Учебное пособие для студентов специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
21. Какие сервисы предоставляет клиент серверная архитектура? 22. Преимущества и недостатки архитектуры терминал - главный компьютер. 23. В каком случае используется одноранговая архитектура? 24. Что характерно для сетей с выделенным сервером? 30 25. Как называются рабочие станции, которые используют ресурсы сервера? 26. Что такое сервер? 3.ПОСТРОЕНИЕ АСУТП НА БАЗЕ КОНЦЕПЦИИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ 3.1 Особенности АСУТП 3.2 Работа сети 3.3 Взаимодействие уровней модели OSI 3.4 Описание уровней модели OSI Ключевые слова: сложные системы, работа сети, модель OSI, уровни модели OSI. 3.1 Особенности АСУТП АСУТП относятся к классу сложных систем, которым присущи следующие черты: • целенаправленность и управляемость системы, т.е. наличие у всех ее элементов общей цели; • системный характер реализуемых алгоритмов обмена, требующий совместной обработки информации от разных источников; • сложная иерархическая организация, предусматривающая сочетание централизованного управления с распределенностью и автономностью функциональных подсистем; • наличие различных способов обработки информации, самоорганизации и адаптации; • целостность и сложность поведения отдельных подсистем; • большое число входящих в систему функциональных подсистем; • наличие информационных связей между функциональными элементами в подсистемах, а также внешних связей с другими функциональными подсистемами, и широкого спектра дестабилизирующих воздействий, помех и т.п. Аппаратно-программную базу АСУ ТП можно рассматривать как особый класс локальных вычислительных систем (ЛВС). Важнейшими свойствами открытой ЛВС будут: • мобильность прикладных программ – возможность переноса программ с одной аппаратной платформы на другую с минимальными доработками или даже без них; 31 • мобильность персонала, т.е. возможность подготовки персонала для работы с системой с минимальными временными и трудозатратами; • четкие условия взаимодействия частей системы и сетей с использованием открытых спецификаций. При их построении применяется архитектурный подход. Под архитектурой будем понимать функциональные, логические, физические принципы организации сети, использующие архитектуру открытых систем (OSI - open systems interconnection). 3.2 Работа сети. Заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе выделяются задачи: • распознавание данных; • разбиение данных на управляемые блоки; • добавление информации к каждому блоку, чтобы указать местонахождение данных и получателя; • добавление информации для синхронизации и проверки ошибок; • размещение данных в сети и отправка их по заданному адресу. Сетевые операционные системы (ОС) при выполнении всех задач следуют строгому набору процедур. Эти процедуры называются протоколами или правилами поведения. Протоколы регламентируют каждую сетевую операцию. Стандартные протоколы позволяют программному и аппаратному обеспечению различных производителей нормально функционировать. Существует два главных набора стандартов: модель OSI и ее модификация – Project 802 В 1984 г. ISO (международная организация стандартов) выпустила эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection). Эта версия стала международным стандартом: именно ее спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов, именно ее придерживаются при построении сетей. Эта модель – широко распространенный метод описания сетевых сред. Являясь многоуровневой системой, она отражает взаимодействие программного и аппаратного обеспечения при осуществлении сеанса связи. В модели OSI сетевые функции распределены между 7-ю уровнями. Каждому уровню соответствует различные сетевые операции, оборудование и протоколы. 7. Прикладной уровень 6. Представительский уровень. 32 5. Сеансовый уровень. 4. Транспортный уровень. 3. Сетевой уровень. 2. Канальный уровень. 1. Физический уровень. На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимодействуют с функциями соседних уровней. Каждый уровень представляет несколько услуг (операций), подготавливающих данные для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отделяются друг от друга границами – интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень использует услуги нижележащего уровня. 3.3 Взаимодействие уровней модели OSI Задача каждого уровня это предоставление услуг вышележащему уровню, "маскируя" детали реализации этих услуг. При этом каждый уровень на одном компьютере работает так, будто он напрямую связан с таким же уровнем на другом компьютере. Эта логическая, или виртуальная, связь между одинаковыми уровнями показана на рис.2.1 Рис.3.1 Взаимосвязи между уровнями модели OSI В действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного компьютера – программное обеспечение (ПО), работающее на каждом уровне, реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором протоколов. Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет – это единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит через все уровни ПО. На каждом уровне к пакету добавляется некоторая информация, 33 форматирующая или адресная, которая необходима для успешной передачи по сети. На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. ПО на каждом уровне читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся адресная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид. Таким образом, за исключением самого нижнего уровня сетевой модели, никакой иной уровень не может непосредственно послать информацию соответствующему уровню другого компьютера. Информация на компьютере – отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по сетевому кабелю на компьютер – получатель и опять проходит сквозь все слои, пока не достигнет того же уровня, с которого она была послана на компьютере – отправителе. Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интерфейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень предоставляет верхнему и способ доступа к ним. 3.4 Описание уровней модели OSI. Уровень № 1. Физический (physical). Осуществляет передачу неструктурированного "сырого" потока битов по физической среде. Здесь реализуется электрический, оптический, механический и функциональный интерфейс с кабелем. ФУ также формирует сигналы, которые переносят данные от всех вышележащих уровней. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера, в частности, количество контактов и их функции. Кроме того, здесь определяется способ передачи данных по сетевому кабелю. ФУ предназначен для передачи битов (0 и 1) от одного компьютера к другому. Содержание самих битов на данном уровне значения не имеет. Этот уровень отвечает за кодирование данных и синхронизацию битов, гарантируя, что переданная единица будет воспринята именно как 1, а не как 0. Ф.У. устанавливает длительность каждого бита и способ перевода бита в соответствующие электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю. ФУ описывает физическую среду, составляющую сеть: медные провода, оптоволокно, космические спутники, пассивные и активные концентраторы, устройства связи, кабели и кабельную сеть, разъемы, мультиплексоры, трансмиттеры, 34 На ФУ определяются следующие элементы: • типы сетевых соединений (многоточечные и двухточечные); • физическая топология (схема сети): шинная, кольцевая, звездообразная; • аналоговая и цифровая передача сигналов, включая различные методы кодирования данных; • синхронизация битов между отправителем и получателем; • передача в основной полосе частот и широкополосная передача – различные методы использования полосы пропускания; • мультиплексирование – комбинация нескольких каналов передачи данных в один. Уровень №2.Канальный уровень (Date link) Осуществляет передачу кадров данных от Сетевого уровня (СУ) к Физическому. Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Канальный уровень компьютера – получателя упаковывает "сырой" поток битов, поступающих от ФУ, в кадры данных. КУ обеспечивает точность передачи кадров между компьютерами через ФУ. Это позволяет СУ считать передачу данных по сетевому соединению фактически безошибочной. Когда КУ посылает кадр, он ожидает со стороны получателя подтверждения приема. КУ получателя проверяет наличие возможных ошибок передачи. Кадры, поврежденные при передаче, или кадры, получение которых не подтверждено, посылаются вторично. Помимо данных, в каждом пакете содержится адресная информация и, иногда, запись о количестве данных в пакете. Таким образом, сеть может узнать об утрате части данных. Содержание и структура пакетов зависит от типа сети. Поэтому, если в сети используются два протокола канального уровня (например, Ethernet и Token Ring), то для того, чтобы они могли взаимодействовать между собой, следует использовать мост. Устройства, ассоциируемые с КУ являются мосты, интеллектуальные концентраторы и платы сетевого интерфейса. Уровень 3.Сетевой уровень (Network) Отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические адреса. Исходя из конкретных сетевых условий, приоритета услуги и других факторов здесь определяется 35 маршрут от компьютера – отправителя к компьютеру – получателю. На этом уровне решаются задачи, связанные с сетевым трафиком, как коммутация пакетов, маршрутизация и перегрузки. Если сетевой адаптер маршрутизатора не может передавать большие блоки данных, посланные компьютером – отправителем, на Сетевом уровне эти блоки разбиваются на меньшие, а Сетевой уровень компьютера - получателя собирает эти данные в исходное состояние. Протоколы СУ отвечают за определение наилучшего пути маршрутизации данных между компьютерами. Определяются сетевые адреса, такие как IP (часть протокола TCP/IP).Оптимальный путь доставки информации из одного сегмента сети в другой определяют маршрутизаторы. Протоколы не отвечают за доставку данных по конечному адресу, а только находят наилучший путь. Уровень 4.Транспортный уровень (Transport) Обеспечивает дополнительный уровень соединения – ниже сеансового уровня. ТУ гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне сообщения переупаковываются: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На ТУ компьютера – получателя сообщения распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде, и посылается сигнал подтверждения приема. ТУ управляет потоком, проверяет ошибки и участвует в решении проблем, связанных с отправкой и получением пакетов. Протоколы транспортного уровня, такие как SPX или TCP отвечают за доставку данных по логическим адресам, определяемым протоколами сетевого уровня. Уровень 5.Сеансовый уровень (Session) Позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. На этом уровне выполняются такие функции, как распознавание имен и защита, необходимые для связи двух приложений в сети. СУ обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек. Таким образом, в случае сетевой ошибки, потребуется заново передать только данные, следующие за последней контрольной точкой. На этом уровне выполняется управление диалогом между взаимодействующими процессами, то есть 36 регулируется какая из сторон осуществляет передачу, когда, как долго и т.д. Службы сеансового уровня предоставляет NetBIOS. Уровень 6.Представительский уровень (Presentation) Определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми компьютерами. Этот уровень можно назвать переводчиком. На компьютере – отправителе данные, поступившие от прикладного уровня, на этом уровне переводятся в общепонятный промежуточный формат. На компьютере – получателе на этом уровне происходит перевод из промежуточного формата в тот, который используется Прикладным уровнем данного компьютера. ПУ отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их шифрование, смену или преобразование применяемого набора символов (кодовой таблицы и расширение графических команд). ПУ, кроме того, управляет сжатием данных для уменьшения передаваемых битов. На этом уровне работает утилита, называемая редиректором. Ее назначение – переадресовывать операции ввода/вывода к ресурсам сервера. Уровень 7.