1.2 Телекоммуникационные вычислительные сети

Общие понятия, терминология

Компьютерная сеть или телекоммуникационная вычислительная сетьпредставляет собой сеть обмена и распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средствами связи; средства передачи и обработки информации ориентированы в ней на коллективное использование общесетевых ресурсов – информационных, программных, аппаратных.

Абонентская система– совокупность абонента (объекта, генерирующего и потребляющего информацию) и рабочeй станции.

Рабочая станция – система оборудования конечного пользователя сети, включающая персональный компьютер (терминал) вместе с периферийными средствами ввода-вывода и программным обеспечением, средства связи с коммуникационной подсетью компьютерной сети, выполняющие прикладные процессы.

Телекоммуникационная система– это совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие абонентской системы.

Прикладной процесс– это различные процедуры ввода, хранения, обработки и выдачи информации, выполняемые в интересах пользователей и описываемые прикладными программами.

Компьютерные сети могут работать в различных режимах: обмена данными между абонентскими системами, запроса и выдачи информации, сбора информации, пакетной обработки данных по запросам пользователей с удаленных терминалов, в диалоговых режимах.

Компьютерные сети решили две очень важные проблемы: обеспечение в принципе неограниченного доступа кПКпользователей независимо от территориального расположения и возможность оперативного перемещения больших массивов информации на любые расстояния, позволяющая своевременно получать данные для принятия тех или иных решений.

Аппаратные и программные компоненты сети

Что получает пользователь при подключении своего ПКкЛВС? Прежде всего, он может пользоваться не только файлами, дисками, принтерами и другими ресурсами своего компьютера, но аналогичными ресурсами других компьютеров, подключенных к этой же сети. Правда, для этого недостаточно снабдить компьютеры сетевыми адаптерами и соединить их кабельной системой. Необходимы еще некоторые добавления коперационным системамэтих компьютеров. На тех компьютерах, ресурсы которых должны быть доступны всем пользователям сети, необходимо добавитьмодули, которые постоянно будут находиться в режиме ожидания запросов, поступающих по сети от других компьютеров. Обычно такиемодулиназываютсяпрограммными серверами, так как их главная задача -обслуживать запросы на доступ к ресурсам своего компьютера. На компьютерах, пользователи которых хотят получать доступ к ресурсам других компьютеров, также нужно добавить к операционной системе некоторые специальные программные модули, которые должны вырабатывать запросы на доступ к удаленным ресурсам и передавать их по сети на нужный компьютер. Такие модули обычно называют программнымиклиентами. В современные популярные операционные системы дляПК, все необходимые программные модули для сетевых подключений уже интегрированы.

Собственно же сетевые адаптеры и каналы связи решают в сети достаточно простую задачу - они передают сообщения с запросами и ответами от одного компьютера к другому, а основную работу по организации совместного использования ресурсов выполняют клиентские и серверные части операционных систем.

Таким образом, когда на устройстве, с которым непосредственно взаимодействует пользователь, стала выполняться некоторая предварительная обработка информации, это привело к появлению модели взаимодействия «клиент-сервер».

Сервер(от англ. server, обслуживающий):

Сервер(программное обеспечение)— программное обеспечение, принимающее запросы от клиентов.

Сервер(аппаратное обеспечение)— компьютер (или специальное компьютерное оборудование), выделенный и/или специализированный для выполнения определенных сервисных функций.

Клиент (информатика, от лат. cliens, множ. clientes )—аппаратный или программный компонент вычислительной системы, посылающий запросы серверу.

По способу взаимодействия серверов и клиентов определяют два вида сетей: «клиент-сервер» (client-server) и «равный с равным» (peer-to-peer).Поскольку клиентом сети является пользователь, выполняющий на компьютере свои задачи, то сам компьютер пользователя, подключенный к сети, называется«рабочая станция» (workstation).Часто модели «клиент-сервер» и «равный с равным» могут одновременно существовать в одной сети.Сети, построенные по принципу «равный с равным», называют также одноранговыми сетями, в которых все компьютеры имеют одинаковый статус- ранг.

