2.4.1. Общая характеристика компьютерных сетей

Компьютерной сетью (КС) или сетью ЭВМ называется комп­лекс территориально рассредоточенных ЭВМ, связанных меж­ду собой каналами передачи данных и сетевым программным обеспечением в целях эффективного использования запоминаю­щей среды и вычислительных мощностей при выполнении ин­формационно-вычислительных работ. Поэтому КС можно рас­сматривать как систему с распределенными по территории аппаратными, программными и информационными ресурсами, причем технические средства определяют потенциальные, а программное обеспечение — реальные возмож-ности КС.

На особенности организации компьютерных сетей влияют базовые целевые установки создания КС. Их три:

1.  Мобилизация ресурсов на решение сложных задач.

2.  Минимизация ресурсов путем коллективного использования наиболее значимых (дорогих) из них.

3.  Интеллектуализация коммуникаций.

В общем случае КС представляется совокупностью трех вло­женных друг в друга подсистем (рис.2.3):

•   сети рабочих станций;

•   сети серверов;

•   базовой сети передачи данных.

В этой иерархии ЭВМ (далее — компьютер) приобретает но­вое название: рабочая станция, сервер, коммутационный ком­пьютер.

В частном случае КС может вырождаться в одноуровневую сеть рабочих станций (в этом случае КС называется одноранго­вой) либо двухуровневую — сеть рабочих станций с одним или более серверами. Заметим, что успехи развития КС и микро­электроники привели к тому, что любой компьютер, в том чис­ле и персональный, можно рассматривать как КС, но в мини­атюрном исполнении. 

Сеть рабочих станций — внешняя оболочка КС. Она пред­ставлена совокупностью рабочих станций и средств связи, обес­печивающих взаимодействие рабочих станций с сервером и, воз­можно, между собой. Рабочая станция (клиентская машина, рабочее место, абонентский пункт, терминал) — это компьютер, за которым непосредственно работает абонент КС.

Рис. 2.3. Обобщенная схема компьютерной сети

Сеть серверов — совокупность серверов и средств связи, обес­печивающих подключение серверов к базовой сети передачи данных. Компьютер, выполняющий общие задачи КС и предос­тавляющий услуги рабочим станциям, называют сервером.

Базовая сеть передачи данных — совокупность средств пере­дачи данных между серверами. Она состоит из каналов связи и узлов связи. Узел связи — совокупность средств коммутации и передачи данных в одном пункте. Узел связи принимает дан­ные, поступающие по каналам связи, и передает данные в кана­лы, ведущие к абонентам. Характерным примером узла связи является автоматическая телефонная станция. Заметим, что первая в мире электрическая сеть — телефонная. Именно она легла в основу базовой сети передачи данных и во многом опре­делила принципы построения КС. Базовая сеть передачи дан­ных является ядром КС, обеспечивающим объединение компь­ютеров и других устройств.

Геометрическая схема соединения (конфигурация физичес­кого подключения) узлов сети называется топологией сети. Су­ществует большое количество вариантов сетевых топологий, базовыми из которых являются шина, кольцо, звезда (рис.2.4).

1.  Шина. Канал связи, объединяющий узлы в сеть, образует ломаную линию — шину. Любой узел может (если у него есть на то разрешение) принимать информацию в любое время, а передавать — только тогда, когда шина свободна.

2.  Кольцо. Узлы объединены в сеть замкнутой кривой. Переда­ча данных осуществляется только в одном направлении. Каждый узел, помимо всего прочего, реализует функции ретран­слятора. Он принимает и передает все сообщения, восприни­мает только адресованные ему.

3. Звезда. Узлы сети объединены с «центром» лучами. Вся ин­формация передается через центр, что позволяет относитель­но просто выполнять поиск неисправностей и добавлять но­вые узлы без прерывания работы сети. Однако расходы на организацию каналов связи здесь обычно выше, чем у шины и кольца.

Рис. 2.4. Основные варианты топологии сети:

шина (а), кольцо (б) и звезда (в)

Комбинация базовых топологий — гибридная топология — обеспечивает получение широкого спектра решений, аккуму­лирующих достоинства и недостатки базовых. Например, двой­ное кольцо (при увеличении затрат на каналы связи) позволя­ет повысить надежность работы и производительность сети: Реализация звезды относительно каждого узла как центра обес­печивает связь «каждого с каждым», при этом появляется воз­можность организации альтернативных (обходных) путей между узлами.

