Функции и характеристики лвс

ГЛАВА 1. Функции и характеристики лвс



Виды компьютерных сетей

С того момента как передача данных стала обыденной потребностью, не мало технологических решений было сформировано для данной задачи, но не всегда решения оправдывали средства. С ростом компаний, организаций и фирм, росла и потребность для совокупности данных и их управления. Для начала эры связи вычислительных машин и их данных в единую сеть не хватало достаточного производительного и удобного подхода к организации сети, но к счастью прогресс не стоит на месте, и на данный момент существуют различные подходы и решения по объединению вычислительных систем в единую информационную сеть. 

Локальная вычислительная сеть – это аппаратно-программный комплекс, состоящий из компьютеров, периферийных и коммутационных устройств соединенных друг с другом каналом связи.

При построении локальной сети могут быть использованы: коаксиальный кабель («толстый» или «тонкий»), витая пара, волоконно-оптический кабель, также локальная сеть может быть построена с использованием беспроводных средств передачи данных. На данный момент для построения локальных сетей используются: «тонкий» кабель или витую пару, также следует сказать, что появились новые гибридные оптико аксиальные сети. При такой схеме используется технология FTTC (Fiber To The Curb — Оптика до микрорайона) или FTTB (Fiber To The Home). Принцип работы таких сетей заключается в том, что до некоторого узла сигнал идёт в оптической среде, а далее преобразуется в электрический и расходится по кабелю с витой парой (UTP) в квартиры как на рисунке 1. 



Рисунок 1 – Принцип технологии FTTB

Изначально при проектировании компьютерных сетей использовался «Token Ring Network». Принцип работы такой сети заключался в том, что несколько подключенных компьютеров были последовательно соединены коаксиальным кабелем и выдавали свой сигнал одновременно. У данного подхода был ряд минусов: с увеличением размеров сетей одновременная работа компьютеров стала невозможной ввиду сильного взаимовлияния их друг на друга, что приводило к возникновению программных ошибок. А также выходы из строя самого кабеля, к примеру внутренний обрыв, были сложно детектируемыми и надолго останавливали работу всей сети. 

В дальнейшем развитие компьютерных сетей формировалось на принципах «Ethernet».

 Ethernet (от англ. ether “эфир”) - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей. Стандарты технологии определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Среда сети стала самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet и Token Ring.

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox, а также DEC и Intel. Общепринято считать, что технология была изобретена 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet - Switching For Local Computer Networks». 

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: Token Ring и ARCNET, — которые вскоре были раздавлены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли [24].

 При таком подходе сеть строиться из набора объединенных (взаимосвязанных) структур. Данная структура представляет собой несколько компьютеров соединенных с свитчем отдельным проводом, при необходимости расширения сети в нее добавляют новые коммутационные узлы.

При сравнении двух подходов к построению компьютерной сети было выявлено то, что структурированный подход является немногим дороже традиционного, но он даёт ряд преимуществ: гибкость при построении и масштабировании сети, удобство и легкость в работе администраторам сети. Далее будем рассматривать структурированный подход при построении сети. 

При использовании структурированного подхода появляется необходимость в специальном сетевом оборудовании (сетевой концентратор и коммутаторы, маршрутизаторы). Основным коммутационным узлом локальной сети является сетевой концентратор (хаб), основным его преимуществом является то, что к нему можно подключить от 4 до 48 компьютеров (есть хабы и большего размера работающие как пач панели), так и то что его можно соединять с другими сетевыми концентраторами тем самым масштабируя сеть. Также использование данного метода позволяет облегчить поиск проблем, связанных с обрывом кабеля и возможность построения топологий сети различной архитектуры. На сегодняшний день при проектировании и построении сети используют сетевые коммутаторы. Сетевые концентраторы имеют следующие недостатки перед сетевыми коммутаторами:

- По мере увеличения количества узлов снижается пропускная способность канала сети;

- Отсутствие выборочной передачи кадров Ethernet между портами;

- Низкий уровень сетевой безопасности (т.к. идет вещание сетевого трафика во все порты и даёт возможность подключения снифферов).

Компьютерная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи и обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику. Компьютерные сети делятся по:

- Территориальной протяженности;

- Скорости передачи информации

- Типу среды передачи

- Типу организации взаимодействия компьютеров

- Технологии передачи данных.

