Компьютерные сети
Основные понятия и определения
Реализация современных информационных систем немыслима без компьютерных сетей.
Компьютерная сеть – это совместное подключение нескольких отдельных компьютеров к единому каналу передачи данных. Основное назначение компьютерной сети состоит в совместном использовании информационных ресурсов и осуществление быстрой связи как внутри организации, так и за ее пределами.
Рассмотрим основные понятия, используемые в компьютерных сетях:
1. Клиентсети – это элемент сети, который потребляет информацию или является ее источником. Примером типичного клиента является рабочая станция. Рабочая станция представляет собой обычный персональный компьютер, работающий под управлением собственной операционной системы. Однако в отличие от автономного персонального компьютера рабочая станция содержит плату сетевого адаптера, соединена с сервером и использует операционную систему, которая позволяет обмениваться информацией с другими клиентами сети.
2. Сервер (server) – компьютер, предоставляющий свои ресурсы клиентам сети.
Любой компьютер, работающий в сети, может выполнять функции, как клиента, так и сервера, либо совмещать обе эти функции. Если выполнение каких-либо серверных функций является основным назначением компьютера (например, предоставление файлов в общее пользование или организация совместного использования принтера, или предоставление всем пользователям сети возможности запуска на данном компьютере своих приложений), то такой компьютер называется выделенным сервером. В зависимости от выполняемых функций различают следующие типы серверов:
· файловый сервер предназначен для хранения и предоставления файлов, с которыми работают пользователи;
· сервер баз данных обеспечивает доступ клиентам к общим базам данных;
· сервер приложений служит для предоставления пользователям компьютерных программ;
· сервер печати обеспечивает печать на общем печатном устройстве со всех рабочих мест;
· Web-сервер обеспечивает предоставление информации через сеть Internet;
· почтовый сервер (сервер E-mail) обеспечивает циркуляцию электронной почты, как внутри организации, так и во внешней сети.
3. Среда – способ соединения компьютеров в сети. В качестве среды может выступать электрический кабель, инфракрасная связь, радиосвязь и т.д.
4. Ресурсы сети – это различные элементы, используемые в сети. Компьютеры, входящие в компьютерную сеть, могут использовать следующие ресурсы:
· данные (т.е. файлы);
· принтеры;
· модемы и факс-модемы;
· винчестеры и флоппи-дисководы;
· дисководы CD-ROM, DVD и т.д.
5. Трафик сети – объем передаваемых сообщений за некоторый интервал времени.
В зависимости от размера все компьютерные сети делятся на:
1. Локальные вычислительные сети (ЛВС), абоненты которых сосредоточены на расстоянии не более 10 - 15 км (или в пределах одного здания). К ЛВС относятся вычислительные сети отдельных предприятий, банков, фирм, офисов и т.д.
2. Региональные вычислительные сети (районные, городские, областные), абоненты которых сосредоточены на расстоянии от десяти до несколько сотен километров. Региональные сети могут включать абонентов внутри города, области, республики.
3. Глобальные вычислительные сети, абоненты которых сосредоточены на расстоянии 1000 и более километров. Глобальные сети позволяют решить проблему объединения информационных ресурсов целых стран и даже всего человечества. Наиболее известны следующие глобальные сети: Internet, Fido, Sprint, Relcom и т.д.
Использование компьютерной сети в любой организации дает следующие преимущества, которые приведены ниже.
Разделение ресурсов – позволяет экономно использовать ресурсы в информационной системе. Например, производить печать со всех компьютеров на одном принтере, использовать один дисковод DVD и т.д.
Разделение данных – позволяет иметь доступ с разных рабочих мест к базам данных, расположенных на других компьютерах. Благодаря разделению данных можно организовать работу нескольких пользователей по созданию общего документа.
Разделение программных средств – позволяет пользователем использовать программы, установленные на других компьютерах.
Использование электронной почты – компьютерная сеть позволяет оперативно рассылать служебные записки, доклады и сообщения всем сотрудникам организации.
Топология компьютерных сетей
На скорость передачи данных в сети, на надежность обслуживания запросов клиентов, на устойчивость сети к отказам оборудования, на стоимость создания и эксплуатации сети значительное влияние оказывает ее топология.
Под топологией компьютерной сети понимается способ соединения ее отдельных компонентов (компьютеров, серверов, принтеров и т.д.). Различают следующие основные топологии:
· топология типа звезда;
· топология типа кольцо;
· топология типа общая шина;
· древовидная топология;
· полносвязная сеть.
