ВС и системы телекоммуникаций

Введение

Необходимость изучения студентами экономической специальности “Информационные системы в экономике” основ информационно-вычислительных сетей (ИВС) объясняется местом, которое занимают ИВС в информатизации современного общества. Информационное обеспечение фирм, акционерных обществ, ВУЗов, банков базируется на локальных сетях, которые связаны между собой в региональные и глобальные сети.

Предметом дисциплины “Вычислительные сети и системы телекоммуникаций” является изложение основ построения, выбора и обеспечения надёжности информационно-вычислительных сетей. В предлагаемом пособии сделан акцент на особенности использования современных технических и программных средств при построении локальных и глобальных сетей. Определённое место в пособии отведено методике выбора Локальной сети. Особенностям обеспечения надёжности локальных сетей посвящена специальная лекция.

Изложенный в пособии учебный материал базируется на решениях комитета по стандартизации IEEE, Международной организации стандартов, Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии и лучших примерах построения локальных сетей.

Учебное пособие предназначено для студентов экономических ВУЗов, слушателей курсов подготовки и повышения квалификации специалистов в области информационных систем и практических работников.

Тема 1. Общая характеристика информационно-вычислительных сетей

1 вопрос.

Значительное повышение эффективности ЭВМ может быть достигнуто объединением их в вычислительные сети (ВС). Под ВС мы будем понимать любое множество ЭВМ, связанных между собой средствами передачи данных (средствами телекоммуникаций). Развитие ВС связано как с развитием собственно ЭВМ, входящих в состав сети, так и с развитием средств телекоммуникаций.

Работы по созданию ВС начались ещё в 60-х годах. Прообразом ВС явились системы телеобработки данных (СТД), построенные на базе больших (а позже и миниЭВМ). В качестве средств передачи данных использовалась существующая телефонная сеть. Структура СТД представлена на рис. 1.1. СТД состоит из: абонентских пунктов (АП); модемов, мультиплексора передачи данных (МПД) и ЭВМ. Телефонная сеть ориентирована на передачу речевой (аналоговой) информации, поэтому одни из элементов сети явились достаточно медленные аналоговые коммутаторы.

Рис. 1.1. Структура системы телеобработки.

Основным недостатком СТД является невысокое быстродействие (9600 бит/с, реально 2400 бит/с). Поэтому одним из направлений совершенствования СТД явилась разработка цифровых телефонных коммутаторов. Аналоговую речь при этом предлагалось переводить в дискретную форму.

Вторым существенным недостатком СТД является возможность передачи данных по каналу связи в один и тотже момент времени только с одной скоростью. Этот недостаток был преодолен использованием впервые в 70-х годах в США коммуникаций кабельного телевидения, позволяющих вести широкополосную передачу (ШП). ШП позволяет по одному кабелю вести передачу данных одновременно с различными скоростями.

Третьим направлением перехода к сетям была разработка высокоскоростных шин для обеспечения взаимодействия нескольких больших ЭВМ.

Четвёртым направлением развития ИВС была реализация распределённой обработки данных. Для этого в середине 70-х годов появились технические средства и программное обеспечение, позволяющие связать ЭВМ в виде кольца или шины.

В 80-х годах появились микроЭВМ. Существенно не отличаясь от больших и миниЭВМ по скорости обработки информации и объёму ОП, микроЭВМ имели в десятки раз меньшую внешнюю память. Поэтому 5-ым направлением создания ИВС была разработка специальных дисковых мультиплексоров.

Рис. 1.2. Направление развития сетей.

К середине 80-х годов все отмеченные тенденции развития сетей стали сближаться, что привело к разработке современных информационных сетей (рис. 1.2).

2 вопрос.

Общая структура ИВС представлена на рис.1.3. Основными компонентами сети являются:

каналы;

системы: абонентская (АбС) и ассоциативная (АсС);

сеть передачи данных.

Рис.1.3. Структура ИВС.

Имеются существенные отличия в функциональном назначении абонентских и ассоциативных систем, классификация которых представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Классификация систем сети.

В зависимости от выполняемых функций ассоциативные системы подразделяются на два вида: межсетевые и сетевые.

Ассоциативная система, предназначенная для обеспечения взаимодействия двух либо более ИВС, называется межсетевой (на рис. 1.3 это система АсС5). Ассоциативная система, которая связывает абонентские системы внутри одной сети, получила название сетевой.

Абонентские системы в зависимости от выполняемых функций подразделяются на 4 вида: рабочие, терминальные, смешанные, административные.

Рабочая система предназначена для предоставления пользователю информационно-вычислительных ресурсов: банка данных, результатов обработки задач по подсистемам АСУ и т.д.

Терминальная система предоставляет абонентам (пользователям) ИВС через один или несколько терминалов информационно-вычислительные ресурсы рабочих систем. Часто функции рабочей и терминальной систем совмещены.

Система, на которую возлагаются функции управления всей либо какой-нибудь частью ИВС, называется административной.

Смешанной система называется в том случае, если она выполняет функции двух, а иногда даже трёх, рассмотренных выше видов абонентских систем.

