в единое кольцо до 12 MSAU, расположенных стопкой.

Рис. Добавляемые концентраторы не нарушают логического кольца