4.1. ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ. Компьютерные технологии в медицине локальные и глобальные компьютерные сети
 Скачать 166.04 Kb.
|
|
ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ 4.1. ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ 4.1.1. СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Передача информации между компьютерами существует, наверное, с самого момента возникновения вычислительной техники. Она позволяет организовать совместную работу отдельных компьютеров, решать одну задачу с помощью нескольких компьютеров, специализировать каждый из компьютеров на выполнении какой-то одной функции, совместно использовать ресурсы и решать множество других проблем. ► Определение Компьютерная сеть (КС, сеть ЭВМ, computer network) - вычислительный комплекс, включающий территориально распределенную систему компьютеров и их терминалов, объединенных в единую систему. Объединение компьютеров в сеть позволяет пользователям использовать совместно: - аппаратные средства (жесткие диски, принтеры, коммуникационные устройства и т.п.); - программные средства (текстовые редакторы, процессоры электронных таблиц, системы управления базами данных и т.п.); - многопользовательские системы (электронную почту, телеконференцию, информационные системы на основе баз данных, например, базы данных для банковских операций и т.п.); - распределенные в сети данные. К основным характеристикам сетей относятся: - пропускная способность - максимальный объем данных, передаваемых сетью в единицу времени; пропускная способность измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с); - время реакции сети - время, затрачиваемое программным обеспечением и устройствами сети на подготовку к передаче информации по данному каналу. Время реакции сети измеряется в миллисекундах (мс). Имеется несколько классификаций компьютерных сетей. Компьютерные сети по территориальной распространенности: - локальные вычислительные сети (ЛВС - LAN, Local Area Network); - корпоративные вычислительные сети (MAN, Metropolitan Area Network); - глобальные вычислительные сети (WAN, Wide Area Network). Компьютерные сети по скорости передачи информации: - низкоскоростные сети - до 10 Мбит/с; - среднескоростные сети - до 100 Мбит/с; - высокоскоростные сети - свыше 100 Мбит/с. Можно сформулировать следующие отличительные признаки локальной сети: - высокая скорость передачи, большая пропускная способность; - низкий уровень ошибок передачи (или высококачественные каналы связи); допустимая вероятность ошибок передачи данных должна быть порядка 10-7-10-8; - эффективный, быстродействующий механизм управления обменом; - ограниченное, точно определенное число компьютеров, подключаемых к сети. При таком определении понятно, что глобальные сети отличаются от локальных тем, что рассчитаны на неограниченное число абонентов и используют, как правило, не слишком качественные каналы связи и сравнительно низкую скорость передачи, а механизм управления обменом в них в принципе не может быть гарантированно быстрым. В глобальных сетях гораздо важнее не качество связи, а сам факт ее существования. Нередко выделяют еще один класс компьютерных сетей - городские сети (MAN, Metropolitan Area Network), которые обычно бывают ближе к глобальным сетям, хотя иногда имеют некоторые черты локальных сетей, например высококачественные каналы связи и сравнительно высокие скорости передачи. В принципе городская сеть может быть действительно локальной, со всеми ее преимуществами. Сейчас уже нельзя провести четкую и однозначную границу между локальными и глобальными сетями. Большинство локальных сетей имеет выход в глобальную сеть, но характер передаваемой информации, принципы организации обмена, режимы доступа к ресурсам внутри локальной сети, как правило, сильно отличаются от тех, что приняты в глобальной сети. И хотя все компьютеры локальной сети в данном случае включены также и в глобальную сеть, специфики локальной сети это не отменяет. Возможность выхода в глобальную сеть остается всего лишь одним из ресурсов, разделяемых пользователями локальной сети. По локальной сети может передаваться самая разная цифровая информация: данные, изображения, телефонные разговоры, электронные письма и т.д. Именно задача передачи изображений, особенно полноцветных динамических изображений, предъявляет самые высокие требования к быстродействию сети. Чаще всего локальные сети используются для разделения (то есть совместного использования) таких ресурсов, как дисковое пространство, принтеры и выход в глобальную сеть, но это всего лишь незначительная часть тех возможностей, которые предоставляют средства локальных сетей. Например, они позволяют осуществлять обмен информацией между компьютерами разных типов. Абонентами (узлами) сети могут быть не только компьютеры, но и другие устройства, например принтеры, плоттеры, сканеры. Локальные сети дают возможность организовать систему параллельных вычислений на всех компьютерах сети, что позволяет многократно ускорить решение сложных математических задач. С их помощью можно также управлять работой сложной технологической системы или исследовательской установки с