ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 1 Что такое сеть Сетью

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 1

Что такое сеть Сетью называется группа соединенных компьютеров и других устройств. Концепция соединенных и совместно использующих ресурсы компьютеров носит название сетевого взаимодействия. 2

Компьютерная сеть n n n Компьютерная сеть – это набор компьютеров, связанных коммуникационной системой и снабженных соответствующим программным обеспечением, которое предоставляет пользователям сети доступ к ресурсам этих компьютеров. Сеть могут образовывать компьютеры разных типов – небольшие микропроцессоры, рабочие станции, миникомпьютеры или суперкомпьютеры. Компьютерная сеть допускает работу с компьютером в автономном режиме и обеспечивает доступ к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров сети. 3

Преимущества компьютерных сетей n n n n Совместное использование данных и устройств. Разделение между пользователями дорогостоящих ресурсов. Более высокая отказоустойчивость Способность выполнять параллельные вычисления Улучшение доступа к информации - оперативный доступ к обширной корпоративной информации Совершенствование коммуникаций - улучшение процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудниками предприятия, а также его клиентами и поставщиками. Лучшее соотношение производительность - стоимость Свобода в территориальном размещении компьютеров 4

Эволюция вычислительных систем n n n Системы пакетной обработки Многотерминальные системы Глобальные вычислительные сети Первые локальные сети Создание стандартных технологий локальных сетей 5

Системы пакетной обработки 6

Системы пакетной обработки Оператор составлял пакет заданий, которые в дальнейшем без его участия последовательно запускались на выполнение 7

Системы пакетной обработки n Системы пакетной обработки предназначались для решения задач преимущественно вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, т. е. решение максимального числа задач в единицу времени. 8

Многотерминальные системы 9

Многотерминальные системы n n По мере удешевления процессоров в начале 60 -х годов появились интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких системах мейнфрем отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в свое распоряжение терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Причем время реакции вычислительной системы было достаточно мало так, что пользователь не замечал параллельной работы компьютера с другими пользователями. Многотерминальные системы являются многопользовательскими системами для централизованной обработки данных с распределенным вводом/выводом. 10

Глобальные вычислительные сети " 11

Глобальные вычислительные сети n n n В начале была решена более простая задача – организация связи «удаленный терминал-компьютер» . Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса супер. ЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что является базовым механизмом любой вычислительной сети. Используя этот механизм, в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевыми службами. В 1969 году Министерство обороны США инициировало работы по объединению в общую сеть суперкомпьютеров оборонных и научноисследовательских центов. Эта сеть, получившая название ARPANET, стала началом в создании глобальной сети Интернет. Таким образом, хронологически первыми появились глобальные вычислительные сети. 12

Первые локальные сети Аппаратной основой для построения первых локальных вычислительных сетей являлись мини. ЭВМ (отсутствовал единый стандарт объединения) 13

Создание стандартных сетевых технологий n n n В середине 80 -х годов утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже - FDDI. Сетевая технология включает топологию сети, метод адресации компьютеров в сети, способы кодирования и передачи информации Технологии локальных сетей: q Ethernet q Token Ring q FDDI Технологии территориальных сетей: q Х. 25 q frame relay Универсальная технология q ATM 14

Классификация сетей По территориальному признаку: n Локальные сети Local Area Network (LAN) n Глобальные сети Wide Area Network (WAN) n Городские (территориальные, региональные) сети - Metropolitan Area Network (MAN) 15

Локальная вычислительная сеть Объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории (протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 – 2, 5 км). К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т. д. Они создаются на базе сети с одним или несколькими серверами и имеют, как правило, иерархическую структуру. Управление такой сетью обычно возлагается на администратора (в его задачи входит наделение правами доступа к данным и сетевым ресурсам отдельных пользователей). 16

