Локальные вычислительные сети

22

Содержание

Введение

1. Виды локальных вычислительных сетей

2. Топология вычислительной сети

3. Базовые технологии локальных сетей

Заключение

Список использованных источников

Введение

Локальной вычислительной сетью (ЛВС) называют сеть, элементы которой - вычислительные машины (в том числе мини- и микрокомпьютеры), терминалы, связная аппаратура - располагаются на сравнительно небольшом удалении друг от друга (до 10 км).

Локальная сеть обычно предназначается для сбора, передачи, рассредоточенной и распределенной обработки информации в пределах одной лаборатории, отдела, офиса или фирмы, часто специализируется на выполнении определенных функций в соответствии с профилем деятельности фирмы и отдельных ее подразделений. Во многих случаях ЛВС, обслуживающая свою локальную информационную систему, связана с другими вычислительными сетями, внутренними или внешними, вплоть до региональных или глобальных сетей.

Основное назначение любой вычислительной сети - предоставление информационных и вычислительных ресурсов подключенным к ней пользователям.

Связь ЛВС с сетью Интернет может выполняться через хост-компьютер, в качестве которого может использоваться web-сервер или сервер-шлюз (часто именуемый прокси-сервером) - рабочая станция, имеющая специализированное программное обеспечение для непосредственной работы в Интернете, например, программы EasyProxy, WinProxy, WinGate.

1. Виды локальных вычислительных систем

Локальные вычислительные сети можно классифицировать по целому ряду признаков (рис. 1).

Классификация ЛВС

Рисунок 1 - Классификация локальных вычислительных сетей

Существует параллельная классификация вычислительных сетей, в которой локальные сети определены несколько иначе: локальной сетью считается компьютерная сеть, обслуживающая нужды одного предприятия, одной корпорации. Среди таких вычислительных сетей выделяют:

Локальные сети рабочих групп, обычно объединяют ряд ПК, работающих под управлением одной операционной среды. В ряду компьютеров часто выделяются специализированные серверы, предназначенные для выполнения функций файлового сервера, сервера печати, факс-сервера.

Локальные сети отделов используются небольшой группой сотрудников предприятия, работающих в одном подразделении (отдел кадров, бухгалтерия, отдел маркетинга и т.п.). В такой сети может насчитываться до сотни компьютеров. Чаще всего она имеет несколько выделенных серверов, специализированных для таких ресурсов, как программы-приложения, базы данных, лазерные принтеры, модемы и т.д.

Эти сети, как правило, задействуют одну сетевую технологию, и также одну (максимум две) операционную систему. Территориально они чаще всего расположены и в одном здании.

Сети кампусов получили название от слова campus - студенческий городок. Основное назначение таких сетей - объединение нескольких мелких сетей в одну. Сети кампусов могут занимать значительные территории и объединять много разнородных сетей. Основное их назначение - обеспечить взаимодействие между сетями отделов и рабочих групп и создать доступ к базам данных предприятия и другим дорогостоящим сетевым ресурсам.

На уровне сети кампуса решаются многие проблемы интеграции неоднородного программного и технического обеспечения. Ресурсы глобальной сети Интернет кампусов не используют.

Корпоративные сети - сети масштаба всего предприятия, корпорации. Они могут охватывать большие территории, вплоть до рассредоточения на нескольких континентах.

Ввиду высокой стоимости индивидуальных выделенных коммуникаций и плохой защищенности от несанкционированного доступа коммутируемых каналов связи они чаще всего используют коммуникационные возможности Интернета, и поэтому территориальное размещение для таких сетей роли не играет.

Корпоративные сети относят к особой разновидности локальных сетей, имеющих значительную территорию охвата.

