Назначение вычислительных сетей

Общие сведения о вычислительных сетях

Вычислительные сети (ВС) появились давно. Еще на заре появления компьютеров существовали огромные системы, известные как системы разделения времени. Они позволяли использовать центральную ЭВМ с помощью удаленных терминалов. Такой терминал состоял из дисплея и клавиатуры. Внешне выглядел как обычный персональный компьютер, но не имел собственного процессорного блока. Пользуясь такими терминалами, сотни, а иногда тысячи сотрудников имели доступ к центральной ЭВМ.

Такой режим обеспечивался благодаря тому, что система разделения времени разбивала время работы центральной ЭВМ на короткие интервалы времени, распределяя их между пользователями. При этом создавалась иллюзия одновременного использования центральной ЭВМ многими сотрудниками.

В 70-х годах большие ЭВМ уступили место миникомпьютерным системам, использующим тот же режим разделения времени. Но технология развивалась, и с конца 70-х годов на рабочих местах появились персональные компьютеры. Однако, автономно работающие персональные компьютеры не дают непосредственного доступа к данным всей организации и не позволяют совместно использовать программы и оборудование.

С этого момента начинается современное развитие компьютерных сетей.

Вычислительной сетью называется система, состоящая из двух или более удаленных ЭВМ, соединенных с помощью специальной аппаратуры и взаимодействующих между собой по каналам передачи данных.

Самая простая сеть (network) состоит из нескольких персональных компьютеров, соединенных между собой сетевым кабелем (рисунок 1). При этом в каждом компьютере устанавливается специальная плата сетевого адаптера (NIC), осуществляющая связь между системной шиной компьютера и сетевым кабелем /1/.

Кроме этого, все компьютерные сети работают под управлением специальной сетевой операционной системы (NOS – Network Operation Sistem). Основное назначение компьютерных сетей – совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами (рисунок 2).

Рисунок 2 - Назначение вычислительной сети

Ресурсы – представляют собой данные (в том числе корпоративные базы данных и знаний), приложения (в том числе различные сетевые программы), а также периферийные устройства, такие как принтер, сканер, модем и т. д.

До объединения персонального компьютера в сеть каждый пользователь должен был иметь свой принтер, плоттер и другие периферийные устройства, а также на каждом из компьютеров должны были быть установлены одни и те же программные средства, используемые группой пользователей.

Другой привлекательной стороной сети является наличие программ электронной почты и планирования рабочего дня. Благодаря им сотрудники эффективно взаимодействуют между собой и партнерами по бизнесу, а планирование и корректировка деятельности всей компании осуществляется значительно проще. Использование компьютерных сетей позволяет:

а) повысить эффективность работы персонала фирмы;

б) снизить затраты за счет совместного использования данных, дорогостоящих периферийных устройств и программных средств (приложений).

Основными характеристиками вычислительной сети являются:

− операционные возможности сети;

− временные характеристики;

− надежность;

− производительность;

− стоимость.

Операционные возможности сети характеризуются такими условиями, как:

− предоставление доступа к прикладным программным средствам, БД,

БЗ, и т. д.;

− удаленный ввод заданий;

− передача файлов между узлами сети;

− доступы к удаленным файлам;

− выдача справок об информационных и программных ресурсах;

− распределенная обработка данных на нескольких ЭВМ и т. д.

Временные характеристики сети определяют продолжительность обслуживания запросов пользователей:

− среднее время доступа, которое зависит от размеров сети, удаленности пользователей, загрузки и пропускной способности каналов связи и т. д.;

− среднее время обслуживания.

Надежностные характеризуют надежность, как отдельных элементов сети, так и сеть в целом.

Пакет как основная единица информации в вычислительных сетях. При обмене данными между персональными компьютерами любое информационное сообщение разбивается программами передачи данных на небольшие блоки данных, которые называются пакетами (рисунок 3).

Рисунок 3 - Информационное сообщение

Связано это с тем, что данные обычно содержатся в больших по размерам файлах, и если передающий компьютер пошлет его целиком, то он надолго заполнит канал связи и «свяжет» работу всей сети, то есть будет препятствовать взаимодействию других участников сети. Кроме этого, возникновение ошибок при передаче крупных блоков вызовет большие затраты времени, чем на его повторную передачу.

Пакет – основная единица информации в компьютерных сетях. При разбиении данных на пакеты скорость их передачи возрастает на столько, что каждый компьютер сети получает возможность принимать и передавать данные практически одновременно с остальными ПК /2/.

При разбиении данных на пакеты сетевая операционная система к собственно передаваемым данным добавляет специальную добавляющую информацию:

- заголовок, в котором указывается адрес отправителя, а также информация по сбору блоков данных в исходное информационное сообщение при их приеме получателем;

- трейлер, в котором содержится информация для проверки безошибочности в передаче пакета. При обнаружении ошибки передача пакета должна повториться.

Способы организации передачи данных между персональными компьютерами. Передача данных между компьютерами и прочими устройствами происходит параллельно или последовательно.

Так большинство персональных компьютеров пользуется параллельным портом для работы с принтером. Термин «параллельно» означает, что данные передаются одновременно по нескольким проводам.

Чтобы послать байт данных по параллельному соединению, компьютер одновременно устанавливает весь байт на восьми проводах. Схему параллельного соединения можно иллюстрировать на рисунке 4.

