локально вычеслительные сети ИНФОРМАТИКА 2 КУРС. 14. локальные вычислительные сети (лвс) 14 Типы и характеристики лвс локальная вычислительная сеть
 Скачать 0.81 Mb.
|
|
1 14. ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ (ЛВС) 14.1. Типы и характеристики ЛВС Локальная вычислительная сеть представляет собой систему распределенной обработки данных, охватывающую небольшую территорию (диаметром до 10 км) внутри учреждений, НИИ, вузов, банков, офисов и т.п., это система взаимосвязанных и распределенных на фиксированной территории средств передачи и обработки информа- ции, ориентированных на коллективное использование общесетевых ресурсов — аппаратных, информационных, программных. ЛВС можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах одного здания или некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых подключенным абонентским системам (АС) для кратковременного использования. В обобщенной структуре ЛВС выделяются совокупность абонентских узлов, или систем (их число может быть от десятков до сотен), серверов и коммуникационная подсеть (КП). Основными компонентами сети являются кабели (передающие среды), рабочие станции (АРМ пользователей сети), платы интерфейса сети (сетевые адаптеры), серверы сети. Рабочими станциями (PC) в ЛВС служат, как правило, персональные компьютеры (ПК). На PC пользователями сети реализуются прикладные задачи, выполнение которых связано с понятием вычислительного процесса. Серверы сети — это аппаратно-программные системы, выполняющие функции управления распределением сетевых ресурсов общего доступа, которые могут работать и как обычная абонентская система. В качестве аппаратной части сервера используются достаточно мощный ПК, мини-ЭВМ, большая ЭВМ или компьютер, спроектированный специально как сервер. В ЛВС может быть несколько различных серверов для управления сетевыми ресурсами, однако всегда имеется один (или более) файл-сервер (сервер баз данных) для управления внешними ЗУ общего доступа и организации распределенных баз данных (РБД). Рабочие станции и серверы соединяются с кабелем коммуникационной подсети с помощью интерфейсных плат — сетевых адаптеров (СА). Основные функции СА: организация приема (передачи) данных из (в) PC, согласование скорости приема (передачи) информации (буферизация), формирование пакета данных, параллельно-последовательное преобразование (конвертирование), кодирование (декодирование) данных, проверка правильности передачи, установление соединения с требуемым абонентом сети, организация собственно обмена данными. В ряде случаев перечень функций С А существенно увели- чивается, и тогда они строятся на основе микропроцессоров и встроенных модемов. В ЛВС в качестве кабельных передающих сред используются витая пара, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель. Кроме указанного, в ЛВС используется следующее сетевое оборудование: приемопередатчики (трансиверы) и повторители (репитеры) — для объединения сегментов локальной сети с шинной топологией; концентраторы (хабы) — для формирования сети произвольной топологии (используются активные и Пассивные концентраторы); мосты — для объединения локальных сетей в единое целое и повышения 2 производительности этого целого путем регулирования трафика (данных пользователя) между отдельными подсетями; маршрутизаторы и коммутаторы — для реализации функций коммутации и маршрутизации при управлении трафиком в сегментированных (состоящих из взаимосвязанных сегментов) сетях. В отличие от мостов, обеспечивающих сегментацию сети на физическом уровне, маршрутизаторы выполняют ряд «интеллектуальных» функций при управлении трафиком. Коммутаторы, выполняя практически те же функции, что и маршрутизаторы, превосходят их по произ- водительности и обладают меньшей латентностью (аппаратная временная задержка между получением и пересылкой информации); модемы (модуляторы — демодуляторы) — для согласования цифровых сигналов, генерируемых компьютером, с аналоговыми сигналами типичной современной телефонной линии; анализаторы — для контроля качества функционирования сети; сетевые тестеры — для проверки кабелей и отыскания неисправностей в системе установленных кабелей. Основные характеристики ЛВС: • территориальная протяженность сети (длина общего канала связи); • максимальная скорость передачи