Прикладной уровень (Application) Представляет собой окно для доступа прикладных программ к сетевым услугам. Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя, такие как программное обеспечение для передачи файлов, доступа к базам данных и электронная почта. Нижеследующие уровни поддерживают задачи, выполняемые на ПрУ. ПрУ управляет общим доступом к сети, потоком данных и обработкой ошибок. Вопросы для самопроверки: 1. Характерные особенности АСУТП. 2. Назвать свойства локальных систем. 3. Принцип работы сети. 4. Что такое OSI и как взаимодействуют ее уровни? 5. Описать уровни модели OSI. 4.Топология сети 4.1 Виды сетей 4.2 Топология типа «звезда» 4.3 Кольцевая топология 4.4 Шинная топология 4.5 Выбор топологии 4.6 Древовидная структура локальной сети 37 Ключевые слова: локальная сеть, топология, «звезда», «шина», «кольцо», древовидная структура. 4.1 Виды сетей Способ соединения компьютеров в сети называется топологией. Существуют следующие виды сетей: o LAN (Local Area Network); o MAN (Metropolitan Area Network); o WAN (Wide Area Network); o GAN (Global Area Network). В данном курсе будем рассматривать только локальные сети. Локальная сеть представляет собой соединение нескольких компьютеров с помощью соответствующего аппаратного и программного обеспечения. Преимущества от сети: • распределение данных. Данные в сети хранятся на центральном компьютере (К) и могут быть доступны для любого К, подключенного к сети. Поэтому не надо на каждом рабочем месте иметь накопители для хранения одной и то же информации. • распределение ресурсов. Периферийные устройства могут быть доступны для всех пользователей сети (факс, принтер и др.); • распределение программ. Все пользователи сети могут иметь доступ к программам, которые были один раз централизованно установлены. При этом должна работать сетевая версия соответствующих программ; • электронная почта. Все пользователи сети могут передавать или принимать сообщения. Центральный компьютер всей локальной сети называется файловый сервер (сервер). Остальные компьютеры рабочие станции – клиенты. 4.2 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. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте сети Relcom. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети. Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает. 38 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 (рис.4.1) 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 невысока по сравнению с достигаемой в других топологиях. Рис. 4.1 Топология звезда Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети. Центральный узел управления - файловый сервер реализует оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра. Сеть типа звезда имеет достоинства: 39 • повреждение кабеля является проблемой для одного конкретного компьютера и в целом не сказывается на работе сети; • просто выполняется подключение, так как рабочая станция (РС) должна соединяться только с сервером; • надежный механизм защиты от несанкционированного доступа; • высокая скорость передачи данных от рабочей станции к серверу. Недостатки: • если сервер находится не в центре сети, то подключение к нему удаленных станций может быть дорогим; • передача данных от рабочих станций к серверу и обратно происходит быстро. А скорость передачи данных между отдельными рабочими станциями мала; • мощность всей сети зависит от возможностей сервера. Если он недостаточно оснащен или плохо сконфигурирован, то будет являться тормозом для всей системы. • невозможна коммуникация между отдельными РС без сервера. 4.3 Кольцевая топология. При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кольцу, 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 (рис.4.2). Рис.4.2 Кольцевая топология 40 Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географическое расположение рабочих станций далеко от формы 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 кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную 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. Подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями. Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть (Рис 4.3). Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных коммутаторов (англ. Hub - концентратор), которые по-русски также иногда называют «хаб». В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Управление отдельной рабочей станцией в логической кольцевой сети происходит так же, как и в обычной кольцевой сети. Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети. 41 Рис.4.3 Кольцевая логическая топология Достоинства: • так как информация постоянно циркулирует по кругу между последовательно соединенными компьютерами, то существенно сокращается время доступа к этим данным; • нет ограничений на длину всей сети, то в сети имеет значение только расстояние между отдельными компьютерами Недостатки: • время передачи данных увеличивается пропорционально числу соединенных в кольцо компьютеров; • каждая рабочая станция причастна к передаче данных. Выход из строя одной станции может парализовать всю сеть, если не используются специальные переходные соединения; • при подключении новых рабочих станций сеть должна быть кратковременно выключена. 4.4 Шинная топология. При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети. 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. 42 В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheaperaet-кабель с тройниковым соединителем Рис.4.4. Структура шинной топологии Отключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы. Новые технологии предлагают пассивные штепсельные коробки, через которые можно отключать и/или подключать рабочие станции во время работы вычислительной сети. Благодаря тому, что рабочие станции можно подключать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию, т.