Склад і призначення системного технологічного з абезпечення функціонування мереж

 

Для якісної реалізації ІС компанії необхідні локальні (глобаль­на) обчислювальні мережі.

Локальні обчислювальні мережі ЛОМ чи LAN (Local Area Network), забезпечуючи взаємодію незначної кількості однорідних комп'ютерів на невеликій території, мають порівняно з WAN менш розвинену архітектуру і використовують більш прості методи управ­ління взаємодією вузлів мережі. При цьому невеликі відстані між вузлами мережі й простота керування системою зв'язку дозволя­ють забезпечувати більш високі швидкості передачі даних.

Глобальна обчислювальна мережа WAN (Wide Area Network) являє собою безліч географічно віддалених один від одного комп'ю­терів (так званих host-вузлів), спільна взаємодія яких забезпечуєть­ся комунікаційною мережею передачі даних і спеціальними програ­мами мережної операційної системи. Основу WAN складають поту­жні багатокористувальницькі обчислювальні системи, що являють со­бою різного роду сервери, а також спеціалізовані комп'ютери, що виконують функції комунікаційних вузлів. Користувачі персональ­них комп'ютерів стають абонентами мережі за допомогою підклю­чення своїх ПК саме до цих основних вузлів. Для WAN характерні, по-перше, значний масштаб (як за площею мережі, так і за кількіс­тю вузлів), а, по-друге, неоднорідність (тобто різний тип архітектури і програмного забезпечення комп'ютерів-вузлів). Ці особливості і визначають додаткові складності архітектури й організації взаємо­дії мережних елементів у гетерогенних WAN.

Віртуальні мережі (VLAN) забезпечують можливість створен­ня логічних груп користувачів у масштабі корпоративної мережі шляхом організації користувачів у логічні групи незалежно від фізичного розміщення робочих станцій цих користувачів. Це одне з основних досягнень у мережних технологіях - можливість створювати робочі групи на основі службових функцій користува­чів, не прив'язуючись до мережної топології. Віртуальні мережі дозволяють організувати роботу в мережі більш ефективно.

Віртуальні мережі забезпечують цілий ряд переваг:

• простота внесення змін у мережу, додавання чи вилучення при­строїв;

• більш ефективне використання обмежених мережних ресурсів;

• високий рівень гарантування безпеки.

Можливість організації віртуальних ЛОМ обумовлена пере­ходом від середовищ, що поділяються, до середовищ, що комуту­ються.

Для коректної роботи ЛОМ і зменшення витрат на їх ство­рення необхідно здійснити проектування топології ЛОМ і ви­брати мережну операційну систему, на базі якої функціонуватиме ЛОМ. Для з'єднання фізичних компонентів у ЛОМ можуть за­стосовуватися:

• топологія зірки;

• кільцева топологія;

• шинна топологія;

• ієрархічна топологія.

Топологією зірки називають архітектуру ЛОМ, за якої усі ву­зли мережі з'єднані з одним центральним вузлом.

Кільцевою топологією називають архітектуру ЛОМ, за якої кожний вузол зв'язаний із двома іншими, і всі вузли разом утво­рюють кільце.

Шинною топологією називають архітектуру ЛОМ, при якій усі вузли підключені до загального лінійного інформаційного каналу.

Ієрархічною топологією називають архітектуру ЛОМ, за якої вузли поєднуються у групи (кластери) із загальним контроле­ром, причому правила взаємодії між вузлами всередині одного кластера і між вузлами інших кластерів різні.

Передача даних по каналу зв'язку, що з'єднує два вузли мережі. Коротко термін «дані» означає одиниці, що передають значення чи зміст. Безперервні (аналогові) дані мають безперерв­но змінювані в деякому інтервалі часу значення. Як приклад аналогових даних можна навести звук, що змінюється в часі. Дискретні дані мають дискретні значення, їх прикладами мо­жуть служити текст і числа. У системах зв'язку дані передають­ся з однієї точки в іншу за допомогою електричних сигналів.