Сети, различающиеся по территориальному признаку, могут быть персональными, локальными, региональными и глобальными. Персональные – это сети, используемые одним человеком. Как пример беспроводная сеть, соединяющая компьютер и периферию (мышь, клавиатура, принтер и т.д.). Локальные – это сети, протяженностью от 10 метра до 1 километра, региональные – имеют протяженность от 10 километров до 100 километров расположены на территории города или области, глобальные – имеют протяженность от 100 километров и выше строятся на территории государства или нескольких государств, или сеть планетарного масштаба к примеру всемирная сеть Internet.

По скорости передачи данных компьютерные сети можно разделить на низкоскоростные (до 10 Мбит/с); среднескоростные (до 100 Мбит/с) и высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с). По типу среды передачи сети используют: проводные сети – медные проводники (витая пара), где для передачи данных используются электрические сигналы; оптические проводники (оптоволоконные кабели) где информация передается в виде световых импульсов. Существуют также и беспроводные сети, связь в которых устанавливается через радиоканалы по Wi-Fi, Bluetooth, GPRS.

По типу организации взаимодействия компьютеров сети разделяют на одноранговые и сети с выделенным сервером как на рисунке 2.



Рисунок 2–Структура сети одноранговой или с выделенным сервером

Различия состоят в том, что в одноранговой сети все компьютеры равноправны, все пользователи сети могут получить доступ к данным, хранящимся на любом компьютере при условии, что эти данные находятся в общем доступе. В сетях с выделенным сервером – выделяется специальный компьютер, который берет на себя управление доступом к сетевым ресурсам находящимся в общем доступе. Отмечу, что с точки зрения технологии передачи данных одноранговые сети не отличаются от сетей с выделенным сервером так как организация взаимодействия в сетях с выделенным сервером относятся к программным аспектам работы сетей.

По технологии передачи данных, компьютеры в сети, могут образовывать различные топологии сети (звезда, шина, кольцо и др.).

Рассмотрим компьютерную сеть в организации построенную с учётом структурного подхода. Такие сети называются корпоративными компьютерными сетями (интрасети) – используют набор техник и правил созданных для интернета и применяемых к локальной (LAN) и глобальной (WAN) сети организации. Корпоративные сети в своей основе используют, модель, заложенную в 1989 г. компанией Lotus Notes (Lotus Corporation), которая определяет стандарты и нормы организации совместного использования информации во внутрикорпоративной сети.

Корпоративные сети используют "клиент – серверный" подход, при котором сетевая архитектура строится таким образом, что сетевая нагрузка распределена между поставщиками услуг, называемыми серверами, и заказчиками услуг, называемыми клиентами.

Сервер – это специализированная управляющая машина, которая по назначению уделяет особое внимания следующим задачам: 

1) управления и хранения данных по всей сети;

2) подключения новых или дополнительных систем оборудования; 

3) обладает полным доступом по управлению сетью; 

4) распределяет маршруты для передачи информации.

Оборудования в виде серверов также используют для обеспечения перебойной работы сети в круглосуточном режиме, а также и сами серверы страхуются от потери данных или физических повреждений оснащённые дублирующими аппаратными комплектами, что позволяет им обеспечить чуть ли ни сто процентную гарантию работоспособности сети. 

Рост корпоративных сетей можно объяснить преимуществами их использования, корпоративные сети позволяют организовать совместный доступ к информации, обеспечить быстрый способ доставки контента, отсутствуют дублирования кода между программами-сервера и программами-клиентами, уменьшения требований к компьютерам так как вычисления выполняются на сервере, данные как правило лучше защищены от кражи и потерь, легко организовать контроль полномочий, чтобы разрешать доступ к данным только клиентам с соответствующими правами доступа. Корпоративные сети имеют и ряд недостатков: при неработоспособности сервера может не работать и вся вычислительная сеть, такая система требует специалиста – системного администратора, также недостатком является и высокая стоимость оборудования.

Текущее развитие сети и сетевых технологий ставит актуальным наличие корпоративных сетей у организаций и фирм. Также следует отметить что с развитием компьютерных технологий уменьшается и стоимость серверного оборудования при увеличении его мощности.

1.2. Основные свойства ЛВС

Основным требованием, предъявляемым к локальной сети, является организация доступа к информации по требованию. Для решения поставленной задачи при проектировании сети рассчитывают требования по надежности, безопасности, расширяемости, совместимости, управляемости и т.д. Качество сети напрямую зависит от полноты выполнения вышеперечисленных требований. 

