Иерархия компьютерных сетей

Компьютерная сеть Internet является наиболее популярной глобальной сетью. В ее состав входит множество свободно соединенных сетей. Внутри каждой сети, входящей в Internet, существуют конкретная структура связи и определенная дисциплина управления. Внутри Internet структура и методы соединений между раз­личными сетями для конкретного пользователя не имеют никакого значения.

Персональные компьютеры, ставшие в настоящее время непременным элементом любой системы управления, привели к буму в области создания локальных вычислитель­ных сетей. Это, в свою очередь, вызвало необходимость в разработке новых информацион­ных технологий.

Практика применения персональных компьютеров в различных отраслях науки, техники и производства показала, что наибольшую эффективность от внедрения вычис­лительной техники обеспечивают не отдельные автономные ПК, а локальные вычисли­тельные сети.

6. Глобальные сети

А вот потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом рас­стоянии друг от друга, к этому времени вполне назрела. Началось все с решения более простой задачи — доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компью­терами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли мно­гочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер. Компьютеры по­лучили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что, соб­ственно, и является базовым механизмом любой вычислительной сети. На осно­ве этого механизма в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь тради­ционными сетевые службы.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные сети (Wide Area Networks, WAN), то есть сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно находящиеся в различных городах и странах. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных сетей. Такие, напри­мер, как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, техноло­гия коммутации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях.

Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от других, гораздо более старых и распространенных глобальных сетей — телефонных. Главным ре­зультатом создания первых глобальных компьютерных сетей был отказ от прин­ципа коммутации каналов, на протяжении многих десятков лет успешно исполь­зовавшегося в телефонных сетях.

Выделяемый на все время сеанса связи составной канал с постоянной скоростью не мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком компьютерных дан­ных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с продолжительными паузами. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и в значительной степени не чувствительный к задержкам компьютерный трафик гораздо эффективней передается сетями, использующи­ми принцип коммутации пакетов, когда данные разделяются на небольшие пор­ции — пакеты, — которые самостоятельно перемещаются по сети за счет встраи­вания адреса конечного узла в заголовок пакета.

6.1 Интернет

Интернет (перевести этот термин можно как «всемирная сеть») — сравнительно молодая технология. Ее предшественницей была военная сеть Министерства обо­роны США ARPANet, начавшая функционировать в начале 70-х годов.

Хотя технология, применявшаяся в ARPANet, и послужила основой Интернет, она не обеспечивала главного достоинства Интернет — всеобщей доступности. Этот недостаток исправила появившаяся в начале 80-х годов компьютерная сеть Национального Научного Фонда США NSFNet. NSFNet состояла из нескольких суперкомпьютеров, соединенных между собой высокоскоростными линиями свя­зи. Каждый пользователь (поначалу ими были научные центры) подключался к ближайшему из этих компьютеров и таким образом получал полноценный доступ ко всем ресурсам сети.

Сети, подобные NSFNet, были созданы и в других странах. Все они быстро разви­вались и в конце 80-х были соединены между собой. Так в начале 90-х годов и поя­вилась знакомая теперь всем глобальная сеть Интернет.

Если говорить о России, то развитие Интернет началось в середине 90-х и в на­стоящий момент оно идет довольно быстрыми темпами. И в России, и во всем ос­тальном мире Интернет является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности (да, именно промышленности!) и привлекает при­стальное внимание инвесторов, крупных и мелких фирм.

Структура Internet.

Интернет — динамично развивающаяся структура, не принадлежащая никако­му частному лицу или фирме. Ее использованием и дальнейшим развитием зани­маются тысячи различных организаций. Тем не менее в Интернет поддерживает­ся определенный порядок, и сеть развивается в соответствии с определенными правилами.

Интернет представляет собой глобальную компьютерную сеть. Само её название означает «между сетей». Это сеть, соединяющая отдельные сети.

Логическая структура Интернет представляет собой некое виртуальное объединение, имеющее своё собственное информационное пространства.