Глобальная вычислительная сеть Глобальная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах и на различных континентах. Глобальные сети объединяют ресурсы компьютеров, расположенных на значительном удалении, таком, что простым кабельным соединением не обойтись и приходится добавлять в межкомпьютерные соединения специальные устройства, позволяющие передавать данные без искажения и по назначению. Такая сеть компьютеров связывается каналами с очень большой пропускной способностью, содержит большой объем разнообразной информации, доступной на коммерческой основе всем желающим. 17

Городская вычислительная сеть Городская (территориальная, региональная) вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, между которыми необходимо организовать постоянный обмен большими потоками информации. Региональная сеть какойлибо организации, в которой создана специальная коммуникационная система обмена сообщениями (электронная почта, факс, совместная работа над документами), называется корпоративной. 18

Отличия локальных сетей от глобальных Скорость обмена данными. Наличие в локальных сетях высокоскоростных каналов обмена данными между компьютерами, скорость которых (10, 16 и 100 Мбит/с) сравнима со скоростями работы устройств и узлов компьютера. Для глобальных сетей типичны гораздо более низкие скорости передачи данных — 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах — до 2 Мбит/с и выше. Протяженность, качество и способ прокладки линий связи. Класс локальных вычислительных сетей по определению отличается от класса глобальных сетей небольшим расстоянием между узлами сети. Это делает возможным использование в локальных сетях качественных линий связи, которые не всегда доступны (из-за экономических ограничений) на больших расстояниях, свойственных глобальным сетям. В глобальных сетях часто применяются уже существующие линии связи (телеграфные или телефонные), а в локальных сетях они прокладываются заново. 19

Современные тенденции в области сетевых технологий n n n Слияние технологий локальных и глобальных сетей (появления высокоскоростных территориальных каналов связи) В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные, как и в локальных сетях Появление в ЛВС разнообразного коммуникационного оборудования (возможность построения больших корпоративных сетей) Возврат мэйнфреймов, поскольку обслуживание сотен серверов значительно сложнее, чем обслуживать несколько больших компьютеров Обработка в сетях мультимедийной информации 20

Классификация по масштабу производственного подразделения n n n Сети отделов Сети предприятий Корпоративные сети 21

Локальная сеть отдела Концентратор 22

Сеть предприятия Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 23

Корпоративная сеть 24

Другие виды классификации сетей n n По принадлежности (ведомственные и государственные) По скорости передачи q q q низкоскоростные (до 10 Мбит/сек) среднескоростные (до 100 Мбит/сек) высокоскоростные (свыше 100 Мбит/сек 25

Классификация по типу среды передачи данных 1. 2. 3. Проводные (воздушные) линии связи - провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток. Кабельные линии (несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, климатической). q Витая пара (на основе скрученных пар медных проводов) q Коаксиальный кабель (для локальных сетей, глобальных сетей, кабельного телевидения и т. п. ) q Волоконно-оптический (тонкие волокна, по которым распространяются световые сигналы, до 10 Гбит/с и выше). Радиоканалы наземной и спутниковой связи q диапазоны коротких, средних и длинных волн обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. q диапазоны ультракоротких волн и сверхвысоких частот (СВЧ) - более скоростные. 26

1 1 витая пара состоит из двух Внешний проводник 2 Внутренний проводник Защитное покрытие 3 изолированных проводов, свитых между собой, что уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы (это самый дешёвый тип кабеля). Изоляция 2 Стеклянное покрытие Оптическое волокно Защитное покрытие коаксиальный кабель отличается более высокой механической прочностью, помехозащищённостью. оптоволоконный кабель 3 идеальная передающая среда, он не подвержен действию электромагнитных полей.

Другие виды классификации сетей n С точки зрения организации взаимодействия компьютеров q q одноранговые сети с выделенным сервером 28

Виды компьютерных сетей Одноранговая сеть является наиболее простым и дешевым вариантом объединения нескольких компьютеров. Для создания такой сети требуется минимальное дополнительное оборудование. Все машины одноранговой сети равноправны (в ней нет компьютера, называемого сервером и служащего для хранения информации, администрирования прав пользователей и сетевых ресурсов). Одноранговая сеть построена по принципу простейшей горизонтальной структуры, в которой каждый компьютер может одновременно как предоставлять свои ресурсы другим ПК, так и использовать ресурсы других.