нескольких компьютеров одновременно. Однако локальные сети имеют и некоторые недостатки. Помимо дополнительных материальных затрат на покупку оборудования и сетевого программного обеспечения, на прокладку соединительных кабелей и обучение персонала, необходимо также иметь специалиста, который будет заниматься контролем работы сети, модернизацией сети, управлением доступом к ресурсам, устранением возможных неисправностей - то есть администратора сети. Сети ограничивают возможности перемещения компьютеров, так как при этом может понадобиться перекладка соединительных кабелей. Кроме того, сети представляют собой прекрасную среду для распространения компьютерных вирусов, поэтому вопросам защиты придется уделять гораздо больше внимания, чем в случае автономного использования компьютеров. Рассмотрим важнейшие понятия теории сетей, таких как сервер и клиент. ► Определение_Сервером'>Определение Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует ресурсы других абонентов, то есть служит только сети. Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно сервер - это самый мощный компьютер. Выделенный сервер - это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделенный сервер может заниматься помимо обслуживания сети и другими задачами. Специфический тип сервера - это сетевой принтер. ► Определение Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает, то есть сеть его обслуживает. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией. В принципе каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером. Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения. В этом случае приложение, которое только отдает ресурс в сеть, является сервером, а приложение, которое только пользуется сетевыми ресурсами, является клиентом. Можно выделить следующие классы локальных вычислительных сетей. По способу организации взаимодействия компьютеров: - равноправные (одноранговые) локальные вычислительные сети (ЛВС); - ЛВС с выделенными файловыми серверами (централизованные или иерархические). Главное достоинство одноранговых сетей - это простота установки и эксплуатации. Главный недостаток состоит в том, что в условиях одноранговых сетей затруднено решение вопросов защиты информации. Именно поэтому такой способ организации сети используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным. В иерархической сети при установке сети заранее выделяются один или несколько серверов - компьютеров, управляющих обменом данных по сети и распределением ресурсов. Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера, называют клиентом сети, или рабочей станцией. Иерархическая модель сети является наиболее предпочтительной, так как позволяет создать наиболее устойчивую структуру сети и более рационально распределить ресурсы. Достоинством иерархической сети также является более высокий уровень защиты данных. По технологии использования сервера различают сети с архитектурой «файл-сервер» и сети с архитектурой «клиент-сервер». В первой модели используется файловый сервер, на котором хранится большинство программ и данных. По требованию пользователя ему пересылаются необходимые программы и данные. Обработка информации выполняется на рабочей станции. В системах с клиент-серверной архитектурой обмен данными осуществляется между приложением-клиентом и приложением-сервером. Хранение данных и их обработка производятся на мощном сервере, который выполняет также контроль доступа к ресурсам и данным. Рабочая станция получает только результаты запроса. ТОПОЛОГИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ► Определение Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится прежде всего к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. По способу соединения компьютеров в сети (по топологии) ЛВС бывают: - с кольцевой топологией; - с шинной топологией; - со звездообразной топологией; - со смешанной топологией. Кольцо (ring) - это топология сети, при которой каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера, и эта цепочка замкнута в кольцо (рис. 4.1). Каждый компьютер при топологии «кольцо» соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды (см. далее), работают только один передатчик и один приемник.  Рис. 4.1. Сетевая топология «кольцо» Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов. Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера, поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Четко выделенного центра в данном случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Понятно, что наличие такого управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен. Шина (bus) - это топология сети, при которой все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 4.2).  Рис. 4.2. Сетевая топология «шина» Топология «шина» самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, так как линия связи единственная. В противном случае передаваемая информация будет искажаться в результате наложения (конфликта, коллизии). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно). Звезда (star) - это топология сети, при которой к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует свою отдельную линию связи (рис. 4.3).  