Аналоговий сигнал є електромагнітною хвилею, що постійно змінюється і залежно від її частоти може передаватися у різних середовищах. Прикладами таких середовищ можуть служити звичайний провід, кручена пара, коаксіальний кабель, оптико-волоконний кабель, атмосфера.

Дискретний сигнал являє собою послідовність імпульсів на­пруги, що може передаватися по провідній лінії. При цьому рі­вень постійної позитивної напруги може становити двійкову оди­ницю, а рівень постійної негативної напруги може становити двій­ковий нуль.

Будь-які дані (як безперервні, так і дискретні) можуть бути представлені й передані за допомогою як аналогових, так і дис­кретних сигналів.

Безперервні дані можуть бути представлені безпосередньо еле­ктромагнітним сигналом. Кращим прикладом цього є телефон. Тут на вході звук перетворюється в електромагнітний сигнал, що на виході за допомогою зворотної процедури знову перетворить­ся на звук.

Дискретні дані також можуть бути подані безпосередньо за допомогою дискретних сигналів (наприклад, у бінарній формі рі­внів напруги), що й використовується сьогодні в дискретних ком­п'ютерах. Однак дискретні дані можуть бути передані й аналого­вими сигналами за допомогою такого пристрою, як модем.

Модем (модулятор/демодулятор) – пристрій на вході лінії зв'язку, що перетворює серію бінарних (два рівні) імпульсів на­пруги в аналоговий сигнал шляхом певної модуляції його несу­чої частоти.

Сформований у такий спосіб аналоговий сигнал передається прийнятим для модульованої частоти середовищем (звичайно використовується смуга частот телефонних ліній, призначених для передачі розмови). На іншому кінці лінії зв'язку аналогіч­ний модем за допомогою процедури демодуляції одержує оригі­нал дискретних даних у вигляді послідовності імпульсів напру­ги. Нарешті, за допомогою операції перетворень сигналів, що по­дібна на виконувану модемом модуляцію/демодуляцію. Можна для передачі безперервних даних використовувати цифрові сиг­нали. Прикладом такого роду перетворювачів, використовува­них у даний час при цифровій передачі розмови, є кодек.

Кодек (кодер/декодер) – це пристрій, який перетворює анало­говий сигнал на одному кінці дискретної лінії зв'язку, що відпо­відає мовним даним, у потік двійкових 1 і 0. На виході лінії аналогічний кодек реконструює потік біт у мовні дані.

В основі передачі аналогових сигналів лежить передача без-перервного сигналу постійної частоти, що називається несучим сигналом. Дискретні дані при передачі по аналогових лініях зв'я­зку модулюються зміною однієї з трьох характеристик несучого сигналу - амплітуди, частоти чи фази - або їх комбінаці­єю. Найбільш загальним прикладом використання дискретних сигналів для передачі безперервних даних є відцифровування мови. Відцифровування безперервного сигналу здійснюється шляхом його розбивання на частини зі швидкістю, що перевищує більш ніж удвічі частоту оригіналу.

Основними перевагами сучасної цифрової передачі даних по­рівняно з традиційною аналоговою є, по-перше, відносна дешеви­зна використання дискретних сигналів, а по-друге, вони менше піддаються впливу шумів, отже, мають велику опірність до мож­ливого перекручування переданої інформації. Основним же не­доліком цифрової передачі порівняно з аналоговою є більш шви­дке згасання сигналу при його русі в передавальному середови­щі. Згасання дискретного сигналу посилюється як при збіль­шенні відстані, так і при збільшенні частоти зміни двійкових імпульсів напруги.

Для усунення негативних наслідків згасання сигналів у дис­кретних системах передачі даних через певну відстань викорис­товуються пристрої-повторювачі.

Повторювачі –пристрої, що, одержуючи згасаючий сигнал, цілком відновлюють дані, які містяться в ньому (і складаються з 0 і 1), та передають далі відновлений і посилений сигнал. Така технологія вигідно відрізняється від використання для боротьби зі згасанням сигналів у традиційних аналогових системах пере­дачі даних пристроїв-підсилювачів.