Одноранговая сеть

Сеть с выделенным сервером. Сервер представляет собой высокопроизводительный компьютер, которому переданы основные функции управления сетью (на нем устанавливается сетевая операционная система и подключаются все разделяемые ресурсы). Посредством сетевого кабеля через специальное устройство, называемое концентратором (или хабом), к нему подключаются отдельные компьютеры, именуемые ПК-клиенты, рабочие станции, узлы. Сервер отвечает за управление ресурсами сети, включая доступ к сетевым дискам, принтерам и модемам, общим базам данных и т. д.

HUB Сеть с выделенным сервером

Достоинства одноранговых сетей: ►высокая надёжность; ►простота работы; ►низкая стоимость; ►простота управления по сравнению с сетями с выделенным сервером. Недостатки одноранговых сетей: ►зависимость эффективности работы от количества станций; ►сложность обеспечения защиты информации; ►трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

Основные программные и аппаратные компоненты сети Сетевые приложения Коммуникационное оборудование Аппаратный слой Операционная система 34

Основные программные и аппаратные компоненты сети n n Аппаратный слой - компьютеры различных классов Коммуникационное оборудование физический уровень Программная платформа сети - сетевая операционная система логический Различные сетевые приложения уровень сетевые базы данных, почтовые системы и т. д. 35

Основные программные и аппаратные компоненты сети n n n В основе любой сети лежит аппаратный слой, включающий компьютеры различных классов - от персональных компьютеров до мэйнфреймов и супер. ЭВМ. Второй слой - это коммуникационное оборудование: кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, модульные концентраторы Коммуникационные устройства из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. 36

Сетевые операционные системы n n Сетевая ОС - программное обеспечение, применяемое при каждом подключении компьютера к сети. Сетевая ОС: q q q n координирует доступ к сетевым ресурсам, отвечает за доставку сообщений по сети, защищает передаваемые по сети данные Примеры наиболее популярных сетевых ОС: Windows NT Server, Novel Netware, UNIX 37

Топология сети n n Как только компьютеров становится больше двух, возникает проблема выбора конфигурации физических связей или топологии. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам — электрические и информационные связи между ними. 38

Топология физических связей n От выбора топологии связей зависят многие характеристики сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможной балансировку загрузки отдельных каналов. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи. n Виды топологий: q Полносвязная топология q Ячеистая топология q Общая шина q Звезда q Иерархическая звезда q Кольцо q Смешанная топология 39

Полносвязная сеть n Сеть, в которой имеется ветвь между любыми двумя узлами. n Вариант громоздкий и неэффективный: каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети; для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. n Применяется редко и только в глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров 40

Ячеистая сеть В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. n Сеть, которая содержит по крайней мере два узла, не имеющих прямого соединения с двумя или более узлами (получается из полносвязной путем удаления связей с наименьшим трафиком). Примечание: Сетевой трафик — объём информации, передаваемой по n сети за определенный период времени. n Используется в глобальных сетях n Допускает соединение большого количества компьютеров 41

Общая шина n n n Подключение и обмен данными производится через общий канал связи, называемый общей шиной. Преимущества: q Дешевизна q Простота разводки кабеля по помещениям Недостатки: q Низкая надежность: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. q Невысокая производительность, так как в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети. q Низкий уровень безопасности 42

Звездообразная сеть n Топология "звезда" образуется в том случае, когда каждый компьютер с помощью отдельного кабеля подключается к общему центральному устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. 43

Преимущества и недостатки топологии звезда Главное преимущество этой топологии перед общей шиной существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи n К недостаткам топологии типа "звезда" относится: n более высокая стоимость сетевого оборудования, связанная с необходимостью приобретения специализированного центрального устройства. n возможности наращивания количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. 44

Кольцевая сеть n n В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Если компьютер распознает данные как «свои» , то он копирует их себе во внутренний буфер. Достоинство "кольца" в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против. "Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи - данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. 45