Рис. 4.3. Сетевая топология «звезда» Звезда - это топология с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким образом ложится очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более сложным, чем оборудование периферийных абонентов. О равноправии абонентов в данном случае говорить не приходится. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией «звезда» в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано, конфликтовать нечему. Если в центре звезды находится компьютер, который выступает в роли сервера, то ее называют активной звездой. Если же в центре сети с топологией «звезда» находится не компьютер, а концентратор или коммутатор, выполняющий роль повторителя, то это пассивная звезда. На практике нередко используют и комбинации базовых топологий, но большинство сетей ориентировано именно на эти три. Рассмотрим теперь кратко особенности перечисленных сетевых топологий. Кроме трех рассмотренных основных топологий нередко применяется также сетевая топология «дерево» (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Как и в случае звезды, дерево может быть активным, или истинным, и пассивным. При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном - концентраторы (хабы). Топология сети определяет не только физическое расположение компьютеров, но и, что гораздо важнее, характер связей между ними, особенности распространения сигналов по сети. Именно характер связей определяет степень отказоустойчивости сети, требуемую сложность сетевой аппаратуры, наиболее подходящий метод управления обменом, возможные типы сред передачи (каналов связи), допустимый размер сети (длина линий связи и количество абонентов), необходимость электрического согласования и многое другое. Более того, физическое расположение компьютеров, соединяемых сетью, вообще довольно слабо влияет на выбор топологии. Любые компьютеры, как бы они ни были расположены, всегда можно соединить с помощью любой заранее выбранной топологии (рис. 4.4).  Рис. 4.4. Примеры использования разных топологий В случае, когда соединяемые компьютеры расположены по контуру круга, они вполне могут соединяться звездой или шиной. Когда компьютеры расположены вокруг некоего центра, они вполне могут соединяться между собой шиной или кольцом. Наконец, когда компьютеры расположены в одну линию, они могут соединяться звездой или кольцом. Когда в литературе упоминается топология сети, то могут подразумевать четыре совершенно разных понятия, относящихся к различным уровням сетевой архитектуры. - Физическая топология (то есть схема расположения компьютеров и прокладки кабелей). В этом смысле, например, пассивная звезда ничем не отличается от активной звезды, поэтому ее нередко называют просто «звездой». - Логическая топология (то есть структура связей, характер распространения сигналов по сети). Это, наверное, наиболее правильное определение топологии. - Топология управления обменом (то есть принцип и последовательность передачи права на захват сети между отдельными компьютерами). - Информационная топология (то есть направление потоков информации, передаваемой по сети). Например, сеть с физической и логической топологией «шина» может в качестве метода управления использовать эстафетную передачу права захвата сети (то есть быть в этом смысле кольцом) и одновременно передавать всю информацию через один выделенный компьютер (быть в этом смысле звездой). Сеть с логической топологией «шина» может иметь физическую топологию «звезда» (пассивная) или «дерево» (пассивное). Сеть с любой физической топологией, логической топологией, топологией управления обменом может считаться звездой в смысле информационной топологии, если она построена на основе одного-единственного сервера и нескольких клиентов, общающихся только с этим сервером. В этом случае справедливы все рассуждения о низкой отказоустойчивости сети к неполадкам центра (в данном случае - сервера). Точно так же любая сеть может быть названа шиной в информационном смысле, если она построена из компьютеров, являющихся одновременно как серверами, так и клиентами. Как и в случае любой другой шины, такая сеть будет мало чувствительна к отказам отдельных компьютеров. В структуре компьютерной сети должны обязательно присутствовать компоненты, представленные на рис. 4.5. Сети можно создавать с любым из типов кабеля.  Рис. 4.5. Основные компоненты локальной вычислительной сети Витая пара (TP, Twisted Pair) - это кабель, выполненный в виде скрученных пар проводов. Витая пара наилучшим образом подходит для малых учреждений. Недостатками данного кабеля являются высокий коэффициент затухания сигнала и высокая чувствительность к электромагнитным помехам, поэтому максимальное расстояние между активными устройствами в ЛВС при использовании витой пары должно быть не более 100 м. Коаксиальный кабель состоит из одного цельного или витого центрального проводника, который окружен слоем диэлектрика. Проводящий слой алюминиевой фольги, металлической оплетки или их комбинации окружает диэлектрик и одновременно служит экраном против наводок. Общий изолирующий слой образует внешнюю оболочку кабеля. Оптоволоконный кабель является перспективной