По назначению ЛВС можно разделить на:

Ё вычислительные, выполняющие преимущественно расчетные работы;

Ё информационно-вычислительные, кроме расчетных операций, осуществляющие информационное обслуживание пользователей;

Ё информационные, выполняющие в основном информационное обслуживание пользователей (создание и оформление документов, доставку пользователю директивной, текущей, справочной и другой нужной ему информации);

Ё информационно-поисковые - разновидность информационных, специализирующихся на поиске информации в сетевых хранилищах по нужной пользователю тематике сетей;

Ё информационно-советующие, обрабатывающие текущую организационную, техническую и технологическую информацию и вырабатывающие результирующую информацию для поддержки принятия пользователем правильных решений;

Ё информационно-управляющие, обрабатывающие текущую техническую и технологическую информацию и вырабатывающие результирующую информацию, на базе которой автоматически вырабатываются воздействия на управляемую систему и т.д.

По количеству подключенных к сети компьютеров сети можно разделить на:

Ё малые, объединяющие до 10-15 машин;

Ё средние - до 50 машин;

Ё большие - свыше 50 машин.

По территориальной расположенности ЛВС делятся на:

Ё компактно размещенные (все компьютеры расположены в одном помещении);

Ё распределенные (компьютеры сети размещены в разных помещениях).

По пропускной способности ЛВС классифицируются на:

Ё ЛВС с малой пропускной способностью (скорость передачи данных в пределах до десятка мегабитов в секунду), использующие чаще всего в качестве каналов связи тонкий коаксильный кабель витую пару;

Ё ЛВС со средней пропускной способностью (скорости передачи данных - несколько десятков мегабитов в секунду), практикующие чаще всего в качестве каналов связи толстый коаксильный кабель или экранированную витую пару;

Ё ЛВС с большой пропускной способностью (скорости передачи данных составляют и даже тысячи мегабитов в секунду), задействующие в большинстве в качестве каналов связи волоконно-оптические кабели.

По топологии ЛВС делятся на:

Ё шинные;

Ё петлевые;

Ё радиальные;

Ё полносвязные;

Ё иерархические;

Ё смешанные.

По типам используемых компьютеров среди них можно выделить однородные и неоднородные.

В однородных ЛВС используются одинаковые типы компьютеров, имеющие одинаковые операционные системы и однотипный состав абонентских средств. В однородных сетях значительно проще выполнять многие распределенные информационные процедуры (в качестве классического примера можно назвать организацию и использование распределенных баз данных).

По организации управления ЛВС делятся на:

Ё ЛВС с централизованным управлением;

Ё ЛВС с децентрализованным управлением.

На этих классах ЛВС остановимся немного подробнее.

В ЛВС наиболее важными (видимыми) для пользователя являются два структурно-функциональных звена: рабочие станции и серверы. Не все ЛВС имеют в своем составе выделенные серверы, в некоторых случаях функции сервера оказываются как бы распределенными между рабочими станциями сети.

С этой точки зрения и можно говорить о двух типах ЛВС в зависимости от присутствия централизованного управления.

Одноранговые локальные сети

В сетях без централизованного управления (часто их называют одноранговыми сетями - peer-to-peer) нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Функции управления сетью передаются от одной станции к другой. Сетевая операционная система распределены по всем рабочим станциям (на каждом компьютере должны быть программные средства администрирования сети).

Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть. Пользователю сети доступны все периферийные устройства, подключенные к другим станциям (магнитные и оптические диски, принтеры, сканеры, плоттеры и т.д.).

Но отсутствие серверов в сети не позволяет администратору централизованно управлять ресурсами. Каждый компьютер, включенный в одноранговую сеть, имеет свои собственные сетевые программные средства, а необходимость прямого воздействия компьютеров друг с другом по мере расширения системы приводит к слишком большому количеству связей между рабочими станциями. Эффективно управлять такой системой практически невозможно.

Достоинства одноранговых сетей:

Ё низкая стоимость;

Ё высокая надежность.

Недостатки одноранговых сетей:

Ё возможность подключения небольшого количества рабочих станций (не более 10);

Ё сложность управления сетью;

Ё трудности обновления и изменения программного обеспечения станций;

Ё сложность обеспечения защиты информации.

Одноранговые сети создаются на базе таких операционных систем, как Artisoft LANtatic, Novell NetWare, оболочки MS Windows for Workgroups.

