Сети и системы передачи данных

Интеграция систем передачи информации (телефонная и радио­связь) и компьютерных систем обусловила создание сетей поддержки связи между компьютерами (отдельные входы в системы, передача файлов, электронная почта и т.п.). В современных цифровых сетях передачи информации нет различия между передачей голоса и дан­ных, поскольку они способны передавать данные, звуковой и видео­сигнал как один пакет данных. Это так называемые широкополосные цифровые сети с предоставлением комплексных услуг.

Сети иногда делят по их географическому размещению на ло­кальные, региональные и глобальные. Локальные сети имеют ограни­ченное количество компьютеров, и связь между ними осуществляется по физической линии связи (проводам, коаксиальному кабелю). Ре­гиональные сети объединяют несколько локальных сетей в рамках области или региона и используют, главным образом, телефонные сети или волоконно-оптические кабели. Глобальные сети передают данные не только по телефонным каналам, но и по спутниковым и радиоканалам.

Вычислительная сеть представляет собой систему станций на базе ЭВМ (узлы сети),взаимодействующих между собой через кана­лы передачи данных, используемые для обмена информацией. Для обеспечения безошибочной и максимально удобной передачи инфор­мации сетевые операции регулируются набором правил и соглаше­ний, названных сетевым протоколом. Протокол определяет типы разъемов и кабелей, сигналы, форматы данных и средства проверки ошибок, а также алгоритмы для сетевых интерфейсов и узлов по стандартным (в пределах сети) принципам подготовки сообщений, передачи и анализа на разнообразных уровнях детализации.

Сети имеют некоторые общие компоненты, функции и характе­ристики, а именно:

- серверы (server) - компьютеры, которые предоставляют свои ресурсы сетевым пользователям;

- клиенты (client) - компьютеры, которые осуществляют дос­туп к сетевым ресурсам, предоставленным сервером;

- среда - средства соединения компьютеров;

- совместно используемые данные - файлы, предоставленные серверами по сети;

- совместно используемые периферийные устройства (принтеры, приводы CD-ROM и прочие ресурсы, предоставленные серверами);

- ресурсы - файлы, прикладные программные комплексы, принтеры и другие элементы, используемые в сети.

Принцип действия локальной сети зависит от расположения и соединения отдельных сетевых компонентов. Средство соединения компьютеров в сети называется топологией. В локальных сетях ком­пьютеры могут работать в режимах:

- клиентов, которые используют сетевые ресурсы, но не пре­доставляют свои ресурсы другим компьютерам;

- одно-ранговых узлов, работающих с сетевыми ресурсами, которые разрешают доступ других машин к своим ресурсам;

- серверов, которые предоставляют ресурсы сети другим ма­шинам.

Каждый из этих режимов определяется типом применяемой на компьютере ОС. На серверах функционируют такие ОС, как Windows NT или Unix. Различают следующие типы сетей:

- псевдосети типа ПК-ПК;

- одно-ранговые сетевые среды (peer-to-peer), в которых нет серверов и ресурсы распределяются по независимым узлам;

- серверные (или клиент-серверные), которые имеют клиентов и обслуживают их на сервере;

- комбинированные (гибридные) сети - сети клиент-сервер и одно-ранговые с ресурсами, которые распределяются.

Большинство сетей на самом деле являются комбинированными.

Обмен информацией между двумя компьютерами может осуще­ствляться через разъемы последовательного интерфейса обоих ком­пьютеров с помощью специального кабеля нуль-модема. В этом слу­чае для осуществления передачи данных нужно лишь соответствую­щее терминальное программное обеспечение, поскольку подобный принцип соединения двух компьютеров характерен, в первую оче­редь, для компьютеров типа laptop и notebook. При использовании параллельной передачи данных повышается скорость обмена инфор­мацией между обоими компьютерами, тем не менее, из технических соображений последовательный кабель может быть значительно длиннее, чем параллельный. Во время передачи данных оба процес­сора блокируются и не могут выполнять другие задания.

Минимальное количество линий для организации двусторонней связи компьютера без модемного устройства - три. Тогда перенесе­ние информации становится возможным через непосредственный доступ к портам, для чего необходимо правильно их настроить и за­программировать собственный драйвер с обработчиком прерываний. Схемы трехпроводного соединения компьютеров требуют для надеж­ного перенесения данных организации программного подтверждения, которое снижает скорость передачи.

