Архитектура сети. Структура сети передачи данных и оборудование

Понятие “сетевая архитектура” включает общую структуру сети, т. е. все компоненты, благодаря которым сеть функционирует, в том числе аппаратные средства и системное программное обеспечение. Здесь будут обобщены уже полученные сведения о типах сетей, принципах их работы, средах и топологиях. Сетевая архитектура это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.

Ethernet

Ethernetсамая популярная в настоящее время архитектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию “шина”, а для регулирования трафика в основном сегменте кабеляCSMA/CD.

Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т. е. получает питание от компьютера. Следовательно, она прекратит работу из-за физического повреждения или неправильного подключения терминатора.

Рис. Сеть Ethernet топологии “шина” с терминаторами на обоих концах кабеля

Сеть Ethernet имеет следующие характеристики:

традиционная топология линейная шина;

другие топологии звезда-шина;

тип передачи узкополосная;

метод доступа CSMA/CD;

скорость передачи данных 10 и 100 Мбит/c;

кабельная система толстый и тонкий коаксиальный.

Формат кадра

Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат которых отличается от формата пакетов, используемого в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, передаваемые как единое целое. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байтов, но сама структура кадра Ethernet использует, по крайней мере, 18 байтов, поэтому размер блока данных Ethernetот 46 до 1500 байтов. Каждый кадр содержит управляющую информацию и имеет общую с другими кадрами организацию.

Например, передаваемый по сети кадр EthernetIIиспользуется для протоколаTCP/IP. Кадр состоит из частей, которые перечислены в таблице.

Ethernet работает с большинством популярных операционных систем, в их числе:

Microsoft Windows 95;

Microsoft Windows NT Workstation;

Microsoft Windows NT Server;

Token Ring

От других сетей Token Ring отличает не только кабельная система, но и использование доступа с передачей маркера.

Рис. Физическизвезда, логическикольцо

Сеть Token Ring имеет следующие характеристики:

Архитектура

Топология типичной сети Token Ring“кольцо”. Однако в версииIBMэто топология “звезда-кольцо”: компьютеры в сети соединяются с центральным концентратором, маркер передается по логическому кольцу. Физическое кольцо реализуется в концентраторе. Пользователичасть кольца, но они соединяются с ним через концентратор.

Формат кадра

Основной формат кадра Token Ring показан на рисунке ниже и описан в следующей таблице. Данные составляют большую часть кадра.

Рис. Кадр данных Token Ring

Функционирование

Когда в сети Token Ring начинает работать первый компьютер, сеть генерирует маркер. Маркер проходит по кольцу от компьютера к компьютеру, пока один их них не сообщит о готовности передать данные и не возьмет управление маркером на себя. Маркерэто предопределенная последовательность битов (поток данных), которая позволяет отправить данные по кабелю. Когда маркер захвачен каким-либо компьютером, другие компьютеры передавать данные не могут.

Захватив маркер, компьютер отправляет кадр данных в сеть (как показано на рис. ниже). Кадр проходит по кольцу, пока не достигнет узла с адресом, соответствующим адресу приемника в кадре. Компьютер-приемник копирует кадр в буфер приема и делает пометку в поле статуса кадра о получении информации.

Кадр продолжает передаваться по кольцу, пока не достигнет отправившего его компьютера, который и удостоверяет, что передача прошла успешно. После этого компьютер изымает кадр из кольца и возвращает туда маркер.

Рис. Маркер обходит логическое кольцо по часовой стрелке

В сети одномоментно может передаваться только один маркер, причем только в одном направлении.

Передача маркерадетерминистический процесс, это значит, что самостоятельно начать работу в сети (как, например, в средеCSMA/CD) компьютер не может. Он будет передавать данные лишь после получения маркера. Каждый компьютер действует как однонаправленный репитер, регенерирует маркер и посылает его дальше.

Мониторинг системы

Компьютер, который первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями: он должен осуществлять текущий контроль за работой всей сети. Он проверяет корректность отправки и получения кадров, отслеживая кадры, проходящие по кольцу более одного раза. Кроме того, он гарантирует, что в кольце одномоментно находится лишь один единственный маркер.

Распознавание компьютера

После появления в сети нового компьютера система Token Ring инициализирует его таким образом, чтобы он стал частью кольца. Этот процесс включает:

проверку уникальности адреса;

уведомление всех сети о появлении нового узла.

Аппаратные компоненты

Концентратор

В сети TokenRingконцентратор, в котором организуется фактическое кольцо, имеет несколько названий, например:

MAU ;

MSAU (MultiStation Access Unit);

SMAU.

Кабели соединяют клиенты и серверы с MSAU, который работает по принципу других пассивных концентраторов. При подсоединении компьютера он включается в кольцо (см. рис. ниже).

Рис. Формирование кольца в концентраторе (указано направление движения маркера)

Емкость

IBMMSAUимеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до восьми компьютеров. Однако сетьTokenRingне ограничивается одним кольцом (концентратором). Каждое кольцо может насчитывать до 33 концентраторов.

Сеть на базе MSAU может поддерживать до 72 компьютеров - при использовании неэкранированной витой пары и до 260 компьютеров - при использовании экранированной витой пары.

Другие производители предлагают концентраторы большей емкости (в зависимости от модели).

Когда кольцо заполнено, т.е. к каждому порту MSAU подключен компьютер, сеть можно расширить за счет добавления еще одного кольца (MSAU).

Единственное правило, которого следует придерживаться: каждый MSAU необходимо подключить так, чтобы он стал частью кольца.

Гнезда “вход” и “выход” на MSAU позволяют с помощью кабеля соединить в единое кольцо до 12 MSAU, расположенных стопкой.

Рис. Добавляемые концентраторы не нарушают логического кольца

Архитектура сети

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) - одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд - программа.Это однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер - устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Сетевая архитектура сродни архитектуре строений. Архитектура здания отражает стиль конструкций и материалы, используемые для постройки. Архитектура сети описывает не только физическое расположение сетевых устройств, но и тип используемых адаптеров и кабелей. Кроме того, сетевая архитектура определяет методы передачи данных по кабелю.

Архитектура сетей

Архитектура сети определяет основные элементы сети, характеризует ее общую логическую организацию, техническое обеспечение, программное обеспечение, описывает методы кодирования. Архитектура также определяет принципы функционирования и интерфейс пользователя.

В данном курсе будет рассмотрено три вида архитектур:

архитектура терминал – главный компьютер;

одноранговая архитектура;

архитектура клиент – сервер.

Архитектура терминал – главный компьютер

Архитектура терминал – главный компьютер (terminal – host computer architecture) – это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров.

Рассматриваемая архитектура предполагает два типа оборудования:

Главный компьютер, где осуществляется управление сетью, хранение и обработка данных.

Терминалы, предназначенные для передачи главному компьютеру команд на организацию сеансов и выполнения заданий, ввода данных для выполнения заданий и получения результатов.

Главный компьютер через мультиплексоры передачи данных (МПД) взаимодействуют с терминалами.

Классический пример архитектуры сети с главными компьютерами – системная сетевая архитектура (System Network Architecture – SNA).