технологией, используемой в сетях. Носителем информации служит световой луч, который модулируется сетью и принимает форму сигнала. Такая система устойчива к внешним электрическим помехам, и таким образом возможна очень быстрая, секретная и безошибочная передача данных со скоростью до 10 Гбит/с (на расстоянии до 1 км). Количество каналов в таких кабелях варьирует от 8 до 144. Радиоволны в микроволновом диапазоне используются в качестве передающей среды в беспроводных локальных сетях либо между мостами или шлюзами для связи между локальными сетями. В первом случае максимальное расстояние между станциями составляет 200- 300 м, во втором - это расстояние прямой видимости. Скорость передачи данных - до 2 Мбит/с. Беспроводные локальные сети считаются перспективным направлением развития локальных сетей. Их преимущество - простота и мобильность. Исчезают также проблемы, связанные с прокладкой и монтажом кабельных соединений, - достаточно установить интерфейсные платы на рабочие станции, и сеть готова к работе. Поток сообщений канала (его нагрузка) называется трафиком. Все ЭВМ, объединенные в сеть, делятся на основные и вспомогательные. Основные ЭВМ - это абонентские ЭВМ (клиенты) и терминалы. Они выполняют все необходимые информационно-вычислительные работы и определяют ресурсы сети. Клиент - приложение, посылающее запрос к серверу. Он отвечает за обработку, вывод информации и передачу запросов серверу. В качестве клиента может быть использована любая ЭВМ. Терминал - это оконечное устройство, предназначенное для ввода или вывода информации. В сети основные ЭВМ выступают как элементы абонентской системы. Абонентская система - это совокупность ЭВМ, программного обеспечения, внешних устройств, терминалов, средств передачи информации и самих пользователей (абонентов), выполняющих прикладные процессы. Подключение абонентских систем к каналу осуществляется с помощью рабочей станции, которая и выполняет все работы по пересылке данных между системами. Число станций, подключаемых к каналу, должно соответствовать его пропускной способности. Вспомогательные ЭВМ делятся на серверы и коммуникационные машины (хост-ЭВМ). Сервер - персональная или виртуальная ЭВМ, выполняющая функции по обслуживанию клиентов и распределяющая ресурсы системы: принтеры, базы данных, программы, внешнюю память и др. Сетевой сервер поддерживает выполнение функций сетевой операционной системы. Он отличается от обычного компьютера большей производительностью и емкостью памяти, а также специфическим программным обеспечением. Терминальный сервер обеспечивает выполнение функций многопользовательской системы. Сервер баз данных осуществляет обработку запросов к базам данных в многопользовательских системах. Он является средством решения сетевых задач, в которых локальные сети применяются для совместной обработки данных, а не просто для организации коллективного использования удаленных внешних устройств. Большая часть серверов в сети называется файловыми серверами. Файловый сервер - это ПК, на котором установлена сетевая операционная система и который содержит центральное устройство внешней памяти (обычно жесткие диски). Кроме файлового сервера в сети могут присутствовать сервер доступа, факс-сервер, сервер печати. К качеству и мощности серверов предъявляются повышенные требования, а в роли хост-машины (коммутационной) могут выступать любые персональные ЭВМ. Хост-ЭВМ - ЭВМ, установленная в узлах сети, решающая вопросы коммутации в сети. Коммутационная сеть образуется множеством серверов и хост-ЭВМ, соединенных физическими каналами связи, которые называют магистральными. В качестве магистральных каналов используются коаксиальные, оптоволоконные кабели и кабели типа «витая пара». Все вспомогательные средства в сети образуют коммуникационную подсеть - ядро сети, представляющее совокупность физической среды передачи данных (кабелей, проводов и т.д.), аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие абонентских систем. Сетевое программное обеспечение предназначено для организации совместной работы группы пользователей на разных компьютерах. Позволяет организовать общую файловую структуру, общие базы данных, доступные каждому члену группы. Обеспечивает возможность передачи сообщений и работы над общими проектами, возможность разделения ресурсов. К основным функциям сетевых операционных систем относят: - управление каталогами и файлами; - управление ресурсами; - коммуникационные функции; - защиту от несанкционированного доступа; - обеспечение отказоустойчивости; - управление сетью. ПРОТОКОЛЫ Для того чтобы информация была правильно понята получателем, отправителю и получателю необходимо договориться о некоторых правилах передачи информации. Для каждой ЛВС устанавливается протокол передачи данных. ► Определение Протокол - это набор правил и описаний, регулирующих передачу информации между ПК. Итак, сетевым протоколом, или протоколом передачи данных, называется согласованный и утвержденный стандарт, содержащий описание правил приема и передачи между несколькими компьютерами команд, файлов, иных данных и служащий для синхронизации работы вычислительных машин в сети. В локальных сетях передача