Рисунок 4 – Параллельное соединение

Как видно из рисунка, параллельное соединение по восьми проводам позволяет передать байт данных одновременно.

Напротив, последовательное соединение подразумевает передачу данных по очереди, бит за битом. В сетях чаще всего используется именно такой способ работы, когда биты выстраиваются друг за другом и последовательно передаются (и принимаются тоже), что иллюстрирует рисунок 5.

Рисунок 5 – Последовательное соединение

Рисунок 6 – Методы сетевых соединений

При соединении по сетевым каналам используют три различных метода. Соединение бывает: симплексное, полудуплексное и дуплексное.

О симплексном соединении говорят, когда данные перемещаются только в одном направлении (рисунок 6). Полудуплексное соединение позволяет данным перемещаться в обоих направлениях, но в разное время.

И, наконец, дуплексное соединение позволяет данным перемещаться в обоих направлениях одновременно.

1.2 Архитектура "клиент-сервер"

Сеть ЭВМ (компьютерная сеть, или вычислительная сеть - ВС) - это совокупность компьютеров и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределенной обработки данных, совместного использования общих информационных и вычислительных ресурсов.

Часто возникает путаница между распределенными системами и сетями ЭВМ. Работая с распределенной системой, пользователь может не иметь ни малейшего представления на каких процессорах, где, с использованием конкретно каких физических ресурсов будет исполняться его программа. В сети, поскольку все машины там автономны, пользователь должен делать все явно. Основное различие между этими системами лежит в организации их программного обеспечения. И там и там происходит передача информации. В сети - пользователь, в распределенной системе - система.

Распределенные вычисления в компьютерных сетях основаны на архитектуре "клиент-сервер", ставшей доминирующим способом обработки данных. Термины "клиент" и "сервер" обозначают роли, которые играют различные компоненты в распределенной среде вычислений. Компоненты "клиент" и "сервер" не обязательно должны работать на разных машинах, хотя обычно это так и есть - клиент-приложение находится на рабочей станции пользователя, а сервер - на специальной выделенной машине.

Наиболее распространены следующие виды серверов: файл-серверы, серверы баз данных, серверы печати, серверы электронной почты, Web-сервер и другие. В последнее время интенсивно внедряются многофункциональные серверы приложений.

Клиент формирует запрос на сервер для выполнения соответствующих функций. Например, файл-сервер обеспечивает хранение данных общего поль-зования, организует доступ к ним и передает данные клиенту. Обработка данных распределяется в том или ином соотношении между сервером и клиентом. В последнее время долю обработки, приходящуюся на клиента, стали называть "толщиной" клиента.

Развитие архитектуры "клиент-сервер" происходит по спирали и в настоящее время намечается тенденция централизации вычислений, то есть замены "толстых" клиентов - рабочих станций на основе высокопроизводительных ПЭВМ, оснащенных мощным программным обеспечением для поддержки прикладных программ, мультимедийных средств, навигационного и графического интерфейса - "тонкими" клиентами. Характерный пример "тонкого" клиента - архитектура Sun Ray Hot Desk, предложенная компанией Sun Microsystems.

Рисунок 7 - Ранжирование клиентов по "толщине"

Архитектура Sun Ray Hot Desk предполагает использование настольных систем типа графических терминалов Sun Ray 1, имеющих минимум программных и аппаратных средств, но обладающих широкими возможностями работы с приложениями в соответствии с основной идеей "тонких" клиентов - вынести на сервер все, вплоть до виртуальных драйверов устройств, включая драйвер монитора. Историческими предшественниками "тонких" клиентов были алфавитно-цифровые терминалы, подключавшиеся к главным ЭВМ, или мэйнфреймам (mainframe) через специализированные интерфейсы или универсальные последовательные порты.

Мэйнфреймы - классический пример централизации вычислений, поскольку в едином комплексе были сконцентрированы все вычислительные ресурсы, хранение и обработка огромных массивов данных. Основные достоинства централизованной архитектуры - простота администрирования и защиты информации. Все терминалы были однотипными - следовательно, устройства на рабочих местах пользователей вели себя предсказуемо и в любой момент могли бы быть заменены, затраты на обслуживание терминалов и линий связи также легко прогнозировались.

Революция, вызванная появлением персональных компьютеров, сделала возможным иметь вычислительные и информационные ресурсы на рабочем столе пользователя и управлять ими по собственному разумению с помощью цветного оконного графического интерфейса.

Увеличение производительности ПК позволило перенести части системы (интерфейс с пользователем, прикладную логику) для выполнения на персональном компьютере, непосредственно на рабочем месте, а функции обработки данных оставить на центральном компьютере.

Система стала распределенной - одна часть функций выполняется на центральном компьютере, другая - на персональном, который связан с центральным посредством коммуникационной сети. Таким образом, появилась клиент-серверная модель взаимодействия компьютеров и программ в сети и на этой основе стали развиваться средства разработки приложений для реализации информационных систем.

Однако двухуровневая архитектура "клиент-сервер" (рисунок 7) имеет такие существенные недостатки, как сложность администрирования и низкая информационная безопасность, особенно заметные при сравнении ее с централизованной архитектурой мэйнфреймов (таблица 1).

Таблица 1 - Сравнение централизованной архитектуры мэйнфреймов и двухуровневой архитектуры «клиент-сервер».