Серверные сети (сети с обслуживающими узлами) функциони­руют при наличии клиентов. Клиенты обращаются к серверу, кото­рый предоставляет им разные средства (например, печать или работу с файлами). Клиентские компьютеры обычно менее мощные, чем серверы.

Большинство сетей используют выделенные серверы. Выделен­ным называется такой сервер, который функционирует только как сервер и не выполняет функций клиента или рабочей станции. Такие серверы специально приспособлены для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом.

С увеличением размеров сети и объема сетевого трафика необ­ходимо увеличивать количество серверов. Распределение заданий между несколькими серверами гарантирует, что каждое задание бу­дет выполняться наиболее эффективным средством из всех возмож­ных. Наиболее распространенными серверами являются следующие:

- файловые серверы;

- серверы печати;

- серверы приложений;

- серверы сообщений;

- серверы баз данных.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий: шины, звезды, кольца.

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля (сегмента), топология называется шиной, если же они подключены к сегментам кабеля, который выходит с концентратора (hub), топология называет­ся звездой. Если кабель, к которому подключены компьютеры, замк­нут в кольцо, такая топология называется кольцом.

Базовые топологии сами по себе достаточно просты, но часто встречаются довольно сложные комбинации, которые объединяют свойства нескольких топологий.

В типичной сети с шинной топологией кабель имеет одну или более пар проводников, а активные схемы усиления сигнала или пе­редачи его от одного компьютера к другому отсутствуют. Такая шин­ная топология - пассивная. Если один компьютер посылает сигнал по кабелю, все другие узлы получают эту информацию, но только один из них (адрес которого совпадает с адресом в сообщении) принимает ее. Другие не принимают сообщения.

В каждый момент времени отправлять сообщение может только один компьютер, поэтому количество подключенных к сети компью­теров значительно влияет на скорость сети. Перед передачей данных компьютер вынужден ожидать освобождения шины. Указанные фак­торы действуют также в кольцевой и звездообразной сетях. Приме­ром недорогой сети с шинной топологией может быть Ethernet.

Звездообразная топология применяется в сосредоточенных се­тях, в которых конечные точки доступны из центрального узла, а также в случаях, когда предполагается расширение сети и нужна вы­сокая надежность.

Каждый компьютер в сети с топологией типа «звезда» взаимо­действует с центральным концентратором, который передает сооб­щения всем компьютерам (в звездоподобной сети с широковещатель­ной рассылкой) или только компьютеру-адресату (в коммутирован­ной звездоподобной сети).

Активный концентратор регенерирует электрический сигнал и посылает его всем подключенным компьютерам. Такой тип концен­тратора часто называют многопортовым повторителем. Для работы активных концентраторов и коммутаторов необходимо питание от сети. Пассивные концентраторы (например, коммутационная кабель­ная панель или коммутационный блок) действуют как точка соедине­ния, не усиливая и не регенерируя сигнал.

В сети с кольцевой топологией каждый компьютер соединяется с тем компьютером, который ретранслирует его информацию, полу­ченную им от первого. Благодаря такой ретрансляции сеть является активной, для нее не характерна потеря сигнала, как в сетях с шинной топологией.

Некоторые сети с кольцевой топологией используют метод эс­тафетной передачи. Специальное короткое сообщение - маркер -циркулирует по кольцу до тех пор, пока компьютер не передаст ин­формацию другому узлу. Он модифицирует маркер, добавляет элек­тронный адрес и данные, а потом отправляет его по кольцу. Каждый компьютер последовательно получает данный маркер с добавленной информацией и передает его соседнему компьютеру до тех пор, пока электронный адрес не станет совпадать с адресом компьютера-получателя или маркер не возвратится к отправителю. Компьютер, который получил сообщение, посылает отправителю ответ, который подтверждает, что сообщение принято. Тогда отправитель создает еще один маркер и отправляет его в сеть, давая возможность другим станциям перехватить маркер и начать передачу. Маркер циркулиру­ет по кольцу до тех пор, пока любая из станций не будет готова к пе­редаче и не захватит его.