информации осуществляется не только между компьютерами как физическими устройствами, но и между приложениями, обеспечивающими коммуникации на программном уровне. Причем под такими приложениями можно понимать как компоненты операционной системы, организующие взаимодействие с различными устройствами компьютера, так и клиентские приложения, обеспечивающие интерфейс с пользователем. Таким образом, мы постепенно приходим к пониманию многоуровневой структуры сетевых коммуникаций: как минимум с одной стороны мы имеем дело с аппаратной конфигурацией сети, с другой стороны - с программной. Передача информации между несколькими сетевыми компьютерами - сложная задача. Для того чтобы понять это, достаточно представить себе тот круг проблем, который может возникнуть в процессе приема или трансляции каких-либо данных. В числе таких «неприятностей» можно перечислить аппаратный сбой либо выход из строя одного из обеспечивающих связь устройств, например сетевой карты или концентратора, сбой прикладного или системного программного обеспечения, возникновение ошибки в самих передаваемых данных, потерю части транслируемой информации или ее искажение. Отсюда следует, что в локальной сети необходимо обеспечить жесткий контроль отслеживания всех этих ошибок и, более того, организовать четкую работу как аппаратных, так и программных компонентов сети. Возложить все эти задачи на один-единственный протокол практически невозможно. Выход нашелся в разделении протоколов на ряд концептуальных уровней, каждый из которых обеспечивает интерфейс между различными модулями программного обеспечения, установленного на работающих в сети компьютерах. Таким образом, механизм передачи какого-либо пакета информации через сеть от клиентской программы, работающей на головном компьютере, клиентской программе, работающей на другом компьютере, можно условно представить в виде последовательной пересылки этого пакета сверху вниз от некоего протокола верхнего уровня, обеспечивающего взаимодействие с пользовательским приложением, протоколу нижнего уровня, организующему интерфейс с сетью, его трансляции на компьютер-получатель и обратной передачи протоколу верхнего уровня уже на удаленной машине (рис. 4.6).  Рис. 4.6. Концептуальная модель многоуровневой системы протоколов Согласно такой схеме каждый уровень подобной системы обеспечивает собственный набор функций при передаче информации по локальной сети. Например, можно предположить, что протокол верхнего уровня, осуществляющий непосредственное взаимодействие с клиентскими программами, транслирует данные протоколу более низкого уровня, «отвечающему» за работу с аппаратными устройствами сети, преобразуя их в «понятную» для него форму. Тот, в свою очередь, передает их протоколу, осуществляющему непосредственно пересылку информации на другой компьютер. На удаленном компьютере прием данных выполняет аналогичный протокол «нижнего» уровня и контролирует корректность принятых данных, то есть определяет, следует ли транслировать их протоколу, расположенному выше в иерархической структуре, либо запросить повторную передачу. В этом случае взаимодействие осуществляется только между протоколами нижнего уровня, верхние уровни иерархии в данном процессе не задействованы. В случае если информация была передана без искажений, она транслируется вверх через соседние уровни протоколов до тех пор, пока не достигнет программы-получателя. При этом каждый уровень не только контролирует правильность трансляции данных на основе анализа содержимого пакета информации, но и определяет дальнейшие действия, исходя из сведений о его назначении. Например, один из уровней «отвечает» за выбор устройства, с которого осуществляется получение и через которое передаются данные в сеть; другой «решает», передавать ли информацию дальше по сети, или она предназначена именно этому компьютеру; третий «выбирает» программу, которой адресована принятая информация. Подобный иерархический подход позволяет не только разделить функции между различными модулями сетевого программного обеспечения, что значительно облегчает контроль работы всей системы в целом, но и дает возможность корректировать ошибки на том уровне иерархии, на котором они возникли. Каждую подобную иерархическую систему, включающую определенный набор протоколов различного уровня, принято называть стеком протоколов. Вполне очевидно, что между теорией и практикой, то есть между концептуальной моделью стека протоколов и его практической реализацией, существует значительная разница. На практике принято несколько различных вариантов деления стека протоколов на функциональные уровни, каждый из которых выполняет свой круг задач. Мы остановимся на одном из этих вариантов, который представляется наиболее универсальным. Схема, представленная на рис. 4.7, включает четыре функциональных уровня и так же, как и предыдущая диаграмма, описывает не конкретный механизм работы какого-либо стека протоколов, а общую модель, которая поможет лучше понять принцип действия подобных систем. Самый верхний в иерархической системе прикладной уровень стека протоколов предоставляет интерфейс с программным обеспечением, организующим работу пользователя в сети. При запуске любой программы, для функционирования которой требуется диалог с сетью, эта программа вызывает соответствующий протокол прикладного уровня. Данный протокол передает программе информацию из сети в формате, доступном для обработки, то есть в виде системных сообщений либо в виде потока байтов. В точности таким же образом пользовательские приложения могут получать потоки данных и управляющие сообщения - как от самой операционной системы, так и от других запущенных на компьютере программ. То есть, обобщая, можно сказать, что протокол прикладного уровня выступает в роли своего рода посредника между сетью и программным обеспечением, преобразуя транслируемую через сеть информацию в «понятную» программе-получателю форму.  