Одноранговая архитектура

Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) – это концепция информационной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. Данная архитектура характеризуется тем, что в ней все системы равноправны.

К одноранговым сетям относятся малые сети, где любая рабочая станция может выполнять одновременно функции файлового сервера и рабочей станции. В одноранговых ЛВС дисковое пространство и файлы на любом компьютере могут быть общими. Чтобы ресурс стал общим, его необходимо отдать в общее пользование, используя службы удаленного доступа сетевых одноранговых операционных систем. В зависимости от того, как будет установлена защита данных, другие пользователи смогут пользоваться файлами сразу же после их создания. Одноранговые ЛВС достаточно хороши только для небольших рабочих групп.

Архитектура клиент – сервер

Клиент-сервер (англ. Client-server) - вычислительная или сетевая архитектура, в которой задания или сетевая нагрузка распределены между поставщиками услуг (сервисов), называемыми серверами, и заказчиками услуг, называемыми клиентами. Нередко клиенты и серверы взаимодействуют через компьютерную сеть и могут быть как различными физическими устройствами, так и программным обеспечением.Содержание

Преимущества

Делает возможным, в большинстве случаев, распределить функции вычислительной системы между несколькими независимыми компьютерами в сети. Это позволяет упростить обслуживание вычислительной системы. В частности, замена, ремонт, модернизация или перемещение сервера, не затрагивают клиентов.

Все данные хранятся на сервере, который, как правило, защищён гораздо лучше большинства клиентов. На сервере проще обеспечить контроль полномочий, чтобы разрешать доступ к данным только клиентам с соответствующими правами доступа.

Позволяет объединить различные клиенты. Использовать ресурсы одного сервера часто могут клиенты с разными аппаратными платформами, операционными системами и т.п.

Недостатки

Неработоспособность сервера может сделать неработоспособной всю вычислительную сеть.

Поддержка работы данной системы, требует отдельного специалиста - системного администратора.

Высокая стоимость оборудования.

Многоуровневая архитектура клиент-сервер

Многоуровневая архитектура клиент-сервер - разновидность архитектуры клиент-сервер, в которой функция обработки данных вынесена на один или несколько отдельных серверов. Это позволяет разделить функции хранения, обработки и представления данных для более эффективного использования возможностей серверов и клиентов.

Частные случаи многоуровневой архитектуры:

Трёхуровневая архитектура

Сеть с выделенным сервером

Сеть с выделенным сервером (англ. Client/Server network) - это локальная вычислительная сеть (LAN), в которой сетевые устройства централизованы и управляются одним или несколькими серверами. Индивидуальные рабочие станции или клиенты (такие, как ПК) должны обращаться к ресурсам сети через сервер(ы).

Сетевые архитектуры

Сетевые архитектуры разделяются по скорости передачи данных, среде передачи, вариантах реализации, топологии

Ethernet. 10Мбит/с.

• 10BaseT (Витая пара);
• 10Base2 (Тонкий коаксиал);
• 10Base5 (Толстый коаксиал);
• 10BaseFL (Оптоволокно) .

10Base2 или Тонкий Ethernet

10Base5

IEEE 10Base5 или "толстый" Ethernet - самый старый стандарт среди остальных. В настоящее время затруднительно найти в продаже новое оборудование для построения сети на этом стандарте. Основные его параметры:

10Base-T или Ethernet на витой паре

В 1990 году IEEE опубликовал спецификацию 802.3 для построения сети Ethernet на основе витой пары. l0BaseT (10 - скорость передачи 10 Мбит/с, Base - узкополосная, Т - витая пара) - сеть Ethernet, которая для соединения компьютеров обычно использует неэкранированную витую пару (UTP). Тем не менее и экранированная витая пара (STP) также может применяться в топологии lOBaseT без изменения каких-либо ее параметров. Большинство сетей этого типа строятся в виде звезды, но по системе передачи сигналов представляют собой шину, как и другие конфигурации Ethernet. Обычно концентратор сети lOBaseT выступает как многопортовый (multiport) репитер и часто располагается в распределительной стойке здания. Каждый компьютер подключается к другому концу кабеля, соединенного с концентратором, и использует две пары проводов: одну - для приема, другую - для передачи. Максимальная длина сегмента l0BaseT - 100 м (328 футов). Минимальная длина кабеля - 2,5 м (около 8 футов). Сеть l0BaseT может обслуживать до 1024 компьютеров.

10BaseFL

10BaseFL (10 - скорость передачи 10 Мбит/с, Base - узкополосная передача, FL - оптоволоконный кабель) представляет собой сеть Ethernet, в которой компьютеры и репитеры соединены оптоволоконным кабелем. Основная причина причина популярности 10BaseFL - возможность прокладывать кабель между репитерами на большие расстояния (например между зданиями). Максимальная длина сегмента 10BaseFL - 2000м.

Ethernet. 100Мбит/с.

Новые стандарты Ethernet позволяют преодолеть скорость передачи в 10 Мбит/с.Известны несколько стандартов Ethernet, которые могут удовлетворить возросшие требования, рассмотрим 2 из них:

• 100BaseVG-AnyLAN Ethernet;
• 100BaseX Ethernet(Fast Ethernet).

И Fast Ethernet, и 100 Base VG-Any LAN работают примерно в пять-десять раз быстрее, чем стандартный Ethernet. Кроме того, они совместимы с существующей кабельной системой 10BaseT. Это означает, что перейти от l0BaseT к этим стандартам достаточно просто и быстро.

100VG-AnyLAN

100VG (Voice Grade) AnyLAN - новая сетевая технология, которая сочетает в себе элементы Ethernet и Token Ring. Эта технология, разработанная фирмой Hewlett-Packard, в настоящее время совершенствуется стандартом IEEE 802.12. Спецификация 802.12 -стандарт передачи кадров Ethernet 802.3 и пакетов Token Ring 802.5. Эта технология имеет несколько названий:

• l00VG-AnyLAN;
• 100Base VG;
• AnyLAN.

Спецификации

Перечислим возможности некоторых из существующих в настоящее время спецификаций l00VG-AnyLAN:

• минимальная скорость передачи данных 100 Мбит/с;
• поддержка каскадируемой топологии «звезда» на основе витой пары категории 3, 4 или 5 и оптоволоконного кабеля;
• метод доступа по приоритету запроса (различаются два уровня приоритета: низкий и высокий);
• поддержка средств фильтрации персонально адресованных кадров в концентраторе (для повышения степени конфиденциальности);
• поддержка передачи кадров Ethernet и Token Ring.

Топология

Сеть 100VG-AnyLAN строится по топологии «звезда», где все компьютеры соединены с концентратором. Сеть можно расширять, добавляя «дочерние» (child) концентраторы к центральному, «родительскому» (parent), который относится к ним так же, как и к компьютерам, т.е. родительские концентраторы управляют передачей компьютеров, соединенных со своими «детьми».