Интернет обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, которые входят в сети, подключённые к ней. Тип компьютера и используемая им операционная система не имеют. Соединение сетей обладает громадными возможностями. С собственного компьютера любой абонент internet может передавать сообщения в другой город, просматривать каталог библиотеки конгресса в Вашингтоне, знакомиться с картинками на последней выставке в музее Метрополитен в Нью-Йорке, участвовать в конференции IEEE и даже в играх с абонентами сети из разных стран. Internet предоставляет в распоряжение своих пользователей множество всевозможных ресурсов.

Основные ячейки internet – локальные вычислительные сети. Это означает, что internet не просто устанавливает связь между отдельными компьютерами, а создаёт пути соединения для более крупных единиц – групп компьютеров. Если некоторая локальная сеть непосредственно  подключена к internet, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к internet. Существуют также компьютеры, самостоятельно подключённые к internet. Они называются хост-компьютерами (host-хозяин). Каждый подключённый к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.

Схема подключения локальной сети к internet приведена на рисунке:

 SHAPE  * MERGEFORMAT

Подключение локальной сети к internet

Важной особенностью internet является то, что она, объединяя различные сети, не создаёт при этом никакой иерархии – все компьютеры, подключённые к сети, равноправны. Для иллюстраций возможностей структуры некоторого участка сети internet приведена схема соединения различных сетей. (6.26)

 SHAPE  * MERGEFORMAT

Подключение различных сетей к internet.

7. Локальные сети

Локальные сети (Local Area Networks, LAN) — это объединение компьютеров, со­средоточенных на небольшой территории, обычно в радиусе не более 1-2 км, хотя в отдельных случаях локальная сеть может иметь и более протяженные раз­меры, например в несколько десятков километров. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.

На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались не­стандартные программно-аппаратные средства. Разнообразные устройства со­пряжения, использующие свой собственный способ представления данных на линиях связи, свои типы кабелей и т. п., могли соединять только те конкретные модели компьютеров, для которых были разработаны, например, мини-компью­теры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или компьютеры «Наири» с компьютера­ми «Днепр». Такая ситуация создала большой простор для творчества студен­тов — названия многих курсовых и дипломных проектов начинались тогда со слов «Устройство сопряжения...».

 SHAPE  * MERGEFORMAT

Различные типы связей в первых локальных сетях

В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально ме­няться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть -Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже — FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. Эти массо­вые продукты явились идеальными элементами для построения сетей — с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой — явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих периферий­ных устройств и дисковых массивов. Поэтому персональные компьютеры стали преобладать в локальных сетях, причем не только в качестве клиентских компь­ютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.

Все стандартные технологии локальных сетей опирались на тот же принцип ком­мутации, который был с успехом опробован и доказал свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных сетях — принцип комму­тации пакетов.

Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например Novell NetWare. После этого сеть начинала работать и последующее присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем — естественно, если на нем был установлен сетевой адаптер той же технологии.

Разработчики локальных сетей привнесли много нового в организацию работы пользователей. Так, намного проще и удобнее стало получать доступ к совместно используемым сетевым ресурсам — в отличие от глобальной в локальной сети пользователь освобождается от запоминания сложных идентификаторов разде­ляемых ресурсов. Для этих целей система предоставляет ему список ресурсов в удобной для восприятия форме, например в виде древовидной графической струк­туры («дерева» ресурсов). Еще один прием, рационализирующий работу пользо­вателя в локальной сети, состоит в том, что после соединения с удаленным ре­сурсом пользователь получает возможность обращаться к нему с помощью тех же команд, которые он использовал при работе с локальными ресурсами. По­следствием и одновременно движущей силой такого прогресса стало появление огромного числа непрофессиональных пользователей, освобожденных от необ­ходимости изучать специальные (и достаточно сложные) команды для сетевой работы.

