4.1. Назначение и классификация локальных компьютерных сетей

Прежде всего следует отметить, что компьютер только на заре своего рождения был именно вычислительным устройством (ЭВМ), а затем в процессе бурного развития превратился в устройство обработки различной информации (мультимедиа), и сейчас вычисления являются лишь одной из многочисленных функций компьютера (обработка текстов, в том числе их перевод с одного языка на другой; обработка видео-, аудио-, графической информации; разные виды моделирования и т.д.). Но по традиции компьютер называют вычислительной машиной и компьютерные сети – вычислительными сетями. Поэтому в дальнейшем тексте будут использоваться оба названия сетей. Как уже следует из названия "локальная" - значит не выходящая за ограниченные пределы, то есть компьютерная сеть, рассредоточенная на сравнительно небольшой территории, в радиусе нескольких километров. В основном локальная сеть формируется в пределах одной организации, предприятия или их подразделений и предназначается для сбора, передачи и обработки информации в рамках данной организации (предприятия). Возможности и значимость локальных сетей возрастают по мере совершенствования и распространения персональных компьютеров, использование которых позволяет по-новому организовать эффективное взаимодействие пользователей в рамках локальных сетей.

Принципиальное значение имеет возможность организации распределенной обработки информации. Высокий уровень функционального взаимодействия пользователей на базе широкого использования всего сетевого оборудования сети обеспечивает эффективное использование дорогостоящих ресурсов всеми пользователями локальной сети. По сравнению с централизованными системами локальные сети обеспечивают более высокую живучесть, что является часто решающим фактором при построении различных систем управления.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) является системой, которая включает в свой состав вычислительные устройства, расположенные на относительно небольших расстояниях между ними. Международный комитет IEEE802 (Институт инженеров по электронике и электротехнике, США), специализирующийся на стандартизации в области ЛВС, дает следующее определение этим системам: "Локальные вычислительные сети отличаются от других видов сетей тем, что они обычно ограничены умеренной географической областью, такой, как группа рядом стоящих зданий, и, в зависимости от каналов связи осуществляют передачу данных в диапазонах скоростей от умеренных до высоких с низкой степенью ошибок" (рис. 4.1).

Структурно локальную сеть можно представить в виде множества абонентских систем, объединенных высокоскоростными каналами передачи данных. Подключение станций к передающей среде осуществляется с помощью сетевых адаптеров (адаптеров), основным назначением которых является обеспечение взаимодействия абонентских систем в рамках локальной сети. С этой целью адаптеры выполняют ряд функций, одна часть из которых не зависит от типа и характера сети, а другая часть определяется конкретным типом сети. К первым относятся функции по согласованию станций с передающей средой, а именно: преобразование последовательных кодов в параллельные, согласование уровней сигналов, скоростей обмена и т.п. Ко вторым можно отнести кодирование информации и организацию доступа к передающей среде. Конструктивно адаптер может быть реализован в виде платы, встраиваемой в компьютер или представлять собой автономное устройство.

Рис. 4.1. Простейшая схема локальной вычислительной сети

Собственно, наличие высокоскоростных каналов передачи данных до недавнего времени и являлось основной отличительной особенностью локальных сетей. Первоначально скорость передачи в локальных сетях составляла от 1 до 16 Мбит/с, что было значительно больше скорости передачи в глобальных сетях. Например, в широко распространенной сети Ethernet информация может передаваться со скоростью до 10 Мбит/с. Современные локальные сети обеспечивают скорость передачи свыше 100 Мбит/с. К таким сетям относятся сети 100VG-AnyLan, FastEthernet, FDDI со скоростью передачи 100 Мбит/с. Следует отметить, что высокая скорость передачи информации в локальной сети достигается еще и за счет максимального упрощения процедуры выбора маршрута, коммутации и промежуточного хранения информации в узлах сети.

ЛВС можно классифицировать по назначению, типам используемых ЭВМ, организации управления, организации передачи информации, топологическим признакам, методам теледоступа, физическим носителям сигналов, управлению доступом к физической передающей среде и т.д.

По назначению ЛВС можно разделить на управляющие (организационными, технологическими, административными и другими процессами), информационные (информационно-поисковые), расчетные, информационно-расчетные, обработки документальной информации и др.

По типам используемых в сети ЭВМ ЛВС можно разделить на однородные и неоднородные. Примером однородной ЛВС служит сеть DECNet, в которую входят ЭВМ только фирмы DEC. Часто однородные ЛВС характеризуются и однотипным составом абонентских средств, например, только комплексами машинной графики или только дисплеями и т.п.

Неоднородные ЛВС содержат различные классы (микро-, мини-, большие) и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское оборудование.

По организации управления однородные ЛВС в зависимости от наличия центральной абонентской системы делятся на две группы. К первой группе относятся сети с централизованным управлением. Для таких сетей характерны обилие служебной информации и приоритетность подключаемых станций (по расположению или принятому приоритету). В общем случае ЛВС с централизованным управлением (не обязательно на основе моноканала) имеет централизованный сервер (ЭВМ), управляющий работой сети. Прикладной процесс центральной системы организует проведение сеансов, связанных с передачей данных, осуществляет диагностику сети, ведет статистику и учет работы. В ЛВС с моноканалом центральная система реализует также общую защиту от конфликтов, возникающих при перегрузке и сбоев в сети. При выходе из строя центральной системы вся ЛВС прекращает работу. Сети с централизованным управлением отличаются простотой обеспечения функций взаимодействия между отдельными ЭВМ и, как правило, характеризуются тем, что большая часть информационно-вычислительных ресурсов сосредотачивается в центральном сервере.