Несмотря на рост вычислительной мощности ПК, многие задачи по-прежнему требовали много больших вычислительных ресурсов. Появилась необходимость создания нового типа взаимодействия, новой структуры, обеспечивающейраспределенную обработку информации.В этой модели взаимодействия каждая из машин призвана решать свои задачи, что делает возможной специализацию: каждый компьютер работает над конкретной задачей, для решения которой он оптимизирован (в модели «клиент-сервера» сервер тоже специализирован и выполняет свои специфические задачи, но он при этом «самодостаточен» и никак не связан с другими серверами). При этом для решения задач ему необходимо получать результаты работы другихПКи, в свою очередь, передавать им свои результаты, что стало возможным только с объединением компьютеров в вычислительную сеть. Распределение задач между компьютерами сети позволяет расширить функциональные возможности каждого из них путем организации совместного доступа к ресурсам.

Одной из заметных тенденций развития вычислительной индустрии стала модель совместной обработки данных. В этой модели несколько компьютеров используются для решения одной и той же задачи, а не только для обмена результатами вычислений. При использовании модели совместных вычислений возрастают суммарная вычислительная мощность и доступные ресурсы (оперативная и дисковая память), повышается отказоустойчивость всей системы в целом.

Как отмечалось ранее, модели «клиент-сервер» и «равный с равным» могут одновременно существовать в одной сети. Это стало возможным благодаря различным сетевым компонентам, важнейшими из которых можно назвать средства организации канала передачи данныхмежду клиентами и серверами сети.

В простейшем случае канал передачи данных строится с использованием двух компонентов:

среды передачи данных(проводная или беспроводная - wire или wireless), обеспечивающей доставку информации от одного узла сети к другому;

сетевых интерфейсных карт(networkinterface card,NIC), обеспечивающих взаимодействие компьютера со средой передачи данных.

Однако это не единственные средства, которые используются для соединения компьютеров и формирования самой вычислительной сети. Объединять компьютеры в сеть и обеспечивать их взаимодействие помогаютсетевые аппаратные и аппаратно-программные средства. Эти средства можно разделить на следующие группы по их основному функциональному назначению:

• Пассивное сетевое оборудование- соединительные разъёмы, кабеля, патч-корды, патч-панели, информационные розетки, и т.п.

• Активное сетевое оборудование- преобразователи (adapters), модемы (modems), повторители (repeaters), мосты (bridges), коммутаторы (switches), маршрутизаторы (routers), и т.п.

Вот некоторые примеры активного сетевого оборудования:

Проводные среды передачиинформации создаются с использованиемкабельных соединенийна основе либо металлических проводников электрических сигналов, либоволоконно-оптических проводников световых сигналов. При создании сетей передачи данных чаще всего используют именно проводные среды передачи информации.

Кабель(нидерл. kabel)—один или несколько изолированных друг от друга проводников (жил), заключённых в оболочку.

Беспроводные среды передачиинформации предусматривают организацию взаимодействия между компьютерами посредством передачи световых (инфракрасных) и радиочастотных сигналов.

Возможности той или иной компьютерной сети определяются ее информационным, аппаратным и программным обеспечением. Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий базы данных общего применения, доступные для всех пользователей сети, базы данных индивидуального пользования, предназначенные для отдельных абонентов, базы знаний общего и индивидуального применения, автоматизированные базы данных – локальные и распределенные, общего и индивидуального назначения.

Аппаратное обеспечение составляют компьютеры различных типов (в том числе ноутбуки, нетбуки, карманные ПК, планшетныеПК, а так же сетевые принтеры, плоттеры и пр.), оборудование абонентских систем (в т.ч. локальные периферийные устройства), средства территориальных систем связи (в том числе узлов связи), аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней (коммутаторы и маршрутизаторы).