Может возникнуть вопрос — почему все эти удобства пользователи получили только с приходом локальных сетей? Главным образом, это связано с использо­ванием в локальных сетях качественных кабельных линий связи, на которых даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи дан­ных до 10 Мбит/с. При небольшой протяженности, свойственной локальным се­тям, стоимость таких линий связи была вполне приемлемой. Поэтому экономное расходование пропускной способности каналов, которое было одной из главных целей технологий ранних глобальных сетей, никогда не выходило на первый план при разработке протоколов локальных сетей. В таких условиях основным механизмом прозрачного доступа к сетевым ресурсам локальных сетей стали пе­риодические широковещательные объявления серверов о своих ресурсах и услу­гах. На основании таких объявлений клиентские компьютеры составляли спи­ски имеющихся в сети ресурсов и предоставляли их пользователю.

Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей — семейст­во Ethernet, в которое вошли классическая технология Ethernet 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с. Простые алго­ритмы работы предопределили низкую стоимость оборудования Ethernet. Ши­рокий диапазон иерархии скоростей позволяет рационально строить локальную сеть, применяя ту технологию семейства, которая в наибольшей степени отвеча­ет задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также, что все технологии Ethernet очень близки друг к другу по принципам работы, что упро­щает обслуживание и интеграцию этих сетей.

7.1. Ethernet

Ethernet — это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локаль­ных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в на­стоящее время, оценивается в несколько миллионов.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались раз­личные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коак­сиального кабеля. Эту последнюю версию фирменного стандарта Ethernet назы­вают стандартом Ethernet DIX, или Ethernet П.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, кото­рый во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые разли­чия все же имеются. В то время как в стандарте IEEE 802.3 функции протоко­ла разделены на уровни MAC и LLC, в оригинальном стандарте Ethernet они объединены в единый канальный уровень. В Ethernet DIX определяется про­токол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), ко­торый отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают. Часто для того, чтобы отличить стандарт Ethernet, определенный IEEE, и фир­менный стандарт Ethernet DIX, первый называют технологией 802.3, а за фирменным стандартом оставляют название Ethernet без дополнительных обозначений.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, lOBase-FB.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 — разделом 802.3и. Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код. В более скоростных версиях Ethernet приме­няются более эффективные в отношении полосы пропускания избыточные логи­ческие коды.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных — метод CSMA/CD.

Рассмотрим, каким образом описанные выше общие подходы к решению наибо­лее важных проблем построения сетей воплощены в наиболее популярной сете­вой технологии — Ethernet.

Сетевая технология — это согласованный набор стандартных протоколов и реа­лизующих их программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети. Эпитет «достаточный» подчеркивает то обстоятельство, что этот набор представляет собой минимальный набор средств, с помощью которых можно по­строить работоспособную сеть. Возможно, эту сеть можно улучшить, например, за счет выделения в ней подсетей, что сразу потребует кроме протоколов стан­дарта Ethernet применения протокола IP, а также специальных коммуникацион­ных устройств — маршрутизаторов. Улучшенная сеть будет, скорее всего, более надежной и быстродействующей, но за счет надстроек над средствами техноло­гии Ethernet, которая составляет базис сети.

Термин «сетевая технология» чаще всего используется в описанном выше узком смысле, но иногда применяется и его расширенное толкование как любого набо­ра средств и правил для построения сети, например «технология сквозной мар­шрутизации», «технология создания защищенного канала», «технология IP-сетей».

Протоколы, на основе которых строится сеть определенной технологии (в узком смысле), специально разрабатывались для совместной работы, поэтому от разра­ботчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимо­действия. Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду то, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сете­вых технологий могут служить наряду с Ethernet такие известные технологии локальных сетей, как Token Ring и FDDI, или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получения работоспособной сети в этом случае дос­таточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии — сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммута­торы, кабельную систему и т. п., — и соединить их в соответствии с требования­ми стандарта на данную технологию.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, — случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использо­ваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного досту­па к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Ком­пьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структу­рой «общая шина». С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами -- сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет уни­кальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта вели­чина является пропускной способностью сети Ethernet.

 SHAPE  * MERGEFORMAT

Сеть Ethernet

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. По­этому важной частью технологии Ethernet является процедура определения дос­тупности среды.

