Технології спільного використання ресурсів

Лекція 3

Комп'ютерна мережа – це сукупність комп'ютерів, телекомунікаційного обладнання та інших пристроїв, що забезпечують інформаційну взаємодію в мережі.

Технології, що реалізують модель процесу з ресурсами, які розподіляються, дають змогу всім користувачам мережі спільно використовувати ресурси, які дорого коштують: принтери, дискові накопичувачі, модеми тощо

Найпоширенішими технологіями спільного використання інформаційних ресурсів є: телеобробка, файл-серверна і клієнт-серверна.

В режимі телеобробки використовується один (центральний) комп’ютер і декілька терміналів. Їх кількість залежить від потужності центрального комп’ютера. Термінали не мають своїх засобів роботи з даними (процесор, СКБД,) і застосовуються лише як користувацькі додатки. Всі операції виконуються на центральному комп’ютері і мережею передаються на термінали.

Комп’ютер, що керує певним ресурсом (надає послуги в користуванні ресурсом), називають сервером цього ресурсу, комп’ютер, який ним користується – клієнтом. Той самий комп’ютер у різних випадках може виконувати як роль сервера, так і клієнта.

Прикладами серверів можуть служити:

• сервер телекомунікацій, що забезпечує послуги по зв'язку даної локальної мережі з зовнішнім світом;

• обчислювальний сервер, що дає можливість виробляти обчислення, які неможливо виконати на робочих станціях;

• дисковий сервер, що володіє розширеними ресурсами зовнішньої пам'яті і надає їх у використання робочим станціями або іншим серверам;

• файловий сервер, що підтримує загальне сховище файлів для всіх робочих станцій;

• сервер баз даних (фактично звичайна СУБД), що приймає запити по локальній мережі і повертає результати.

У файл-серверній технології центральний комп’ютер, файловий сервер (FS – File Server), використовується в локальній мережі як спільний віддалений нагромаджувач інформації великої ємності. Він працює під управлінням мережевої операційної системи і виконує функції доступу до інформаційних ресурсів (файлів). Обробка даних здійснюється на клієнтських комп’ютерах: система управління базами даних (СКБД) на кожній робочій станції при розв’язанні конкретної задачі посилає запити за всіма необхідними їй даними на файловий сервер.

Робоча станція призначена для безпосередньої роботи користувача або категорії користувачів і володіє ресурсами, що відповідають локальним потребам даного користувача.

Дана технологія має ряд недостатків:

- великий об’єм даних передається мережею;

- на кожній станції повинна знаходитись своя СКБД;

- можливість одночасного доступу кількох користувачів ускладнює управління цим доступом;

- нема належних засобів безпеки доступу до даних, захист виконується на рівні файлів.

При клієнт-сереверній технології на сервері зберігається база даних і СКБД, яка здійснює управління цією базою. На робочій станції формується спеціальний запит до бази даних, який обробляється засобами серверної СКБД, і передається на робочу станцію.

При клієнт-серверній технології система розбивається на дві частини, які можуть виконуватися в різних вузлах мережі, – клієнтську та серверну. Кінцевий користувач (прикладна програма) взаємодіють з клієнтською частиною системи, яка при потребі звертається по мережі до серверної частини.

Інтерфейс серверної частини визначений і фіксований, тому можливе створення нових клієнтських частин існуючої системи.

Ще більш складний аспект цієї проблеми пов'язаний з можливістю використання різних представлень даних в різних вузлах неоднорідною локальної мережі.

Нині відомі і використовуються в інформаційних системах дві архітектури технологій клієнт-сервер – дворівнева і трирівнева. Перша є більш поширена і передбачає збереження даних і їх обробку на сервері. Але в цьому випадку при розв’язуванні складних задач потрібно мати потужні машини на клієнтських робочих місцях.

Варіантом дворівневої архітектури є сервер баз даних (DBS – Data Base Server). Його основою є механізм процедур, що зберігаються і виконуються на сервері і можуть розподілятися між кількома клієнтами. Запит до сервера формується на спеціальній мові структурованих запитів (Structured Query Language, SQL), тому часто сервери БД називаються SQL-серверами.

Клієнт-серверні СУБД масштабуються до сотень і тисяч клієнтських місць.