Смешанная топология В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией. На практике часто строят сети с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа "звезда» . Получаемую в результате структуру называют также деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях. Сети со смешанной топологией Сети с древовидной топологией 46

Адреса узлов сети n n n Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба. Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей. Адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен иметь символьное представление (например, Servers или www. cisco. coм). Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры - сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т. п. Схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов. 47

Адресация компьютеров в сети Так как все перечисленные требования трудно совместить в рамках какой-либо одной схемы адресации, то на практике обычно используется сразу несколько схем, так что компьютер одновременно имеет несколько адресов-имен. Адреса могут использоваться для идентификации не только отдельных компьютеров, но и их групп (групповые адреса). С помощью групповых адресов данные могут направляться сразу нескольким узлам. Во многих технологиях компьютерных сетей поддерживаются так называемые широковещательные адреса. Данные, направленные по такому адресу, должны быть доставлены всем узлам сети. 172. 16. 100. 254 www. abc. ru 00 -4 f-56 -77 -88 -9 e 48

Адресация компьютеров в сети n Аппаратные адреса предназначены для сети небольшого или среднего размера, поэтому они не имеют иерархической структуры (плоский адрес). Типичным представителем адреса такого типа является адрес сетевого адаптера. 00 -13 -8 F-CA-09 -2 D n Символьные адреса (такие адреса необходимы для лучшего запоминания людьми, поэтому они должны нести какой-то смысл: ftp-arh 1. ucl. ac. uk. ). Этот адрес говорит о том, что данный компьютер поддерживает ftp-архив в сети одного из колледжей Лондонского университета (University College London - uсl) и эта сеть относится к академической ветви (ас) Internet Великобритании (United Kingdom - uk). Числовые адреса - в больших сетях для определения адресов узлов используют числовые составные адреса фиксированного и компактного форматов, например, ІР- и ІРХ-адреса: 172. 16. 200. 203 В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть - номер сети и младшую - номер узла. Пользователи адресуют компьютеры символьными именами, которые автоматически заменяются в передаваемых сообщениях на числовые номера. Так сообщения передаются из одной сети в другую, а после доставки в сеть назначения используется 49 аппаратный адрес. n

Преобразование адресов n n Один и тот же адрес может быть записан в разных форматах, скажем, числовой адрес в предыдущем примере 129. 26. 255 может быть записан и в шестнадцатеричном формате цифрами — 81. 1 a. ff. А для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспомогательные протоколы, которые называют иногда протоколами разрешения адресов (address resolution). Централизованный подход: n ¨ в сети выделяется сервер имен с таблицей соответствия имен разных типов (числовых и символьных). Другие компьютеры обращаются к серверу для поиска по символьному номеру числового централизованный подход: специальная сетевая служба (DNS Domain Name System) 50

Распределенный подход : компьютер посылает всем компьютерам сети широковещательное сообщение с просьбой опознать адрес. n При распределенном подходе, каждый компьютер сам решает задачу установления соответствия между именами. n Перед началом передачи данных компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети сообщение (такое сообщение называется широковещательным) с просьбой опознать это числовое имя. n Все компьютеры, получив это сообщение, сравнивают заданный номер со своим собственным. Тот компьютер, у которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий его аппаратный адрес, после чего становится возможным отправка сообщений по локальной сети. n Достоинства: не требует выделения специального компьютера с таблицей соответствия имен. n Недостатки: широковещательные сообщения перегружают сеть (требуют обязательной обработки всеми узлами, а не только узлом назначения. ) 51

Адресация итоги n Адреса могут использоваться для идентификации: q q q n Адреса могут быть: q q q n отдельных узлов; их групп (групповые адреса); сразу всех узлов сети (широковещательные адреса). числовыми и символьными; аппаратными и сетевыми; плоскими и иерархическими. Для преобразования адресов из одного вида в другой используются протоколы разрешения адресов (address resolution). 52