Некоторые соображения

Представленная технология требует использования специальных концентраторов и плат. Кроме того, длина кабеля 100BaseVG, по сравнению с 10BaseT и другими реализациями Ethernet, ограничена: общая длина пары кабелей от концентратора 100BaseVG до компьютеров не может превышать 250 м. Чтобы преодолеть это ограничение, надо использовать специальное оборудование. Ограничения длины кабеля приведут к тому, что для 100BaseVG потребуется больше кабельных стоек, чем для 10BaseT.

100BaseX Ethernet

Этот стандарт, иногда называемый Fast Ethernet, является расширением существующего стандарта Ethernet. Он строится на UTP категории 5, использует метод доступа CSMA/CD и топологию «звезда-шина» (подобно 10BaseT), где все кабели подключены к концентратору.

Виды сетевых архитектур

Сетевая архитектура предоставляет более подробную информацию не только о физическом расположении, но и о спецификациях используемых кабелей, и о методе, посредством которого компьютеры и прочие устройства получают доступ к сети. Сетевые архитектуры определяются строгими спецификациями, предложенными Институтом электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronically Engineer - IEEE), международной организацией, распространяющей по всему миру спецификации в области электротехники и информационных технологий.

Архитектура Ethernet

Как многие компьютерные и сетевые технологии, которыми мы пользуемся, сетевая архитектура Ethernet разработана в научно-исследовательском центре Ра1о А1to Research Center (PARC) компании Xerox в 1972 г. Коммерческая версия Ethernet была выпущена в 1975 г. и обеспечивала скорость передачи данных на уровне 3 Мбит/с.

Ethernet получила всеобщее признание, и компании Xerox, Intel и Digital Equipment Corporation (DEC) объединили свои усилия, чтобы улучшить технические характеристики Ethernet и довести скорость передачи данных до 10 Мбит/с. Именно эта версия Ethernet обеспечивающая скорость передачи данных на уровне 10 Мбит/с, прошла стандартизацию в институте IEEE, и ей была присвоена спецификация 802.3.

Это самая популярная сетевая архитектура в мире. Давайте рассмотрим, как Ethernet управляет доступом компьютеров и прочих устройств к сети.

Рис. 4

Ethernet/Fast Ethernet

Существуют и более быстрые версии Ethernet - гораздо быстрее, чем оригинальная версия со скоростью передачи данных на уровне 10 Мбит/с. Технология Fast Ethernet получила свое название из-за более высокой скорости передачи данных. Fast Ethernet обеспечивает полосу пропускания 100 Мбит/с. Увеличение полосы пропускания связано с тем, что время, требуемое на передачу одного бита информации по сетевым носителям, уменьшено в 10 раз. То есть сеть Fast Ethernet в 10 раз быстрее, чем сеть Ethernet, и обеспечивает скорость передачи данных на уровне 100 Мбит/с.

Технология Fast Ethernet не может быть реализована, если сетевые карты и концентраторы рассчитаны на использование в сети Ethernet со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Однако многие современные концентраторы, коммутаторы и сетевые карты Ethernet: имеют переключатель 10/1001, то есть могут подстраиваться под обе версии.

Gigabit Ethernet

Еще более быстрой версией Ethernet! является Gigabit Ethernet, использующая те же спецификации IEEE и тот же формат данных, что и остальные версии Ethernet. Технология Gigabit Ethernet обеспечивает скорость передачи данных на уровне 1000 Мбит/с.

Если в локальных сетях Fast Ethernet могут применяться и витые пары, и оптоволоконные кабели, то архитектура Gigabit Ethernet изначально рассчитана на использование только оптоволоконных кабелей и требует высокоскоростных коммутаторов и специализированных серверов. Gigabit Ethernet задумывалась как высокоскоростная технология для крупных сетей.

Однако в настоящее время технология Gigabit Ethernet используется в локальных сетях, а сетевые карты, ее поддерживающие, могут устанавливаться в сетевых клиентах и серверах. Также в качестве носителей в сети Gigabit Ethernet могут использоваться кабели пятой категории (о кабелях речь пойдет дальше в этой же главе). Сейчас разрабатывается еще более быстрая версия Gigabit Ethernet - 10Gigabit Ethernet. Она также рассчитана как на оптоволоконные, так и на медные кабели.

Спецификация IEEE и кабели для технологии Ethernet

Институт IEEE разработал спецификации для многих сетевых технологий, включая Ethernet. Перечислим некоторые из этих спецификаций:

802.3 - локальная сеть Ethernet (CSMA/CD); 802.5 - локальная сеть Token-Ring;

802.7 - отчет технической консультативной группы (Technical Advisory Group) по широкополосным сетям;

802.8 - отчет технической консультативной группы по оптоволоконным сетям;

802.10 - сетевая безопасность;

802.11 - беспроводные сети.

Как вы видно, технологии Ethernet соответствует спецификация 802.3. Ethernet действует на уровне канала передачи данных концептуальной модели OSI. Количество существующих типов Ethernet зависит от разновидностей используемых в сети кабелей (более подробно различные кабели будут рассматриваться в разделе «Разновидности кабелей»).

Этим типам Ethernet, Fast E и Gigabit Ethernet присваиваются трех частные наименования, такие как 10Base-T Первая часть названия (10 или 100) отражает скорость передачи данных. Например, 10 означает, что полоса пропускания в сети Ethernet составляет 10 Мбит/с.

Вторая часть названия (Base - для всех типов Ethernet) означает, что в сети Ethernet используется узкополосная (Basebend) передача сигнала. То есть данные передаются по единственному каналу связи. При таком типе передачи сигнал не может поступать по нескольким каналам, как при широкополосной (broadband).

Последняя часть названия отражает используемый кабель. Например, в названии 10Base-Т, буква «Т» означает витую пару, а заодно указывает, что это неэкранированная витая пара (и даже свидетельствует о том, что в такой сети используется неэкранированная витая пара пятой категории). Теперь, когда мы разобрались с наименованиями, пора рассмотреть имеющиеся стандарты Ethernet и Fast Ethernet. Перечислим разновидности Ethernet

10Base-T. В такой сети Ethernet используется кабель «витая пара» (неэкранированная витая пара, UTP). Максимальная длина кабеля (без усиления сигнала) составляет 100 м. 10Base-Т использует топологию «звезда»;

10Base-2. В такой сети Ethernet используется достаточно гибкий коаксиальный кабель (RG-58А/U, который часто называют тонким кабелем) с максимальной длиной 185 м (цифра 2 означает 200 м - округленное значение максимальной длины). В сети 10Base-2 используется шинная топология, причем кабель подключается к сетевой плате компьютера посредством Т-коннектора (без концентратора). Хотя 10Base-2 всегда был самой дешевой реализацией Ethernet, в настоящее время повсеместное распространение получили сети 10Base-Т;

10Base-5. В такой сети Ethernet используется толстый коаксиальный кабель, а компьютеры подключены к основной магистрали. Кабели от сетевых компьютеров подсоединяются к главному магистральному кабелю посредством пронзающих ответвителей, которые и в самом деле прокалывают изоляцию магистрального кабеля (их еще называют «зубами вампира»). Сети 10Base-5 встречаются довольно редко, хотя одно время этот тип сетей Ethernet был популярен у производителей аппаратного обеспечения;

15.02.1997 Мирослав Макстеник

Требования к современным компьютерным сетям Примеры сетевых архитектур Методика оценки сетевых архитектур Корреляционный анализ Совместная обработка изображений Моделирование окружающей среды Построение сетей В связи с развитием компьютерных технологий разработка сетей усложнилась.