Основна проблема дворівневої архітектури полягає у тому, що програмне забезпечення збереження даних розташовується на сервері, інтерфейс користувача – на комп’ютері клієнта, а обробку даних доводиться розподіляти між клієнтською і серверною частинами. Цього уникають, здійснюючи обробку даних або на стороні клієнта («товстий клієнт»), або на сервері («тонкий клієнт»). У першому випадку перевантажується мережа, а другому – сервер.

Недоліки дворівневої архітектури:

- із збільшенням кількості клієнтів збільшується завантаження мережі;

- поєднання на комп’ютері клієнта в одній програмі різних за своєю природою функцій (інтерфейс і прикладні) не дає змоги ефективно використовувати додатки.

- додаткові витрати коштів для написання процедур, що зберігаються на сервері;

- процедури мають менші можливості, ніж мови програмування третього покоління (С, С++, Pascal);

- не забезпечується ефективне використання ресурсів через обмеження в ядрі СКБД;

- під час реалізації прикладної системи можуть знадобитися такі механізми взаємодії, як збереження черги, асинхронні виклики тощо.

Трирівнева архітектура додає між сервером даних і комп’ютером користувача сервер застосувань (AS – Application Server), на якому виконуються необхідні обчислення.

Дана архітектура передбачає таку систему розподілу функцій:

- комп’ютер клієнта (користувацький інтерфейс), прикладний клієнт (AC – Application Client);

- сервер застосувань. Здійснює необхідну обробку даних. Дає можливість використовувати мови програмування третього покоління.

- сервер баз даних. Забезпечує зберігання і підтримку даних, включаючи їх узгоджене перетворення, запобігання несанкціонованому або некоректному коригуванню, створення резервних копій тощо.

Трирівнева архітектура дає змогу оптимізувати розподіл ресурсів у системі.

Переваги AS- моделі:

- забезпечується доступ з віддалених робочих місць до прикладного сервера в режимі «on-line» без застосування додаткових програмних засобів;

- ефективне використання потужної техніки і систем обміну;

- підвищується рівень захисту інформації, так як робочі станції взаємодіють лише з сервером AS.

Перспективною є зараз web-технологія доступу до сервера застосувань через web-браузер. У зв’язку цим Інтернет може стати основним архітектурним рішенням корпоративних мереж для великих компаній протягом наступних п’яти років. Компанії-виробники клієнт-серверних додатків модифікують браузери й перебудовують свою клієнтську технологію для використання web-технологій. Компанія Oracle вже пропонує три бізнес-додатки: web-споживач, web-постачальник, web-службовець. Використання web-технологій знизить вартість і складність програмного забезпечення для користувачів.

Веб-сервер (англ. web-server) відповідає за обробку зврернень клієнтів до веб-сайту, бази даних та інших додатків.

Грід (англ. grid – сітка, мережа) – узгоджене, відкрите й стандартизоване комп'ютерне середовище, яке забезпечує гнучкий, безпечний, скоординований розподіл обчислювальних ресурсів та ресурсів зберігання інформації в рамках однієї віртуальної організації (ВО). Віртуальні організації створюють на добровільній основі на підставі спільних наукових або практичних інтересів. Учасники ВО зв’язані між собою за допомогою Інтернету таким чином, що їхні обчислювальні потужності поєднуються. Кожен з учасників ВО надає свої обчислювальні ресурси (або їхню частину) для використання іншими учасниками і у той же час одержує доступ до ресурсів інших учасників ВО. У кожній віртуальної організації є своя власна політика поведінки її учасників, які повинні дотримуватися встановлених правил. Віртуальна організація може утворюватися динамічно і мати обмежений час існування.

Грід можна порівняти з електричними мережами – кожний може легко підключитися через розетку і взяти електрики, скільки йому потрібно, не замислюючись про те, звідки ця електрика «прийшла».

З технічної точки зору участь в проекті виглядає наступним чином. Користувач сам завантажує і встановлює обчислювальний модуль – програму-клієнт. На більшості комп'ютерів звичайних користувачів процесор зазвичай завантажений не більше, ніж на 5-15%. На вільні 90-85% процесорної потужності і претендує під час роботи програма розподілених обчислень. При цьому користувач не відчуває ніяких незручностей – програма бере на себе нижчий пріоритет у системі, не заважаючи роботі інших програм. Розрахунки виконуються без присутності машини в мережі, з'єднання з Internet необхідно лише для відправлення результатів на сервер та одержання нового завдання.