Рис. 4.7. Модель реализации стека протоколов: 1-4 - нумерация уровней Основная задача протоколов транспортного уровня заключается в осуществлении контроля правильности передачи данных, а также в обеспечении взаимодействия между различными сетевыми приложениями. В частности, получая входящий поток данных, протокол транспортного уровня дробит его на отдельные фрагменты, называемые пакетами, записывает в каждый пакет некоторую дополнительную информацию, например идентификатор программы, для которой предназначены передаваемые данные, контрольную сумму, необходимую для проверки целостности пакета, и направляет их на смежный уровень для дальнейшей обработки. Помимо этого протоколы транспортного уровня осуществляют управление передачей информации, например могут запросить у получателя подтверждение доставки пакета и повторно выслать утерянные фрагменты транслируемой последовательности данных. Некоторое недоумение может вызвать то обстоятельство, что протоколы транспортного уровня так же, как и протоколы прикладного уровня, взаимодействуют с сетевыми программами и координируют передачу данных между ними. Эту ситуацию можно прояснить на следующем примере: предположим, на подключенном к сети компьютере запущены почтовый клиент, эксплуатирующий два различных протокола прикладного уровня - РОР3 (Post Office Protocol) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), и программа загрузки файлов на удаленный сервер - FTP-клиент, работающий с протоколом прикладного уровня FTP (File Transfer Protocol). Все эти протоколы прикладного уровня опираются на один и тот же протокол транспортного уровня - TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), который, получая поток данных от вышеуказанных программ, преобразует их в пакеты данных, где присутствует указание на конечное приложение, использующее эту информацию. Из рассмотренного нами примера следует, что данные, приходящие из сети, могут иметь различное назначение, и, соответственно, они обрабатываются разными программами либо разными модулями одного и того же приложения. Во избежание путаницы при приеме и обработке информации каждая взаимодействующая с сетью программа имеет собственный идентификатор, который позволяет транспортному протоколу направлять данные именно тому приложению, для которого они предназначены. Такие идентификаторы носят название программных портов. В частности, протокол прикладного уровня SMTP, предназначенный для отправки сообщений электронной почты, работает обычно с портом 25, протокол входящей почты РОР3 - с портом 110, протокол Telnet - с портом 23. Задача перенаправления потоков данных между программными портами лежит па транспортных протоколах. На межсетевом уровне реализуется взаимодействие конкретных компьютеров распределенной вычислительной системы, другими словами, осуществляется процесс определения маршрута движения информации внутри локальной сети и выполняется отправка этой информации конкретному адресату. Данный процесс принято называть маршрутизацией. Получая пакет данных от протокола транспортного уровня вместе с запросом на его передачу и указанием получателя, протокол межсетевого уровня выясняет, на какой компьютер следует передать информацию, находится ли этот компьютер в пределах данного сегмента локальной сети или на пути к нему расположен шлюз, после чего трансформирует пакет в дейтаграмму - специальный фрагмент информации, передаваемый через сеть независимо от других аналогичных фрагментов, без образования виртуального канала (специально сконфигурированной среды для двустороннего обмена данными между несколькими устройствами) и подтверждения приема. В заголовок дейтаграммы записывается адрес компьютера-получателя пересылаемых данных и сведения о маршруте следования дейтаграммы. После чего она передается на канальный уровень. Шлюз - это программа, при помощи которой можно передавать информацию между двумя сетевыми системами, использующими различные протоколы обмена данными. Получая дейтаграмму, протокол межсетевого уровня определяет правильность ее приема, после чего выясняет, адресована ли она локальному компьютеру, или же ее следует направить по сети дальше. В случае если дальнейшей пересылки не требуется, протокол межсетевого уровня удаляет заголовок дейтаграммы, вычисляет, какой из транспортных протоколов данного компьютера будет обрабатывать полученную информацию, трансформирует ее в соответствующий