Рисунок 2.
Маршрутизируемая магистраль.

Недостатком такой сети является ее ограниченная масштабируемость. Кроме того, для поддержания в маршрутизируемой магистрали достаточно большой скорости передачи данных необходим очень производительный маршрутизатор. Эта архитектура не предусматривает никакой

иерархической структуры магистрали, поскольку сервер напрямую подключается к ней через 10 Мбит/с Ethernet. Такое подключение может создавать заторы, например когда большое число пользователей хочет получить доступ к совместно используемой базе данных.

FDDI-магистраль (рисунок 3) - это единый канал, связывающий FDDI-серверы с рабочими группами Ethernet через один или несколько маршрутизаторов среднего класса. Такая сеть может объединять компьютеры, расположенные в отдельном здании или небольшом университетском городке.

(1x1)

Рисунок 3.
FDDI-магистраль.

Простота управления протоколами и возможность установки защитного экрана на границе между рабочей группой и магистралью - основные достоинства такой архитектуры. Высокоскоростная магистраль обрабатывает общий поток информации и высокоскоростные операции сервер-сервер. Хорошая масштабируемость обеспечивается тем, что к FDDI-магистрали можно подключить много рабочих групп и маршрутизаторов, прежде чем будут полностью исчерпаны ресурсы этой архитектуры.

Однако изменение конфигурации сети приводит к появлению большого количества портов на маршрутизаторах, каждый со своим адресом подсети. Управление всеми устройствами и адресами - тяжелая работа, с которой может справиться только опытный администратор. Ретрансляция между маршрутизатором Ethernet и FDDI-сетью может снизить производительность программного обеспечения. Проблема усугубляется, если FDDI-магистраль необходимо сегментировать для передачи больших объемов информации.

Сеть с коммутацией кадров 10/100 (рисунок 4) строится на основе коммутаторов, каждый из которых имеет двенадцать 10 Мбит/с интерфейсов с концентраторами рабочих групп (или рабочими станциями) и два 100 Мбит/с интерфейса для связи с серверами. Такая архитектура может использоваться для обеспечения высокой производительности сети в рабочих группах или для создания магистрали.

(1х1)

Рисунок 4.
Сеть с коммутацией кадров 10/100.

Эта архитектура очень проста, что облегчает управление сетью. При этом "чистые" Ethernet-сети обычно работают по принципу plug-and-play. "Virtual LAN" позволяет создавать логические рабочие группы и устанавливать защитный экран. Высокая производительность сети обеспечивает хорошее время реакции клиент-серверного программного обеспечения при передаче информации между серверами и централизованными ресурсами.

К сожалению, продукты для такой архитектуры, поддерживающие сети Token Ring, появились только к концу 1995 г., поэтому их "развитие" несколько запоздало. Кроме того, способы объединения пользователей и устройств в логические группы с помощью коммутаторов не стандартизированы, и реализация этой возможности у различных производителей может различаться. Поэтому при создании сети очень важно правильно выбрать производителя продуктов для коммутации кадров.

ATM-коммутатор связывает ATM-серверы, адаптеры Adj Path и 150 Мбит/с ATM-каналы с коммутатором ячеек магистрали (рисунок 5). Адаптеры Adj Path обеспечивают 10 Мбит/с Ethernet-связи серверов с рабочими группами или отдельными компьютерами. Такая архитектура может использоваться для обеспечения высокой производительности в рабочих группах или создания магистралей в одном или нескольких зданиях.

(1х1)

Рисунок 5.
ATM и коммутацией кадров.

Созданная в соответствии с такой архитектурой высокоскоростная магистраль позволяет обрабатывать большое количество информации и эффективно осуществлять операции сервер-сервер. Отличная масштабируемость этой архитектуры позволяет создавать смешанную систему коммутаторов кадров или ячеек. Скорость отдельного интерфейса можно увеличить с помощью Fast Ethernet или более скоростных ATM-связей. "Virtual LAN" позволяет создавать рабочие группы управления, а серверы могут быть централизованы, хотя логически будут оставаться близко к пользователям, что упрощает администрирование сети.

ATM - сравнительно молодая технология, поэтому стандарты для нее еще не до конца сформированы. Следовательно, ATM-решения потребуют контактов с поставщиками оборудования.

Методика оценки сетевых архитектур

Сравнение сетей, построенных на основе описанных выше сетевых архитектур, производилось по скорости выполнения трех различных операций:

• классического обмена информацией между клиентом и сервером;
• совместной обработки изображений;
• математического моделирования.

Результаты сравнения обощаются на рисунках (они будут приведены в следующих разделах), где показаны зависимости времени реакции сети от количества обслуживаемых пользователей при выполнении каждой из указанных операций и предложены различные архитектуры сетей для их поддержания. Для построения зависимостей использовались данные, полученные в результате моделирования сетевых операций с помощью процесса планирования Traffic Mappingo фирмы NCRI. Эти данные не универсальны и предназначены только для сравнения средней относительной производительности разных сетевых архитектур. Скорости передачи информации в реальных сетях могут отличаться от указанных. Это зависит от конкретной реализации продукта, дизайна и настройки программного обеспечения, а также способов их применения.

При моделировании сетевых операций были приняты следующие важные допущения и ограничения.

Число пользователей, которые могут одновременно работать в сети с каждой конкретной архитектурой, определялось по следующей схеме.

1. Подсчитывалось количество пользователей в рабочей группе, которые могут одновременно запустить исследуемую операцию.

2. Определялся объем информации, который может сгенерировать одна рабочая группа.

3. Подсчитывалось количество рабочих групп, которые могут одновременно использовать ресурсы магистрали.

4. Число рабочих групп в магистрали умножалось на число пользователей в одной рабочей группе.

С помощью этой схемы можно достаточно точно оценить число пользователей, которых может обслужить каждая сетевая архитектура. Максимальное число пользователей означает, что производительность какой-либо части сети достигла своего предела. Следует отметить, что число пользователей указано для обычной, а не "расщепленной" сетевой архитектуры.

Итак, проведем сравнительный анализ характеристик описанных выше архитектур.

Корреляционный анализ

Для примера рассмотрим выполнение программы корреляционного анализа в реальной сети, работающей на целлюлозно-бумажной фабрике. Данная программа позволяет вместо ежедневного сбора данных о качестве продукции и их анализа (вручную) использовать операции типа "клиент-сервер". При этом предполагается, что будут сокращены потери и улучшено качество продукции более чем на 10%.

Контроль качества при производстве целлюлозы и бумаги могут выполнять одновременно 20 пользователей. Оператор или инженер получает необходимую информацию с серверов, расположенных в разных местах большой фабрики. В процессе работы осуществляется анализ качества продукции и эффективности ее изготовления, а затем подготавливаются статистические отчеты, которые сохраняются на локальном файл-сервере. Корреляционный анализ может потребовать выполнения следующих операций:

• передачи форм, триггеров и правил, используемых базой данных;
• установки удаленной связи;
• осуществления запроса на сервер и получения ответа с него;
• записи результатов статистического анализа.