Серверные локальные сети

В сетях с централизованным управлением (часто их называют двухранговыми или серверными сетями) один из компьютеров (сервер) реализует процедуры, предназначенные для использования всеми рабочими станциями, управляет взаимодействием рабочих станций и выполняет целый ряд сервисных функций.

В процессе обработки данных клиент может сформировать запрос на сервер для выполнения тех или иных процедур: чтение файла, поиск информации в базе данных, печать файла и т.п.

Сервер выполняет запрос, поступивший от клиента. Результаты выполнения запроса передаются клиенту. Сервер обеспечивает хранение данных общего использования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту. Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя. Обработка данных может быть выполнена и на сервере.

Следует отметить, что в серверных сетях клиенту непосредственно доступны ресурсы сети, имеющиеся только на сервере (серверах, если имеется несколько специализированных серверов).

Данные и программы, хранящиеся на дисках чужих рабочих станций, могут быть доступны пользователю только через сервер или с помощью установленной в сети специальной программы доступа к ресурсам рабочих станций.

Системы, в которых сервер выполняет только процедуры организации, хранения и выдачи клиентам нужной информации, называются системами «файл-сервер» или сетями с выделенным сервером; те же системы, в которых на сервере наряду с хранением выполняется и содержательная обработка информации, принято называть системами «клиент-сервер».

В системе «клиент-сервер» сервер играет активную роль: он не просто выдает на запрос весь файл, а может предварительно обработать информацию и выдать клиенту результаты решения задачи или отобрать именно те записи файла, которые и интересуют клиента, в удобном для клиента представлении. Такая технология, кроме всего прочего, способствует и меньшей загрузке каналов связи сети.

Клиент-серверные системы иногда подразделяют на две группы:

Ё системы, в которых клиент, решая свои задачи на сервере, использует свое прикладное программное обеспечение (такие системы часто называют системами с толстым клиентом);

Ё системы, в которых клиент, решая свои задачи на сервере, прибегает к прикладному программному обеспечению, размещенному на сервере (такие системы обычно называют системами с тонким клиентом); типичным примером таких систем являются ЛВС, где в качестве рабочих станций выступают сетевые компьютеры.

Сервер, работающий по технологии «файл-сервер», сам называется файл-сервером; работающий по технологии «клиент-сервер» - сервером приложений.

Достоинства серверных локальных сетей:

Ё отсутствие ограничений на число рабочих станций;

Ё простота управления по сравнению с одноранговыми сетями;

Ё высокое быстродействие;

Ё надежная система защиты информации.

Недостатки серверных локальных вычислительных сетей:

Ё высокая стоимость из-за выделения одного или нескольких компьютеров под сервер;

Ё зависимость быстродействия и надежности сети от сервера;

Ё меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью.

Серверные сети являются весьма распространенными; примеры сетевых операционных систем для таких сетей: LAN Manager (Microsoft), Token Ring (IBM) и NetWare (Novell).

2. Топология вычислительной сети

Топология типа «звезда»

Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Вся информация между двумя периферийными рабочими мес-тами проходит через центральный узел вычислительной сети.

Топология в виде звезды

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает.

Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях.

Топология «кольцо»

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с дру-гой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо.

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию).

Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять «в дорогу» по ка-бельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличи-вается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычисли-тельную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Кольцевая топология

Топология «шина»

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного дня всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети.

Шинная топология

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet-кaбeль с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вы-зывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание сис-темы.

Древовидная структура ЛВС

Наряду с известными топологиями вычислительных сетей кольцо, звезда и шина, на практике применяется и комбинированная, на пример древовидна структура. Она образуется в основном в виде комбинаций вы-шеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычис-лительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются ком-муникационные линии информации (ветви дерева). Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

3. Базовые технологии локальных сетей

Для упрощения и удешевления аппаратных и программных средств в локальных сетях чаще всего применяются моноканалы, используемые совместно всеми компьютерами сети в режиме разделения времени (второе название моноканалов - разделяемые каналы).

Классический пример моноканала - канал сети шинной топологии. Сети кольцевой и радиальной топологии с пассивным центром также используют моноканалы, поскольку, несмотря на смежность каждого узла сети со своим сегментом сети, доступ к этим сегментам смежных узлов в произвольный момент времени не допустим.