данных; • максимальное число АС в сети; • максимально возможное расстояние между рабочими станциями в сети; • топология сети; • вид физической среды передачи данных; • максимальное число каналов передачи данных; • тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный); • метод доступа абонентов в сеть; • структура программного обеспечения сети; • возможность передачи речи и видеосигналов; • условия надежной работы сети; • возможность связи ЛВС между собой и с сетью более высокого уровня; • возможность использования процедуры установления приоритетов при одновременном подключении абонентов к общему каналу. К наиболее типичным областям применения ЛВС относятся следующие. Обработка текстов — одна из наиболее распространенных функций средств обработки информации, используемых в ЛВС. Передача и обработка информации в сети, развернутой на предприятии (в организации, вузе и т.д.), обеспечивает реальный переход к «безбумажной» технологии, вытесняя полностью или частично пишущие машинки. Организация собственных информационных систем, содержащих автоматизированные базы данных — индивидуальные и общие, сосредоточенные и распределенные. Такие БД могут быть в каждой организации или фирме. Обмен информацией между АС сети — важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота. Передача данных и связь занимают особое место среди приложений сети, так как это главное условие нормального функционирования современных организаций. Обеспечение распределенной обработки данных, связанное с объединением 3 АРМ всех специалистов данной организации в сеть. Несмотря на существенные различия в характере и объеме расчетов, проводимых на АРМ специалистами различного профиля, используемая при этом информация в рамках одной организации, как правило, находится в единой (интегрированной) базе данных. Поэтому объединение таких АРМ в сеть является целесообразным и весьма эффективным решением. Поддержка принятия управленческих решений, предоставляющая руководителям и управленческому персоналу организации достоверную и оперативную информацию, необходимую для оценки ситуации и принятия правильных решений. Организация электронной почты — один из видов услуг ЛВС, позволяющих руководителям и всем сотрудникам предприятия оперативно получать всевозможные сведения, необходимые в его производственно-хозяйственной, коммерческой и торговой деятельности. Коллективное использование дорогостоящих ресурсов — необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛВС. Речь идет о таких ресурсах, как высокоскоростные печатающие устройства, запоминающие устройства большой емкости, мощные средства обработки информации, прикладные программные системы, базы данных, базы знаний. Очевидно, что такие средства нецелесообразно (вследствие невысокого коэффициента использования и дороговизны) иметь в каж- дой абонентской системе сети. Достаточно, если в сети эти средства имеются в одном или нескольких экземплярах, но доступ к ним обеспечивается для всех АС. В зависимости от характера деятельности организации, в которой развернута одна или несколько локальных сетей, указанные функции реализуются в определенной комбинации. Кроме того, могут выполняться и другие функции, специфические для данной организации. Типы ЛВС. Для деления ЛВС на группы используются определенные классификационные признаки. По назначению ЛВС делятся на информационные (информационно- поисковые), управляющие (технологическими, административными, организационными и другими процессами), расчетные, информационно-расчетные, обработки документальной информации и др. По типам используемых в сети ЭВМ их можно разделить на неоднородные, где применяются различные классы (микро-, мини-, большие) и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское оборудование, и однородные, содержащие одинаковые модели ЭВМ и однотипный состав абонентских средств. По организации управления однородные ЛВС различаются на сети с централизованным и децентрализованным управлением. В сетях с централизованным управлением выделяются одна или несколько машин (центральных систем или органов), управляющих работой сети. Диски выделенных машин, называемых файл-серверами или серверами баз данных, доступны всем другим компьютерам (рабочим станциям) сети. На серверах работает сетевая ОС, обычно мультизадачная. Рабочие станции