Основные технологии и оборудование локальных сетей

Тема Сетевые информационные технологии

Лекция 2 Локальные компьютерные сети

Основные технологии и оборудование локальных сетей

Сетевые операционные системы

Основные технологии и оборудование локальных сетей

На первых порах основной сетевой услугой, ради которой создавались локальные сети (ЛС), был доступ к дефицитным или дорогостоящим ресурсам: быстродействующему принтеру, дисководу повышенной емкости и т.п. В дальнейшем виды сетевого сервиса становились все более разнообразными.

Локальные компьютерные сети объединяют относительно небольшое число компьютеров (обычно от 10 до 100, хотя изредка встречаются и гораздо большие) в пределах одного помещения (учебный компьютерный класс), здания или учреждения (например, университета). Традиционное название - локальная вычислительная сеть (ЛВС), которое часто встречается в специальной литературе - скорее дань тем временам, когда сети в основном использовались для решения вычислительных задач; сегодня же в 99% случаев речь идет исключительно об обмене информацией в виде текстов, графических и видео-образов, числовых массивов.

Полезность локальных сетей объясняется тем, что от 60% до 90% необходимой учреждению информации циркулирует внутри него, не нуждаясь в выходе наружу, и только некоторая часть связана с внешними взаимодействиями.

Как типичная компьютерная сеть, локальная сеть включает:

несколько ПЭВМ, снабженных сетевым адаптером, или сетевой картой;

сетевое программное обеспечение;

среду передачи, объединяющую указанные узлы.

Среда передачи – это физический канал обмена данными в сети. Она однозначно определяется видом носителя информации: электрический или электромагнитный сигнал. Каждая среда имеет свои преимущества и недостатки

Локальные сети могут иметь любую структуру, но чаще всего компьютеры в локальной сети связаны единым высокоскоростным каналом передачи данных. Это главная отличительная особенность локальных сетей. Существуют проводные и беспроводные (радио) каналы. Каждый из них характеризуется определенными значениями существенных с точки зрения организации локальной сети параметров:

- скорости передачи данных

- максимальной длины линии

- помехозащищенности

- механической прочности

- удобства и простоты монтажа

- стоимости.

В качестве канала передачи данных в виде электрического сигнала обычно применяют 4 типа сетевых кабелей: коаксиальный кабель, незащищенная витая пара, защищенная витая пара и волоконно-оптический кабель (оптическое волокно, оптоволоконный кабель). Первые три типа кабелей передают электрический сигнал по медным проводникам. В волоконно-оптическом кабеле световод сделан из кварцевого стекла толщиной в человеческий волос. Это наиболее высокоскоростной, надежный, но и дорогостоящий кабель. Большинство сетей допускает несколько вариантов кабельных соединений. Каналы в локальных сетях являются собственностью организаций, и это упрощает их эксплуатацию.

Таким образом, чтобы подключить компьютер к ЛКС, он должен иметь сетевой адаптер (сете­вую карту), который вставляется в свободный слот расширения либо интегрирован на материнскую плату и содержит специальный разъем для подключения сетевого кабеля.

Для ЛКС в настоящее время используются следующие физические среды переда­чи информации:

• тонкий коаксиальный кабель (рис. 1) — самая дешевая, но низкоскоростная среда; максимальное расстояние между компьютерами — до 150 м;

• толстый коаксиальный кабель (рис. 2) — более дорогая среда по сравнению с тонким кабелем; максимальное расстояние между компьютерами — до 500 м;

• витая пара (рис. 3) — еще более скоростная и дорогая среда, требует наличия специальных соединителей — концентраторов, или хабов (hub); максималь­ное расстояние от компьютера до ближайшего концентратора — до 100 м;

• оптоволоконный кабель (рис. 4) — самый дорогой вариант, обычно использует­ся для соединения мощных компьютеров; максимальное расстояние — до 2 км;

• беспроводное соединение, Wi-Fi (рис. 5) — использует воздушный радиока­нал; это удобно, так как не требуется прокладки проводов, но дороже, чем проводные соединения.

Для удобства представим сравнительные характеристики различных видов со­единений в ЛКС в форме таблицы.

Вид соединения Скорость Сравнительная стоимость Расстояние
Тонкий коаксиальный кабель 10 Мбит/с Самый дешевый До 150 м
Толстый коаксиальный кабель 10 Мбит/с Более дорогой До 500 м
Витая пара 10-100 Мбит/с Более дорогой До 100 м
Оптоволоконный кабель До 1 Гбит/с Самый дорогой До 2 км
Беспроводное соединение 3-54 Мбит/с Дороже, чем провод­ные соединения (кро­ме оптоволокна) До 300 м

-

 

 

 

 

 

Помимо основного оборудования, в локальных сетях используют также дополнительные устройства, которые повышают работоспособность сети. К ним относятся:

  • Повторители (репитеры)
  • Концентраторы (хабы)
  • Коммутаторы (свитчи)

Повторители - физические устройства, которые используют для соединения сегментов сети. Они получают сигнал от одного сегмента, усиливают его и передают другим сегментам. Их используют при наличии большого числа компонентов сети и наличии длинных кабелей.