После того как компьютер убеждается, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывает» среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр — это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду пере­дачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр поме­щается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адре­сат получает предназначенные ему данные.

Иногда может возникать ситуация, когда одновременно два или более компью­тера решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая си­туация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обра­ботки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивно­сти сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими по­пулярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, на­пример Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия допол­нительного устройства — концентратора.

Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы досту­па к среде, адресации и передачи данных. Простая логика работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.

И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хо­рошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов.

Другие базовые сетевые технологии - Token Ring, FDDI, — хотя и обладают многими индивидуальными чертами, в то же время имеют много общих свойств с Ethernet. В первую очередь — это применение регулярных фиксированных то­пологий (иерархическая звезда и кольцо), а также разделяемых сред передачи данных. Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особен­ностями используемого метода доступа к разделяемой среде. Так, отличия тех­нологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются специфи­кой заложенных в них методов разделения среды - случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путем передачи маркера в Token Ring.

8. Техническое обеспечение должно включать:

o    системы мониторинга на базе электронных систем связи;

o    системы диагностики аварийных ситуаций и их предвестников;

o    технические средства, обеспечивающие организацию локальных сетей и телекоммуникационного взаимодействия; электронно-вычислительную технику;

o    реальные и потенциальные силы и средства по предупреждению и ликвидации аварийных и чрезвычайных ситуаций.

8.1. Связь компьютера с периферийными устройствами

Механизмы взаимодействия компьютеров в сети многое позаимствовали у схе­мы взаимодействия компьютера с периферийными устройствами, поэтому нач­нем рассмотрение принципов работы сети с этого «досетевого» случая. Соедине­ние компьютера с периферийным устройством чаще всего представляет собой связь «точка-точка».

Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством (ПУ) в компьютере предусмотрен внешний интерфейс, или порт (рис. 2.1), то есть на­бор проводов, соединяющих компьютер и периферийное устройство, а также на­бор правил обмена информацией по этим проводам.

Существуют как весьма специализированные интерфейсы, пригодные для под­ключения узкого класса устройств (например, графических мониторов высокого разрешения фирмы Vista), так и интерфейсы общего назначения, являющиеся стандартными и позволяющие подключать различные периферийные устройст­ва. Примерами стандартных интерфейсов, используемых в компьютерах, явля­ются параллельный интерфейс Centronics, предназначенный, как правило, для подключения принтеров, и последовательный интерфейс RS-232C, который под­держивается многими терминалами, принтерами, графопостроителями, манипу­ляторами типа «мышь» и многими другими устройствами.

Интерфейс реализуется со стороны компьютера совокупностью аппаратных и программных средств: контроллером ПУ и специальной программой, управляю­щей этим контроллером, которую часто называют драйвером соответствующего периферийного устройства.

 SHAPE  * MERGEFORMAT

Связь компьютера с периферийным устройством

Данные

Команды контроллера:

«Установить начало листа», «Переместить магнитную головку», «Сообщить состояние устройства» и др.

Со стороны ПУ интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления ПУ, хотя встречаются и программно-управляемые периферийные устройства.

Программа, выполняемая процессором, может обмениваться данными с помо­щью команд ввода-вывода с любыми модулями, подключенными к внутренней шине компьютера, в том числе и с контроллерами ПУ.

Периферийные устройства могут принимать от компьютера как данные, напри­мер байты информации, которую нужно распечатать на бумаге, так и команды управления, в ответ на которые устройство управления ПУ может выполнить специальные действия, например, перевести головку диска на требуемую дорож­ку или же вытолкнуть лист бумаги из принтера. Периферийное устройство использует внешний интерфейс компьютера не только для приема информации, но и для передачи информации в компьютер, то есть обмен данными по внешне­му интерфейсу, как правило, является двунаправленным. Так, например, даже принтер, который по своей природе является устройством вывода информации, возвращает в компьютер данные о своем состоянии.