е. ответвлять информацию из коммуникационной среды. В ЛВС с прямой (не модулируемой) передачей информации всегда может существовать только одна станция, передающая информацию. Для предотвращения коллизий в большинстве случаев применяется временной метод разделения, согласно которому для каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи данных. Поэтому требования к пропускной способности вычислительной сети при повышенной нагрузке повышаются, например, при вводе новых рабочих станций. Рабочие станции присоединяются к шине посредством устройств ТАР (англ. Terminal Access Point - точка подключения терминала). ТАР представляет собой специальный тип соединения к коаксиальному кабелю. Зонд игольчатой формы внедряется через наружную оболочку внешнего проводника и слой диэлектрика к внутреннему проводнику и присоединяется к нему. В ЛВС с модулированной широкополосной передачей информации различныe рабочие станции получают, по мере надобности, частоту, на которой рабочие станции могут отправлять 43 и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах, т.е. между средой передачи информации и рабочими станциями находятся соответственно модемы для модуляции и демодуляции. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объем информации. Для дальнейшего развития дискретной транспортировки не играет роли, какая первоначальная информация подана в модем (аналоговая или цифровая), так как она все равно в дальнейшем будет преобразована. Достоинства: • небольшие затраты на кабель; • рабочие станции в любой момент времени могут быть установлены или отключены без прерывания работы всей сети; • рабочие станции могут коммутироваться без сервера. Недостатки: • при обрыве кабеля выходит из строя весь участок от места разрыва; • возможность несанкционированного подключения к сети, поскольку для увеличения числа РС нет необходимости в прерывании работы сети. 4.5 Выбор топологии Существует множество факторов, которые необходимо учитывать при выборе наиболее подходящей к данной ситуации топологии (см. табл. 4.1) Таблица 4.1. Основные характеристики топологий вычислительных сетей. Характеристики Топологии вычислительных сетей Звезда Кольцо Шина Стоимость расширения Незначительная Средняя Средняя Присоединение абонентов Пассивное Активное Пассивное Защита от отказов Незначительная Незначительная Высокая Размеры системы Любые Любые Ограниченны Защищенность от прослушивания Хорошая Хорошая Незначительная Стоимость подключения Незначительная Незначительная Высокая Отформатировано: английский (США) 44 Поведение системы при высоких нагрузках Хорошее Удовлетворительное Плохое Возможность работы в реальном режиме времени Очень хорошая Хорошая Плохая Разводка кабеля Хорошая Удовлетворительная Хорошая Обслуживание Очень хорошее Среднее Среднее 4.6 Древовидная структура ЛВС. Наряду с известными топологиями вычислительных сетей «кольцо», «звезда» «шина», на практике применяется и комбинированная, на пример древовидная (рис.4.5). Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети (корень) располагается в точке, в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева). Рис.4.5.Древовидная структура ЛВС Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде. Для подключения большого числа рабочих станций соответственно адаптерным платам применяют сетевые усилители и/или коммутаторы. Коммутатор, обладающий одновременно и функциями усилителя, называют активным концентратором. 45 На практике применяют две их разновидности, обеспечивающие подключение соответственно восьми или шестнадцати линий. Устройство, к которому можно присоединить максимум три станции, называют пассивным концентратором. Пассивный концентратор обычно используют как разветвитель. Он не нуждается в усилителе. Предпосылкой для подключения пассивного концентратора является то, что возможное максимальное расстояние до рабочей станции не должно превышать нескольких десятков метров. Вопросы для самопроверки: 1.Виды сетей. Преимущества от сети. 2.Типы топологий сетей. 3.Выбор топологии. 4.Комбинированные топологии. 5 КОМПОНЕНТЫ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ 5.1 Состав локальной сети 5.2Файловый сервер 5.3 Рабочие станции 5.4Сетевые адаптеры 5.5 Сетевые программные средства 5.6 Кабели Ключевые слова: абонентские системы, сетевое оборудование, сетевые операционные системы, коммуникационные каналы, сетевое программное обеспечение, рабочие станции, файловый сервер, сетевой адаптер, кабели. 5.1 Состав локальной сети Локальная сеть состоит из трех основных аппаратных компонент и двух программных, которые должны работать согласованно. Для корректной работы устройств в сети их нужно правильно инсталлировать и установить рабочие параметры. Основными аппаратными компонентами сети являются следующие: 1. Абонентские системы: • компьютеры (рабочие станции или клиенты и серверы); • принтеры; • сканеры и др. 2. Сетевое оборудование: • сетевые адаптеры; • концентраторы (хабы); 46 • мосты; • маршрутизаторы и др. 3. Коммуникационные каналы: • кабели; • разъемы; • устройства передачи и приема данных в беспроводных технологиях. Основными программными компонентами сети являются следующие: 1. Сетевые операционные системы, где наиболее известные из них это: • Windows NT; • Windows for Workgroups; • LANtastic; • NetWare; • Unix; • Linux и т.