ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 1 Понятие сети Сетью называется

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 1

Понятие сети Сетью называется группа соединенных компьютеров и других устройств. Концепция соединенных и совместно использующих ресурсы компьютеров носит название сетевого взаимодействия. 2

Необходимость сетей n n n n Совместное использование данных и устройств Разделение 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 3

Эволюция вычислительных систем n n n Системы пакетной обработки Многотерминальные системы Глобальные вычислительные сети Первые локальные сети Создание стандартных технологий локальных сетей 4

Системы пакетной обработки 5

Многотерминальные системы 6

Глобальные вычислительные сети 7

Первые локальные сети 8

Создание стандартных сетевых технологий n n Сетевая технология – это топология сети, метод адресации компьютеров в сети, способы кодирования и передачи информации Технологии локальных сетей: q q q n Технологии территориальных сетей: q q n Ethernet Token Ring FDDI Х. 25 frame relay Универсальная технология q ATM 9

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. 10

Современные тенденции 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 11

Классификация по территориальному признаку n n n Локальные сети Local Area Network (LAN) Глобальные сети Wide Area Network (WAN) Городские сети - Metropolitan Area Network (MAN) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 12

Классификация по масштабу производственного подразделения n n n Сети отделов Сети предприятий Корпоративные сети Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 13

Локальная сеть отдела Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 14

Сеть предприятия Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 15

Корпоративные сети 16

Другие виды классификации n n По принадлежности (ведомственные и государственные) По скорости передачи q q q n n низкоскоростные (до 10 Мбит/сек) среднескоростные (до 100 Мбит/сек) высокоскоростные (свыше 100 Мбит/сек По типу среды передачи данных (проводные и беспроводные) С точки зрения организации взаимодействия компьютеров (одноранговые и с выделенным сервером) 17

Основные программные и аппаратные компоненты сети Сетевые приложения ОС Коммуникационное Аппаратный слой оборудование 18

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. 19

Сетевые операционные системы n n n Сетевая ОС - программное обеспечение, применяемое при каждом подключении компьютера к сети Сетевая ОС 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 20

Взаимодействие компьютеров n Интерфейс- формально определенная логическая и физическая граница между взаимодействующими объектами. Интерфейс задает параметры, процедуры и характеристики взаимодействия объектов. n Физический интерфейс (порт) – определяется набором электрических связей и характеристикам сигналов. n Логический интерфейс – набор информационных сообщений определенного формата, которыми обмениваются два устройства или две программы, а также набор правил, определяющих логику обмена этими сообщениями. n В компьютере операции интерфейса реализуются совокупностью аппаратных и программных средств: интерфейсной картой (аппаратное устройство) и специальной программой, управляющей этим контроллером, которую называют драйвером периферийного устройства. 21

Взаимодействие компьютеров n Клиент - модуль, предназначенный для формировании сообщенийзапросов к удаленной машине от разных приложений, а затем приема результатов и передачи их соответствующим приложениям. n Сервер - модуль, который постоянно ожидает прихода из сети запросов от клиентов и, приняв запрос, пытается его выполнить, возможно с участием локальной ОС. Один сервер может выполнять запросы сразу нескольких клиентов (последовательно или одновременно). 22

Взаимодействие компьютеров n n Программа, работающая на одном компьютере, не может получить непосредственный доступ к ресурсам другого компьютера - его дискам, файлам, принтеру. Она может только «попросить» об этом программу, работающую на том компьютере, которому принадлежат эти ресурсы. Эти «просьбы» выражаются в виде сообщений, передаваемых по каналам связи между компьютерами. Сообщения могут содержать не только команды на выполнение некоторых действий, но и собственно информационные данные (например, содержимое некоторого файла). Драйвер СОМ-порта вместе с контроллером СОМ-порта работают совместно с контроллером и драйвером СОМпорта другого компьютера. Вместе они обеспечивают передачу по кабелю между компьютерами одного байта информации (в локальных сетях подобные функции передачи данных в линию связи выполняются сетевыми адаптерами и их драйверами. ) 23

Взаимодействие компьютеров n n Приложение А формирует сообщение-запрос для приложения В на печать текста и помещает его в свой буфер. Чтобы передать данный запрос компьютеру В, приложение А обращается к локальной ОС, которая запускает драйвер СОМ-порта компьютера и сообщает ему адрес буфера, где хранится запрос. Затем драйвер и контроллер СОМ- порта компьютера А, взаимодействуя с драйвером и контроллером СОМ-порта компьютера В, передают сообщение байт за байтом в компьютер В. Драйвер СОМ-порта компьютера В постоянно находится в режиме ожидания прихода информации из внешнего мира. Получив очередной байт и убедившись в его корректности, драйвер помещает его в буфер приложения В. Приложение В принимает сообщение, интерпретирует его и формирует запрос к локальной ОС на выполнение тех или иных действий с принтером. В ходе печати могут возникнуть ситуации, о которых необходимо сообщить приложению А. В этом случае используется симметричная схема: теперь запрос на передачу сообщения поступает от приложения В к локальной ОС компьютера В. Драйверы и контроллеры СОМ-портов обоих компьютеров организуют побайтную передачу сообщения, которое затем помещается в буфер приложения А. 24