Для участі в таких проектах підходить будь-який персональний комп'ютер, що має постійний або періодичний доступ в мережу Internet.

Сьогодні існують численні ВО:

– автомобільні і авіаційні компанії (оцінка ефективності заводів та розробка нових моделей автомобілів і літаків),

– групи, які здійснюють моніторинг довкілля та прогнозування можливих небезпечних ситуацій,

– науково-дослідні установи, які беруть участь у експериментах з фізики високих енергій, фізики плазми і т.п.

Прикладом найбільш розвинутої ВО є організація WLCG (Worldwide LHC Computing Grid, http://lcg.web.cern.ch), яка координується в міжнародному центрі ядерних досліджень ЦЕРНі (Женева, Швейцарія, http://www.cern.ch/). Вона поєднує сотні комп’ютерних центрів в усьому світі, кілька десятків тисяч сучасних потужних комп’ютерів. Завдання WLCG – обробка і аналіз безпрецедентного обсягу (близько 15-20 Петабайт у рік, 1 Петабайт=10¹⁵ байт) експериментальних даних, які будуть надходити з найбільшого у світі прискорювача елементарних часток та ядер LHC (Large Hadron Collider).

Вели́кий адро́нний кола́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC) – найбільший у світі прискорювач елементарних частинок, створений у Європейському центрі ядерних досліджень (CERN), поблизу Женеви (Швейцарія).

Фінансування та розробку проекту здійснюють понад 10 тисяч науковців та інженерів, представників різних університетів і лабораторій з понад 100 країн світу.

Прискорювач пролягає в тунелі (у формі тора окружністю 27 км) на глибині до 175 метрів (570 футів) під землею на кордоні Франції та Швейцарії, поблизу Женеви, Швейцарії. Як свідчить назва, він призначений для прискорювання адронів, зокрема протонів і важких іонів.

Перший грід-кластер в Україні був створений групою фізиків із ННЦ ХФТІ у 2002 році.

Зараз діють 23 грід-кластери в академічних інститутах Києва, Харкова, Львова, Дніпропетровська, Донецька, Сум. В українській грід-інфраструктурі беруть участь університети і інститути Міністерства освіти і науки, насамперед це потужні кластери Київського національного університету імені Тараса Шевченка і НТУУ «Київський політехнічний інститут».

Телекомунікації

З метою надання територіально-розподіленим користувачам можливості доступу до централізованих баз даних, а також полегшення обміну інформацією між самими користувачами їх комп’ютери за допомогою спеціальних кабелів або іншого зв’язку можуть об’єднуватись в комп’ютерні мережі.

В залежності від способу керування мережевими ресурсами розрізняють такі види мереж:

а) централізовані – керування всіма мережними ресурсами покладено на один комп’ютер-сервер, який ідентифікує користувачів, перевіряє їх повноваження, зберігає, приймає, передає і обробляє дані тощо. Сервери часто класифікують за їх функціями, наприклад, файл-сервер (зберігання, приймання, передавання і обробка файлів даних), сервер доступу (керування доступом до комп’ютерної мережі) і т.п.

б) децентралізовані – кожен користувач, використовуючи інформацію про свої права в мережі і стан мережі, самостійно визначає можливість доступу до її ресурсів.

За територіальним розташуванням комп’ютерні мережі можна класифікувати як локальні, регіональні і глобальні.

Локальна обчислювальна мережа, ЛОМ (LAN – Local Area Network) – це група комп'ютерів і периферійне обладнання, об'єднані одним або декількома автономними високошвидкісними каналами передачі цифрових даних на відносно невеликій території (в межах підприємства чи будинку). У локальних мережах прагнуть уникати використання телефонних або інших виділених ліній для передачі даних.

В основі структури локальних комп'ютерних мереж лежить ідея оптимального розподілу ресурсів. Висока пропускна здатність локальних мереж забезпечує ефективний доступ з одного вузла локальної мережі до ресурсів, що знаходяться в інших її вузлах.