Концентраторы - специальный прибор, к которому подсоединяют компьютеры. Он имеет несколько (четное число) портов (гнезд) для подключения сетевых кабелей. Кабели служат для подсоединения концентратора к компьютеру. В качестве кабеля обычно используют витую пару, на концах кабеля устанавливают соединители. Соединитель на одном конце вставляется в разъем компьютера, а на другом - в разъем концентратора.

Схематически сеть с концентратором выглядит следующим образом:

Для подсоединения в сеть до 30 компьютеров достаточно одного концентратора. Однако при увеличении числа компьютеров целесообразно использовать несколько концентраторов. Так, например, каждое подразделение предприятия может иметь свой концентратор. Эти концентраторы соединяются с главным концентратором предприятия. Схематически такую сеть можно представить следующим образом:

 

Концентратор передает поступающие к нему сообщения по всем направлениям, кроме того, по которому они пришли. Так как пропускная способность сети ограничена, то при большой загрузке она снижается из-за частых конфликтов при одновременных попытках передачи данных в сеть. Для устранения этих недостатков вместо концентратора используют коммутаторы.

Коммутатор - устройство, выполняющее функции концентратора, но в отличие от него передает сообщение только по тому направлению, по которому находится получатель. Т.е. коммутатор разбивает сеть на несколько сегментов, не пропуская в каждый сегмент не относящееся к нему сообщение. Коммутаторы стоят значительно дороже концентраторов, поэтому часто к коммутатору подсоединяют не отдельные коммутаторы, а концентраторы подразделений предприятия. Схематически сеть с коммутатором можно представить:

 

 

Для передачи данных в виде электромагнитного сигнала используют инфракрасные (ИК) и радиочастотные (РЧ) волны. Такие системы не следует рассматривать в качестве удачной замены обычной локальной проводной сети. Беспроводные решения (доступные прежде исключительно военным) эффективны в том случае, если прокладка кабелей затруднена или вообще невозможна (носимые, бортовые или возимые компьютеры). Свобода перемещения узлов сети в пространстве – пока единственное очевидное преимущество беспроводного метода связи. Большинство производителей беспроводных сетей предпочитают использовать РЧ-связь. Для радиоволн стены не являются преградой, с их помощью обеспечивается устойчивая связь на достаточно больших расстояниях. При внедрении РЧ-технологии следует помнить, что неграмотное расположение приемопередающих узлов в пространстве может привести к образованию так называемых мертвых зон – участков, не пригодных для радиообмена. В нашей стране распределение диапазонов между гражданскими и военными организациями совершенно иное чем в США, и перед приобретением оборудования необходимо уточнить, имеется ли на то разрешение Госинспекции электросвязи.

Метод передачи ИК-сигнала широко применяется в бытовой технике, но до недавнего времени практически не использовался в компьютерных сетях. Виной тому низкая проникающая способность ИК-излучений: связь возможна только в пределах прямой видимости. Оборудование на основе ИК-связи намного дешевле радиочастотного при одинаковой пропускной способности и не подвержено влиянию радиопомех.

Стоимость беспроводных систем выше, чем проводной сети. Но, если учесть, что радиосистемы не требуют прокладки кабеля и позволяют иметь достаточную свободу перемещения, то цена не так уж и высока. Беспроводные сети применяются в специфических условиях, и, по мнению аналитиков, займут свою нишу на рынке.

Локальные сети в зависимости от назначения и технических решений могут иметь различные конфигурации (или, как еще говорят, архитектуру, или топологию). (См. первую лекцию по компьютерным сетям.)

Процесс передачи данных по сети определяют 6 компонент:

- компьютер-источник

- блок протокола

- передатчик

- физическая кабельная сеть

- приемник

- компьютер-адресат.

Компьютер-источник может быть рабочей станцией, файл-сервером, т.е. любым компьютером, подключенным к сети. Блок протокола состоит из набора микросхем и программного драйвера для платы сетевого интерфейса. Блок протокола отвечает за логику передачи по сети. Передатчик посылает электрический сигнал через физическую топологическую схему. Приемник распознает и принимает сигнал, передающийся по сети, и направляет его для преобразования в блок протокола, который затем передает данные в компьютер-адресат. В ходе процесса передачи блок протокола управляет логикой передачи по сети через схему доступа.

Методы доступа в ЛКС

По методам доступа в локальной компьютерной сети выделяются такие наиболее распространенные сети, как

Ethernet

ARCnet

Token Ring

Метод доступа Ethernet, пользующийся наибольшей популярностью, обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Для него используется топология «общая шина», поэтому сообщение , отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к общей шине. Но поскольку сообщение включает адреса станций отправителя и адресата, то другие станции это сообщение игнорируют. Это метод множественного доступа. При нем перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если свободен, то станция начинает передачу.