Линии связи n Проводные (воздушные) линии связи провода без какихлибо изолирующих или экранирующих оплеток. n Кабельные линии (несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, климатической). q q q n Витая пара (на основе скрученных пар медных проводов) Коаксиальный кабель (для локальных сетей, глобальных сетей, кабельного телевидения и т. п. ) Волоконно-оптический (тонкие волокна, по которым распространяются световые сигналы, до 10 Гбит/с и выше). Радиоканалы наземной и спутниковой связи q q диапазоны коротких, средних и длинных волн - диапазоны амплитудной модуляции (обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных) диапазоны ультракоротких волн и сверхвысоких частот (СВЧ) диапазоны частотной модуляции (более скоростные). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли 25

Физическая передача данных n Кодирование данных 26

Физическая передача данных Для преобразования данных из одного вида в другой используются модемы. Термин «модем» - сокращение от слов модулятор/демодулятор (модем модулирует частоту аналогового сигнала) Двоичный ноль преобразуется, например, в сигнал низкой, а единица — высокой частоты. 27

Физическая передача данных n Последовательная и параллельная передача (байт данных) 28

Физическая передача данных n n Синхронная передача. q синхронизация на битовом и кадровом уровнях (чтобы передатчик и приемник смогли обеспечить устойчивый обмен информацией). q пользовательские данные собираются в кадр, который предваряется байтами синхронизации. Байт синхронизации —заранее известный код, который оповещает приемник о приходе кадра данных. Асинхронная передача (при плохом качестве линии связи для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации). q синхронизации на уровне байт (каждый байт данных сопровождается специальными сигналами «старт» и «стоп» . q низкая стоимость оборудования асинхронной системы. 29

Физическая передача данных n Типы соединений: симплексное, полудуплексное и дуплексное 30

Переключение (коммутация) соединения 31

Коммутация каналов 32

Коммутация каналов n n n Коммутаторы связаны линиями связи Скорость передачи равна пропускной способности сети При скорости информации меньше пропускной способности дополняются пустые данные Фиксированная пропускная способность выделяется на все время соединения Только одна пара абонентов имеет соединение При пульсации трафика сеть «простаивает» 33

Коммутация пакетов 34

Коммутация пакетов n n n n Передаваемые данные (сообщения) разбиваются на пакеты (кадры) Пакет имеет заголовок (содержит адрес получателя) Пакеты могут двигаться разными маршрутами Пакет имеет концевик (содержит контрольную сумму) Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линии связи со скоростью их генерации источником Пакетные коммутаторы имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов (отличие от коммутации каналов) Эффективное использование пропускной способности (сглаживание пульсаций трафика) Пакеты могут теряться (специальные механизмы компенсации) 35

Коммутация пакетов n n n Сообщением называется логически завершенная порция данных — запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. Сообщения могут иметь произвольную длину (от нескольких байт до многих мегабайт). Пакеты тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их другу, а в конечном итоге — узлу назначения. 36

Передача с установлением логического соединения Как минимум два кадра: информационные и служебные (для установления и разрыва соединения) Виртуальный канал эффективнее (компактней служебная информация) 37

Передача по виртуальным каналам n n 38 Механизм виртуальных каналов (virtual circuit или virtual channel) создает в сети устойчивые пути следования трафика через сеть с коммутацией пакетов. Этот механизм учитывает существование в сети потоков данных.

Сравнение сетей с коммутацией каналов и пакетов Коммутация каналов Коммутация пакетов Необходимость предварительного установления соединения Отсутствует этап установления соединения (дейтаграммный способ) Адрес требуется только на этапе установления соединения Адрес и другая служебная информация передается с каждым пакетом Сеть может отказать абоненту в установления соединения Сеть всегда готова принять данные от абонента Гарантированная пропускная способность Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер Трафик реального времени передается без задержек Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика 39

Сравнение сетей с коммутацией каналов и пакетов n n n Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов. Однако, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. При равенстве предоставляемой скорости доступа сеть с коммутацией пакетов оказывается в 2 -3 раза дешевле, чем сеть с коммутацией каналов. Будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной. 40

Топология физических связей структура связей между компьютерами От топологии зависят: n Наличие резервных связей q q n Простота присоединения новых узлов q n Надежность Управление загрузкой каналов Расширяемость Экономические соображения q Минимизация длины связей 41

Топология физических связей n n n n Полносвязная топология Ячеистая топология Общая шина Звезда Иерархическая звезда Кольцо Смешанная топология 42

Полносвязная сеть n Сеть, в которой имеется ветвь между любыми двумя узлами. n Вариант громоздкий и неэффективный n Применяется редко и только в глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров 43

Ячеистая сеть n Сеть, которая содержит по крайней мере два узла, имеющих два или более пути между ними (получается из полносвязной путем удаления связей с наименьшим трафиком) n Используется в глобальных сетях n Допускает соединение большого количества компьютеров 44

Общая шина n Подключение и обмен данными производится через общий канал связи, называемый общей шиной. n Преимущества: q q n Дешевизна Простота разводки кабеля Недостатки: q q q Низкая надежность Невысокая производительность Низкий уровень безопасности 45

Звездообразная сеть Сеть, в которой имеется только один промежуточный узел – концентратор n Преимущества: q q n Большая надежность Более высокий уровень безопасности Недостатки: q q Более высокая стоимость Ограниченные возможности по наращиванию узлов 46

Кольцевая сеть Сеть, в которой к каждому узлу присоединены две и только две ветви. 47

Смешанная топология 48

Принципы разделения среды n Метод случайного доступа q q q n Управление децентрализовано (участвуют все подключенные сетевые интерфейсы) Эту функцию выполняют сетевые карты или адаптеры Технология Ethernet Метод детерминированного доступа q q Распределенный (нет узла, определяющего очередность владения) или централизованный подход (есть арбитр доступа) Технология Token Ring 49