д. 2. Сетевое программное обеспечение (Сетевые службы): • клиент сети; • сетевая карта; • протокол; • служба удаленного доступа. Локальная сеть - это совокупность компьютеров, каналов связи, сетевых адаптеров, работающих под управлением сетевой операционной системы и сетевого программного обеспечения. В ЛВС каждый ПК называется рабочей станцией, за исключением одного или нескольких компьютеров, которые предназначены для выполнения функций 5.2Файловый сервер (ФС). Ему в сети принадлежит центральная роль и поэтому должен использоваться достаточно мощный компьютер с развитой периферией в зависимости от числа подключенных рабочих станций (Pentium). Компьютер с шинами EISA, MCA, VLB, PCI гарантирует более быструю передачу данных, чем шина ISA ФС предоставляет средства, позволяющие пользователям сети совместно работать с файлами. Файловый сервис реализуется с помощью сетевых приложений с функциями хранения, извлечения и перемещения данных. В настоящее время существуют такие популярные ФС Windows NT, Windows Server, Net Ware, Banyan VINES. Типы файлового сервиса: • передача файлов; • хранение файлов и перенос данных; • синхронизация файлов при обновлении; 47 • архивирование файлов; Передача файлов – пользователи пересылают файлы между клиентами и серверами. Каждая сетевая операционная система (ОС) имеет свой уровень защиты файлов. Хранение файлов и перенос данных. Сетевой администратор должен находить наиболее приемлемый и эффективный способ хранения всех данных. Существуют три основные категории устройств для хранения: оффлайновые (автономные), онлайновые (неавтономные); полуавтономные. Неавтономные устройства представляют собой жесткие диски. Информацию с них можно получать очень быстро. Память дорога. Диски нельзя часто менять. В автономных устройствах используются магнитные ленты и сменные оптические диски. Вмещают большие объемы информации. Недостаток – необходимость их установки на компьютер. Полуавтономные устройства недороги и вмещают большие объемы информации. Установка их происходит автоматически. Синхронизация файлов при обновлении необходима для обеспечения наличия у каждого пользователя последней версии файла (Ф). Отслеживая метку даты/времени Ф и имена пользователей, синхронизация Ф гарантирует внесение в них изменений в хронологическом порядке и правильное обновление. Архивирование файлов – это процесс резервного копирования на автономные устройства. Кроме файловых серверов существуют: • серверы печати; • серверы приложений; • серверы сообщений; • серверы баз данных. 5.2 Рабочие станции (РС). Их оснащение в сети зависит от сервера. Если ФС выделена центральная роль, то в качестве РС могут использоваться менее мощные машины. В одноранговой сети, чем лучше отдельные станции, тем лучше распределение ресурсов внутри всей сети. Дорогие периферийные устройства (модемы, факсы, принтеры, жесткие сменные диски и т.д.) необходимо устанавливать на одной рабочей станции (ресурсы доступны всем пользователям). Рабочая станция (workstation) — это абонентская система, специализированная для решения определенных задач и использующая сетевые ресурсы. К сетевому программному обеспечению рабочей станции относятся следующие службы: • клиент для сетей; • служба доступа к файлам и принтерам; 48 • сетевые протоколы для данного типа сетей; • сетевая плата; • контроллер удаленного доступа. Рабочая станция отличается от обычного автономного персонального компьютера следующим: • наличием сетевой карты (сетевого адаптера) и канала связи; • на экране во время загрузки ОС появляются дополнительные сообщения, которые информируют о том, что загружается сетевая операционная система; • перед началом работы необходимо сообщить сетевому программному обеспечению имя пользователя и пароль. Это называется процедурой входа в сеть; • после подключения к ЛВС появляются дополнительные сетевые дисковые накопители; • появляется возможность использования сетевого оборудования, которое может находиться далеко от рабочего места. 5.4 Сетевые адаптеры. Компьютеры в сеть подключаются с помощью плат сетевых адаптеров. Плата сетевого адаптера в сочетании с драйвером обеспечивает выполнение функций протоколов Канального уровня, используемых компьютером, подключенным к сети, такой как Ethernet или Token Ring, а также части функций Физического уровня. Помимо этого сетевой адаптер устанавливает связь между протоколом Сетевого уровня, который целиком и полностью реализуется средствами операционной системы, и сетевой средой передачи данных, в большинстве случаев являющейся кабелем, подсоединенным к адаптеру. Рабочая станция отправляет запрос через сетевой адаптер к файловому серверу и получает ответ через сетевой адаптер, когда файловый сервер готов. Сетевые адаптеры вместе с сетевым программным обеспечением способны распознавать и обрабатывать ошибки, которые могут возникнуть из-за электрических помех, коллизий или плохой работы оборудования. Последние типы сетевых адаптеров поддерживают технологию Plug and Play (вставляй и работай). Если сетевую карту установить в компьютер, то при первой загрузке система определит тип адаптера и запросит для него драйверы. Различные типы сетевых адаптеров отличаются не только методами доступа к каналу связи и протоколами, но еще и следующими параметрами: • скорость передачи; • объем буфера для пакета; • тип шины; 49 • быстродействие шины; • совместимость с различными микропроцессорами; • использованием прямого доступа к памяти (DMA); • адресация портов ввода/вывода и запросов прерывания; • конструкция разъема. Сетевой адаптер и его драйвер осуществляют основные функции, необходимые для доступа компьютера к сети. Процесс пересылки данных состоит из следующих шагов (которые, естественно, при получении пакета располагаются в обратном порядке). 5.4.1Передача данных. Данные, размещенные в оперативной памяти компьютера, передаются сетевому адаптеру через системную шину. При этом применяется одна из следующих технологий: прямой доступ к памяти (DMA - direct memory access), общая память или программируемый ввод/вывод. 5.4.2 Размещение данных в буфере. Скорость, с которой компьютер обрабатывает информацию, отличается от скорости передачи данных по сети. Как следствие, плата сетевого адаптера содержит буферы памяти, которые используются для накопления и хранения данных с той целью, чтобы эти данные можно было обрабатывать порциями фиксированного объема. Обычная плата адаптера Ethernet имеет буфер размером 4 Кбайта, поделенный на части для передачи и приема, по 2 Кбайта каждая. Платы Token Ring и адаптеры Ethernet высокого класса могут обладать буфером размером 64 Кбайта и более, который может быть разбит на области приема и передачи произвольным образом. 