Загрузка сети - умеренная. Большинство операций типа "клиент-сервер" выполняется между рабочей группой и магистралью, то есть между клиентами ЛВС и подключенным к магистрали сервером. Поскольку качество продукции контролируется в реальном времени, то информационный поток также зависит от времени. Поэтому для уменьшения количества ретрансляций необходима "плоская" сетевая архитектура. Максимальная нагрузка на сеть приходится на время пересменок, когда линия переключается на обслуживание новых продуктов, особых ситуаций на фабрике и проектов долговременного планирования.

На рисунке 6 показано, какое время реакции сети необходимо для завершения большой программой корреляционного анализа операции типа "клиент-сервер". И хотя время реакции является важным параметром (поскольку программа работает в производственной среде), в данном случае он не является критичным, т.к. сеть должна одновременно поддерживать только 20 пользователей. Нужно учесть, что для вычисления истинного времени реакции системы следует ко времени передачи данных по сети добавить время обработки запроса на сервере. Например, если сервер обрабатывает запрос за 30 с, то на одну операцию в FDDI-среде тратится примерно 50 с (19 с сетевого времени плюс 30 с работы сервера), а в ATM-сети - только 40 с.

(1x1)

Рисунок 6.
Характеристики цепей, обслуживающих программу корреляционного анализа.

За точку отсчета взята производительность в рабочей группе Ethernet. Один сегмент Ethernet обеспечивает лучшее время реакции из всех возможных вариантов, поскольку между клиентом и сервером нет посредников, кроме собственно CSMA/CD-связи по Ethernet. К одной Ethernet-линии можно подключить более 40 клиентов, поэтому логично ожидать, что сеть сможет обслуживать 20 пользователей одновременно. К сожалению, длина кабеля Ethernet ограничена, поэтому вряд ли удастся подключить все компьютеры целлюлозно-бумажной фабрики к одному сегменту Ethernet. Следовательно, в данном случае такое решение не подходит.

Время реакции в обеих коммутируемых архитектурах почти на 50% меньше, чем в традиционных FDDI-сетях с маршрутизацией или совместным доступом. Это достигается с помощью специализированных механизмов коммутации. Практически все разработчики согласны, что коммутаторы кадров будут обеспечивать меньшее время задержки, чем большинство мостов и маршрутизаторов, предлагаемых сегодня на рынке и используемых в корпоративных сетях. Более быстрые сети обеспечивают меньшее время реакции при выполнении клиент-серверных приложений.

Маршрутизируемая фрагментированная магистраль поддерживает более 50 пользователей - немногим больше, чем обычный сегмент Ethernet. Ограничивающим фактором является Ethernet-канал между маршрутизатором и сервером, который работает с той же скоростью, что и остальная сеть, - 10 Мбит/с. Естественно, что когда пользователи нескольких рабочих групп пытаются одновременно получить доступ к серверу, в этом канале образуется затор. К сожалению, даже самый быстрый маршрутизатор не способен предотвратить этот затор, поскольку передача информации в стандартной Ethernet-связи не может осуществляться быстрее, чем со скоростью10 Мбит/с. Разработчики сети могут устранить затор, добавив более скоростное подключение к серверу, например FDDI или 100 Мбит/с Ethernet. Это может ускорить выполнение корреляционного анализа, даже если его будет осуществлять гораздо большее число пользователей.

Использование коммутатора кадров 10/100 для выполнения программы корреляционного анализа позволяет избежать заторов на сервере, если установить на него коммутируемый 100 Мбит/с интерфейс. Поскольку в данной архитектуре к серверу может получить одновременный доступ большее количество пользователей из нескольких рабочих групп, то такая сеть обеспечивает поддержку 150 пользователей вместо 50. Кроме того, пользователи смогут оценить преимущества скоростной передачи, характерной для технологии коммутации.

Даже если 12 рабочих групп Ethernet одновременно получат доступ к магистральному серверу, выделенный серверный 100 Мбит/с Ethernet-интерфейс не будет переполнен. Каждый из двенадцати 10 Мбит/с Ethernet-портов насыщается запросами и ответами клиентов, отправляемыми на сервер. Единственный фактор, ограничивающий число обслуживаемых пользователей, - количество коммутируемых 10 Мбит/с портов, к которым подключаются рабочие группы. Как только портов для подключения рабочих групп не остается, архитектура исчерпывает свои возможности. Чтобы обеспечить большее число Ethernet-портов, нужно подключить несколько коммутаторов, и тогда количество одновременно работающих пользователей можно будет увеличить.

FDDI-решение обеспечивает высокоскоростную связь с серверами. В исследуемом случае это кольцо FDDI с совместным доступом, работающее со скоростью 100 Мбит/с. К FDDI-кольцу, в отличие от коммутатора кадров 10/100, можно подключать значительно больше рабочих групп, так как эта технология не имеет ограничений по количеству портов. Сетевые администраторы могут с помощью маршрутизатора, расположенного между Ethernet и FDDI, подключать рабочие группы к 100 Мбит/с кольцу, пока магистраль не будет полностью насыщена. Это решение позволяет обслуживать более 1300 пользователей.

К сожалению, время реакции FDDI выше, чем в коммутируемой архитектуре, и оно будет увеличиваться, если сегментировать магистраль после ее насыщения. Это объясняется тем, что в сегментированной FDDI-магистрали информация во время каждого запроса серверу должна проходить через два маршрутизатора.

ATM-решение обеспечивает отличное время реакции и обслуживает предельно большое количество пользователей. В сущности, ATM-решение поддерживает такое число пользователей, которое более чем в 400 раз превышает необходимое. Поэтому такая архитектура не является оптимальной.

Вероятно, лучшим выбором для работы данного программного обеспечения является либо коммутация кадров 10/100, либо FDDI. Эти решения поддерживают высокоскоростные линии и могут передавать данные по оптоволоконному кабелю для подключения пользователей на значительном расстоянии. Заметим, что FDDI является более "традиционной" технологией для производственной сети, а решение с коммутацией кадров 10/100 обеспечивает лучшую производительность и, скорее всего, является более экономически выгодным, поскольку не требует дополнительных затрат на FDDI-интерфейсы.

Совместная обработка изображений

Цель рассматриваемого в данном разделе проекта - автоматизация обработки, хранения и получения графических изображений. Автоматическая обработка изображений экономит более 20% рабочего времени. Возможная область применения такой системы - инженерно-строительная фирма, в которой необходимо упростить электронное хранение, обработку и получение разрабатываемых документов. Одновременно в сети могут работать до 300 пользователей.

При обработке изображений централизованная база данных служит депозитарием всех документов. Инженеры используют в сети электронную почту и программы совместной работы, а также запрашивают базы данных, чтобы определить, над каким проектом они должны работать. Система должна поддерживать следующие операции:

• загрузку файлов САПР из депозитария изображений;
• просмотр деталей изображения;
• обновление записей и файлов;
• проверку документов разработки;
• отправку файлов на центральный сервер для преобразования;
• запись обновленных файлов САПР на центральный сервер;
• просмотр "почтового ящика" пользователя для получения новых заданий.