Эти сегменты используются только в едином целом совместно со всем разделяемым каналом всеми компьютерами сети по определенному алгоритму. Причем в каждый момент времени моноканал принадлежит только одному компьютеру.

Данный подход позволяет упростить логику работы сети, так как отпадает необходимость контроля переполнения узлов пакетами от многих станций, решивших одновременно передать информацию.

В глобальных сетях для этого контроля используются весьма сложные алгоритмы.

Но наличие только одного, разделяемого всеми абонентами канала передачи данных ограничивает пропускную способность системы. Поэтому в современных сетях стали все чаще использоваться коммуникационные устройства (мосты, маршрутизаторы), разделяющие общую сеть на подсети (сегменты), которые могут работать автономно, обмениваясь по мере надобности данными между собой.

При этом протоколы управления в ЛВС остаются теми же самыми, которые применяются и в неразделяемых сетях.

Наибольшее развитие в локальных сетях получили протоколы двух нижних уровней управления модели OSI. Причем в сетях, использующих моноканал, протоколы канального уровня делятся на два подуровня:

Ё подуровень логической передачи данных - LLC (Logical Link Control);

Ё подуровень управления доступом к сети - MAC (Media Access Control).

Подуровень логической передачи данных у большинства протоколов, в том числе и у семейства IEEE 802.x, включающего в себя основные протоколы ЛВС, один и тот же.

К основным протоколам ЛВС относятся: IEEE 802.2 - это протокол логической передачи данных LLC; MAC-протоколы доступа к сети: IEEE 802.3 - Ethernet - эти протоколы почти одинаковы; IEEE 802.4 - Token Bus, IEEE 802.5 - Token Ring и т.д.

Повторим, что LLC построен на основе протокола HDLC и предоставляет верхним уровням OSI три вида процедур:

Ё LLC1 - без установления соединения и без подтверждения;

Ё LLC2 - с установлением соединения и с подтверждением;

Ё LLC3 - без установления соединения и с подтверждением.

Большой интерес представляют протоколы управления доступом MAC.

Сетевая технология IEEE802.3/Ethernet

Сетевая технология - это согласованный набор протоколов и реализующих их аппаратно-программных компонентов, достаточных для построения сети.

Самая распространенная в настоящее время технология (количество сетей, использующих эту технологию, превысило 5 млн. с числом компьютеров в этих сетях более 50 млн.) создана в конце 70-х годов и в первоначальном варианте использовала в качестве линии связи коаксильный кабель. Но позже было разработано много модификаций этой технологии, рассчитанных и на другие коммуникации, в частности:

Ё 10Base-2 - использует тонкий коаксильный кабель (диаметр 0,25 дюйма); обеспечивает сегменты длиной до 185 м с максимальным числом рабочих станций в сегменте 30;

Ё 10Base-5 - использует толстый коаксильный кабель (диаметр 0,5 дюйма); обеспечивает сегменты длиной до 500 м с максимальным числом рабочих станций в сегменте 100;

Ё 10Base-T - использует неэкранированную витую пару и обеспечивает сегменты длиной до 100 м с максимальным числом рабочих станций в сегменте 1024;

Ё 10Base-F - использует волоконно-оптический кабель и обеспечивает сегменты длиной до 2000 м с максимальным числом рабочих станций в сегменте 1024.

Технологии Ethernet и IEEE802.3 во многом похожи; последняя поддерживает не только топологию «общая шина», но и топологию «звезда». Скорость передачи при этих технологиях равна 10 Мбит/с.

Технология IEEE802.5/Token Ring

Технология IEEE802.5/Token Ring поддерживает кольцевую (основная) и радиальную (дополнительная) топологии сетей, для доступа к моноканалу использующих метод передачи маркера (его называют также детерминированным маркерным методом).

Маркеры по сети продвигаются по кольцу в одном направлении (симплексный режим), и им может присваиваться до 8 уровней приоритета. Размер маркера при скорости передачи данных 4 Мбит/с - 4 Кбайт, а при скорости 16 Мбит/с - 20 Кбайт.