Рис. 1.5. Классификация ИВС по их протяжённости.

Помимо классификации систем сети имеется и деление самих сетей. Основным признаком их отличия является классификация ИВС по их размерам. В зависимости от протяжённости ИВС принято делить на три вида: локальные, региональные и глобальные (рис. 1.5).

Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Обычно локальные сети охватывают одно либо несколько расположенных рядом зданий. Именно на базе локальной ИВС разрабатываются современные АСУ фирмы, банка, ВУЗа, и т.д.

Региональная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном (от 10 до 1000 км) расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов города, района, области и даже небольшой страны.

Третьим видом является глобальная ИВС, которая объединяет абонентов, расположенных на территории большой страны, разных стран и даже континентов. Построение этой сети возможно с помощью спутников.

В последнее время для характеристики ИВС всё чаще стали использовать понятие корпоративные сети. Эти сети объединяют ряд предприятий одной фирмы, в зависимости от взаиморасположения предприятий они могут быть региональными или глобальными.

3 вопрос.

Основными требованиями, которым должна удовлетворять организация ИВС, являются следующие:

Открытость - возможность включения дополнительных абонентских, ассоциативных ЭВМ, а также линий (каналов) связи без изменения технических и программных средств существующих компонентов сети. Кроме того, любые две ЭВМ должны взаимодействовать между собой, несмотря на различие в конструкции, производительности, месте изготовления, функциональном назначении.

Гибкость - сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя ЭВМ или линии связи.

Эффективность - обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.

Для обеспечения открытости, гибкости и эффективности ИВС Международной организацией стандартов утверждены определённые требования к организации взаимодействия между системами сети. Эти требования получили название OSI (Open System Interconnection) - “эталонная модель взаимодействия открытых систем”. Согласно требованиям эталонной модели, каждая система ИВС должна осуществлять взаимодействие посредствам передачи кадра данных, процедура образования которого представлена на рис. 1.6. Согласно рис. 1.6 образование и передача кадра осуществляется с помощью 7-ми последовательных действий, получивших название “уровень обработки”.

Процесс взаимодействия между АбС возникает при необходимости передачи прикладной программой пользователя (уровень 7) данных по каналу связи. Однако, чтобы вторая АбС могла разобрать эти данные, необходимо указать способ их представления. Эта информация указывается в заголовке процесса, который добавляется к данным с помощью специальной программы, реализующей представительный уровень (уровень 6). При получении информации от другой АбС, указанная программа осуществляет также преобразование данных к единой форме представления. Действия выполняемые программой на уровнях 6 и 7 названы процессом.

 Рис. 1.6. Процедура образования кадра данных в процессе взаимодействия АбС.

Сеансовый уровень (уровень 5) предназначен для организации сеансов связи на период взаимодействия процессов. На этом уровне по запросам процесса создаются порты для приёма передачи сообщений. Кроме того, для выявления ошибок после передачи данных пользователю, используются проверочные символы, добавляемые к данным пользователя (концевик процесса). Данные пользователя, снабжённые заголовком и концевиком процесса, получили название блока данных.

Уровень 4 (транспортный) реализует процедуру сопряжения абонентских систем с сетью передачи данных. С этой целью специальная программа уровня 4 добавляет в передаваемое сообщение заголовок передачи. Блок данных с заголовком передачи образуют фрагмент данных.

Уровень 3 (сетевой) обеспечивает передачу данных через сеть. Управление сетью, реализуемое на этом уровне, состоит в выборе маршрута передачи данных по линиям, связывающим узлы сети. Для этой цели к фрагменту данных добавляется заголовок пакета. Фрагмент данных расширяется и превращается в пакет данных.

Уровень 2 (канальный) предназначен для обеспечения передачи данных по информационному (логическому) каналу сети. С этой целью к пакету данных добавляется заголовок кадра, содержащий адрес необходимого информационного канала, и концевик кадра с информацией для проверки искажения пакета на приёмной стороне. Пакет данных с заголовком и концевиком кадра образует кадр данных.

Уровень 1 (физический) реализует управление физическим каналом связи, что сводится к подключению и отключению канала связи и формированию сигналов, представляющих передаваемые данные.

Задачей всех семи уровней является обеспечение надёжного взаимодействия систем сети. При этом каждый уровень выполняет возложенную на него задачу. Однако уровни работают так, чтобы в нужных ситуациях подстраховывать и проверять работу других уровней. Так, если канальный уровень случайно пропустит ошибку, появившуюся при передачи информации, то её “поймёт” и исправит транспортный уровень и т.д.

Тема 2. Общая характеристика локальных сетей

1 вопрос.

Основными характеристиками локальной сети являются:

Разделение ресурсов. ЛВС обеспечивает коллективное использование (разделение между несколькими пользователями) различных периферийных устройств: лазерных принтеров, графопостроителей и т.д.

Разделение данных. ЛВС обеспечивает коллективное использование общих баз данных.