имеют доступ к дискам серверов и совместно используемым принтерам, но, как правило, не могут работать непосредственно с дисками других PC. Серверы могут быть выделенными, и тогда 4 они выполняют только задачи управления сетью и не используются как PC, или невыделенными, когда параллельно с задачей управления сетью выполняют пользовательские программы (при этом снижается производительность сервера и надежность работы всей сети из-за возможной ошибки в пользовательской про- грамме, которая может привести к остановке работы сети). Такие сети отличаются простотой обеспечения функций взаимодействия между АС ЛВС, но их применение целесообразно при сравнительно небольшом числе АС в сети. В сетях с централизованным управлением большая часть информационно-вычислительных ресурсов сосредоточена в центральной системе. Они отличаются также более надежной системой защиты информации. Если информационно-вычислительные ресурсы ЛВС равномерно распределены по большому числу АС, централизованное управление малоэффективно из-за резкого увеличения служебной (управляющей) информации. В этом случае эффективными оказываются сети с децентрализованным (распределенным) управлением, или одноранговые. В таких сетях нет выделенных серверов, функции управления сетью передаются по очереди от одной PC к другой. Рабочие станции имеют доступ к дискам и принтерам других PC. Это облегчает совместную работу групп пользователей, но производительность сети несколько понижается. Недостатки одноранговых сетей: зависимость эффективности функционирования сети от количества АС, сложность управления сетью, сложность обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа. По скорости передачи данных в общем канале различают: • ЛВС с малой пропускной способностью (единицы мегабитов в секунду), в которых в качестве физической передающей среды используется обычно витая пара или коаксиальный кабель; • ЛВС со средней пропускной способностью (десятки мегабитов в секунду), в которых используется также коаксиальный кабель или витая пара; • ЛВС с большой пропускной способностью (сотни мегабитов в секунду), где применяются оптоволоконные кабели (световоды). По топологии, т.е. конфигурации элементов в сети ЛВС делятся: на общую шину, кольцо, звезду и др. 14.2.Протоколы передачи данных и методы доступа к передающей среде в ЛВС Протоколы передачи данных нижнего уровня, получившие распространение в ЛВС, приведены на рис. 14.1. Типичными методами доступа к передающей среде в современных ЛВС являются: • множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD), иначе называемый методом доступа Ethernet, так как именно в этой сети он получил наибольшее распространение; • маркерное кольцо (метод доступа Token Ring); • маркерная шина (метод доступа Arcnet). Указанные методы доступа реализованы соответственно на стандартах IEEE802.3, IEEE802.5, IEEE802.4. 5 Рис.14.1. Протоколы передачи данных нижнего уровня в ЛВС Метод доступа Ethernet (метод случайного доступа) разработан фирмой Xerox в 1975 г. и используется в ЛВС с шинной топологией, обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Это метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением конфликтов (коллизий). Каждая PC перед началом передачи определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, PC начинает передачу данных, осуществляемую пакетами, упакованными в кадры. Из- за различных системных задержек могут возникнуть коллизии. В этом случае станция задерживает передачу на определенное время. Для каждой PC устанавливается свое время ожидания перед повторной передачей кадра. Коллизии приводят к снижению быстродействия сети только при сравнительно большом количестве активных PC (до 80—100). Метод доступа Token Ring разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети. Это селективный метод доступа в кольцевой моноканал, именуемый «маркерное кольцо». В качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Маркер не имеет адреса и может находиться в одном из двух состояний — свободном или занятом. Если ни одна PC не готова к передаче данных, свободный маркер циркулирует по кольцу. Станция, имеющая кадр для передачи, ждет подхода свободного маркера, захватывает его, изменяет состояние маркера на «занятый» и добавляет к нему кадр. Занятый маркер с кадром перемещается по