Локальна обчислювальна мережа може мати шлюзи з іншими локальними мережами, а також бути частиною глобальної обчислювальної мережі (наприклад, Інтернет) або мати підключення до неї.

Управляє мережею або її сегментом адміністратор. У його обов'язки входить забезпечення і контроль фізичного зв'язку, налаштування активного обладнання, налаштування загального доступу та відповідних програм, що забезпечують стабільну роботу мережі.

Роботою складних мереж, як правило керує декілька адміністраторів. Їх права та обов'язки строго розподілені, ведеться документація та журнал дій команди адміністраторів.

За структурою локальні обчислювальні мережі поділяються на:

а) зіркоподібні – роботою мережі керує один сервер, до якого під’єднані всі інші комп’ютери;

б) шинні – всі комп’ютери підключаються до спільної магістралі (шини), яка забезпечує обмін інформацією між ними;

в) кільцеві – інформація між комп’ютерами передається по одному або двох кільцевидних каналах зв’язку (послідовно від одного комп’ютера до іншого);

г) деревовидні – окремі зіркоподібні мережі об’єднуються між собою у більші групи зі спільним центром, утворюючи дерево зв’язків. В ролі вузлів комутації найчастіше виступають високошвидкісні комутатори хаби (від. англ. Hub. – центр діяльності);

д) гібридні – об’єднують у собі різні види мереж (див. а), б), в), г)).

Структура локальної мережі здебільшого відповідає структурі підприємства, в якому вона функціонує.

Регіональна обчислювальна мережа (WAN – Wide Area Network) – комп’ютерна мережа, яка охоплює визначений географічний регіон (штат, область, група підприємств тощо). Підтримуючи зв’язок на великих відстанях, вони можуть використовуватися для об’єднання декількох ЛОМ в інтегрованому мережеву систему.

Варто також виділити галузеві обчислювальні мережі, пов’язані з діяльністю міністерств, фінансових та фіскальних органів тощо.

Глобальна обчислювальна мережа (GAN – Global-Area Network) об’єднує локальні мережі і комп’ютери на великій території (країна, планета). Типовим прикладом глобальної мережі є всесвітня мережа Інтернет. Серед інших можна назвати FidoNet – міжнародну некомерційну комп'ютерну мережу.

Віртуальна приватна мережа,ВПН (VPN – Virtual Private Network) — це логічна мережа, створена поверх інших мереж, на базі загальнодоступних або віртуальних каналів інших мереж (Інтернет). VPN дозволяє об'єднати, наприклад, декілька географічно віддалених мереж організації в єдину мережу з використанням для зв'язку між ними відповідних каналів.

Інтранет (Іntranet) – внутрішньокорпоративна мережа, що використовує стандарти, технології і програмне забезпечення Інтернету. Мережа підтримує такі сервіси Інтернет як електронна пошта, веб-сайти, FTP-сервери тощо, але в межах корпорації.

Екстранет (Extranet) – це розподілена інформаційне середовище Intranet, що містить виділені області, до яких мають доступ користувачі з-поза меж корпоративної мережі. Основна функція extranet-систем – надання доступу до формалізованої інформації та корпоративних служб віддаленим підрозділам компанії, дилерській мережі, клієнтам, партнерам тощо. Доступ до корпоративних ресурсів, розміщених в Extranet, мають лише авторизовані користувачі та/або користувачі з певних IP-адрес.

Основними елементами мережі передавання даних є канали передавання даних і вузли комутації.

Канал передавання даних – канал зв’язку, оснащений спеціальною апаратурою: автоматичними викликаючими пристроями, пристроями захисту від помилок і пристроями перетворення сигналів. Територіально апаратура передавання даних розташовується, як правило, у вузлах комутації, абонентських системах або в серверах.

Вузол комутації – ретрансляційна система, що з'єднує більше двох каналів. Залежно від розв'язуваних завдань розрізняють вузли комутації: каналів, пакетів, змішаної комутації, інтегральної комутації.

Якщо локальна комп’ютерна мережа містить більше, ніж 30-40 робочих станцій, то необхідно розділити її на сегменти, які можуть бути з’єднані між собою шлюзами або маршрутизаторами.

Маршрутизатор – засіб з'єднання двох або декількох локальних мереж, що використовують однакові протоколи передавання даних між собою.