Разделение программных средств. ЛВС обеспечивает коллективное использование общих программ.

Электронная почта. ЛВС обеспечивает обмен информацией между АбС сети.

Существует большое разнообразие ЛВС, которые можно объединить в несколько групп согласно следующим критериям:

способ организации: реальные (одноранговые и с центральным управлением), искусственные;

наличие проводных соединений: проводные беспроводные;

топология: звезда

шина

кольцо;

технология: Ethernet

Token Ring

Arcnet

FDDI.

По способу организации сети подразделяются на реальные и искусственные. Реальные сети делятся на одноранговые и с центральным управлением. Более подробно они будут описаны во 2-ом вопросе.

Искусственные сети позволяют связывать компьютеры вместе через последовательные или параллельные порты и не нуждаются в специальных сетевых адаптерах. Иногда связь в такой сети называют связью по нуль-модему ( не используется модем) или через нуль-слот (поскольку ни один слот машины не занят сетевой платой). Сами сети называют сетями на нуль-модеме или нуль-слоте. Сеть на нуль-слоте предоставляет те же возможности, что и другие сети, но при этом она очень медлительна. Искусственные сети используются когда необходимо перекачать информацию с одного компьютера на другой. MS DOS 6.0 и 6.2 снабжены программой INTER LINK, которая обеспечивает возможность такой перекачки. Однако данная программа работает одновременно только с двумя компьютерами и не может связать три или более машин. Если это необходимо, то требуется специальное программное обеспечение Laplink.

Наибольшее распространение в наше время получили проводные сети. Именно они будут в дальнейшем рассмотрены более подробно. Однако более перспективными являются беспроводные сети. При этом используются инфракрасные лучи (волны в инфракрасном диапазоне) при небольшом расстоянии между АбС и волны радиочастот для региональных и глобальных сетей. Вскоре модемы сотовой (беспроводной) телефонной связи и переносные компьютеры с питанием от батарей могут послужить основой для создания виртуальных сетей, пользователи которых могут перемещаться в пространстве, не теряя при этом связи друг с другом. В наше время виртуальные сети очень дорогое удовольствие. Однако в будущем этот вид сетей должен получить широкое распространение.

2 вопрос.

Реальные ЛВС подразделяются на одноранговые сети и сети с централизованным управлением.

Одноранговые сети содержат в своем составе АбС идентичные по своим функциям: выполнение пользовательских программ, хранение и печать данных и другое. В условиях данного вида сети одна абонентская система имеет доступ к дискам и принтерам другой АбС, стоит лишь сделать этот компьютер АдС (сервером).

Достоинства одноранговых сетей:

Наиболее просты в установке и эксплуатации.

В сети любой компьютер, имеющий ресурсы для совместного использования, может быть сервером.

Для сервера сети не требуется специальная ОС. Он работает под управлением обычной DOS.

Недостатки:

в условиях одноранговых сетей затруднено решение вопросов защиты информации. Поэтому такой способ организации сети используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным.

В сети с централизованным управлением при установке сети заранее выделяются одна или несколько машин, управляющих обменом данных по сети (административные АбС). Диски выделенных машин (серверов) доступны всем остальным компьютерам сети. Остальные компьютеры (рабочие станции) имеют доступ к дискам файл-сервера и совместно используемым принтерам. С одной рабочей станции нельзя работать с дисками других станций.

Основным достоинством сети с централизованным управлением является более высокий уровень защиты данных.

К недостаткам централизованной сети, по сравнению с одноранговыми сетями, относятся:

Необходимость дополнительной ОС для сервера.

Сложность установки и модернизации сети.

Необходимость предварительного определения файл-сервера.

3 вопрос.

Топология (topology) - идентифицирует схему проводных соединений в сети.

В условиях звездообразной (радиальной) структуры (рис.2.1) организуется центральный узел (хаб, концентратор), через который посылаются все сообщения от АбС. Для подсоединения АбС к хабу используется витая пара проводов. Хаб представляет собой маленькую коробочку, к которой подсоединен пучок кабелей. Таким образом хаб обеспечивает связь компьютеров (АбС) друг с другом (аналогично коммутатору в телефонной сети).

Основным достоинством звездообразной структуры является независимость каждого радиального направления от остальных, т.е. неполадки на одном из участков кабеля никак не повлияют на работу остальных пользователей.

Недостатки:

Для каждой АбС требуется прокладка “своего” кабеля.

Зависимость от надежности хаба (концентратора).

Невысокая скорость работы.

Рис.2.1. Звездообразная структура сети.

Наиболее распространенной топологией сети является топология типа “шина”. В этом случае все сетевые компьютеры (АбС) связаны линейно (рис.2.2) с помощью коаксиального кабеля.

Рис.2.2. Шинная архитектура сети.

Достоинства:

Относительно высокая надежность и скорость передачи.

Сеть можно легко развивать, добавляя новые разветвления.

Рис.2.3. Шинная архитектура сети с разветвлением.

Недостатки:

при разрыве кабеля сеть теряет работоспособность.

ИВС на базе кольцевого