кольцу и возвращается к станции-отправителю, причем при прохождении через узел назначения снимается копия кадра. Станция-отправитель удаляет свой кадр из кольца, изменяет состояние маркера на «свободный» и передает его дальше по кольцу. С этого момента любая станция может изменить состояние маркера на «занятый» и начать передачу данных. Описанная процедура характерна для сети, в которой все станции имеют одинаковый приоритет. В рамках метода «маркерное кольцо» предусматривается возможность передачи кадров станции с учетом их приоритетов. Тогда станции с низким приоритетом могут захватывать кольцо в случае неактивности станций с более высоким приоритетом. 6 Метод доступа Arcnet разработан фирмой Datapoint Corp. и используется в ЛВС с топологией «звезда» и «общая шина». Это селективный метод доступа в моноканал, называемый «маркерная шина». Маркер создается одной из станций сети и имеет адресное поле, где указывается номер (адрес) станции, владеющий маркером. Передачу производит только та станция, которая в данный момент владеет маркером (эстафетной палочкой). Остальные станции работают на прием. Последовательность передачи маркера от одной станции к другой задается управляющей станцией сети. Станции, последовательно получающие маркер для передачи кадров, образуют «логическое кольцо». Станция, получившая маркер (полномочия на передачу информации), передает свой подготовленный кадр в шину. Если кадра для передачи нет, она сразу посылает маркер другой станции согласно установленному порядку передачи полномочий. Так продолжается до тех пор, пока управляющая станция не инициирует новую последовательность передач маркера. Станция назначения, получившая маркер с кадром, «отцепляет» кадр от маркера и передает маркер той станции, которая является следующей в установленной последовательности передач. При таком методе доступа в моноканал имеется воз- можность обеспечить приоритетное обслуживание абонентов, например, в течение одного цикла, когда маркер совершает полный оборот по «логическому кольцу». Станции с более высоким приоритетом получают маркер не один, а несколько раз. В качестве примера приведем структуру пакета по стандарту ШЕЕ 802.3 с указанием длины каждого поля в байтах. Преамбу ла Признак начала пакета Назначен ие Источник Длина Данные Набивка CRC-сумма 7 1 2 или 6 2 или 6 2 0-1500 ? 4 Преамбула — это поле, содержащее семь одинаковых байтов 10101010, предназначенных для синхронизации. Признак начала пакета — однобайтовое поле для обозначения начала пакета. Назначение — поле длиной 2 или 6 байт (в зависимости от типа ЛВС), указывает, для какой PC данный пакет предназначен. Источник — в этом поле содержится адрес отправителя пакета. Длина — здесь содержится информация о длине данных в пакете. Данные — в это поле записываются данные, составляющие передаваемое сообщение. Набивка — сюда вставляют пустые символы для доведения длины пакета до минимально допустимой величины. При достаточно большой длине поля данных поле набивки может отсутствовать. CRC-сумма — здесь содержится контрольное число, используемое на приемном пункте для выявления ошибок в данных принятого пакета. В качестве контрольного числа применяется остаток избыточной циклической суммы, вычисленный с помощью полиномов типа CRC-32. На приемном пункте также производится вычисление этого остатка и затем его сравнение с содержимым рассматриваемого поля с целью обнаружения ошибок в принятых данных. Общая длина пакета стандарта IEEE 802.3 находится в диапазоне от 64 до 1518 байт, не считая преамбулы и признака начала пакета. Пример 14.1. Найти максимально допустимое расстояние S max между 7 наиболее удаленными станциями локальной сети Ethernet, если известны величины: • Е п min = 512 бит — минимальная длина пакета (кадра); • V к = 10 Мбит/с — скорость передачи данных по коаксиальному кабелю (передающей среде в сети); • V c — 50 000 км/с — скорость распространения сигнала в передающей среде; • Т п ≥ 2T с, mах , т. е. время передачи пакета (T п ) должно быть более чем вдвое больше, чем время распространения сигнала (Т с, mах ) между наиболее удаленными станциями сети. Условие T п ≥ 2T c , max означает, что от длины пакета решающим образом зависит общая протяженность сети, в которой реализован метод доступа CSMA/CD. Очевидно, что S max =Vc * Т |