Все эти события происходят очень быстро: маркер может прой­ти кольцо с диаметром 200 м приблизительно 10000 раз в секунду. В некоторых еще более быстрых сетях циркулирует сразу несколько маркеров. В других сетевых средах применяются два кольца с цирку­ляцией маркеров в противоположных направлениях. Такая структура обеспечивает восстановление сети в случае возникновения отказов.

Примером быстрой волоконно-оптической сети с кольцевой то­пологией является FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - распре­деленный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим ка­налам: стандарт, разработанный ANSI и модифицированный IEEE/ISO.

Как среду передачи данных в электронной сети можно использо­вать: коаксиальный кабель, витую пару проводов, волоконно-оптический кабель, инфракрасное излучение или радиодиапазон эфира.

Сегодня преобладающая часть компьютерных сетей использует для соединения в большинстве случаев провода или кабели.

Модуль данных, передаваемый по сети, различен при различных технологиях организации сети. В датаграммных сетях переданный модуль данных - это полное сообщение, ограниченное заданным максимальным размером. Размер модуля данных изменяется также от одного сообщения к другому. Можно разделять каждое сообщение на пакеты установленного размера и передавать их по сети. Сообщения, которые превышают отдельный пакет, разделяют на пакеты до того, как они посылаются в сеть. Пакеты можно передавать по сети по од­ному так, что они будут достигать адресата не в том порядке, в кото­ром были отправлены.

Пакеты собираются у адресата после того, как сообщение полу­чено пользователем. Такой же протокол предусмотрен и для ретранс­ляции утерянных пакетов.

Для передачи информации в пределах сети предназначена физи­ческая среда. Она может использовать двухточечную связь или ра­диовещательную среду. В двухточечной связи - это специализиро­ванное физическое подключение (например, провод или волоконно-оптический кабель), между каждой парой компонентов, таких как пе­реключатели, компьютеры, устройства ввода-вывода и др.

Если подключение поддерживает связь только в одном направ­лении и не разрешает одновременную передачу данных в обоих на­правлениях, то для организации связи не нужно никакого подтвер­ждения. Если поддерживается связь во времени в обоих направлени ях, то необходим протокол для переключения направления, чтобы обеспечить использование двусторонней связи.

Радиовещательная среда позволяет большому множеству ком­понентов использовать ее как среду связи. Но при этом нужен прото­кол, чтобы предотвратить влияние передатчиков друг на друга. В этом случае можно использовать протокол MAC как среду управле­ния доступом. Например, широко используемая технология локаль­ной сети базируется на радиовещательной среде Ethernet. Здесь все компоненты связаны с отдельным проводом, например, коаксиаль­ным кабелем. Протокол MAC использует несколько простых правил: передатчик не передает данные до тех пор, пока провод используется другим передатчиком; если два передатчика одновременно начинают передавать данные, каждый из них знает об этом, контролируя про­вод и наблюдая за данными, переданными по проводу (определяется несоответствие переданных данных); при появлении столкновения передатчик останавливает передачу и ждет некоторое время, а потом ретранслирует (повторяет) сообщение. Подобный протокол часто ис­пользуется для управления доступом к сети радиосвязи.

Другая широко используемая технология локальной сети - это эстафетное кольцо. В конфигурации кольцевой сети точка-точка мар­кер, как и маркер с данными, передаются в одном направлении по кольцу.

Кольцо подобно ленте конвейера последовательно перемещает данные от одного компьютера к другому по кругу. Лента конвейера разделена на «слоты», где каждый слот может содержать одиночную часть блока установленного размера, например, пакет данных. Каж­дый компьютер исследует данные, которые проходят по ленте кон­вейера. Если адреса данных соответствуют адресу компьютера, то данные отделяются от ленты и слот становится пустым. Если адреса не соответствуют компьютеру, то данные продолжают движение по ленте конвейера. Чтобы передать данные, компьютер находит пустой слот и заполняет его данными для передачи.

Упражнения для моделирования сети, предложенные в этой книге, содержат анализ простых сетей и непосредственную передачу данных в пределах сети. Используется универсальный язык модели­рования GPSS World для разработки модели, хотя существуют ком­мерческие пакеты моделирования, разработанные для определенных стандартных сетей. Они содержат типичные модели передачи пакетов для разной организации сетевых протоколов и технологий, исполь­зуемых в данное время, однако, могут требовать много времени для разработки имитационной модели сети.