Сетевые технологии

Немного истории... Прообразом вычислительных сетей можно считать многотерминальные системы разделения времени. В таких Системах ЭВМ одновременно работала сразу с несколькими пользователями. Каждый пользователь получал в распоряжение терминал и вел диалог с компьютером:

Пользователь не замечал, что одновременно с ним компьютер работает и с другими пользователями. Терминалы стали выходить за пределы вычислительного центра, и такие системы стали внешне очень похожи на локальные вычислительные сети.

Пользователь мог получить доступ к внешним файлам, периферийным устройствам, запустить нужную программу и получить результат. В учебном процессе такие системы использовались для обучения алгоритмическим языкам. Студенты сидели в специальном классе составляли и отлаживали за терминалами программы. Единственное неудобство, это то, что за распечаткой полученных результатов необходимо было идти в вычислительный центр, который мог находиться на другом этаже или в другом здании.

Многотерминальные системы имели черты распределенных систем, но сохраняли централизованный характер обработки, данных (прообраз централизованной локальной сети). За пределы предприятия выходили терминалы, а внутри предприятия работала одна ЭВМ. Как только стало расти число ЭВМ внутри предприятия, и они, территориально, стали находиться на большом расстоянии друг от друга возникла необходимость в системах реализующих соединения не только между одной ЭВМ и терминалами, но и между несколькими ЭВМ, удаленными друг от друга.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные вычислительные сети. И только потом локальные сети.

Компьютерная (вычислительная) сеть - это система рабочих станций (например, на базе персональных компьютеров), называемых узлами сети, взаимосвязанных между собой через каналы передачи данных, образующих среду передачи данных. Вычислительная сеть используется для обмена информацией. Операции, выполняемые в сети, регулируются набором правил и соглашений - сетевым протоколом, который определяет: типы разъемов и кабелей, сигналы, форматы данных, способы контроля и исправления ошибок, алгоритмы

Сети могут быть: централизованные - с ''главным узлом'' (М), управляющим работой всех остальных узлов (Si), при этом все обмены информацией идут через этот узел (рис. а) и децентрализованные - с относительно "равноправными" узлами, когда управление каналами передачи данных распределено между узлами (рис. б).

Если сравнивать эти типы сетей, то видно, что централизованные сети менее надежны. Отказ центрального узла нарушает работу всей сети. С другой стороны, сетевой протокол централизованной сети проще протокола децентрализованной сети.

В локальных сетях (Local Area Network, LAN) узлы располагаются на небольших расстояниях друг от друга, а в глобальных (Wide Area Network, WAN) узлы удалены на большие расстояния. В настоящее время трудно себе представить современную фирму, лабораторию или завод, которые не использовали бы тот или иной тип ЛВС на основе ПК, число которых может изменяться от нескольких компьютеров в одном помещении до сотен и даже тысяч компьютеров в нескольких помещениях. При этом ЛВС отдельных подразделений, предприятий, фирм объединяются в мощные ГВС.

ЛВС появились в середине 70-х годов и были названы так потому, что эти сети использовались на ограниченной территории, отличались простотой и гибкостью и позволяли решать многие серьезные задачи. В частности, основными признаками ЛВС являются такие возможности, как: совместно использовать нескольким пользователям дорогие периферийные устройства (лазерный принтер, быстродействующий твердый диск большого объема и т.п.); совместно

использовать и обрабатывать данные; пользоваться электронной почтой.

К числу характеристик локальной сети компьютеров относят: "размеры" сети, т.е. число пользователей, число помещений, расстояния между рабочими станциями; скорость передачи информации;

топологию сети;

среду передачи данных используемые протоколы сети и др.

Современные глобальные сети, основаны на спутниковой связи.

Современное развитие спутниковых сетей связывают с разработкой и реализацией концепции телепорта, т.е. совместным использованием многими абонентами сети одного или нескольких многоканальных спутников с высокой пропускной способностью. Такой подход позволяет снизить суммарные затраты пользователей и передавать все виды информации (речевую, факсимильную, видео, компьютерную и т.д.). С наземными станциями телепорта пользователи могут быть связаны через передающие среды различных типов (оптоволоконные, коаксиальные или телефонные каналы и т.д.). В настоящее время Международная организация INTELSAT обеспечивает более 135 стран мира круглосуточно действующими каналами космической связи.

ГВС на базе спутниковой связи имеют ряд особенностей:

- Спутники обеспечивают взаимодействие компьютеров на огромных территориях. Например, с помощью одного транспондера, (устройства, выполняющего прием и передачу сигналов) можно охватить всю территорию

США или Европы. В настоящее время эта возможность очень широко используется для научных, военных, деловых и других применений. При этом стоимость широковещательной передачи информации не зависит от расстояния, на котором располагаются компьютеры, и достигается значительный экономический эффект по сравнению с сетями, не нужны физические линии и узлы коммуникации для среды передачи данных.

