1. Понятие компьютерных сетей
Компьютерная сеть представляет собой совокупность компьютеров и различных других устройств, обеспечивающих между собой интерактивный информационный обмен и совместное использование ресурсов сети.
Компьютеры, входящие в сеть, называются узлами (клиентами, или рабочими станциями) сети.
Ресурсы сети - это компьютеры, данные, программы, сетевое оборудование, различные устройства внешней памяти, принтеры, сканеры и другие устройства, называемые компонентами сети.
Под архитектурой сети понимается вариант сети с конкретными компонентами сети, методом доступа, топологией, и технологией построения сети.
Методы доступа регламентируют процедуры получения компьютерами сети доступа к среде передачи данных.
Необходимость такой регламентации вызвана тем, что при одновременной передаче данных несколькими компьютерами сети возникает конфликтная ситуация (коллизия), при которой происходит наложение и взаимное искажение информации в канале передачи.
2. Сетевая модель OSI
Открытая система - это любая система, построенная в соответствии с открытыми спецификациями.
Под спецификацией понимают описание аппаратных, программных или иных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений в применении и других характеристик.
Открытыми спецификациями являются общедоступные, опубликованные в печати спецификации, принятые в результате обсуждения всеми заинтересованными сторонами.
В процессе взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой, а сам процесс взаимодействия - унифицирован и стандартизован.
Задача согласованного взаимодействия различных ресурсов сети решается с помощью системы протоколов.
Под протоколом понимают систему формализованных правил, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты разных узлов сети.
Посколькупроцесс обмена в сети является многофункциональным, то протоколы делятся на уровни, по группам выполняемых родственных функций.
Рекомендуемая эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection), предложенная Международной организацией по стандартам ISO (International Standards Organization) в 1984 году, распределяет сетевые функции по 7 уровням (рис. 6.4).
Компоненты, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле сети, взаимодействуют друг с другом по определенным правилам в соответствии со стандартизированными форматами сообщений, которые называются интерфейсом.
Таким образом, протоколы определяют правила взаимодействия компонентов одного уровня в разных узлах, а интерфейсы определяют правила взаимодействия компонентов соседних уровней одного узла.
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.
На рис. 6.4 принципы работы модели OSI рассматриваются на примере передачи данных из узла А в узел В компьютерной сети.
На каждом уровне модели OSI выполняются определенные функции, протоколы и связи.
При этом горизонтальные связи описывают взаимодействия между программами и процессами разных узлов сети, а вертикальные – интерфейс взаимодействия между уровнями одного узла.
Данные, передаваемые одним из уровней узла А, постепенно опускаются до самого нижнего, физического уровня, обслуживающего канал передачи, и передаются на физический уровень узла В, после чего поднимаются вверх до уровня, соответствующего тому, от которого поступила команда на передачу пакета. Таким образом, непосредственное взаимодействие происходит между самыми нижними (физическими) уровнями.
Прикладной уровень является высшим уровнем прикладной модели OSI. На нем обеспечивается доступ программ к компьютерной сети. Примерами процессов прикладного уровня могут служить работы программ передачи файлов, почтовых служб, управления сетью.
Протоколы прикладного уровня: RDP (Remote Desktop Protocol), HTTP (HyperText Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), SNMP (Simple Network Management Protocol), POP3 (Post Office Protocol Version 3), FTP (File Transfer Protocol), XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol), OSCAR (Open System for CommunicAtion in Realtime), SIP (Session Initiation Protocol), TELNET и другие.
Уровень представления данных предназначен для преобразования данных из одной формы в другую, например, перевод из кодовой таблицы EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) расширенного двоично-десятичного кода обмена информацией в кодовую таблицу ASCII (American Standart Code for Information Interchange) американского стандартного кода для обмена информацией.
При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой.
Например, имеются две системы. Одна использует расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC, например, это мейнфрейм компании IBM, а другая - американский стандартный код обмена информацией ASCII.
Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод междудвумя различными форматами.
На сеансовом уровне производится контроль обеспечения безопасности передаваемой информации. Сеансовый уровень (session layer) обеспечивает поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время.
Протоколы сеансового уровня: ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol), ASP (AppleTalk Session Protocol), H.245 (Call Control Protocol for Multimedia Communication), ISO-SP (OSI Session Layer Protocol), iSNS (Internet Storage Name Service) и др.
Транспортный уровень является наиболее важным, так как служит посредником между верхними уровнями, ориентированными на приложения, и нижними уровнями, обеспечивающими подготовку и передачу данных по сети. Транспортный уровень отвечает за скорость передачи данных, сохранность передаваемых данных, а также за присвоение уникальных номеров пакетам.
Например: ATP (AppleTalk Transaction Protocol), CUDP (Cyclic UDP), DCCP (Datagram Congestion Control Protocol), FCP (Fiber Channel Protocol), NBF (NetBIOS Frames protocol), NCP (NetWare Core Protocol), RTP (Real-time Transport Protocol), SCTP (Stream Control Transmission Protocol), SPX (Sequenced Packet Exchange) и многие другие.
На сетевом уровне определяются сетевые адреса узлов получателей этой же сети или другой, в случае территориально-распределенной или глобальной сетей и устанавливаются маршруты следования пакетов. Транспортный и сетевой уровни обеспечивают адресность и правильность доставки пакетов.
Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.
Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange - протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2), CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec (Internet Protocol Security) и др.
На канальном уровне осуществляется генерация, передача и получение кадров данных. В кадры помещаются данные, адресная и другая идентифицирующая кадр информация,поступающая с сетевого уровня. После этого кадры передаются на физический уровень, где и происходит их транспортировка на физический уровень другого узла.