Для оценки качества сети выполняют её проверку по ряду требований:

- Производительность сети;

- Быстродействие выполняемого запроса;

- Способность сети на пропускную скорость данных;

- Задержка по передачи данных.

Производительность сети – мера мощности сети, которая определяет количество работы, выполняемой сетью в единицу времени. Производительность достигается благодаря возможности распараллеливания работ между несколькими узлами сети. Для расчета по производительности локальной сети учитываются важные критерии как: время на реакции по обработке запроса, пропускную способность всей сети или отдельных ее узлов (подсетей), задержку передачи данных. Важным показателем производительности вычислительной сети, является системная производительность, измеряется числом задач, выполняемых системой за единицу времени.

Время реакции на запрос – это разница во времени между запросом клиента к серверу или сетевой службе и получение ответа на этот запрос. Время реакции может зависеть от многих факторов, например, тип сетевой службы, к которой происходит обращение, удаленность сервера к которому идет обращение, состояние узлов сети и её пропускная способность, и т.д. Для оценки времени на запрос используется усреднённое значение.

Пропускная способность сети (или ее звена) – это максимально возможная скорость передачи, определенная стандартами сети, оценивается объёмом информации (в пакетах, битах) переданной сетью в единицу времени. Выражает основную функцию сети – транспортировку сообщений. При расчёте производительности сети, при условии, что маршрут передачи данных состоит из участков разной пропускной способности, то суммарная пропускная способность данного маршрута будет равна минимальной скорости участка маршрута.

Задержка передачи данных – это интервал времени между поступлением пакета на вход какого-либо устройства сети и его появлением на выходе этого устройства. Данный показатель определяет только сетевые этапы передачи информации и не связан с задержками обработки данных на компьютере. Усреднённое время задержки в передачи данных составляет от сотни миллисекунд до нескольких секунд. Задержка в передаче данных критична при передаче голосовых данных или видеоизображений и менее критична в передаче почты и файлов.

Надежность функционирования сети определяется рядом показателей. К ним можно отнести:

- Коэффициент надёжности – коэффициент отражающий отношение времени, в течение которого сеть используется по основному своему назначению к общему времени;

- Вероятностный показатель доставки пакета данных адресату без искажений;

- Вероятностный показатель при потере пакета в момент его передачи;

- Отказоустойчивость – это способность сети скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. В отказоустойчивой сети отказ одного из элементов сети приводит к уменьшению скорости работы сети, но не к полной ее остановке.

Приведенный набор показателей используется для оценки надежности в сложных системах, где, кроме состояний показателя работоспособности или неработоспособности, могут иметь и иные возможные промежуточные состояния.

Безопасность сети – это возможность сети защитить передающуюся информацию от несанкционированного доступа.

Управляемость сети – наличие средства управления как для управления всей сети, так и для управления отдельным ее компонентом помогающая при выявлении причин отказов элементов сети и восстановлении ее работоспособности, анализе производительности сети и планировании ее развитие через единую точку входа. Перечисленные функции выполняются не отдельными средствами управления, а системой для управления сети, рассматриваемой как единое целое.

При работе с сетями и сетевыми технологиями администраторы сталкиваются с проблемой в работе несовместимых или нестандартных сетей, включенных в сеть масштаба организации. Для управление такими сетями, предстоит решить вопросы контроля и отслеживания трафика предоставление уровней безопасности что является не простой задачей. 

На сегодняшний день разработаны стандарты для предприятий и организаций определяющим методы и подходы при создании, объединении и управлении сетями с различными архитектурами. Международная организация по стандартизации (ISO) согласно рекомендации ITU-TX.700 и стандарту ISO-7498-4 определила следующие пять категорий управления, которые должна включать система управления сетью:

- Управление конфигурацией. В задачи этой категории производится установление и управление параметрами, определяющими состояние сети;

- Обработка сбоев. В задачи этой категории входит осуществление обнаружение, изоляция и исправление неполадок в сети;

- Управление учетом ресурсов сети и ее работы. В основные функции данной категории входит запись и выдача информации об использовании ресурсов сети;

- Управление производительностью. В функции данной категории входит анализ и управление скоростью обработки и передачи данных в сети;

- Управление безопасностью. Основной функцией данной категории является – контроль доступа к ресурсам сети и защита передающейся в сети информации.

На основе принципов управления сетью, определены критерии, по реализации функций в рамках указанных категорий управления.