пакет и передает на транспортный уровень. Проиллюстрировать этот на первый взгляд сложный механизм можно простым примером. Предположим, на некотором компьютере одновременно используются два различных транспортных протокола: TCP/IP для соединения с Интернетом и NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface) для работы в локальной сети. В этом случае данные, обрабатываемые на транспортном уровне, будут для этих протоколов различны, однако на межсетевом уровне информация будет передаваться посредством дейтаграмм одного и того же формата. Наконец, на канальном уровне осуществляется преобразование дейтаграмм в соответствующий сигнал, который через коммуникационное устройство транслируется по сети. В самом простом случае, когда компьютер напрямую подключен к локальной сети того или иного стандарта посредством сетевого адаптера, роль протокола канального уровня играет драйвер этого адаптера, непосредственно реализующий интерфейс с сетью. В более сложных ситуациях на канальном уровне могут работать сразу несколько специализированных протоколов, каждый из которых выполняет собственный набор функций. ПРИКЛАДНЫЕ ПРОТОКОЛЫ Протоколы прикладного уровня служат для передачи информации конкретным клиентским приложениям, запущенным на сетевом компьютере. В IP-сетях протоколы прикладного уровня опираются на стандарт TCP и выполняют ряд специализированных функций, предоставляя пользовательским программам данные строго определенного назначения. Далее мы кратко рассмотрим несколько прикладных протоколов стека TCP/IP. Протокол FTP Как следует из названия, протокол FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов) предназначен для передачи файлов через Интернет. Именно на базе этого протокола реализованы процедуры загрузки и выгрузки файлов на удаленных узлах Всемирной сети. FTP позволяет переносить с машины на машину не только отдельные файлы, но и целые папки, включающие подкаталоги на любую глубину вложений. Осуществляется это путем обращения к системе команд FTP, описывающих ряд встроенных функций данного протокола. Протоколы РОР3 и SMTP Прикладные протоколы, используемые при работе с электронной почтой, называются SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простой протокол передачи почты) и РОР3 (Post Office Protocol, протокол почтового отделения, версия 3). Первый «отвечает» за отправку исходящей корреспонденции, второй - за доставку входящей. В функции этих протоколов входят организация доставки сообщений электронной почты (e-mail) и передача их почтовому клиенту. Помимо этого, протокол SMTP позволяет отправлять несколько сообщений в адрес одного получателя, организовывать промежуточное хранение сообщений, копировать одно сообщение для отправки нескольким адресатам. И РОР3, и SMTP обладают встроенными механизмами распознавания адресов электронной почты, а также специальными модулями повышения надежности доставки сообщений. Протокол HTTP Протокол HTTP (Hypertext Transfer Protocol, протокол передачи гипертекста) обеспечивает передачу с удаленных серверов на локальный компьютер документов, содержащих код разметки гипертекста, написанный на языках HTML (Hypertext Markup Language, язык разметки гипертекста) или XML (eXtensible Markup Language, расширяемый язык разметки), то есть веб-страниц. Данный прикладной протокол ориентирован прежде всего на предоставление информации программам просмотра веб-страниц, веб-браузерам, наиболее известными из которых являются такие приложения, как Microsoft Internet Explorer (Microsoft Edge), Google Chrome, Яндекс-браузер, Firefox Quantum, Opera. Именно с использованием протокола HTTP организуется отправка запросов удаленным http-серверам Интернета и обработка их откликов. Помимо этого, HTTP позволяет использовать для вызова ресурсов Всемирной сети адреса стандарта системы доменных имен (DNS, Domain Name System), то есть обозначения, называемые URL (Uniform Resource Locator, универсальный указатель ресурсов) вида http://www.domαin.zone/page(l). Протокол Telnet Протокол Telnet предназначен для организации терминального доступа к удаленному узлу посредством обмена командами в символьном формате ASCII. Как правило, для работы с сервером по протоколу Telnet на стороне клиента должна иметься специальная программа, называемая telnet-клиентом, которая, установив связь с удаленным узлом, открывает в своем окне системную консоль операционной оболочки сервера. После этого вы можете управлять серверным компьютером в режиме терминала, как своим собственным (естественно, в очерченных администратором рамках). Например, вы получите возможность изменять, удалять, создавать, редактировать файлы и папки, а также запускать на исполнение программы на диске серверной машины, сможете просматривать содержимое папок других пользователей. Какую бы операционную систему вы ни использовали, протокол Telnet позволит вам общаться с удаленной машиной «на равных». Например, вы без труда сможете открыть сеанс UNIX на компьютере, работающем под управлением MS Windows. Протокол UDP Прикладной протокол передачи данных UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских дейтаграмм) используется на медленных