5.4.3 Создание кадра. Сетевой адаптер получает данные, упакованные протоколом Сетевого уровня, и инкапсулирует их в кадр, который включает собственно заголовок Канального уровня и постинформацию. В зависимости от размера пакета и используемого протокола Канального yровня, адаптеру, возможно, также потребуется поделить данные на сегменты соответствующего размера для передачи их в сеть. Кадры Ethernet, например, переносят 1500 байт данных, в то время как кадры Token Ring могут содержать сегменты размером до 4500 байт. Для входящего трафика сетевой адаптер считывает информацию в кадры Канального уровня, проверяет их на наличие ошибок и определяет, должен ли пакет быть передан следующему уровню протокольного стека. Если да, то адаптер удаляет оболочку кадра Канального уровня и передает вложенные данные протоколу Сетевого уровня. 5.4.4.Управление доступом к среде. Сетевой адаптер также несет ответственность за арбитраж доступа системы к общей среде передачи данных, что обеспечивается соответствующим 50 механизмом управления доступом к среде (MAC, media access control). Нам известно, что необходимо предотвращать передачу данных по сети несколькими системами одновременно, так как бесконтрольная передача может привести к потере данных в результате возникновения коллизии пакетов. Механизм управления доступом к среде — отдельный, наиболее подробно описываемый в руководствах, элемент протокола Канального уровня. Метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), применяемый в сетях Ethernet, радикально отличается от аппарата доступа с передачей маркера, поддерживаемого сетями Token Ring, но основные функции этих механизмов, в конечном счете, одни и те же. (Для входящего трафика нет необходимости в использовании механизма управления доступом к среде.) 5.4.5 Параллельное/последовательное преобразование. Системная шина, соединяющая сетевой адаптер и массив основной памяти компьютера, осуществляет обмен данными в параллель — по 16 или 32 бита одновременно, в то время как адаптер передает и принимает данные из сети последовательно — по одному биту. Сетевой адаптер отвечает за размещение получаемых параллельно данных в своем буфере и преобразование этих данных в последовательный поток битов для последующей передачи через сетевую среду. Для данных, получаемых из сети, описанный процесс носит обратный характер. 5.4.6 Кодирование/декодирование данных. Компьютер работает с данными в двоичной форме, поэтому, прежде чем они смогут быть переданы по сети, их необходимо закодировать способом, подходящим для сетевой среды передачи данных, а входящие сигналы должны быть, соответственно, декодированы при приеме. Рассматриваемый и следующий шаг являются процессами Физического уровня, реализуемыми непосредственно сетевым адаптером. Для медного кабеля данные переводятся в электрические импульсы, для оптоволоконной линии — преобразуются в световые импульсы. Другие среды передачи могут использовать радиоволны, инфракрасное излучение или иные технологии. Схема кодирования определяется задействуемым протоколом Канального уровня. Например, в Ethernet применяется манчестерская перекодировка, а в сетях Token Ring — разностное манчестерское кодирование. 5.4.7 Прием/передача данных. На этом шаге сетевой адаптер усиливает сигнал до подходящей амплитуды и посылает закодированные им данные через сетевую среду. Это — чисто физический процесс, целиком и полностью зависящий от природы сигнала, используемого сетевой средой. 51 Платы сетевого адаптера используют различные шины компьютера. Характеристики этих шин и соответствующие им пропускные способности приведены в табл.5.1. Таблица 5.1. Типы, разрядность и быстродействие шин ПК Тип Разрядность Частота шины Теоретическая максимальная шины пропускная способность ISA 16 разрядов 8,33 МГц 66,64 Мбит/с (8,33 Мбайт/с) МСА 32 бита 10 МГц 320 Мбит/с (40 Мбайт/с) EISA 32 разряда 8,33 МГц 266,56 Мбит/с (33,32 Мбайт/с) VLB 32 разряда 33,33 МГц 1066,56 Мбит/с (133,33 Мбайт/с) PCI 32 разряда 33,33 МГц 1066,56 Мбит/с (133,33 Мбайт/с) 5.5 Сетевые программные средства. Основное направление развития современных Сетевых Операционных Систем (англ. Network Operation System - NOS) - перенос вычислительных операций на рабочие станции, создание систем с определенной обработкой данных. Это в первую очередь связано с ростом вычислительных возможностей персональных компьютеров и все более активным внедрением мощных многозадачных операционных систем: OS/2, Windows NT и Windows Me. Кроме этого внедрение объектно-ориентированных технологий (OLE, ActiveX, ODBC и т.д.) позволяет упростить организацию распределенной обработки данных. В такой ситуации основной задачей NOS становится объединение неравноценных операционных систем рабочих станций и обеспечение транспортного уровня для широкого круга задач: обработка баз данных, передача сообщений, управление распределенными ресурсами сети (англ. directory/name service). NOS определяет группу протоколов, обеспечивающих основные функции сети. К ним относятся: • адресация объектов сети; • функционирование сетевых служб; • обеспечение безопасности данных; • управление сетью. В современных NOS применяют три основных подхода к организации управления ресурсами сети. Первый - это Таблицы Объектов (англ. Bindery). Используется в сетевых операционных системах NetWare 4.0 и NetWare З.ХХ. Такая таблица находится на каждом файловом сервере сети. Она содержит информацию о пользователях, группах, их правах доступа к ресурсам сети (данным, сервисным услугам, печати через сетевой принтер и т.