Для повышения вычислительной мощности сети к ней могут подключаться вычислительные центры или центры обработки информации, к которым пользователи могут обращаться с запросами со своих абонентских систем или других рабочих мест. Такие центры снабжаются компьютерами в широком диапазоне по своим характеристикам: от персональных компьютеров до суперкомпьютеров.

Программное обеспечение (ПО)сетей отличается большим многообразием как по своему составу, так и по перечню решаемых задач.

В общем виде функции ПОсети заключаются в следующем: планирование, организация и осуществление коллективного доступа пользователей к общесетевым ресурсам – телекоммуникационным, вычислительным, информационным, программным; автоматизация процессов программирования задач обработки информации; динамическое распределение и перераспределение общесетевых ресурсов с целью повышения оперативности и надежности удовлетворения запросов пользователей и т. д.

В составе ПОсетей выделяются такие группы:

• общесетевое ПОв качестве основных элементов включает распределенную операционную систему сети и комплект программ технического обслуживания всей сети и ее отдельных звеньев и подсистем, включая телекоммуникационную сеть;

• специальное ПО, куда входят прикладные программные средства: интегрированные и функциональные пакеты прикладных программ общего назначения, прикладные программы сети, библиотеки стандартных программ, а также прикладные программы специального назначения, отражающие специфику предметной области пользователей при реализации своих задач;

• базовое программноеобеспечениекомпьютеров абонентских систем, включающее операционные системыПК, системы автоматизации программирования, контролирующие и диагностические тест-программы.

Важнейшие функции в сети выполняет распределённая операционная система: она управляет работой сети во всех ее режимах, обеспечивает оперативное и надежное удовлетворение запросов пользователей, динамическое распределение общесетевых ресурсов, координацию функционирования звеньев сети. Распределённая операционная система имеет иерархическую структуру, соответствующую стандартной семи уровневой модели взаимодействия открытых систем (ISO/OSI), и представляет собой систему программных средств, реализующих процессы взаимодействия абонентских систем объединенных общей архитектурой и коммуникационными протоколами. Распределённая операционная система обеспечивает взаимодействие асинхронных параллельных процессов в сети, сопровождаемое применением средств передачи сообщений между одновременно реализуемыми процессами и средств синхронизации этих процессов.

В составе распределённой операционной системы сети имеется набор расположенных по функциональным уровням модели ISO/OSI, управляющих и обслуживающих программ, главные функции которых состоят в следующем:

• распределение общесетевых ресурсов с целью удовлетворения запросов пользователей, т. е. обеспечение доступа отдельных прикладных программ к этим ресурсам;

• обеспечение межпрограммных методов доступа, т. е. организация связи между отдельными прикладными программами комплекса пользовательских программ, реализуемых в различных абонентских системах сети;

• синхронизация работы пользовательских программ при их одновременном обращении к одному и тому же общесетевому ресурсу;

• удаленный ввод заданий с любой абонентской системы сети и их выполнение в любой другой абонентской системе сети в оперативном или пакетном режиме;

• передача текстовых сообщений пользователям в порядке реализации функций службы электронной почты, телеконференций, электронных досок объявлений, дистанционного обучения;

• обмен файлами между абонентскими системами сети, доступ к файлам, хранимым на удаленных компьютерах, и их обработка;

• защита информации и ресурсов сети от несанкционированного доступа, т. е. реализация функций служб безопасности сети;

• выдача справок, характеризующих состояние сети и использование ее ресурсов;

• планирование использования общесетевых ресурсов.

В рамках планирования использования общесетевых ресурсов осуществляется:

• планирование сроков и очередности получения и выдачи информации пользователям,

• распределение решаемых задач по компьютерам сети, распределение информационных ресурсов для этих задач,

• присвоение приоритетов задачам и выходным сообщениям,

• формирование и обработка очередей запросов пользователей с учетом или без учета приоритетов этих запросов, изменение конфигурации сети и т. д.