Підсилювачі – пристрої, що через певну відстань підсилюють переданий сигнал. Просте посилення енергії прийнятого сигналу збільшує також і накладені на нього компоненти шуму. У цьому випадку, проходячи значну відстань через каскад підсилювачів, смисловий зміст сигналу все більше й більше втрачається. Тому сучасна технологія передачі дискретних даних за допомогою без­перервних сигналів також використовує аналоги пристроїв-повторювачів, що одержують з аналогового сигналу дискретні дані, відновлюючи їх, а потім генерують і передають далі новий, «чис­тий» аналоговий сигнал.

Як у локальних, так і у великомасштабних мережах бувають випадки, коли пропускна здатність передавального середовища перевищує необхідну для передачі одиничного сигналу. Економі­чне використання високошвидкісного магістрального каналу зв'я­зку для одночасної передачі по ньому декількох сигналів відоме як мультиплексування.

Мультиплексування з поділом частот (FDM) ґрунтується на тому, що загальна смуга корисних частот одного високошви­дкісного каналу зв'язку розділяється на декілька непересічних підсмуг, які називаються каналами. У рамках кожного з каналів здійснюється незалежна передача тільки одного сигналу зі своєї несучої, а загальна кількість одночасно переданих сигналів ви­значається кількістю каналів.

Мультиплексування з тимчасовим поділом (ТОМ) ґрунту­ється на тому, що швидкість передачі двійкових даних по магіс­тральному каналу значно перевищує необхідну швидкість для передачі одиничного дискретного сигналу. У цьому випадку пор­ції декількох дискретних сигналів можуть по черзі передаватися по загальному середовищу, тим самим спільно використовуючи його. Послідовність часових інтервалів використання спільного середовища для передачі даних певним сигналом за аналогією з FDM називається каналом.

Слід зазначити, що існують випадки спільного застосування FDM і ТОМ. Загальна смуга частот передавального середовища може бути розбита на кілька частотних каналів, кожний з яких далі поділяється на підканали за допомогою часового поділу.

Технологія ATM (Asynchronous Transfer Mode - асинхрон­ний режим передачі) є комутованою технологією, що призначена для одночасної передачі голосу і даних у формі пакетів. ATM організує дані у короткі пакети фіксованої довжини, використан­ня яких зменшує час на обробку і дозволяє забезпечити більш рівномірне завантаження процесора. Передбачуваний час їх про­цесорної обробки дозволяє забезпечити ефективне, високошвидкісне керування змішаним трафіком «голос-дані», оскільки в ATM для комутації використовуються спеціалізовані контролери.

Передача даних між двома вузлами по комунікаційній ме­ режі. Пристрої, що взаємодіють між собою через мережу, прий­нято називати станціями. Як станції можуть використовуватися комп'ютери, термінали, принтери й інше комунікаційне устатку­вання. У загальному випадку не завжди станція-передавач і станція-приймач безпосередньо зв'язані одна з одною лінією зв'язку. За відсутності прямого каналу для передачі даних від джерела споживачеві використовується передача через проміжні, комуні­ каційні вузли мережі, які зв'язані між собою лініями зв'язку і до яких підключаються мережні станції. Основною функцією даних вузлів є забезпечення передачі транзитної інформації від вузла до вузла незалежно від її змісту.

Безліч комунікаційних вузлів разом із каналами, що з'єдну­ють їх, утворюють комунікаційну мережу, яка іноді називається також підмережею зв'язку. Якщо станціями, що підключаються до вузлів комунікаційної мережі, є комп'ютери й термі­нали, то підмережа зв'язку з підключеними до неї станціями утво­рює обчислювальну мережу.

Слід зазначити, що наявність підмережі зв'язку з комуніка­ційними вузлами є відмітною рисою великомасштабних обчислю­вальних мереж, у яких для передачі даних через транзитні вузли використовують один із трьох базових методів - комутацію ка­налів, повідомлень чи пакетів.

Метод комутації каналів використовується в мережах у тому випадку, якщо між двома станціями необхідно установити безпо­середнє фізичне канальне з'єднання. Це з'єднання встановлюєть­ся у комунікаційних вузлах мережі до початку передачі даних. Типовим прикладом використання комутації каналів є звичай­на телефонна мережа.