п.). Такая организация работы удобна, если в сети только один сервер. В этом случае требуется определить и контролировать только одну информационную базу. При расширении сети, добавлении новых серверов объем задач по управлению ресурсами сети резко возрастает. Администратор 52 системы вынужден на каждом сервере сети определять и контролировать работу пользователей. Абоненты сети, в свою очередь, должны точно знать, где расположены те или иные ресурсы сети, а для получения доступа к этим ресурсам регистрироваться на выбранном сервере. Конечно, для информационных систем, состоящих из большого количества серверов, такая организация работы не п ОДХОДИТ. Второй подход используется в LAN Server и Windows NT Server - Структура доменов (англ. Domain). Все ресурсы сети и пользователи объединены в группы. Домен можно рассматривать как аналог таблиц объектов (англ. bindery), только здесь такая таблица является общей для нескольких серверов, при этом ресурсы серверов являются общими для всего домена. Поэтому пользователю, для того чтобы получить доступ к сети, достаточно подключиться к домену (зарегистрироваться), после этого ему становятся доступны все ресурсы домена, ресурсы всех серверов и устройств, входящих в состав домена. Однако и с использованием этого подхода также возникают проблемы при построении информационной системы с большим количеством пользователей, серверов и, соответственно, доменов, например, сети для предприятия или большой разветвленной организации. Здесь эти проблемы уже связаны с организацией взаимодействия и управления несколькими доменами, хотя по содержанию они такие же, как и в первом случае. Третий подход - Служба Наименований Директорий или Каталогов (англ. Directory Name Services - DNS) лишен этих недостатков. Все ресурсы сети: сетевая печать, хранение данных, пользователи, серверы и т.п. рассматриваются как отдельные ветви или директории информационной системы. Таблицы, определяющие DNS, находятся на каждом сервере. Это, во-первых, повышает надежность и живучесть системы, а во-вторых, упрощает обращение пользователя к ресурсам сети. Зарегистрировавшись на одном сервере, пользователю становятся доступны все ресурсы сети. Управление такой системой также проще, чем при использовании доменов, так как здесь существует одна таблица, определяющая все ресурсы сети, в то время как при доменной организации необходимо определять ресурсы, пользователей, их права доступа для каждого домена отдельно. В настоящее время наиболее распространенными сетевыми операционными системами являются NetWare З.ХХ и 4.ХХ (Novell Inc., Windows NT Server Microsoft Corp. и LAN Server IBM Corp.). Наиболее распространенными сетевыми ОС являются: Сетевые ОС Название фирмы изготовителя Apple Talk Apple 53 LANtastic NetWare NetWare Lite Personal Net Ware NFS OS/2 LAN Manager OS/2 LAN Manager Windows NT Server POWERLAN Vines Artisoft Novell Novell Novell Sun Nickosystems Microsoft IBM Microsoft Performance Technology Banyan 5.6 Кабели. В сети данные циркулируют по кабелям, соединяющим отдельные компьютеры различным образом в зависимости от выбранной топологии сети. Наибольшую известность в мире получили три вида локальных сетей: Ethernet, Arcnet, Token Ring, которые различаются методами доступа к каналам передачи данных. Среди этих сетей наибольшее распространение получил Ethernet (в России: низкие цены на сети, работающие по этому стандарту). Кабель имеет центральный проводник (металлический проводник или оптоволоконную жилу), заключенный в пластмассовую оболочку. Типы кабеля: витая пара, коаксиальный кабель и волоконнооптический кабель. Витая пара (twisted pair) может быть неэкранированной (unshielded - UTP) и экранированной (shielded – STP).В табл.5.2 Перечислены характеристики типов кабельной среды. Характеристики кабеля. Табл.5.2 Фактор UTP STP Коаксиальн. Волоконно- оптический Стоимость Инсталляция Полоса пропускания Количество узлов в сегмент. Затухание EMI Самая низкая Простая От 1 до 155 Мбит/с 2 сильное наиболее подвержен электромагнит. помехам и перехвату сигнала Умеренная Достаточно простая От 1 до 155 Мбит/с 2 сильное менее уязвим, чем UTP,но также подвержен электромагнит. помехам и перехвату сигнала Умеренная Достаточно простая Типичная 10 Мбит/с 30(10Base2) 100(10Base5) низкое менее уязвим, чем UTP, но также подвержен электромагнит. помехам и перехвату сигнала. Самая высокая Сложная 2 Гбит/с 2 низкое не подвержен EMI и перехвату сигнала При выборе оптимального типа носителя следует учитывать вышеприведенные характеристики среды передачи данных: 54 • стоимость каждой среды передачи данных следует сравнивать с ее производительностью и доступными ресурсами; • инсталляция каждой сети имеет свои особенности и надо найти наиболее приемлемое жизнеспособное решение; • пропускная способность. Возможность среды передачи данных оценивается по полосе пропускания. Носитель с высокой пропускной способностью имеет большую полосу пропускания, с низкой – малую; • число узлов – это число компьютеров, которые можно легко подключать к сетевым кабелям. • затухание сигналов. При передаче электромагнитные сигналы слабеют. Это явление называется затуханием. Транслируемые сигналы теряют свою мощность, поглощаются и уходят в неверном направлении, что накладывает ограничения на расстояние, преодолеваемое сигналами до наступления неприемлемого уровня. Превышение такого ограничения может привести к ошибкам или отказу сети; • электромагнитные помехи (electromagnetic interference – EMI) влияют на передаваемый сигнал. Они вызываются внешними электромагнитными волнами, искажающими полезный сигнал, что затрудняет его декодирование принимающим компьютером. Проблемой является возможность перехвата сигнала, особенно если в сети необходима высокая степень защиты. В большинстве сетей применяются три основных группы кабелей: • коаксиальный кабель (КК) (coaxial cable); • витая пара (ВП) (twisted pair): 1. неэкранированная (unshielded); 2. экранированная (shielded); • оптоволоконный кабель (ОК)(fiber optic). КК состоит из медной жилы, изоляции жилы, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки. Некоторые типы кабелей покрывает металлическая сетка – экран, который не позволяет помехам исказить данные. Жила окружена