Применение ЛВС с централизованным управлением целесообразно при небольшом числе абонентских систем. Когда информационно-вычислительные ресурсы ЛВС равномерно распределены по большому числу абонентских систем, централизованное управление малопригодно, так как не обеспечивает требуемой надежности сети и приводит к резкому увеличению служебной (управляющей) информации. В этом случае более целесообразны ЛВС второй группы - с децентрализованным или распределенным управлением. В этих сетях все функции управления распределены между отдельными серверами или рабочими станциями. Однако, для проведения диагностики, сбора статистики и проведения других административных функций в сети используется специально выделенная абонентская система (или прикладной процесс в такой системе).

При распределенном управлении каждый узел коммутации самостоятельно на основе хранящейся в нем управляющей информации определяет направление передачи пакетов (кадров). Это приводит к увеличению сложности узлов коммутации, однако система обладает более высокой живучестью, так как выход из строя какого-либо узла коммутации не влечет за собой потерю работоспособности всей сети.

По организации передачи информации ЛВС делятся на сети с маршрутизацией информации и селекцией информации. Взаимодействие абонентских систем с маршрутизацией информации обеспечивается определением путей передачи блоков данных по адресам их назначения. Этот процесс выполняется всеми коммуникационными системами, имеющимися в сети. При этом абонентские системы могут взаимодействовать по различным путям (маршрутам) передачи блоков данных и для сокращения времени передачи осуществляется поиск кратчайшего по времени маршрута.

Под селекцией в ЛВС подразумевается процесс выбора очередной абонентской системы для подключения ее к сети передачи данных с целью обмена информацией.

Механизм передачи данных, допустимый в той или иной ЛВС, во многом определяется топологией сети. По топологическим признакам ЛВС делятся на сети с произвольной, кольцевой, древовидной конфигурацией, сети типа “общая шина” (моноканал, “звезда”) и др.

Кроме топологии ЛВС процесс передачи данных во многом определяется программным обеспечением ЭВМ абонентских систем, в основном их операционными системами, поскольку каждая из них поддерживает соответствующий метод теледоступа со стороны терминалов. Моноканал рассматривается как один из терминалов, поэтому очень важно знать, насколько различаются операционные системы и методы теледоступа всех абонентских комплексов, подключенных к сети. Различают ЛВС с единой операционной поддержкой и едиными методами теледоступа и ЛВС, использующие различные физические носители сигналов. Тип носителя определяет основные свойства устройств, которые подключаются к передающей среде для обмена сигналами.

Простейшей физической средой является витая проводная пара. Ее использование снижает стоимость ЛВС, во-первых, по причине дешевизны самого носителя, а во-вторых, благодаря наличию на многих объектах резервных пар в телефонных кабелях, которые могут быть выделены для передачи данных. К недостаткам витой пары как среды передачи данных относятся плохая защищенность от электрических помех, простота несанкционированного подключения, ограничения на дальность (сотни метров) и скорость передачи данных (несколько сотен килобит в секунду), наборами тех или других компонентов операционной поддержки. Единая операционная поддержка, включая метод теледоступа, предусмотрена в однородных ЛВС. Сложнее обстоит дело с ЛВС, использующих ЭВМ различных классов и моделей, например, мини-ЭВМ и большие вычислительные машины.

Методы теледоступа поддерживают многоуровневые системы интерфейсов. Различают многоуровневые (модель открытых систем) и двухуровневые ЛВС. К двухуровневым примыкают закрытые терминальные комплексы со стандартными методами теледоступа (базисный телекоммуникационный метод доступа - БТМД). Многожильные кабели значительно дороже, чем витая пара, хотя и обладают примерно такими же свойствами.

Следующей распространенной средой передачи данных в современных ЛВС является коаксиальный кабель. Он прост по конструкции, имеет небольшую массу и умеренную стоимость и в то же время обладает хорошей электрической изоляцией, допускает работу на довольно больших расстояниях (сотни метров - километры) и высоких скоростях (десятки мегабит в секунду). Эти характеристики, однако, находятся в противоречивой взаимосвязи. Лучшие электрические характеристики имеют биаксиальные и триаксиальные кабели.

В последнее время все большее применение находят оптоволоконные кабели (световоды), которые обладают рядом преимуществ. Они имеют небольшую массу, способны передавать информацию с очень высокой скоростью (свыше 1 Гбит/с), невосприимчивы к электрическим помехам, сложны для несанкционированного подключения, пожаро- и взрывобезопасны. По этим причинам световоды нашли применение в системах военного назначения, в авиации и химической промышленности. В то же время с ними связан ряд проблем: сложность технологии сращивания, возможность передачи данных только по одному направлению, высокая стоимость модемов, ослабление сигнала при подключении ответвителей и др.

Радиосреда в ЛВС используется мало из-за экранированности зданий, ограничений юридического плана, низких скоростей передачи (до 2 Мбит/с) и относительно высокой стоимости оборудования. Основное достоинство радиоканала - отсутствие кабеля и, следовательно, возможность обслуживания мобильных станций.

Для передачи информации в ЛВС может также использоваться инфракрасный диапазон волн, хорошо обеспечивающих передачу цифровых сигналов в пределах одного помещения. Установленная на потолке “интеллектуальная лампочка” служит интерфейсом с сетью здания, а также управляет сигналами на локальной “инфракрасной шине”.

Важным классификационным признаком ЛВС является метод управления средой передачи данных. Применительно к ЛВС с моноканалом можно выделить методы детерминированного и случайного доступа к моноканалу. К первой группе относятся метод вставки регистра, метод циклического опроса, централизованный и децентрализованный маркерный метод и другие; ко второй группе (случайные методы доступа) - методы состязаний с прослушиванием моноканала до передачи, с прогнозированием столкновений и некоторые другие.