Кроме того, различают статическое планирование, которое осуществляется заранее, и динамическое планирование, выполняемое в процессе функционирования сети непосредственно перед началом решения задачи (группы задач), причем с поступлением каждой новой задачи составленный план корректируется с учетом складывающейся ситуации по свободным и занятым ресурсам сети, наличию очередей задач и т. д. Основным показателем эффективности организации вычислительного процесса в сети, планирования общесетевых ресурсов является время решения комплекса задач.

Классификация информационно вычислительных сетей

Существует множество способов классификации сетей передачи данных. Основным критерием классификации принято считать способ администрирования. То есть в зависимости от того, как организована сеть и как она управляется, её можно отнести к локальной, распределённой, городской или глобальной сети.

Управляет сетью или её сегментом сетевой администратор.

Системный администратор) —человек, ответственный за работу локальной сети или её части. В его обязанности входит обеспечение и контроль физической связи, настройка активного оборудования, настройка общего доступа и предопределённого круга программ, обеспечивающих стабильную работу сети. В случае сложных сетей управлением сети занимаются группы администраторов, их права и обязанности строго распределены, ведётся документация и журналирование действий.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС, локальная сеть, сленг. локалка; англ. Local AreaNetwork,LAN)— компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт).

Отдельная локальная вычислительная сеть может иметь шлюзы с другими локальными сетями, а также быть частью глобальной вычислительной сети (например, Интернет) или иметь подключение к ней. Чаще всего локальные сети построены на технологияхEthernetилиWi-Fi. Следует отметить, что раньше при построении вычислительных сетей использовались протоколыFrameRelay,Token Ring, на сегодняшний день встречающиеся всё реже и реже. Сегодня их можно встретить лишь в специализированных лабораториях, учебных заведениях и службах.

Для построения простой локальной сети используются сетевые устройства: маршрутизаторы, коммутаторы, точки беспроводного доступа, беспроводные маршрутизаторы, модемы и сетевые адаптеры. В последнее время всё чаще и чаще при построении ЛВСиспользуются преобразователи (конвертеры) среды, усилители сигнала (повторители разного рода) и специальные антенны.

Маршрутизацияв локальных сетях обычно простая статическая, либо динамическая (основанная на протоколеRIP).

Иногда в локальной сети организуются рабочие группы (англ. workgroup) — формальное объединение нескольких компьютеров в группу с единым названием.

Разновидностью ЛВСможно считать сетькампуса.

Кампус-университетский городок, включающий, как правило, учебные помещения, научно-исследовательские институты, жилые помещения для студентов, библиотеки, аудитории, столовые и т. д. Иногдакампусомназывают обособленную территорию, принадлежащую государственной или коммерческой крупной компании (организации), включающую внутрифирменную инфраструктуру, например, корпоративный университет. СловоCampusимеет латинское происхождение (обозначало «поле», «открытое пространство»).

Сеть кампуса (CAN)представляет собой компьютерную сеть, соединяющую локальные сети на географически ограниченном пространстве, например, университетский городок, корпоративный кампус или военная база. Сеть кампуса больше чем обычная локальная сеть, но меньше, чемглобальная сеть.

Городская вычислительная сеть (Metropolitan area network,MAN) (от англ. «сеть крупного города»)- объединяет компьютеры в пределах города, представляет собой сеть по размерам меньшую, чемWAN, но большую, чемLAN.

Самым простым примером городской сети является система кабельного телевидения. Когда телевизионный сигнал передавался в дома абонентов через кабельные сети, а сама сеть занимала значительные объёмы по площади «покрытия» абонентов города. Когда Интернетстал привлекать к себе массовую аудиторию, операторы кабельного телевидения поняли, что, внеся небольшие изменения в систему, можно сделать так, чтобы по тем же каналам в неиспользуемой части спектра передавались (причём в обе стороны) цифровые данные. С этого момента кабельное телевидение стало постепенно превращаться вMAN. НоMAN— это не только «продвинутое» кабельное телевидение.