Итак, приложение, которому требуется передать некоторые данные на перифе­рийное устройство, обращается с запросом на выполнение операции ввода-выво­да к операционной системе. В запросе указываются: адрес данных в оперативной памяти, идентифицирующая информация о периферийном устройстве и опера­ция, которую надо выполнить. Получив запрос, операционная система запускает соответствующий драйвер, передавая ему в качестве параметра адрес выводимых данных. Дальнейшие действия по выполнению операции ввода-вывода со стороны компьютера реализуются совместно драйвером и контроллером ПУ. Контроллер работает под управлением драйвера. Контроллеры ПУ принимают команды и данные от драйвера в свой внутренний буфер, который часто называется регист­ром, или портом, а затем производят необходимые преобразования данных и ко­манд, полученных от драйвера, в соответствии с форматами, понятными устрой­ству управления ПУ, и выдают их на внешний интерфейс.

Распределение обязанностей между драйвером и контроллером может быть раз­ным, но чаще всего контроллер поддерживает набор простых команд по управле­нию периферийным устройством, а драйвер определяет последовательность их выполнения, заставляя периферийное устройство совершать более сложные дей­ствия по некоторому алгоритму. Например, контроллер принтера может поддер­живать такие элементарные команды, как «Печать символа», «Перевод строки», «Возврат каретки» и т. п. Драйвер же принтера с помощью этих команд органи­зует печать строк символов, разделение документа на страницы и другие более высокоуровневые операции. Для одного и того же контроллера можно разрабо­тать различные драйверы, которые с помощью одного и того же набора доступ­ных команд будут реализовывать разные алгоритмы управления ПУ.

Рассмотрим схему передачи одного байта информации от прикладной програм­мы на периферийное устройство. Программа, которой потребовалось выполнить обмен данными с ПУ, обращается к драйверу этого устройства, сообщая ему в качестве параметра адрес байта памяти, который нужно передать. Драйвер загру­жает значение этого байта в буфер контроллера ПУ, который начинает последо­вательно передавать биты в линию связи, представляя каждый бит соответст­вующим электрическим сигналом. Чтобы устройству управления ПУ стало понятно, что начинается передача байта, перед передачей первого бита информа­ции контроллер ПУ формирует стартовый сигнал специфической формы, а по­сле передачи последнего информационного бита — столовый сигнал. Эти сигна­лы синхронизируют передачу байта.

Кроме информационных бит, контроллер может передавать бит контроля четно­сти для повышения достоверности обмена. Устройство управления, обнаружив на соответствующей линии стартовый бит, выполняет подготовительные дейст­вия и начинает принимать информационные биты, формируя из них байт в сво­ем приемном буфере. Если передача сопровождается битом четности, то выпол­няется проверка правильности передачи: при правильно выполненной передаче в соответствующем регистре устройства управления устанавливается признак завершения приема информации.

На драйвер обычно возлагаются наиболее сложные функции протокола (напри­мер, подсчет контрольной суммы последовательности передаваемых байтов, ана­лиз состояния периферийного устройства, проверка правильности выполнения команды). Но даже самый примитивный драйвер контроллера должен поддер­живать как минимум две операции: «Взять данные из контроллера в оператив­ную память» и «Передать данные из оперативной памяти в контроллер».

В самом простом случае связь компьютеров может быть реализована с помощью тех же самых средств, которые используются для связи компьютера с перифери­ей, например, через последовательный интерфейс RS-232C. При этом, в отличие от процедуры обмена данными компьютера с периферийным устройством, когда программа работает, как правило, только с одной стороны (со стороны компью­тера), здесь происходит взаимодействие двух программ, выполняемых на каж­дом из компьютеров.

Программа, работающая на одном компьютере, не может получить непосредст­венный доступ к ресурсам другого компьютера — его дискам, файлам, принтеру. Она может только «попросить» об этом другую программу, выполняемую на том компьютере, которому принадлежат эти ресурсы. Эти «просьбы» выражаются в виде сообщений, передаваемых по каналам связи между компьютерами. Сообщения могут содержать не только команды на выполнение некоторых действий, но и соб­ственно информационные данные (например, содержимое некоторого файла).