Совместимость (интегрируемость) – определяет способность сети стабильно функционировать при использовании разнообразного аппаратного и программного обеспечения от разных производителей. Сети в наличии которых имеются разнотипные элементы называются неоднородными или гетерогенными. Для стабильной работы в таких сетях используют модули, поддерживающие открытые стандарты и спецификации. При выполнении условия использования общих стандартов и спецификаций сеть получается интегрированной.

Расширяемость – определяет возможность легкого и быстрого добавления (без ухудшения других характеристик сети) или замены отдельных элементов сети (компьютеров, приложений, служб) и наращивания длины ее сегментов сети.

Масштабируемость – определяет возможность наращивания количества узлов сети и увеличения протяженности связей на большие расстояния без ухудшения в работе сети. Для масштабирования сети применяется дополнительное коммуникационное оборудование. Процесс масштабирования проходит по установленному алгоритму и утвержденным планом расширенной архитектуры сети.

Расширяемость и масштабируемость имеют разные понятия и отличаются по характеру. К примеру сеть может быть расширяемой, но плохой масштабируемой. Пример, локальная сеть, построенная на одном сегменте, в офисе компании легко расширяется путём подключения новых рабочих станций, однако такая сеть имеет ограничение на количество станций (их не должно быть более 30-40), так как в случае подключения большего числа РС (физически это возможно) резко снижается производительность сети. Наличие таких последствий – говорит о плохой масштабируемости при хорошей расширяемости.

Прозрачность – способность оборудования участвующего в работе сети скрывать от пользователей особенности используемых операционных систем и различия в типах компьютеров. Концепция прозрачности применяется и к различным аспектам сети. Она достигается как на уровне пользователя, так и на уровне программиста (для работы с сетевыми ресурсами и службами используются команды, процедуры, и вызовы функций, что и для работы с локальными ресурсами). Пользователь не должен знать мест расположения программных или аппаратных ресурсов, которыми он хочет воспользоваться. Термин прозрачности параллелизма утверждает, что процесс разделения вычислений происходит автоматически, без применения человеческих ресурсов (по сути данный термин выступает в роли черного ящика).

Сети с поддержкой разнородного типа трафика – это сети, в которых, кроме стандартного трафика компьютерных данных, имеется возможность в организации передачи и обработки сетевого трафика для мультимедийных данных. Данные сети используются для организации проведения видеоконференций, VOIP телефонии, обучения, передаче больших файлов и т.п. Данные сети гораздо сложнее по своей архитектуре и набору программного и аппаратного обеспечения. Наличие в такой сети разнородного типа трафика приводит к увеличению требований для сетевого и компьютерного оборудования.

Стоит сказать, что перечисленные характеристики сетей не всегда поддаются количественной оценке. Для таких характеристик сети как: производительность, надежность и безопасность были разработаны ГОСТы в которых присутствуют системы показателей и алгоритмы для проведения анализа значений и результатов, то оценка сети по другим характеристикам осуществляется с помощью качественных показателей.

1.3. Топология локальной вычислительной сети

Топология сети – это структура в основе которой лежат конечные узлы сети (компьютеры и маршрутизаторы), а в роли соединительных линий выступают физические или информационные связи. Топология сети отражает взаимосвязь компьютеров и то как по данной сети перемещаются данные. Термин топологий больше применим к малым и средним сетям т.к. в глобальной сети каждый сеанс связи может производиться по уникальному маршруту.

Топологии бывают двух типов:

- Полносвязная – сеть, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными компьютерами;

- Неполносвязная – сеть, в которой каждый компьютер может быть связан со всеми остальными компьютерами через дополнительные узлы.

При использовании различных топологий при проектировании сети определяется и требование к аппаратно-программному комплексу (тип кабеля, протоколы передачи данных, определение уровней безопасности сети а также расширяемость и масштабируемость сети). Рассмотрим существующие топологии их положительные и отрицательные стороны.

Существуют три основных вида топологий: «звезда», «кольцо» и «общая шина».

Топология «звезда». Концепция данного типа топологии наследована из области больших ЭВМ, при таком подходе главная машина опрашивает, получает и обрабатывает данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных, представлено на рисунке 3.



Рисунок 3 - Топология «звезда»

В сети топологии типа «звезда» каждый компьютер соединен кабелем (витой парой) с концентратором или хабом (англ. hub). Концентратор также параллельно соединяет остальные компьютеры, подключенные к сети, которые могут общаться друг с другом.

Данные передаются по всем линиям связи всем компьютерам. Информация распространяется в широковещательном формате, но принимается только теми станциями, для которых она предназначается, по сути такая передача сигналов данной локальной сети является логической шиной.