изоляционным слоем. Снаружи К покрыт непроводящим слоем из резины, тефлона или пластика. КК более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше, чем в витой паре. Существует два типа КК.: o тонкий КК; o толстый КК. Выбор типа КК зависит от потребностей конкретной сети. 55 5.5.1Тонкий КК – гибкий кабель ø 0, 5 см. Прост в применении и годится практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к платам сетевого адаптера компьютера. Тонкий КК способен передавать сигнал на расстояния до 185 м. без заметного искажения. Тонкий КК относится к семейству RG – 58, его волновое сопротивление 58 Ом. Кабель Описание RG – 58/U RG – 58A/U RG – 58C/U RG – 59 RG -6 RG - 62 Сплошная медная жила Переплетение проводов Военный стандарт для RG – 58A/U Используется для широкополосной передачи Имеет больший ø, чем RG – 59, для более высоких частот. Используется в сетях Arc Net 5.5.2Толстый КК – с ø 1 см. Чем толще кабель, тем большее расстояние способен преодолеть сигнал. Толстый КК передает до 500 м. Для подключения к толстому КК применяют специальное устройство – трансивер (Т). Т снабжен специальным коннектором (соединитель), и называется "зуб вампира" или пронизывающий ответвитель. Тонкий КК гибок, прост в установке и относительно не дорог. Толстый КК трудно гнуть и устанавливать, дороже тонкого, но он передает сигналы на бóльшие расстояния. Для подключения тонкого КК к компьютеру используются BNC- коннекторы (British Novel Connector).В этом семействе несколько основных компонентов: • BNC-коннектор припаивается или обжимается на конце кабеля; • BNC T-коннектор соединяет сетевой кабель с сетевой платой компьютера; • BNC баррел-коннетор применяется для сращивания двух отрезков тонкого КК; • BNC-терминатор. Выбор того или иного класса КК зависит от того, где кабель будет прокладываться. Существует два типа: • поливинилхлоридные прокладывают на открытых участках помещений, при горении выделяют ядовитые газы. • пленумные прокладывают в области пленума (небольшое пространство между фалшь-потолком и перекрытием – для вентиляции). 56 Слой изоляции и внешняя оболочка пленумного кабеля выполнены из специальных огнеупорных материалов, которые при горении выделяют минимальное количество дыма. 5.5.3 Витая пара (ВП). Существует два вида тонкого кабеля: неэкранированная (unshielded) витая пара(UTP) и экранированная (shielded) витая пара (STP). Завивка проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними парами и другими источниками (двигатели, реле, трансформаторы). Неэкранированная ВП (спецификация 10 Base T) широко используется в локальных сетях. Существует несколько спецификаций, которые регулируют количество витков на единицу длины – в зависимости от назначения кабеля. Стандарт EIA/TIA 568 устанавливает пять категорий UTP: • категория 1. Традиционный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь, ноне данные; • категория 2. Кабель, способный передавать данные со скоростью до 4 Мбит/с. Состоит из 4-х витых пар; • категория 3. Кабель, способный передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Состоит из 4-х ВП с 9-ю витками на метр; • категория 4. Кабель, способный передавать данные со скорость до 16 Мбит/с. Состоит из 4-х ВП; • категория 5. Кабель, способный передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Состоит из 4-х ВП. Экранированная витая пара имеет медную оплетку, которая обеспечивает бóльшую защиту, чем неэкранированная ВП. 5.5.4Оптоволоконный кабель (ОК). В этом кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это надежный способ передачи данных. Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень больших скоростях, сигнал в них не затухает и не искажается. Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии – узкополосную передачу и широкополосную. Узкополосные (baseband) передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного импульса или цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания – это разница между максимальной и минимальной частотой. Каждое устройство в сетях 57 с узкополосной передачей посылает данные в обоих направлениях. Продвигаясь по кабелю, сигнал постепенно затухает и может исказиться. Чтобы избежать этого, в узкополосных системах используют репитеры, которые усиливают сигнал и ретранслируют его в дополнительные сегменты. Широкополосные (broadband) системы передают сигнал в виде аналогового сигнала, который использует некоторый интервал частот. Сигналы представляют собой непрерывные электромагнитные или оптические волны. При таком способе сигналы передаются по физической среде в одном направлении. Если обеспечить необходимую полосу пропускания, то по одному кабелю одновременно может работать несколько систем и компьютеры должны быть настроены так, чтобы работать именно с выделенной частью полосы пропускания. В широкополосной системе сигнал передается только в одном направлении, и чтобы устройства могли принимать и передавать данные, необходимо обеспечить два пути прохождения сигнала. Ниже приведена табл.5.3 для сравнения кабелей. Табл.5.3. Характеристика Тонкий КК (10 Base 2) Толстый КК (10 Base 5) Витая пара (10 Base T) Оптоволокон. кабель Стоимость Эффективная длина кабеля Скорость передачи Гибкость Простота установки Подверженность помехам Особые свойства Рекомендуемые применения Дороже ВП 185 м. 10 Мбит/с. Довольно гиб Прост в установке Хорошая защита Электрон. компоненты дешевле, чем у витой пары. Средние или большие сети с высокими требованиями к защите данных Дороже тонкого КК 500 м. 10 Мбит/с. Менее гибкая Прост в установке Хорошая защита Тоже То же Самый дешевый 100 м. 4-100 Мбит/с Самый гибк. Очень прост в установке Подвержен помехам UTP – самый дешевый вариант; STP – Token Ring любого размера. Самый дорогой 2 км. 100 Мбит/с и выше Не гибкий Труден в установке Не подвержен помехам Поддерживает речь, видео, данные Сети любого размера с высокими требованиями к скорости передачи, уровню защиты и целостности данных. |