Нагрузка на сеть в такой системе может быть различной - от умеренной до высокой (из-за частой передачи файлов САПР). Система, как это часто бывает с программным обеспечением для групповой работы, используется круглосуточно и ежедневно.

На рисунке 7 показано, какое сетевое время необходимо для записи оптического изображения в базу данных центрального сервера с помощью программы групповой обработки изображений. В этой системе время реакции сервера будет сильно зависеть от выбора эффективной сетевой технологии. Медленная передача данных может привести компанию к существенным финансовым издержкам. Например, для 300 инженеров разница в скорости передачи, составляющая всего две минуты, приводит к общей потере 80 рабочих часов в день. Если рабочее время инженера оценивается в 100 дол. /ч, то за год только из-за медленной работы сети компания может потерять 2 млн дол.

(1х1)

Рисунок 7.
Характеристики цепей, используемых для программ групповой обработки изображений.

Ethernet-сегмент, естественно, имеет отличное время реакции, но, как и в примере с корреляционным анализом, он не может объединить 300 инженерных рабочих станций, серверы и соответствующее периферийное оборудование.

Маршрутизируемая фрагментированная магистраль может поддерживать несколько сегментов и, соответственно, значительно больше пользователей, чем просто Ethernet-сеть, но она не обладает пропускной способностью, необходимой для обработки больших объемов чувствительной к задержкам информации между рабочими группами и "магистральным" сегментом Ethernet. Маршрутизатор просто не справится с огромным потоком информации, прежде чем интерфейсы будут насыщены. Маршрутизаторы среднего класса, разработанные за последние несколько лет, не предназначены для обеспечения производственного процесса с интенсивным использованием сети. Ни наличие единого сегмента, ни маршрутизируемая магистраль не способны поддерживать требуемое количество пользователей и не могут служить решением для данной системы.

Сеть с коммутацией кадров 10/100 обеспечивает скорость передачи данных, аналогичную скорости в архитектуре Ethernet-сегмента. При этом к серверам может получить одновременный доступ необходимое количество пользователей, т.е. 300. К сожалению, такое число подключений - предел этой технологии, и поэтому в ней сложно работать с другими программами. Как и в случае с программой корреляционного анализа, число портов ограничивает количество обслуживаемых пользователей. Однако, в отличие от технологии маршрутизации, коммутация кадров 10/100 была разработана для обеспечения передачи сообщений на максимальной для всех каналов скорости, причем использование самого механизма коммутации не приводит к возникновению затора.

Концепция кластеризации базы данных предполагает, что централизованные данные распределяются по нескольким более мелким серверам, расположенным в местах наибольшей концентрации пользователей. Благодаря приближению сервера к рабочим группам на уровне предприятия уменьшаются время реакции и количество передаваемой по сети информации. Используя такую архитектуру, необходимо разрабатывать сети и программы одновременно.

Проектировщик сети, если он хочет добиться отличного времени реакции, характерного для технологии коммутации кадров 10/100, может прийти к решению разделить пользователей на сетевые кластеры, каждый со своим собственным "централизованным" сервером (рисунок 8). И хотя кластеризация является популярной технологией в архитектурах с коммутацией кадров, процесс ее проектирования достаточно сложен. Чтобы создать кластеры, необходимо распределить базу данных по трем или четырем серверам, а затем подключить пользователей и серверы к высокоскоростному коммутатору. Для проектирования кластеров необходимо правильно сбалансировать потоки информации между серверами и рабочими группами, а также разработать схемы репликации баз данных. Это требует тесного сотрудничества между разработчиками программного обеспечения и сетей.

(1х1)

Рисунок 8.
Использование кластерной архитектуры.

FDDI и ATM обслуживают необходимое количество пользователей. Сеть FDDI поддерживает примерно 700 пользователей, но ее время реакции сравнительно велико. FDDI-сеть требует для завершения любой операции по передаче файлов на 20 с больше, чем коммутатор кадров 10/100 или ATM-коммутатор. Однако для указанной компании 20 смогут привести к ежегодным потерям в 327 тыс. дол. Для сравнения, при использовании технологии ATM можно окупить затраты на ее внедрение за год.

Моделирование окружающей среды

Цель проекта - перевод программного обеспечения для моделирования окружающей среды с суперкомпьютера на стандартную клиент-серверную систему. Предполагаемая экономия - более 1 млн дол. в год (он затрачивается на эксплуатацию суперкомпьютера). Эта задача поставлена перед специалистами по сетям из консультационной фирмы, занимающейся вопросами защиты окружающей среды. В клиент-серверной системе предполагается запускать программы для моделирования атмосферы, обслуживающие одновременно 180 пользователей. Программы предназначены для анализа загрязнений окружающей среды от дымовых труб, заводских сбросов воды, выхлопов автомобилей и так далее. Программы должны выполнять следующие операции:

• создание модели среды, установку имитационных параметров;
• конфигурацию файлов ввода данных о топографии и атмосфере;
• запуск программы моделирования;
• загрузку дополнительных файлов;
• обмен рабочими файлами;
• запись выходных файлов моделирования;
• запись имитационных результатов на файл-сервер рабочей группы;
• просмотр результатов.

Сеть используется очень напряженно. Необходимо загружать на серверы файлы для математического моделирования объемом до 60 Мбайт. Напряженный поток информации между серверами служит для обмена рабочими файлами (примерно 1000 раз за время обработки одной модели). Компания предполагает, что эта компьютерная система будет выполнять вычисления 99% времени, используя сеть для передачи данных 1% времени. Система должна обеспечить высокую производительность работы. Вычисления выполняются круглосуточно, не менее 360 дней в году.

На рисунке 9 показана относительная производительность пяти сетевых архитектур и их способность поддерживать приложение моделирования окружающей среды. Координаты по оси Y показывают время, необходимое для выполнения 1000 обменов рабочими файлами между двумя центральными серверами. Этот обмен файлами происходит при любом математическом моделировании. Чтобы перенести эту программу с суперкомпьютера в клиент-серверную среду, необходима очень высокая производительность сети и вычислений.

Рисунок 9.
Возможности сетевых архитектур при выполнении программ моделирования окружающей среды.

В Ethernet-сегменте, даже отделенном от рабочих групп защитным экраном, передается слишком большой объем информации. Сегмент может поддерживать всего трех пользователей. Примерно то же можно сказать и о сети Ethernet и маршрутизируемой фрагментированной магистрали. В обеих архитектурах используются Ethernet-магистрали, и в результате они поддерживают одинаковое количество пользователей. Обе архитектуры также имеют одинаковое время реакции. При выполнении описанных выше операций сервер-сервер не используется маршрутизатор даже в архитектуре маршрутизирумой магистрали, поскольку оба сервера находятся в одном и том же сегменте Ethernet.

FDDI-сеть в данном случае может поддерживать примерно 110 пользователей, что значительно меньше необходимого числа. Если использовать кластеризацию, которая подробно обсуждалась в предыдущем разделе, то можно добиться требуемых результатов. FDDI-кластеры, однако, будут менее эффективны, чем кластеры с коммутацией кадров 10/100, поскольку каждый кластер потребовал бы для связи кольца FDDI с рабочими группами одного или нескольких маршрутизаторов.