Рассмотрим данные топологии сетей.
Топология типа звезда. При использовании топологии типа звезда информация между клиентами сети передается через единый центральный узел (Рис. 11). В качестве центрального узла может выступать сервер или специальное устройство – концентратор (Hub).
Рис. 11. Топология типа звезда
В топологии звезда могут использоваться активные и пассивные концентраторы. Активные концентраторы принимают и усиливают передаваемые сигналы. Пассивные концентраторы пропускают через себя сигналы, не усиливая их. Пассивные концентраторы не требуют подключения к источнику питания.
Преимущества топологии звезда состоят в следующем:
1. Высокое быстродействие сети, так как общая производительность сети зависит только от производительности центрального узла.
2. Отсутствие столкновения передаваемых данных, так как данные между рабочей станцией и сервером передаются по отдельному каналу, не затрагивая другие компьютеры.
Однако помимо достоинств у данной топологии есть и недостатки:
1. Низкая надежность, так как надежность всей сети определяется надежностью центрального узла. Если центральный узел (сервер или концентратор) выйдет из строя, то работа всей сети прекратится.
2. Высокие затраты на подключение компьютеров, так как к каждому новому абоненту необходимо ввести отдельную линию.
3. Отсутствие возможности выбора различных маршрутов для установления связи между абонентами.
Данная топология в настоящее время является самой распространенной.
Топология типа кольцо. При топологии кольцо все компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер (рис. 12).
Рис. 12. Топология типа кольцо
Передача информации в данной сети происходит следующим образом. Маркер (специальный сигнал) последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который хочет передать данные. Получив маркер, компьютер создает так называемый пакет, который используется для передачи данных. В пакет помещается адрес получателя и данные, а затем он отправляется по кольцу. Пакет проходит через каждый компьютер, пока не окажется у того, чей адрес совпадает с адресом получателя. После этого принимающий компьютер посылает источнику информации подтверждение факта получения пакета. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.
Преимущества топологии типа кольцо состоят в следующем:
1. Пересылка сообщений является очень эффективной, т.к. можно отправлять несколько сообщений друг за другом по кольцу. Т.е. компьютер, отправив первое сообщение, может отправлять за ним следующее сообщение, не дожидаясь, когда первое достигнет адресата.
2. Протяженность сети может быть значительной. Т.е. компьютеры могут подключаться к друг к другу на значительных расстояниях, без использования специальных усилителей сигнала.
3. Отсутствие коллизий (см. тему №3, раздел 2) и столкновения данных, так как передачу в каждый момент времени ведет только один компьютер.
К недостаткам данной топологии относятся:
1. Низкая надежность сети, так как отказ любого компьютера влечет за собой отказ всей системы.
2. Для подключения нового клиента необходимо прервать работу в сети.
3. При большом количестве клиентов скорость работы в сети замедляется, так как вся информация проходит через каждый компьютер, а их возможности ограничены.
4. Общая производительность сети определяется производительностью самого медленного компьютера.
Данная топология выигрывает в том случае, если в организации создается система распределенных центров обработки информации, расположенных на значительном расстоянии друг от друга.
Топология типа общая шина. При шинной топологии все клиенты подключены к общему каналу передачи данных (рис. 13). При этом они могут непосредственно вступать в контакт с любым компьютером, имеющимся в сети.
Рис.13. Топология типа общая шина
Передача информациипроисходит следующим образом. Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети. Однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.
Преимущества топологии общая шина:
1. Вся информация находится в сети и доступна каждому компьютеру. Т.е. с любого персонального компьютера можно получить доступ к информации, которая храниться на любом другом компьютере.
2. Рабочие станции можно подключать независимо друг от друга. Т.е. при подключении нового абонента нет необходимости останавливать передачу информации в сети.
3. Построение сетей на основе топологии общая шина обходится дешевле, так как отсутствуют затраты на прокладку дополнительных линий при подключении нового клиента.
4. Сеть обладает высокой надежностью, т.к. работоспособность сети не зависит от работоспособности отдельных компьютеров.
Последнее преимущество определяется тем, что шина является пассивной топологией. Т.е. компьютеры только принимают передаваемые данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных.
К недостаткам топологии типа общая шина относятся:
1. Низкая скорость передачи данных, так как вся информация циркулирует по одному каналу (шине).
2. Быстродействие сети зависит от числа подключенных компьютеров. Чем больше компьютеров подключено к сети, тем больше загружена шина и тем медленнее идет передача информации от одного компьютера к другому.