Протоколы канального уровня - ARCnet, ATM, Controller Area Network (CAN), Econet, Ethernet, Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS), Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, High-Level Data Link Control (HDLC) и многие другие.
Физически й уровень является низшим уровнем эталонной модели OSI. На этом уровне поступившие с сетевого уровня кадры преобразуются в последовательности электрических сигналов, представляющих логические комбинации нулей и единиц.
Эти сигналы передаются по физической среде передачи на физический уровень другого узла сети, где осуществляется обратное преобразование последовательностей нулей и единиц в кадры.
IEEE 802.15 (Bluetooth), IRDA, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, DSL, ISDN, SONET/SDH.
Как и любая универсальная модель, OSI довольно громоздка, избыточна и не обладает необходимой гибкостью применения.
Ряд современных сетевых протоколов используют собственные многоуровневые модели, которые отличаются от разделения функций модели OSI.
Обычно эти модели сокращают число уровней за счет объединения нескольких верхних уровней в один, оставляя неизменными нижние уровни. Например, Интернет использует пятиуровневую модель, в которой верхний прикладной уровень отличается более широкой функциональностью и соответствует трем верхним уровням эталонной модели OSI.
3. Понятие и модели архитектуры "клиент-сервер"
Архитектура «клиент- сервер » появилась в конце 80-х годах ХХ века в период децентрализации структур автономных вычислительных систем и разработки распределенных систем обработки данных в виде различных видов вычислительных сетей.
Децентрализация архитектуры первых вычислительных систем стала возможной в связи с появлением ПК и мини-ЭВМ, к которым перешла часть функций центральных ЭВМ.
При этом компьютеры, предоставляющие те или иные ресурсы в общее пользование всем остальным компьютерам сети, были названы серверами, а компьютеры, запрашивающие для использования общие ресурсы, - клиентами.
Соответственно архитектуру таких распределенных вычислительных систем стали называть архитектурой «клиент-сервер».
В зависимости от вида предоставляемого ресурса различают:
· файловый сервер,
· сервер баз данных (БД),
· сервер приложений,
· сервер печати,
· коммуникационный сервер,
· Интернет-сервер (WEB-сервер),
· почтовый сервер
и другие виды серверов.
Файловый сервер выполняет функции управления ЛВС, осуществляет коммуникационные связи, хранит файлы, разделяемые в сети, предоставляет доступ к совместно используемому дисковому пространству.
Сервер БД содержит всю или большую часть данных, используемых компьютерами сети, и является одним из основных компонентов сети, так как все запросы к данным выполняются при его непосредственном участии.
Помимо управления доступом к базам данных сервер обеспечивает безопасность и синхронизацию обращений к БД.
Обеспечение безопасности БД заключается в предоставлении права доступа к БД только авторизованным пользователям.
Сервер приложений выполняет одну или несколько прикладных задач, которые запускаются по командам с рабочих станций сети. Принцип работы сервера приложений - выполнение на сервере всех вычислительных операций с получением данных с сервера БД и организации интерфейса с рабочими станциями.
Сервер печати обеспечивает доступ станций сети к общим ресурсам печати. Запросы на печать, поступающие от рабочих станций, разделяются сервером на отдельные задания, ставятся в очередь и выполняются на сетевом принтере.
Коммуникационный сервер организует доступ любых удаленных компьютеров к информационным ресурсам сети, используя модем и линии связи.
Интернет-сервер (WEB-сервер) служит для организации и размещения WEB-страниц и обеспечения WWW-сервиса Интернет.
Почтовый сервер управляетполучением и отправкой электронной почты, регистрирует почтовые сообщения, создает и поддерживает работу электронных почтовых ящиков, обеспечивает защиту сети от поступления непрофильных сообщений.
Программные компоненты модели архитектуры «клиент-сервер»:
• программа реализации интерфейса с пользователем для ввода данных, запросов и отображения результатов решения задачи (компонент представления);
• прикладные программы, реализующие функции и задачи предметной области (прикладной компонент);
• программы, обеспечивающие доступ и управление информационными ресурсами сети (менеджер ресурсов).
В настоящее время существуют и используются четыре модели архитектуры «клиент-сервер»:
1. В модели «файл-сервер », приведенной на рис. 6.5, на сервере располагаются только данные. Вся обработка данных ведется на компьютере клиента.
Рис. 6.5 Модель «файл-сервер»
2. Модель «доступа к удаленным данным », представленная на рис 6.6, требует размещения на сервере, в дополнение к данным, менеджера информационных ресурсов.
Рис. 6.6 Модель «доступа к удаленным данным»
3. Модель «комплексный сервер », изображенная на рис. 6.7, предполагает выполнение сервером прикладных функций и функций доступа к данным за счет размещения данных, менеджера ресурсов и прикладного компонента на сервере.
Рис. 6.7 Модель «комплексный сервер»
Модель комплексного сервера используется для крупных сетей, ориентированных на обработку больших, увеличивающихся со временем объемов информации.
4. При сложном и объемном прикладном компоненте для него выделяется отдельный сервер, называемый сервером приложений. В этом случае модель предполагает наличие трехзвенной архитектуры «клиент-сервер».
Такая архитектура приведена на рис. 6.8.
Рис. 6.8 Трехзвенная архитектура «клиент-сервер».
При выполнении на каждом компьютере только своих локальных программ исключается миграция программ по сети при обработке серверами запросов со стороны клиентов. Соответственно, проще обеспечить доступ по паролю к необходимым программам, при этом также снижается вероятность появления в системе компьютерных вирусов.