-Значительная зона космической связи требует решения проблемы безопасности и защиты информации от несанкционированного доступа. Для этих целей используется целый комплекс организационных, аппаратных и программных средств.

-Еще одна проблема спутниковой связи - влияние на каналы связи / неблагоприятных погодных условий (например, гроза и др.) и наложение сигналов от других передающих систем;

-Необходимо также решать проблемы слежения за спутниками связи при неравенстве скоростей вращения спутника и Земли. В отличие от низких (до 1012 тыс. км) эллиптических орбит первых спутников современные спутники космической связи запускаются на высокие (40-50 и более тыс. км) геостационарные орбиты (геосинхронные) и группами по несколько спутников, что позволяет антеннам наземных станций находиться в относительно неподвижном состоянии.

Управление передачей данных в спутниковых ГВС может выполняться несколькими способами и с применением различных протоколов:

-мультиплексированием с частотным разделением (FDM -frequency division multiplexing), когда пользователи используют для

передачи данных выделенные частотные подканалы;

•множественным доступом с временным разделением (TDMA - time division multiple access). Пользователям предоставляется возможность вести передачу в течение определенных временных квантов (слотов) и др.

Естественно, что самой популярной ГВС, в настоящее время является Internet. В конце 60-х годов по заказу Министерства Обороны США появилась сеть ARPAnet для связи компьютеров этого министерства. Разработанные принципы этой сети оказались удачными, и многие организации стали создавать собственные сети на тех же принципах. Эти сети стали объединяться между собой, образуя единую сеть с общим адресным пространством, которая стала называться Internet.

Понятие среды передачи данных является базовым и используется для описания физического пути между “узлами” сети. Существуют различные виды сред: кабели различных типов, радио, инфракрасные, ультразвуковые и световые волны. Кабельная среда используется преимущественно в ЛВС, а радиоволны в ГВС (например, спутниковая связь). Существуют ГВС и на основе оптоволоконных кабелей. Физические характеристики соединений и, в частности, кабелей накладывают определенные ограничения на скорость передачи данных и соответственно расстояния. Так медножильные кабели повышают скорость передачи, но при этом уменьшается расстояние из-за затухания передаваемых сигналов. Существуют специализированные сети с двухточечными связями, в которых в качестве среды передачи применяются сигналы в инфракрасном или СВЧ диапазонах. Такие сети редки, дорогостоящи и не слишком надежны.

В настоящее время применение находят следующие типы кабелей:

-витая пара (ВП),

-коаксиальный (КС),

-оптоволоконный (ОК).

В таблице приведены сравнительные характеристики различных сред передачи данных.

* Теоретическое значение предельной скорости передачи. На практике скорость передачи данных для ОК составляет 50-100 Мбит/сек при интенсивности потока ошибок на уровне 10-9

**Колеблется в широких пределах.

Наряду с проводными линиями связи широко используют радиолинии различных диапазонов. Диапазон работы радиолинии определяется частотой и, поэтому, эти каналы связи называются частотными. Эти линии во многих случаях более экономичны, позволяют быстро организовать сверхдальнюю (глобальную) связь без промежуточных станций. Кроме того, и это очень важно, — эти линии являются единственным средством связи с подвижными объектами (воздушными судами, космическими кораблями, морскими судами, включая и подводные лодки, автомобилями и пр.).

Наибольшее распространение для передачи многоканальных сообщений получили наземные радиорелейные линии, работающие в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн на частотах от 60 МГц до 15 ГГц. На этих частотах обеспечивается широкая полоса тракта передачи, необходимая для многоканальной телефонной и телевизионной связи, малый уровень атмосферных и промышленных помех. Все это обеспечивает высокую помехоустойчивость передачи информации.

Несомненны перспективы спутниковых линий связи. По принципу работы они представляют разновидность радиорелейных линий, ретрансляторы которых находятся на искусственных спутниках Земли. Существенным преимуществом спутниковых линий является большая дальность связи, которая при одном спутнике (ретрансляторе) составляет около 10,000 км. При использовании системы спутников можно организовать глобальную связь—между любыми пунктами Земли. Спутниковые линии связи работали в диапазоне частот 4—6 ГГц. В настоящее время отведено шесть новых частотных диапазонов от 11 до 250 ГГц, освоение которых позволит существенно повысить качественные показатели спутниковой связи. Спутниковые системы связи, особенно с цифровыми методами передачи сигналов имеют большие перспективы.

В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи данных по линиям связи делятся на следующие типы:

Симплексный - передача данных ведется по линии связи только в одном направлении;

Полудуплексный - передача данных может вестись в обоих направлениях, но попеременно во времени. В конкретный момент информация передается только

водном направлении. Примером такой технологии служит технология Ethernet. Дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.