линиях для трансляции информации как дейтаграмм. Дейтаграмма содержит полный комплекс данных, необходимых для ее отсылки и получения. При передаче дейтаграмм компьютеры не занимаются обеспечением стабильности связи, поэтому следует принимать особые меры для обеспечения надежности. Схема обработки информации протоколом UDP, в принципе, такая же, как и в случае с TCP, но с одним отличием: UDP всегда дробит информацию по одному и тому же алгоритму строго определенным образом. Для осуществления связи с использованием протокола UDP применяется система отклика: получив UDP-пакет, компьютер отсылает отправителю заранее обусловленный сигнал. Если отправитель ожидает сигнал слишком долго, передача повторяется. На первый взгляд может показаться, что протокол UDP состоит сплошь из одних недостатков, однако есть в нем и одно существенное достоинство: прикладные интернет-программы работают с UDP в два раза быстрее, чем с его более высокотехнологичным собратом TCP. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОДКЛЮЧЕНИИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ К ИНТЕРНЕТУ В настоящее время используется несколько вариантов подключения локальной сети к Интернету. Вот основные из них. Непосредственный доступ к Интернету подразумевает использование самого полного спектра услуг глобальной сети. Локальная сеть, имеющая непосредственный доступ, фактически может пользоваться Сетью с высокой скоростью и высокой эффективностью постоянно, то есть круглые сутки и в непрерывном режиме. Как уже упоминалось ранее, Интернет - это сеть, состоящая из множества локальных сетей. Так вот, непосредственный доступ - это и есть фактически прямое включение локальной сети в состав Интернета через высокоскоростную магистраль передачи данных при помощи соответствующего сетевого оборудования. Существует множество фирм, предлагающих такого рода доступ. Коммутируемый доступ является наиболее распространенным в нашей стране. Этот вид доступа подразумевает подключение локальной сети к Интернету по коммутируемым телефонным или выделенным линиям при помощи модема. Несмотря на относительно невысокую скорость соединения коммутируемый доступ (Dial-Up Access) не требует значительных финансовых затрат на аренду линии связи или закупку дорогостоящего оборудования. Доступ по технологии «coax at a home». Технология «coax at a home» подразумевает получение доступа к Интернету с использованием каналов кабельной телевизионной сети. В обобщенном виде такая информационная структура выглядит следующим образом: стандартное оборудование вещания кабельного телевизионного центра подключается к специальному устройству передачи данных, называемому головным модемом, и далее через маршрутизатор - к высокоскоростному каналу Интернета. После этого абоненту достаточно лишь установить на своем компьютере любую сетевую карту, поддерживающую стандарт 10Base-T, соединив ее с клиентским кабельным модемом, а тот, в свою очередь, подключить к расположенному в квартире антенному выходу, - и компьютер оказывается в Сети. Одним из основных элементов клиентской компьютерной системы в схеме кабельной информационной сети является кабельный модем. Как и модем, предназначенный для соединения по коммутируемым телефонным линиям, это устройство представляет собой двунаправленный АЦП данных, использующий в процессе передачи информации принцип наложения на несущую частоту модулированного аналогового сигнала. Фундаментальным отличием данного аппаратного средства от обыкновенного модема является то, что кабельный модем не требует установки каких-либо драйверов, поскольку он подключается к компьютеру посредством сетевой карты и является абсолютно прозрачным для системы: программное обеспечение взаимодействует с Интернетом так же, как и в случае непосредственного подключения по локальной сети. Разумеется, отсюда можно сделать абсолютно справедливое логическое заключение о том, что данному устройству совершенно безразлично, какая операционная система инсталлирована на пользовательском компьютере. Необходимо лишь, чтобы эта система поддерживала возможность установки сетевой карты и настройки локальной сети. Не менее очевидно и то, что для работы в Интернете абонент может применять любое стандартное программное обеспечение. Среди очевидных преимуществ доступа к Интернету по методу «coax at a home» можно назвать высокую стабильность соединения, отсутствие непредвиденных разрывов связи, а также то, что на протяжении всего сеанса работы во Всемирной сети телефонная линия остается свободной. Данный способ подключения на сегодняшний день является одним из популярных наряду с подключением к оптоволоконной линии. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Дайте определение компьютерной сети. 2. Перечислите основные характеристики компьютерных сетей. 3. Приведите классификации компьютерных сетей. 4. Перечислите обязательные компоненты компьютерной сети. 5. Дайте определение протокола. 6. Перечислите виды каналов в сети. 7. Перечислите основные ЭВМ в компьютерной сети и выделите их функции. 8. Что относят к вспомогательным ЭВМ в компьютерной сети? 9. Расскажите о функциях сетевого программного обеспечения. |