Метод доступа ARCnet получил распространение в силу дешевизны оборудования. Он используется в сетях со звездообразной топологией. Одна из ПЭВМ создает специальный маркер (сообщение специального вида), который последовательно передается от одной ПЭВМ к другой. Если станция передает сообщение другой станции, она должна дождаться маркера и добавить к нему сообщение, дополненное адресами отправителя и назначения. Когда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет отделено от маркера и передано станции.

Метод доступа Token Ring рассчитан на кольцевую топологию и также использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. Но при нем имеется возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям. При этом методе маркер перемещается по кольцу, давая последовательно расположенным на нем компьютерам право на передачу. Если компьютер получает пустой маркер, он может заполнить сообщение кадром любой длины, однако лишь в течение того промежутка времени, который отводит специальный таймер для нахождения маркера в одной точке сети. Кадр перемещается по сети и каждая ПЭВМ регенерирует его, но только принимающая ПЭВМ копирует тот кадр в свою память и отмечает его как принятый, однако не выводит сам кадр из кольца. Эту функцию выполняет передающий компьютер, когда его сообщение возвращается к нему обратно. Тем самым обеспечивается подтверждение факта передачи сообщения.

Существуют различные способы соединения персональных компьютеров в единый комплекс. Самый простой из них – соединить компьютеры через последовательные порты. В этом случае имеется возможность копировать файлы с жесткого диска одного компьютера на другой, если воспользоваться программой операционной оболочки. Для получения прямого доступа к жесткому диску другого компьютера разработаны специальные сетевые платы (адаптеры) и программное обеспечение. В простых локальных сетях функции выполняются не на серверной основе, а по принципу соединения рабочих станций друг с другом, поэтому пользователю можно не приобретать специальные файловые серверы и дорогостоящее сетевой ПО. Каждая ПЭВМ такой сети может выполнять функции как рабочей станции, так и сервера.

В локальных сетях с развитой архитектурой функции управления выполняет сетевая операционная система, устанавливаемая на более мощном, чем рабочие станции, компьютере (файловом сервере). Серверные сети делятся на сети среднего класса (до 100 рабочих станций) и мощные (корпоративные), объединяющие до 250 рабочих станций и более. Основным разработчиком сетевых программных продуктов для сервера локальной сети является фирма Novell.

В серверных локальных сетях реализованы две модели взаимодействия пользователей с рабочими станциями: модель файл-сервер и модель клиент-сервер.

В первой модели сервер обеспечивает доступ к файлам базы данных для каждой рабочей станции, и на этом его работа заканчивается. Например, если используется база данных типа файл-сервер, для получения сведений о налогоплательщиках, проживающих на какой-либо конкретной улице города, по сети будет передана вся таблица по району, и решать, какие записи в ней удовлетворяют запросу, а какие нет, приходится самой рабочей станции. Таким образом, работа этой модели приводит к перегрузке сети.

Устранение этих недостатков достигается в модели клиент-сервер. В этом случае прикладная система делится на две части: внешнюю, обращенную к пользователю и называемую клиентом, и внутреннюю, обслуживающую и называемую сервером. Сервером является машина, обладающая ресурсами и предоставляющая их, а клиентом – потенциальный потребитель этих ресурсов. Роль ресурсов может играть файловая система (файловый сервер), процессор (вычислительный сервер), база данных (сервер базы данных), принтер (принтер-сервер) и др. Так как сервер (или серверы) обслуживает одновременно многих клиентов, то на серверном компьютере должна функционировать многозадачная операционная система. В этой модели сервер играет активную роль, ибо его программное обеспечение заставляет сервер «сначала подумать, а потом сделать». Потоки информации, текущие по сети, становятся меньшими, поскольку сервер сначала обрабатывает запросы, а затем посылает клиенту то, в чем он нуждается. Сервер так же контролирует допустимость обращения к записям на индивидуальной основе, что обеспечивает большую безопасность данных.

В компьютерных сетях сосредоточивается информация, исключительной право на пользование которой принадлежит определенным лицам или группам лиц, действующим в порядке личной инициативы или в соответствии с должностными обязанностями. Такая информация защищается от всех видов постороннего вмешательства: чтения лицами, не имеющими права доступа к информации, и преднамеренного изменения информации.

Обеспечение безопасности информации в компьютерных сетях и в автономно работающих ПЭВМ достигается комплексом организационных, организационно-технических и программных мер защиты. (Состав найти самостоятельно)

К механизмам обеспечения безопасности работы в сети относятся: идентификация пользователей (как правило, с помощью паролей), шифрование данных, электронная подпись, управление маршрутизацией и др.