Как правило, MANне принадлежит какой-либо отдельной организации, в большинстве случаев её соединительные элементы и прочее оборудование принадлежит группе пользователей или же провайдеру, кто берёт плату за обслуживание.MANчасто действует как высокоскоростная сеть, чтобы позволить совместно использовать региональные ресурсы (подобно большойLAN). Это также часто используется, чтобы обеспечить общедоступное подключение к другим сетям, используя связь сWAN.

Недавние разработки, связанные с высокоскоростным беспроводным доступом в Интернет, привели к созданию другихMAN, которые описаны в стандартеIEEE 802.16.

Стандарт IEEE 802.16, опубликованный в апреле 2002 года, описывает wirelessMANAir Interface. 802.16 — это беспроводная технология т.н. «последней мили», которая использует диапазон частот от 10 до 66 ГГц. Так как это сантиметровый и миллиметровый диапазон, то необходимо условие «прямой видимости». Стандартподдерживаеттопологию point - to - multipoint , технологии frequency - division duplex (FDD) и time - division duplex (TDD), споддержкой quality of service (QoS). Возможна передача звука и видео. Стандарт определяет пропускную способность 120 Мбит/с на каждый канал в 25 МГц.

Стандарт 802.16a последовал за стандартом 802.16. Он был опубликован в апреле 2003 и использует диапазон частот от 2 до 11 ГГц. Стандарт поддерживает ячеистую топологию (mesh networking). Стандарт не накладывает условие «прямой видимости».

WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) — беспроводные сети масштаба города. Предоставляют широкополосный доступ к сети через радиоканал, где точки связаны скоростными каналами. В диаметре такая сеть может составлять от 5 до 50 километров.

Глобальная вычислительная сеть, ГВС(англ. Wide AreaNetwork,WAN)представляет собой компьютерную сеть, охватывающую большие территории и включающую в себя сети городов, стран, континентов.

ГВСслужат для объединения различных сетей так, чтобы пользователи и компьютеры, где бы они ни находились, могли взаимодействовать со всеми остальными участниками глобальной сети. Лучшим примеромГВСявляетсяИнтернет, но существуют и другие сети, напримерFidoNet.

Глобальные вычислительные сети совмещают компьютеры, рассредоточенные на расстоянии сотен и тысяч километров. Часто используются уже существующие не очень качественные линии связи. Более низкие, чем в локальных сетях, скорости передачи данных (десятки килобит в секунду) ограничивают набор задаваемых услуг передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме, с использованием электронной почты.

Для стойкой передачи дискретных данных применяются более сложные методы и оборудование, чем в локальных сетях.

Некоторые ГВСпостроены исключительно для частных или государственных организаций, другие являются средством коммуникации корпоративныхЛВСс сетьюИнтернетили посредствомИнтернетс удалёнными сетями, входящими в состав корпоративных. Чаще всегоГВСопирается на выделенные линии, на одном конце которых маршрутизатор подключается кЛВС, а на другом коммутатор связывается с остальными частямиГВС. Основными используемыми протоколами являютсяTCP/IP,SONET/SDH,MPLS,ATMиFramerelay. Ранее был широко распространён протоколX.25, который может по праву считаться прародителемFramerelay.

Глобальные сети отличаются от локальных тем, что рассчитаны на неограниченное число абонентов и используют различные каналы связи, среды передачи данных, технологии. На магистральных направлениях (между городами, странами) используются существующие каналы общей связи (в том числе министерств и ведомств федерального подчинения).

Большинство локальных сетей имеют выход в глобальную сеть, но характер переданной информации, принципы организации обмена, режимы доступа, к ресурсам внутри локальной сети, как правило, сильно отличаются от тех, что принято в глобальной сети. И хотя все компьютеры локальной сети в данном случае включены также и в глобальную сеть, специфику локальной сети это не меняет. Возможность выхода в глобальную сеть остается всего лишь одним из ресурсов, распределённым между пользователями локальных сетей.