Время реакции FDDI-сети в операциях сервер-сервер великолепно. Транзакция имеет место в одном FDDI-кольце, поэтому никакой ретрансляции на маршрутизаторе нет. В результате FDDI-кольцо обеспечивает лучшее время реакции, чем решение с коммутацией кадров 10/100 или АТМ. Хотя FDDI отлично подходит для такой чисто магистральной работы, при осуществлении операций клиент-магистраль эта технология работает в четыре раза медленнее, чем коммутация кадров 10/100 или ATM.

Решение с коммутацией кадров поддерживает более 150 пользователей, и это больше, чем при использовании FDDI. Этому есть объяснение: пока FDDI использует только одно кольцо совместного доступа, коммутатор кадров 10/100 предлагает каждому из магистральных серверов свой коммутируемый 100 Мбит/с интерфейс. Это позволяет коммутатору достаточно быстро перемещать данные с сервера на сервер. Однако лишь немногие разработчики сетей предложили бы использовать коммутатор кадров 10/100 вместо FDDI, хотя коммутация - лучшее решение. Как уже было сказано, коммутация кадров не поддерживает требуемых 180 пользователей. Поэтому остается всего два варианта: либо создавать кластеры из коммутаторов 10/100, либо переходить на ATM.

Только ATM-архитектура обеспечивает поддержку необходимого числа пользователей. Позволяя создавать коммутируемую сеть, она демонстрирует отличное время реакции и для операций клиент-магистраль, и для операций, полностью происходящих в магистрали.

Построение сетей

Исследование различных архитектур и возможностей их применения выявило ряд важных проблем. Дизайнеры сетей, которые используют только интуицию и прошлый опыт, могут оказаться в трудном положении. "Искусство" сетевой разработки должно преобразиться в науку. Если принимать решения без тщательного учета свойств программного обеспечения, которое будет использоваться в сети, то это может привести к плохому исполнению проекта.

Тот факт, что Ethernet с коммутацией кадров 10/100 поддерживает больше пользователей при моделировании окружающей среды, чем магистральная FDDI-сеть, может вызвать удивление у многих разработчиков сетей. При разработке сети для такого программного обеспечения "интуиция" наверняка привела бы к разработке FDDI-сети - то есть к более дорогостоящему решению. При этом сеть могла бы обслуживаь меньшее число пользователей. При использовании программ групповой обработки изображений сети с коммутацией кадров или ATM могли бы сэкономить компании 300 тыс. дол. в год, обеспечивая лучшее время реакции и большую продуктивность работы команды инженеров.

В современных условиях для правильной разработки сети и ее обслуживания администраторы должны научиться решать следующие проблемы.

Прежде чем появились технологии коммутации кадров и ячеек, было отмечено несколько этапов увеличения сетевой производительности. Сегменты Ethernet и Token Ring подключались к маршрутизаторам. Сети Token Ring, для которых требовалась большая производительность, имели пропускную способность кольца до 16 Мбит/с. Затем предприятия развернули FDDI-магистрали для передачи информации между рабочими группами.

Сегодня в некоторых вычислительных системах коммутаторы Ethernet с 10 Мбит/с портами дополняют или заменяют маршрутизаторы, а коммутаторы кадров 10/100 конкурируют с FDDI. Как показывают приведенные в статье примеры, коммутация кадров в среднем обеспечивает гораздо лучшее время реакции и поддерживает большее количество пользователей по сравнению с маршрутизируемыми сетями и FDDI-магистралью. Коммутаторы можно установить в кластерной конфигурации, что обеспечивает высокоскоростное взаимодействие с серверами или магистралью на уровне предприятия. С помощью коммутации можно создавать более масштабируемые и управляемые сети.

Архитектура сетей сейчас изменяется, поэтому маршрутизаторы больше не стоят на пути между клиентом и сервером. Большинство из них не было предназначено для поддержки операций клиент-сервер с низким временем задержки и высокой производительностью. Теперь маршрутизаторы возвращаются к своей первоначальной роли - обеспечению связи между разнородными сетями (например, Ethernet и Token Ring) и межсетевой защиты.

Хотя FDDI по-прежнему остается главной составляющей в больших магистральных сетях, коммутация ячеек в ATM начала вытеснять FDDI как более эффективная магистральная технология. Возможно, к концу десятилетия технология АТМ получит широкое распространение.

Наконец, технология коммутации кадров и ячеек позволяет изменить соотношение цены и производительности. Ее использование уменьшает расходы на эксплуатацию сети. Часто затраты на создание сетей оцениваются по стоимости на один порт. Раньше, когда обеспечение связи и взаимодействия было главной целью сети, такой способ оценки затрат был оправдан, но теперь он устарел. Сегодня основная задача разработки сетей заключается не в обеспечении связи, а в перемещении больших объемов данных, необходимом для распределенных вычислений. Поэтому новый принцип определения стоимости сети должен отражать ее способность пересылать данные. Стоимость порта не играет роли, так как не позволяет оценить производительность, которую обеспечивает ЛВС. При использовании более современного способа оценки учитываются затраты на переданный мегабит и скорость передачи данных по сети. В технологии коммутации каждый компьютер получает канал с известной скоростью передачи данных. Если оценивать коммутацию в соответствии с новыми принципами, то она является более экономичной, чем традиционные ЛВС совместного доступа. Коммутация обеспечивает высокую производительность, отличное время реакции и позволяет разработчикам сетей делать их более управляемыми - три качества, которые имеют принципиальное значение для современных и будущих сетей.

Под архитектурой подразумевается организация взаимодействия между узлами сети. В стандартной классификации выделяют три разновидности архитектуры. Им соответствуют основные разновидности ЛВС. Под архитектурой понимают организацию взаимодействия между узлами сети. Выделяют три основных архитектуры, которым соответствуют основные виды ЛВС.

Тип архитектуры - шина

Специфика этого типа архитектуры заключается в том, что каждый из узлов ЛВС передает данные в общую магистраль. В связи с этим доступ к информации в магистрали может иметь любой узел сети.

Тип архитектуры - звезда

Специфика заключается в том, что каждому из узлов ЛВС выделяется отдельный канал для связи с центральным узлом сети. От узла информация идет к серверу, который может публиковать ее для других узлов.

Тип архитектуры - кольцо

Специфика заключается в том, что соединение узлов сети происходит последовательно. Обмен данными может происходить исключительно между узлами, которые располагаются рядом. При необходимости обмена данными с другими узлами ЛВС, они могут быть переданы транзитом.

Каналы передачи данных

Если раньше использовались только проводные локальные вычислительные сети, то сейчас во многих случаях популярностью пользуются беспроводные. В настоящее время различают следующие виды ЛВС:

проводные кабельные ЛВС

оптоволоконные кабельные ЛВС

беспроводные ЛВС

Обычно ЛВС строят на базе среды передачи данных СКС здания . При проектировании ЛВС любого типа следует учитывать требования надежности и безопасности. Как правило, для обеспечения безопасности, предусматривается наличие одной точки авторизации для всех приложений и ресурсов локальной сети. Беспроводная сеть используется там, где применение традиционной ЛВС с наличием проводов является невозможным или невыгодным.