Маршрутизатором може виступати як спеціалізований пристрій, так і звичайний комп'ютер, що виконує функції простого маршрутизатора.

Якщо вам необхідно підключити кілька домашніх комп’ютерів, ноутбуків, нетбуків або навіть смартфонів до одного інтернет підключення вам доведеться побудувати домашню локальну мережу і встановити маршрутизатор.

Роутер може бути програмним або апаратним. Програмний роутер це програма, яка працює на звичайному комп’ютері, підключеному до декількох мереж. Апаратним роутером називають окремий пристрій, призначений виключно для виконання функцій роутера. Використання апаратних роутерів більш зручне. В цьому випадку немає необхідності тримати комп’ютер з програмним роутером постійно включеним, крім цього апаратні роутери оснащуються простим і інтуїтивно зрозумілим веб-інтерфейсом, що значно спрощує процес налаштування роутера.

Роутери бувають домашні і професійні. Домашні роутери мають більш компактні розміри і значно меншу ціну.

Для домашнього роутера підтримка WiFi практично обов’язкова.

Шлюз – пристрій, що забезпечує перенесення даних між мережами, які функціонують за різними протоколами.

В залежності від швидкості передавання даних канали поділяються на:

- низькошвидкісні (до 10М біт/с);

- сердньошвидкісні (до100 Мбіт/с);

- високошвидкісні (понад 100М біт/с).

Швидкість передавання даних в каналі залежить від його будови і частотних характеристик.

Одиниці вимірювання інформації, що передається мережею:

- baud (бод) – зміна сигналу (якщо за 1 сек. два рази включити світло в кімнаті, то це рівне швидкості 4 боди);

- bps (bits per second) – біти за 1 сек.;

- cps (characters per second) – символи або байти за 1 сек.

З врахуванням напрямів передавання даних канали поділяють на:

– симплексні (передавання лише в одному напрямі);

– напівдуплексні (передавання почергово двох напрямах);

– дуплексні (передавання одночасно в двох напрямах).

Функціонування комп'ютерних мереж відбувається під керівництвом мережевих операційних систем, які забезпечують: підтримку мережевого обладнання, підтримку мережевих протоколів, підтримку протоколів маршрутизації, підтримку фільтрації мережевого трафіку, підтримку доступу до віддалених ресурсів, таких як принтери, диски і т.п. по мережі, підтримку мережевих протоколів авторизації, наявність у системі мережевих служб, що дозволяють віддаленим користувачам використовувати ресурси комп'ютера.

Приклади мережевих операційних систем: Novell NetWare, Microsoft Windows, UNIX системи тощо.

Робота в мережі регламентується спеціальними правилами, що називаються протоколами.

Різні сервіси мають різні прикладні протоколи.

Протоколи передачі даних – це набір правил, який визначає обмін даними між різними включеними в мережу пристроями. Протоколи задають засоби передачі повідомлень і обробки помилок в мережі, а також дозволяють розробляти стандарти, не прив'язані до конкретної апаратної платформи.

Протоколи за своїм призначенням поділяються на 7 рівнів:

• На фізичному рівні визначаються фізичні (механічні, електричні, оптичні) характеристики ліній зв'язку.

• На канальному рівні визначаються правила використання фізичного рівня вузлами мережі.

• Мережевий рівень відповідає за адресацію і доставку повідомлень.

• Транспортний рівень контролює черговість проходження компонентів повідомлення.

• Завдання сеансового рівня - координація зв'язку між двома прикладними програмами, що працюють на різних робочих станціях.

• Рівень представлення служить для перетворення даних з внутрішнього формату комп'ютера у формат передачі.

• Прикладний рівень є прикордонним між прикладною програмою та іншими рівнями. Він забезпечує зручний інтерфейс зв'язку мережевих програм користувача.

Служба каталогів (Directory Service) – це програмний комплекс, що дозволяє адміністратору володіти впорядкованим за рядом ознак масивом інформації про мережеві ресурси (загальні папки, сервери друку, принтери, користувачів тощо), що зберігаються в одному місці Це забезпечує централізоване управління, як самими ресурсами, так і інформацією про них, а також дозволяє контролювати використання їх третіми особами.