Симплексный метод применяется для радио и телевизионной связи, а также в телеметрических сетях. Полудуплексный и дуплексный метод используется в ГВС и ЛВС. Очевидно, что дуплексный метод является наиболее предпочтительным, поскольку позволяет непрерывно использовать среду и обеспечивает высокую производительность. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых физических каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении.

Совместное использование современных средств связи и компьютеров - это другая проблема при передаче данных. Поскольку в компьютерах используются цифровые (дискретные), а для связи - аналоговые сигналы. Кроме того, соединение между узлами компьютерной сети в каждый момент времени позволяет передавать один бит информации, а внутри компьютера параллельно обрабатывается несколько бит или байт. Итак, для передачи информации по линиям связи необходимо, во-первых, преобразовывать ее в последовательный формат, во-вторых, в аналоговую форму и, в-третьих, выполнить кодирование данных. Выбор метода передачи информации определяется также средой передачи данных и расстоянием.

Еще одной проблемой, которую необходимо решить при передаче данных в сетях компьютеров, - это связь в условиях дестабилизирующих факторов (помех) и ошибок в сообщениях. Существуют специальные методы помехоустойчивой передачи и коррекции ошибок. Причем, специальные избыточные коды и метод контрольных сумм, позволяют не только выявлять ошибки, но и автоматически их корректировать данные.

Вышеперечисленные проблемы рассмотрены в разделах “Методы передачи информации” и “Помехозащищенная передача данных”

Топология ЛВС определяет геометрическое размещение (конфигурацию) узлов сети и соединений между ними в среде передачи данных. Существуют следующие типы топологий: звездообразная (радиальная), кольцевая, шинная, полносвязная, смешанная и другие.

Звездообразная топология.

Все сообщения в сети передаются через центральный узел (обычно это ФС в ЛВС).

Данный тип топологии можно считать традиционным как для сетей ЭВМ, так и телефонных сетей. Такая топология сети обладает следующими преимуществами: высокий уровень защиты данных в центральном узле, простая адресация, которая контролируется центральным узлом, упрощены процессы поиска неисправностей и другие.

Недостатки топологии типа "звезда": зависимость сети от надежности центрального узла, его отказ приводит к отказу всей сети, сложность центрального узла, на который возложено большинство сетевых функций и другие.

В современных ЛВС часто применяют топологию типа "распределенная звезда", когда компьютеры соединяются индивидуальными кабелями с шиной, которая в свою очередь соединена с центральным узлом, выполненным в виде устройства - концентратора сигналов. Концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от других узлов, и при необходимости блокировать передачу информации.

Кольцевая топология.

В кольцевой топологии сети нет выделенного узла, который управляет передачей сообщений. Передача сигналов происходит, в большинстве случаев, в одном направлении через повторители, к которым подключены узлы сети. Повторитель может быть пассивным или активным устройством. Если доступ в кольце производится через активный повторитель, то он:

-принимает пакет от узла источника и усиливает сигналы;

-делает пакет доступным узлу-приемнику;

-разрешает узлу передать собственный пакет;

-отправляет пакет к следующему узлу или выполняет его буферизацию.

Пассивный повторитель дает узлу лишь возможность соединения со средой передачи Преимущества кольцевой топологии заключаются в том, что:

отсутствует зависимость сети от функционирования отдельных узлов, имеется возможность отключить узел без нарушения работы сети;

используется простая маршрутизация пакетов;

легко идентифицируются неисправные узлы и выполняется реконфигурация, в случае сбоя или неисправности сети

организуется обратная связь, данные сделав полный оборот возвращаются к узлу источнику.

Недостатки этого типа топологии в том, что:

-надежность сети зависит от надежности кабельной системы;

необходимо использовать более сложное программное обеспечение для узлов;

усложняется решение задачи защиты информации, поскольку данные при передаче "проходят" через все узлы сети.

Шинная топология.

Шина - это незамкнутая физически в кольцо среда передачи. Все узлы подключаются к шине через усилители-повторители сигналов, поскольку

сигналы при передаче в шине затухают.

Сигналы в шине от передающего узла распространяются во все стороны к другим узлам сети. И все принимающие узлы получают передаваемое сообщение практически одновременно.

К достоинствам шинной топологии можно отнести: - дешевизна и легкость разводки кабеля;

легкость подключения новых узлов связи и их доступность;

просто реализуется широковещательная передача;

сеть приспособлена к передаче сообщений с резкими колебаниями интенсивности потока сообщений.

Но шинная топология обладает и рядом недостатков:

среда передачи пассивна, поэтому необходимо усиление сигналов, затухающих в среде;

затрудняется защита информации, так как можно легко подсоединяться к сети;

при большом числе узлов возможно насыщение среды передачи, что влечет резкое снижение пропускной способности канала.