Выбор топологии сети весьма ответственная задача, которая должна быть решена до начала проектирования и разработки KC. Изменение топологии на более поздних этапах — трудное и дорогостоящее мероприятие.

Очевидно, что в каждой подсистеме КС могут быть использо­ваны каналы связи, реализующие разные топологии и разные организационные принципы. В сети рабочих станций наиболее часто реализуются моноканалы (единственный канал), а в базо­вой сети передачи данных — поликанал (композиция монока­налов).

В настоящее время в моноканалах применяют следующие физические среды: эфир, коаксиальный кабель, волоконно-оп­тический кабель, витую (скрученную) пару и различные моди­фикации плоских кабелей.

В эфире моноканал может быть образован на различных час­тотах без применения каких-либо проводников. В зависимости от применяемой частоты сигналов различают радиоканал, инф­ракрасный, ультракоротковолновый и микроволновый каналы связи.

Каждый радиоканал образуется на определенной часто­те — несущей частоте радиосигналов — с помощью приемопере­датчиков. Радиоканал характеризуется небольшой скоростью передачи сигналов, средней стоимостью, расстояниями переда­чи в пределах радиовидимости, подверженностью всем видам радиопомех.

Инфракрасный канал удобен для передачи инфор­мации по разветвленным каналам связи в пределах прямой видимости. Он образуется с помощью инфракрасных сигна­лов, передаваемых малогабаритными передатчиками и воспри­нимаемых очень чувствительными приемниками. Благодаря инфракрасным частотам канал нечувствителен к электромаг­нитным наводкам, которые могут излучаться силовыми элек­трическими блоками, электросварочными аппаратами и дру­гими агрегатами в условиях работы в производственных по­мещениях.

Ультракоротковолновый канал использует в ос­новном ультракоротковолновую приемопередающую радио- и те­левизионную аппаратуру. Достоинством ультракоротковолново­го канала является возможность использования маломощной приёмопередающей аппаратуры, повышенная помехоустойчивость по отношению к амплитудно-модулированным электромагнитным помехам, воз-можность размещения в рамках ультракоротковол­нового канала большого числа каналов связи, то есть образования поликанала. Освоение диапазона ультракоротких волн по­зволило создать радиорелейные линии.

Рождение спутниковых систем связи полностью решило за­дачу передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Спутниковая система связи включает множество наземных станций и ретранслятор, находящийся на спутнике. Наземные станции отслеживают движение спутника относитель­но Земли до тех пор, пока он не скроется за горизонтом. Ретран­слятор спутника реализован так, что он обеспечивает многостанционный доступ (непосредственный доступ имеют сразу же несколько наземных станций). Линия связи через спутниковый ретранслятор обладает большой пропускной способностью, пе­рекрывает огромные расстояния и вследствие низкого уровня помех может передавать информацию с высокой надежностью. Дополнительные преимущества имеет связь через геостационар­ный спутник. Во-первых, высота геостационарной орбиты тако­ва, что спутник «видит» почти третью часть поверхности земно­го шара, а во-вторых, этот спутник обеспечивает передачу и прием при неподвижных антеннах наземных станций. Основной недо­статок спутниковой связи — высокая стоимость. Однако много­станционный доступ делает удельные затраты на спутниковую связь приемлемыми для практического применения.

Микроволновый канал основан на использовании света для передачи информации, причем в качестве источника информа­ции здесь применяют специальные лазеры. Передавать инфор­мацию с помощью световой несущей можно в двух средах: в ат­мосфере и по искусственному проводнику света — световоду. В атмосфере этот канал работает устойчиво в зоне прямой ви­димости. Величина «прямой видимости» существенно возрас­тает, при использовании световода. Световод — сверхпрозрач­ное стекловолокно. Его малый диаметр (тоньше человеческого волоса) позволяет упаковывать множество световодов в один кабель небольшого диаметра. Такие волоконно-оптические ка­бели прочно удерживают первенство среди высокоскоростных моноканалов. С их помощью можно передавать все виды ин­формации: речь, данные и телевизионные изображения. Они расширяют возможности и устойчивость работы микроволно­вого канала, поскольку заменяют эфир более надежной физи­ческой средой.