3. Для сетей, построенных на основе данной топологии, характерна низкая безопасность, так как информация на каждом компьютере может быть доступна с любого другого компьютера.
Древовидная топология. В сетях с древовидной топологией компьютеры непосредственно связаны с центральными узлами сети – серверами (Рис. 14).
Рис.14. Древовидная топология
Древовидная топология представляет собой комбинацию топологии типа звезда и топологии типа общая шина. Поэтому ей в основном присущи те же преимущества и недостатки, которые были указаны для данных топологий.
Полносвязная вычислительная сеть. В полносвязной сети каждый компьютер соединен со всеми другими компьютерами отдельными линиями (рис. 15).
Рис.15. Полносвязная вычислительная сеть
Преимущества полносвязной сети:
1. Высокая надежность, так как при отказе любого канала связи будет найден обходной путь для передачи информации.
2. Высокое быстродействие, так как информация между компьютерами передается по отдельным линиям.
Недостатки данной топологии:
1. Данная топология требует большого числа соединительных линий, т.е. стоимость создания подобной сети очень высокая.
2. Трудность построения сети при большом количестве компьютеров, так как от каждого компьютера к остальным необходимо прокладывать отдельные линии.
Топология полносвязной сети обычно применяется для малых сетей с небольшим количеством компьютеров, которые работают с полной загрузкой каналов связи.
Для крупных вычислительных сетей (глобальных или региональных) обычно применяется комбинация различных топологией для разных участков.
Модели ЛВС
Существует две модели локальных вычислительных сетей:
· одноранговая сеть;
· сеть типа клиент-сервер.
В одноранговой сети все компьютеры равноправны между собой. При этом вся информация в системе распределена между отдельными компьютерами. Любой пользователь может разрешить или запретить доступ к своим данным. В таких сетях на всех компьютерах устанавливаются однотипные операционные системы (ОС), которые предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности.
Достоинстваданной модели:
1. Простота реализации. Для реализации данной сети достаточно наличия в компьютерах сетевых адаптеров и кабеля, которых их соединит.
2. Низкая стоимость создания сети. Так как отсутствуют затраты, связанные с покупкой дорогостоящего сервера, дорогой сетевой операционной системы и т.д.
Недостатки модели:
1. Низкое быстродействие при сетевых запросах. Рабочая станция всегда обрабатывает сетевые запросы медленнее, чем специализированный компьютер – сервер. Помимо этого на рабочей станции всегда выполняются различные задачи (набор текста, создание рисунков, математические расчеты и др.), которые замедляют ответы на сетевые запросы.
2. Отсутствие единой информационной базы, так как вся информация распределена по отдельным компьютерам. При этом приходиться обращаться к нескольким компьютерам для получения необходимой информации.
3. Отсутствие единой системы безопасности информации. Каждый персональный компьютер защищает свою информацию посредством операционной системы. Однако операционные системы персональных компьютеров, как правило, обладают меньшей защищенностью, чем сетевые операционные системы для серверов. Поэтому "взломать" такую сеть значительно проще.
4. Зависимость наличия в системе информации от состояния компьютера. Если какой-то компьютер будет выключен, то информация, хранимая на нем, будет недоступна другим пользователям.
В сети типа клиент-сервер имеется один или несколько главных компьютеров - серверов. В таких системах всей основной информацией управляют серверы.
Сеть типа клиент-сервер является функционально не симметричной: в ней используются два типа компьютеров - одни ориентированны на выполнение серверных функций и работают под управлением специализированных серверных ОС, а другие - выполняют клиентские функции и работают под управлением обычных ОС. Функциональная несимметричность вызывает и несимметричность аппаратуры - для выделенных серверов используются более мощные компьютеры с большими объемами оперативной и внешней памяти.
Достоинствами данной модели являются:
1. Высокое быстродействие сети, так как сервер быстро обрабатывает сетевые запросы и не загружен другими задачами.
2. Наличие единой информационной базы и системы безопасности. Взломать сервер можно, но это значительно сложнее, чем рабочую станцию.
3. Простота управления все сетью. Так как управление сетью заключается в основном в управлении только сервера.
Недостаткимодели:
1. Высокая стоимость реализации, так как требуется покупать дорогостоящий сервер и сетевую операционную систему для сервера.
2. Зависимость быстродействия сети от сервера. Если сервер будет не достаточно мощным, то работа в сети может сильно замедляться.
3. Для правильной работы сети требуется наличие дополнительного обслуживающего персонала, т.е. в организации должна быть введена должность администратор сети.