Реалізація в мережі методу комутації каналів визначається у виконанні послідовності з трьох фаз:

1) фази встановлення з'єднання між парою «станція - станція»;

2) фази двоспрямованої передачі даних по мережі;

3) фази роз'єднання сполучення після завершення обміну даними й звільнення заздалегідь зарезервованих ресурсів.

Метод комутації повідомлень являє собою реалізацію прин­ципу поетапної передачі даних із проміжним збереженням. Тут немає необхідності заздалегідь резервувати весь шлях між двома станціями. Повідомлення послідовно передається по мережі від вузла до вузла, які у цьому випадку є комп'ютерами, що організу­ють проміжне збереження транзитних повідомлень і їх маршру­тизацію під час передачі по мережі. Для маршрутизації кожне по­відомлення забезпечується заголовком з мережними адресами станції-передавача й станції-приймача.

Комутація повідомлень збільшує ефективність використання ліній зв'язку; дозволяє уникнути блокувань мережі при збільшенні мережного трафіку; забезпечує можливості встановлення пріори­тетного обслуговування повідомлень, здійснення контролю за помилками передачі і використання процедур відновлення пере­кручених чи загублених даних, а також дозволяє взаємодіяти через мережу користувачам навіть у разі використання ними різних швидкостей передачі й кодів подання даних.

Метод пакетної комутації повідомлень у даний час використовується у двох модифікаціях - у режимі дейтаграм і в режимі віртуальних каналів.

Режим дейтаграм є прямим розвитком комутації повідом­лень, де повідомлення попередньо розбиваються на невеликі фік­сованого розміру порції (пакети). Кожний пакет при передачі по комунікаційній мережі є цілком незалежною одиницею. Для цього він забезпечується своїм заголовком, де вказуються мережні ад­реси відправника й одержувача повідомлення, а також порядко­вий номер окремого пакета у всьому повідомленні.

Пакетна комутація, однак, має і негативні сторони. З одного боку, при її використанні збільшується обсяг додаткової службо­вої інформації, що передається по мережі (заголовки окремих пакетів). З іншого – у режимі дейтаграм існує проблема органі­зації збирання переданого повідомлення у вузлі призначення. Ця проблема пов'язана з тим, що окремі пакети, проходячи різними маршрутами по підмережі зв'язку, надходитимуть у кінцевий ву­зол призначення в неупорядкованій послідовності.

Режим віртуальних каналів є спробою поєднати переваги ме­тоду комутації каналів і методу комутації повідомлень. При цьому підході ще до відправлення по мережі першого інформаційного пакета між двома кінцевими пунктами організується логічне з'єд­нання, пов'язане з реалізацією трьох фаз, які властиві методу комутації каналів (фази встановлення сполучення, фази двосп­рямованої передачі даних і фази роз'єднання сполучення).

Маршрутизація

Маршрутизація між віртуальними ЛОМ до­зволяє розділити ресурси і скоротити широкомовний трафік до мінімуму. Для цього використовуються мости й маршрутизатори - пристрої, що дозволяють з'єднувати локальні мережі між со­бою і з WAN-мережами. Таке з'єднання надає користувачам мо­жливість поділу даних і ресурсів у локальних і розподілених мережах. Функції мостів і маршрутизаторів подібні, однак працю­ють ці пристрої по-різному.

Мости передають дані з однієї мережі в іншу, не змінюючи змісту вихідних кадрів ЛОМ. Мости забезпечують сегментацію мережі, що дозволяє вирішити проблему насичення полоси. Од­нак мости неприйнятні для великих мереж, оскільки вони пропускають широкомовний трафік і всі пакети з невідомими адре­сами. Проблему широкомовного трафіку спочатку вирішували за допомогою маршрутизаторів, а тепер для цього застосовуються комутатори.

Маршрутизатори, на відміну від мостів, вносять зміни в при­йняті кадри ЛОМ і передають їх після обробки в мережу, де розміщений адресат. Маршрутизатори мають переваги перед мостами з погляду обробки широкомовного трафіку, дозволяючи ізолювати його всередині однієї ЛОМ. Маршрутизатори також можуть бути ефективнішими за мости у використанні WAN-ка­налів.