 SHAPE  * MERGEFORMAT

Взаимодействие двух компьютеров

8.2. Устройства межсетевого интерфейса

Созданная на определенном этапе развития фирмы локальная вычислительная сеть с течением времени перестает удовлетворять потребности всех пользователей и воз­никает необходимость расширения ее функциональных возможностей или границ охватываемой ею территории. Может возникнуть необходимость объединения внутри фирмы ЛВС различных отделов и филиалов для организации обмена дан­ными. Наконец, стремление получить выход на новые информационные ресурсы может потребовать подключения ЛВС к сетям более высокого уровня.

В качестве межсетевого интерфейса для соединения сетей между собой используются:

o     повторители;

o     мосты;

o     маршрутизаторы;

o     шлюзы.

Повторители (repeater) — устройства, усиливающие электрические сигналы и обес­печивающие сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на боль­шие расстояния. Повторители описываются протоколами канального уровня мо­дели взаимодействия открытых систем, могут объединять сети, отличающиеся протоколами лишь на физическом уровне OSI (с одинаковыми протоколами уп­равления на канальном и выше уровнях), и выполняют лишь регенерацию паке­тов данных, обеспечивая тем самым электрическую независимость сопрягаемых сетей и защиту сигналов от воздействия помех. Использование усилителей позво­ляет расширить и протяженность одной сети, объединяя несколько сегментов сети в единое целое. При установке усилителя создается физический разрыв в линии связи, при этом сигнал воспринимается с одной стороны, регенерируется и направ­ляется к другой части линии связи.

Мосты (bridge) — описываются протоколами сетевого уровня OSI, регулируют тра­фик (передачу данных) между сетями, использующими одинаковые протоколы передачи данных на сетевом и выше уровнях, выполняя фильтрацию информаци­онных пакетов в соответствии с адресами получателей. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых опера­ционных систем. Мосты могут быть локальными и удаленными. Локальные мо­сты соединяют сети, расположенные на ограниченной территории в пределах уже существующей системы. Удаленные мосты соединяют разнесенные территориаль­но сети с использованием внешних каналов связи и модемов. Маршрутизаторы (router) — описываются и выполняют свои функции на транспорт­ном уровне протоколов OSI и обеспечивают соединение логически не связанных се­тей (имеющих одинаковые протоколы на сеансовом и выше уровнях OSI); они анали­зируют сообщение, определяют его дальнейший наилучший путь, выполняют его некоторое протокольное преобразование для согласования и передачи в другую сеть, создают нужный логический канал и передают сообщение по назначению. Маршру­тизаторы обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса: они могут, например, соединять сети с разными методами доступа; могут перераспределять нагрузки в ли­ниях связи, направляя сообщения в обход наиболее загруженных линий и т. д.

Шлюзы (gateway) — устройства, позволяющие объединить вычислительные сети, использующие различные протоколы OSI на всех ее уровнях; они выполняют про­токольное преобразование для всех семи уровней управления модели OSI. Кроме функций маршрутизаторов они выполняют еще и преобразование формата инфор­мационных пакетов и их перекодирование, что особенно важно при объединении неоднородных сетей.

Мосты, маршрутизаторы и шлюзы в локальной вычислительной сети — это, как правило, выделенные компьютеры со специальным программным обеспечением и дополнительной связной аппаратурой.

Использование устройств межсетевого интерфейса

8.3. Управление взаимодействием устройств в сети

Информационные системы, построенные на базе компьютерных сетей, обеспечивают реше­ние следующих задач: хранение данных, обработка данных, организация доступа пользова­телей к данным, передача данных и результатов обработки данных пользователям.

В системах централизованной обработки эти функции выполняла центральная ЭВМ (Mainframe, Host).

Компьютерные сети реализуют распределенную обработку данных. Обработка данных в этом случае распределена между двумя объектами: клиентом и сервером.

Клиент—задача, рабочая станция или пользователь компьютерной сети.