Современные коаксиальные кабели имеют разную конструк­цию, предусматривающую внутренний проводник и внешнюю экранирующую поверхность, благодаря которой кабель практи­чески не излучает помехи на любом расстоянии. По технико-эксплуатационным показателям различают широкополосные и узкополосные коаксиальные кабели. Они представляют собой часто используемую физическую среду передачи информации в сети рабочих станций.

Витая пара проводников — самое доступное для массового пользователя средство соединения рабочих станций. Здесь не нужно использовать дефицитные кабели и осуществлять их про­кладку в соответствии с требованиями отраслевых стандартов. Витая пара может быть просто проложена на полу либо по стене временно или постоянно. Поэтому фактическая стоимость раз­работки и эксплуатации каналов передачи данных на основе витой пары самая низкая среди остальных видов моноканалов. В витой паре улучшаются условия защиты от внешних помех по сравнению с одиночным проводником. Однако эти условия значительно хуже, чем в коаксиальных и волоконно-оптичес­ких кабелях.

Плоский кабель представляет собой совокупность проводни­ков, объединенных общей экранирующей сеткой и изолирован­ных друг от друга. Их конструкция ориентирована на передачу информации в параллельном коде по 8, 16 и 32 бита, обычно на небольшие расстояния (до 15 м).

Подключение компьютера к сети несколько напоминает под­ключение электрического прибора (телевизора, холодильника, утюга и пр.) к электрической сети. Компьютер тоже является электрическим прибором, поэтому в сеть питания он включает­ся с помощью розетки и вилки, но «розетка и вилка» нужны компьютеру и для включения в КС. Однако эти «розетка и вил­ка» не столь просты, как электрические. Для эксплуатации эфира необходимы приемники и передатчики, а для работы с коакси­альными, волоконно-оптическими кабелями и витой парой (ко­торые наиболее часто используются для организации сети рабо­чих станций) помимо специальных приемников и передатчиков нужны еще и тройники-ответвители.

Базовые принципы организации КС определяют ее основные характе-ристики: 

•   операционные возможности;

•    производительность;

•    время доставки сообщений;

•    стоимость предоставляемых услуг.

Операционные возможности — перечень основных действий по обработке данных. Компьютеры, входящие в состав КС, обес­печивают пользователей всеми традиционными видами обслу­живания: средствами автоматизации программирования, досту­пом к пакетам прикладных программ, базами данных и однако основной эффект от объединения компьютеров в КС проявляет­ся в полной доступности ресурсов сети для пользователей (або­нентов). Абоненты сети имеют возможность использовать па­мять и процессоры многих компьютеров для хранения и обработки данных. Предоставляемая КС возможность параллель­ной обработки данных многими компьютерами и дублирования необходимых ресурсов позволяет сократить время решения за­дач, повысить надежность системы и достоверность результа­тов. Абонентам КС доступны сосредоточенные в каждом компь­ютере программное обеспечение и базы данных. Пользователи сети имеют возможность построения распределенных баз дан­ных, размещенных в памяти многих компьютеров, создания сложных информационных структур. Информационные связи между абонентами позволяют коллективам пользователей ре­шать задачи моделирования сложных систем, выполнять проек­тные и другие работы, опираясь на распределенное между мно­гими компьютерами программное обеспечение и базы данных. Эти же связи, очевидно, снижают защищенность программного обеспечения и баз данных от несанкционированного воздействия.

Таким образом, сетевая обработка данных — качественно новая организация обработки, при которой, с одной стороны, в значительной степени увеличивается предел сложности и ско­рость решения задач, требующих участия больших коллективов работников, и, с другой стороны, снижается ворог конфиденци­альности хранящейся в КС информации.

Производительность КС (по отношению к задаче) представ­ляет собой суммарную производительность компьютеров, уча­ствующих в решении задачи пользователя. При этом обычно производительность компьютеров означает номинальную произ­водительность их процессоров.

Время доставки сообщений определяется как статистическое среднее время от момента передачи сообщения в сеть до момен­та получения сообщения адресатом.

Понятие «стоимость предоставляемых услуг» вводится здесь без комментариев.