2.1. Общие моменты при организации ЛВС

Компьютер, подключенный к сети, называется рабочей станцией (Workstation), компьютер, предоставляющий свои ресурсы - сервером, компьютер, имеющий доступ к совместно используемым ресурсам - клиентом.

Несколько компьютеров, расположенных в одном помещении или функционально выполняющих однотипную работу: бухгалтерский или плановый учет, регистрацию поступающей продукции и т.п., подключают друг к другу и объединяют в рабочую группу с тем, чтобы они могли совместно использовать различные ресурсы: программы, документы, принтеры, факс и т.п.

Рабочая группа организуется так, чтобы входящие в нее компьютеры содержали все ресурсы, необходимые для нормальной работы. Как правило, в рабочую группу, объединяющую более 10 - 15 компьютеров, включают выделенный сервер - достаточно мощный компьютер, на котором располагаются все совместно используемые каталоги и специальное программное обеспечение для управления доступом ко всей сети или ее части.

Группы серверов объединяют в домены. Пользователь домена может зарегистрироваться в сети на любой рабочей станции в этом домене и получить доступ ко всем его ресурсам. Обычно в серверных сетях все совместно используемые принтеры подключены к серверам печати.

С точки зрения организации взаимодействия компьютеров, сети делят на одноранговые (Peer-to-Peer Network) и с выделенным сервером (Dedicated Server Network). В одноранговой сети каждый компьютер выполняет равноправную роль. Однако увеличение количества компьютеров в сети и рост объема пересылаемых данных приводит к тому, что пропускная способность сети становится узким местом.

Широко распространенная операционная система Windows 95 (98), разработанная компанией Microsoft, рассчитана в первую очередь на работу в одноранговых сетях, для поддержки работы компьютера в качестве клиента других сетей.

Windows 95, как и Windows для рабочих групп, может выполнять функции сервера в сети. Обеспечена совместимость со старыми сетевыми драйверами MS-DOS и Windows З.х. Новая операционная система позволяет:

Совместно использовать жесткие диски, принтеры, факс-платы, организовывать одноранговые локальные вычислительные сети (ЛВС);

Использовать удаленный доступ и превратить офисный компьютер в вызываемый сервер;

Поддерживать 16-разрядные сетевые драйвера DOS.

Администратор сети может задавать общий дизайн настольной системы, определять, какие операции будут доступны для пользователей сети, и контролировать конфигурацию настольной системы.

Сеть, расположенная на сравнительно небольшой территории, называется локальной (LAN - Local Area Network). В последние годы происходит усложнение структуры ЛВС за счет создания гетерогенных сетей, объединяющих разные компьютерные платформы. Возможность проведения видеоконференций и использования мультимедиа увеличивают требования к программному обеспечению сетей. Современные серверы могут хранить большие двоичные объекты (BLOB), содержащие текстовые, графические, аудио и видеофайлы. В частности, если вам надо получить по сети базу данных отдела кадров, то технология BLOB позволит передать не только анкетные данные: фамилию, имя, отчество, год рождения, но и портреты в цифровой форме.

Две технологии использования сервера

Различают две технологии использования сервера: технологию файл-сервера и архитектуру клиент-сервер. В первой модели используется файловый сервер, на котором хранится большинство программ и данных. По требованию пользователя ему пересылаются необходимая программа и данные. Обработка информации выполняется на рабочей станции.

В системах с архитектурой клиент-сервер обмен данными осуществляется между приложением-клиентом (front-end) и приложением-сервером (back-end). Хранение данных и их обработка производится на мощном сервере, который выполняет также контроль за доступом к ресурсам и данным. Рабочая станция получает только результаты запроса. Разработчики приложений по обработке информации обычно используют эту технологию.

Использование больших по объему и сложных приложений привело к развитию многоуровневой, в первую очередь трехуровневой архитектуры с размещением данных на отдельном сервере базы данных (БД). Все обращения к базе данных идут через сервер приложений, где они объединяются. Сокращение количества обращений к БД уменьшает лицензионные отчисления за СУБД.

6. Топология – это конфигурация соединения элементов в сеть. Топология во многом определяет такие важнейшие характеристики сети, как ее надежность, производительность, стоимость, защищенность и т.д.

Одним из подходов к классификации топологий ЛВС является выделение двух основных классов топологий:широковещательных и последовательных.

В широковещательных конфигурациях каждый персональный компьютер передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными компьютерами. К таким конфигурациям относятся топологии «общая шина», «дерево», «звезда с пассивным центром». Сеть типа «звезда с пассивным центром» можно рассматривать как разновидность «дерева», имеющего корень с ответвлением к каждому подключенному устройству.

В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одному персональному компьютеру. Примерами последовательных конфигураций являются: произвольная (произвольное соединение компьютеров), иерархическая, «кольцо», «цепочка», «звезда с интеллектуальным центром», «снежинка» и др.

Коротко рассмотрим три наиболее широко распространенные (базовые) топологии ЛВС: «звезда», «общая шина» и «кольцо».

В случаетопологии «звезда» каждый компьютер через специальный сетевой адаптер подключается отдельным кабелем к центральному узлу. Центральным узлом служит пассивный соединитель или активный повторитель.

Недостатком такой топологии является низкая надежность, так как выход из строя центрального узла приводит к остановке всей сети, а также обычно большая протяженность кабелей (это зависит от реального размещения компьютеров). Иногда для повышения надежности в центральном узле ставят специальное реле, позволяющее отключать вышедшие из строя кабельные лучи.

Топология «общая шина» предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры. Информация по нему передается компьютерами поочередно.

Достоинством такой топологии является, как правило, меньшая протяженность кабеля, а также более высокая надежность чем у «звезды», так как выход из строя отдельной станции не нарушает работоспособности сети в целом. Недостатки состоят в том, что обрыв основного кабеля приводит к неработоспособности всей сети, а также слабая защищенность информации в системе на физическом уровне, так как сообщения, посылаемые одним компьютером другому, в принципе, могут быть приняты и на любом другом компьютере.

Прикольцевой топологии данные передаются от одного компьютера другому по эстафете. Если некоторый компьютер получает данные, предназначенные не ему, он передает их дальше по кольцу. Адресат предназначенные ему данные никуда не передает.

Достоинством кольцевой топологии является более высокая надежность системы при разрывах кабелей, чем в случае топологии с общей шиной, так как к каждому компьютеру есть два пути доступа. К недостаткам топологии следует отнести большую протяженность кабеля, невысокое быстродействие по сравнению со «звездой» (но соизмеримое с «общей шиной»), а также слабую защищенность информации, как и при топологии с общей шиной.

Топология реальной ЛВС может в точности повторять одну из приведенных выше или включать их комбинацию. Структура сети в общем случае определяется следующими факторами: количеством объединяемых компьютеров, требованиями по надежности и оперативности передачи информации, экономическими соображениями и т. д.