В процессе обработки данных клиент может сформировать запрос на сервер для выполнения сложных процедур, чтение файла, поиск информации в базе данных и т. д.

Сервер, определенный ранее, выполняет запрос, поступивший от клиента. Результаты выполнения запроса передаются клиенту. Сервер обеспечивает хранение данных общего пользования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту.

Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя. В принципе обработка данных может быть выполнена и на сервере. Дня подобных систем приняты термины — системы клиент-серверили архитектура клиент-сервер.

Архитектура клиент-сервер может использоваться как в одноранговых локальных вычислительных сетях, так и в сети с выделенным сервером.

Одноранговая сеть.В такой сети нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Сетевая операционная система распределена по всем рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть.

Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям (диски, принтеры).

Достоинстваодноранговых сетей: низкая стоимость и высокая надежность.

Недостатки одноранговых сетей:

o   зависимость эффективности работы сети от количества станций;

o   сложность управления сетью;

o   сложность обеспечения защиты информации;

o   трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

Наибольшей популярностью пользуются одноранговые сети на базе сетевых операци­онных систем LANtastic, NetWareLite.

Сеть с выделенным сервером. В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций.

Такой компьютер обычно называют сервером сети. На нем устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются все разделяемые внешние устройства — жест­кие диски, принтеры и модемы.

Взаимодействие между рабочими станциями в сети, как правило, осуществляется через сервер. Логическая организация такой сети может быть представлена топологией звезда.Роль центрального устройства выполняет сервер. В сетях с централизованным управлением существует возможность обмена информацией между рабочими станциями, минуя файл-сервер. Для этого можно использовать программу NetLink. После запуска программы на двух рабочих станциях можно передавать файлы с диска одной станции на диск другой (аналогично операции копирования файловиз одного каталога в другой с помощью программы NortonCommander).

Достоинства сети с выделенным сервером:

·              надежная система защиты информации;

·              высокое быстродействие;

·              отсутствие ограничений на число рабочих станций;

·              простота управления по сравнению с одноранговыми сетями.

Недостаткисети:

§   высокая стоимость из-за выделения одного компьютера под сервер;

§   зависимость быстродействия и надежности сети от сервера;

§   меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью.

Сети с выделенным сервером являются наиболее распространенными у пользователей компьютерных сетей. Сетевые операционные системы для таких сетей — LANServer(IBM), WindowsNTServerверсий 3.51 и 4,0 и NetWare(Novell).

9. Программное обеспечение информационно-вычислительных сетей.

Наряду с аппаратными средствами ИВС должны иметь в своем составе и сложное программное и информационное обеспечение.

Программное обеспечение информационно-вычислительных сетей выполняет ко­ординацию работы основных звеньев и элементов сети; организует коллективный доступ ко всем ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение ресурсов с целью повышения эффективности обработки информации; выполняет техническое обслуживание и контроль работоспособности сетевых устройств.

Сетевое программное обеспечение состоит из трех частей:

o     общего программного обеспечения;

o     системного программного обеспечения;

o     специального программного обеспечения.

Общее программное обеспечение образуется из компонентов базового программно­го обеспечения отдельных компьютеров, входящих в состав сети, и включает в себя операционные системы, системы автоматизации программирования и системы технического обслуживания.

Системное программное обеспечение представляет собой комплекс программных средств, поддерживающих и координирующих взаимодействие всех ресурсов сети как единой системы.

Специальное программное обеспечение предназначено для максимального удовлет­ворения пользователей программами часто решаемых задач и, соответственно, содержит прикладные программы пользователя, ориентированные на специфику его предметной области.

Особая роль в программном обеспечении отводится операционным системам. Они имеются как в составе общего программного обеспечения (операционные систе­мы отдельных компьютеров), так и в составе системного программного обеспече­ния: сетевая операционная система, устанавливаемая на сервере или на одном из компьютеров одноранговой сети.