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой 10Base-T Ethernet.

Преимущества сетей топологии звезда:

- Легкость подключения нового узла (компьютера);

- Имеется наличие центральной точки управления;

- Сеть отказоустойчивая при неисправности отдельных узлов и разрывов соединения отдельных компьютеров.

Недостатки сетей топологии звезда:

- Отказ в работе хаба влияет на работу всей сети;

- Большой расход кабеля и коммутационного оборудования.

- Уменьшение уровня сетевой безопасности (из-за возможности сниффинга).

Топология «звезда» имеет максимальную скорость передачи информации среди всех других топологий. Узким местом данной топологии может стать канал связи между рабочими компьютерами и центральным сервером.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны друг с другом таким образом, что образуют неразрывное кольцо, т.е. начав двигаться в одной точке в конце данные попадают в место старта как показано на рисунке 4.



Рисунок 4 - Топология «Кольцо»

Сети Token Ring, так же, как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token).

Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5. Компания IBM использует технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов - мэйнфреймов, миникомпьютеров и персональных компьютеров. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60 % сетевых адаптеров этой технологии.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.

Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры - посланный кадр всегда возвращается в станцию - отправитель. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например, может быть восстановлен потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом [23].

К преимуществам данной технологии можно отнести то, что она легко настраиваемая и её легко поддерживать.

К недостаткам можно отнести то, что прокладка кабеля между компьютерами может быть дорогостоящей, если географически компьютеры расположены далеко друг от друга. Основной проблемой при использовании кольцевой топологии является то, что для передачи данных должны использоваться все узлы, объединенные в сеть и участвующие в пересылке информации, в случае выхода из строя одного узла вся сеть перестаёт работать. Также время передачи информации будет увеличивается пропорционально добавлению количества рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

Информация в такой сети распространяется по кругу. Компьютер посылает по определенному конечному адресу пакет данных, предварительно отправив запрос и получив ответ (для формирования маршрута до конечного компьютера). В чистом виде топология «кольцо» практически не встречается, но на её основе строятся другие топологии (двойное кольцо, Fiber Distributed Data Interface Волоконно - оптический интерфейс передачи данных и другие). 

Топология «шина», организует работу через единый кабель (называемый шина или магистраль), к которому подключаются все узлы сети, изображено на рисунке 5.



Рисунок 5 -Топология вида «шина»

 На концах кабеля расположены терминаторы, для предотвращения отражения сигнала. При такой организации компьютеры могут непосредственно вступать в контакт с любой подключенной машиной, имеющейся в сети. 

При стандартной организации топологии «шина» в сети Ethernet используют тонкий кабель или Cheaper net – кабель обладает тройниковым соединителем. Рабочие станции подключаются к шине через устройство ТАР (англ. Terminal Acces Point – точка подключения терминала). ТАР представляет собой специальный тип подсоединения к коаксиальному кабелю. Механизм подключения выглядит в форме зонда игольчатой формы и внедряется через наружную оболочку внешнего проводника и слой диэлектрика к внутреннему проводнику и присоединяется к нему. 

Минусом в использовании данных кабелей является то что для отключения или подключение требуется разрыв шины, что вызывает нарушение в работе сети и её зависания.

С использованием новых технологий, например, пассивных штепсельных коробок, можно организовывать подключение и/или отключение рабочих станции, не разрывая саму шину.

Компьютеры в локальной сети данной топологии могут передавать информацию по прямой (не модулируемой) передаче информации, в данном случае используется принцип один говорит все слушают. Для предотвращения ошибок при передаче информации применяется метод квантования, согласно данному подходу для каждого подключенного компьютера предоставляются моменты времени для исключительного права на использование канала передачи данных. Поэтому при повышенной нагрузке на вычислительную сеть увеличиваются требования по пропускной способности, например, при вводе новых рабочих станций. 

В первой главе выпускной квалификационной работы рассмотрена структура и виды ЛВС, также рассмотрены основные понятия в этой области. Рассмотрены основные технологии ЛВС: первоначальная технология сети «Token Ring» и последующая актуальная на сегодняшний день «Ethernet». Были указаны и описаны основные свойства сети: производительность сети, пропускная способность сети, а также безопасность сети. В завершении раздела рассмотрена структура конечных узлов.

Проведенный анализ и полученные выводы позволяют перейти к
второй главе где будет рассмотрено подробно, вся структура сетевого ПО........................