По умолчанию время удержания маркера каждой станцией равно 10 мс. Скорость передачи данных по сети не более 155 Мбит/с.

Поддерживает экранированную и неэкранированную витую пару и волоконно-оптический кабель. Максимальная длина кольца - 4000 м, а максимальное число узлов на кольце - 260.

Реализация этой технологии существенно более дорога и сложны, нежели технологии Ethernet, но и она тоже достаточно распространена.

Технология ARCNET

Технология ARCNet (Attached Resourse Computer Network, компьютерная сеть с присоединяемыми ресурсами) - это относительно недорогая, простая и надежная в работе технология, используемая только в сетях с персональными компьютерами.

Она поддерживает разнообразные линии связи, включая коаксильный кабель, витую пару и волоконно-оптический кабель.

Обслуживаемые ею топологии - радиальная и шинная с доступом к моноканалу по методу передачи полномочий.

В первоначальной конфигурации ARCNet обеспечивала скорость передачи данных 4 Мбит/с, а в конфигурации ARCNet Plus - 20 Мбит/с.

Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface, волоконно-оптический интерфейс распределенных данных) во многом базируется на технологии Token Ring, но ориентирована на волоконно-оптические линии связи (есть возможность использовать и неэкранированную витую пару) и обеспечивает передачу данных по кольцу 100 Мбит/с.

Используется детерминированный маркерный метод доступа без выделения приоритетов.

Для обеспечения высокой надежности организуются два ориентированных навстречу друг другу кольца (данные перемещаются в противоположных направлениях).

В случае отказа одного кольца передача данных ведется по объединенному первому и второму кольцам с исключением сбойного сегмента кольца (при интенсивных отказах есть возможность динамически создавать дополнительные виртуальные кольца).

Ввиду большой стоимости технология внедряется в основном в магистральных каналах и крупных сетях.

Заключение

Итак, при выборе локальной сети основное внимание обращают на следующие характеристики:

Ё топология сети;

Ё ранговый тип сети (одноранговая или с выделенным сервером);

Ё типы используемых в сети протоколов, регламентирующих форматы и процедуры обмена информацией между абонентами;

Ё тип используемой операционной системы;

Ё максимальное количество рабочих станций;

Ё максимально допустимое удаление рабочих станций друг от друга;

Ё типы компьютеров, входящих в сеть (однородность или неоднородность сети);

Ё вид физической среды передачи данных (коммутируемый или некоммутируемый канал; телефонный канал, витая пара, коаксильный кабель, оптоволоконный кабель);

Ё максимальная пропускная способность;

Ё методы передачи данных (коммутация каналов, сообщений или пакетов);

Ё тип передачи данных - синхронный или асинхронный;

Ё методы доступа к моноканалу;

Ё надежность сети, определяемая способностью сохранять работоспособность при выходе из строя отдельных ее участков (узлов и линий связи).

Перед выбором или проектированием ЛВС следует уяснить для себя цели создания сети, особенности ее организационного и технического использования, в том числе:

Ё какие проблемы предполагается решать при использовании ЛВС;

Ё какие задачи планируется решать в будущем;

Ё кто будет выполнять техническую поддержку ЛВС после ее создания и запуска;

Ё нужен ли доступ из ЛВС к глобальной сети Интернет;

Ё какие требования предъявляются к секретности и безопасности информации;

Ё какие технические и программные средства необходимо приобрести при создании ЛВС;

Ё насколько подготовлены сотрудники для работы в сети, какое обучение потребуется для них?

Список использованных источников

1. Бройдо, В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006. - 703с.

2. Куроуз, Дж., Росс, К. Компьютерные сети. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2004. - 756с.

3. Новиков, Ю.В., Кондратенко, С.В. Локальные сети. Архитектура, алгоритмы, проектирование. - М.: Издательство ЭКОМ, 2000. - 312с.

4. Олифер, В.Г., Олифер, Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. - 3-е изд. - СПб.: Питер, 2006. - 958с.