Сетевая операционная система (СОС) включает в себя набор управляющих и об­служивающих программ, обеспечивающих:

o     координацию работы всех звеньев и элементов сети;

o     оперативное распределение ресурсов по элементам сети;

o     распределение потоков заданий между узлами вычислительной сети;

o     установление последовательности решения задач и обеспечение их общесете­выми ресурсами;

o     контроль работоспособности элементов сети и обеспечение достоверности вход­ной и выходной информации;

o     защиту данных и вычислительных ресурсов от несанкционированного доступа;

o     выдачу справок об использовании информационных, программных и техничес­ких ресурсов сети.

В большинство сетевых операционных систем встроена поддержка протоколов TCP/IP, IPX/SPX, NetBEUI.

Протоколы TCP/IP были разработаны в США для сети министерства обороны ARPANet. Ввиду высокой надежности управления сетью и универсальности в ча­сти используемых компьютеров (IBM PC, Macintosh и т. д.) и операционных сис­тем (Windows, UNIX и т. д.), эти протоколы стали базовыми протоколами для сети

Интернет.

Протоколы SPX/IPX разработаны фирмой Novell. Отличительная особенность этих протоколов — маршрутизация, обеспечивающая кратчайший путь для пере­дачи данных по сети и гарантированное установление надежной связи при этой передаче. Выбор кратчайшего пути основан на следующем механизме. Машина-источник посылает по сети широковещательный запрос по всем путям до маши­ны-приемника. Путь, обеспечивший минимальную задержку в получении ответного эхо-сигнала, принимается за кратчайший. Этот механизм, конечно, существенно увеличивает трафик по сети и в этом его основной недостаток.

Протокол NetBEUT — детище фирмы IBM и создавался для обслуживания не­больших сетей, в которых он очень популярен ввиду своей простоты и высокой скорости работы. Но в нем отсутствует маршрутизация и его поддерживают только операционные системы фирм IBM и Microsoft (не поддерживает, например, ОС UNIX).

Функциональные возможности операционных систем расширяются с помощью утилит — специальных программ, используемых операционной системой для вы­полнения прикладных функций.

Клиент                                              Компьютер А        Сервер                  Компьютер В SHAPE  * MERGEFORMAT

Взаимодействие программных компонентов при связи двух компьютеров

Заключение

На сегодняшний день в мире существует более 130 миллионов ком­пьютеров и бо­лее 80 % из них объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet. Всемирная тенденция к объ­единению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение пе­редачи ин­формационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений ( факсов, E - Mail писем и прочего ) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из лю­бой точки земного шара, а так же об­мен информацией между компьютерами разных фирм производителей ра­бо­тающих под разным программным обеспечением.

Такие огромные потенциальные возможности которые несет в себе вычислитель­ная сеть и тот новый потенциальный подъем который при этом испытывает информацион­ный комплекс, а так же значительное ускорение производственного процесса  не дают нам право не принимать это к разра­ботке и не применять их на практике.

Поэтому необходимо разработать принципиальное решение вопроса по организа­ции ИВС ( информационно-вычислительной сети ) на базе уже существующего компьютер­ного парка и программного комплекса отвечаю­щего современным научно-техническим требованиям с учетом возрастаю­щих потребностей и возможностью дальнейшего посте­пенного развития сети в связи с появлением новых технических и программных решений.  

Литература:

1.           «Информатика» под редакцией Н. В. Макаровой, Третье переработанное издание, Москва «Финансы и статистика» 2001.

2.           «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» учебник для ВУЗов, издательский дом «Питер» 2002.

3.           «Интернет у вас дома», С. В. Симонович, В. И. Мураховский, ООО «АСТ-Пресс Книга», Москва 2002.

4.           «Учебник пользователя IBM PC» А. Микляев, «Альтекс-А» Москва 2002.

5.           «Компьютерные сети», 2-е издание, учебник для ВУЗов, В. Г. Олифер, Н. А. Олифер, «Питер» 2003.

6.           http://zab.megalink.ru/depart/vm/infbook/gl03/33_1.php.

7.           http://synopsis.kubsu.ru/informatic/master/lecture/themes5_3_1.php.

8.           http://www.bolshe.ru/book/id=834&page=6.