Комутація є оптимальним рішенням, яке забезпечує високу пропускну здатність і малі затримки та позбавляє необхідності передачі широкомовного трафіку через низькошвидкісні WAN-канали. Використання комутації усередині ЛОМ забезпечує високошвидкісний зв'язок між станціями й серверами.

Комутатори — пристрої, що автоматично відстежують нове місце розміщення користувача (закріпленого за ним пристрою) у мережі при переміщенні користувача і забезпечують можли­вість продовження роботи користувача без зміни кабельної сис­теми і зміни параметрів конфігурації мережі.

Протоколи зв'язку

Для подолання розходжень при викорис­танні в обчислювальних мережах апаратно-програмних засобів різних виробників і розбіжностей в окремих модифікаціях цих засобів навіть одного виробника Міжнародна організація стандар­тів (ISO) розробила модель взаємодії відкритих систем (OSI), що поєднує серію рекомендацій з мережної взаємодії неоднорідних си­стем (комп'ютерів, терміналів, процесів, засобів зв'язку і т.д.). Те­рмін «відкриті системи» підкреслює можливість взаємодії будь-яких двох систем за допомогою відповідних рекомендацій.

Модель OSI втілює структурований підхід до опису багаторів­невої ієрархії протоколів (правил і угод) мережної взаємодії у рам­ках єдиної архітектури. Дана модель передбачає не безпосереднє з'єднання двох взаємодіючих абонентів мережі, а можливість вико­ристовувати порожнини зв'язку з кожним із методів комутації.

Кожна система-абонент мережі у рамках моделі OSI має сім рівнів (номери рівнів - від 1 до 7). Абоненти можуть взаємодіяти між собою у рамках кожного із семи рівнів із використанням відповідного протоколу. Водночас кожний з рівнів використовує при взаємодії абонентів послуги нижчого рівня і забезпечує свої­ми послугами вищий рівень. Тому логічна взаємодія різних сис­тем на однакових рівнях забезпечується міжрівневою передачею інформації у кожній із систем.

Коли прикладний процес однієї системи надсилає повідомлен­ня прикладному процесу іншої системи, він направляє дані на рі­вень 7. При цьому дані забезпечуються заголовком відповідно до правил протоколу сьомого рівня (це називається інкапсуляцією даних). Потім ці дані разом із заголовком передаються на рі­вень 6, де вони розглядаються як єдине ціле. На цьому рівні до даних додається заголовок протоколу шостого рівня (повторна інкапсуляція). Зазначений процес повторюється до рівня 1, що передає інкапсульовані дані по лінії зв'язку суміжному вузлу. Коли дані досягнуть місця призначення, до них застосовується зворотна процедура. Тут на кожному з рівнів згідно з відповідним протоко­лом вилучається заголовок цього рівня, а дані передаються на вищий рівень. Зазначимо, що аналогічні процедури для 1-го, 2-го і 3-го рівнів виконуються й у транзитних комунікаційних вузлах.

Наявність у моделі OSI занадто великої кількості рівнів ускладнила реалізацію протоколів, а самі ці про­токоли набули повільності, отже, і неефективності. Більш того, можна вважати, що в даний час стандартом де-факто для великомасштабних мереж є сім’я мережних протоколів, об'єдна­них загальною назвою TCP/IP.

Протоколи TCP/IP базуються на більш простій чотирирівневій схемі. Нижній (канальний) рівень визначає стандарти (про­токол Address Resolution Protocol, ARP) мережних апаратних засобів, адрес і драйверів пристроїв. Другий (мережний рівень) визначає правила базових комунікацій, логічної адресації вузлів і маршрутизації пакетів (протоколи Internet Protocol, IP і Internet Control Message Protocol, ІСМР). Протоколи третього (транспорт­ного) рівня (Transmission Control Protocol, TCP і User Datagram Protocol, UDP) забезпечують установлення з'єднання між двома програмами у мережі як у режимі віртуальних каналів, так і в режимі дейтаграм. Протоколи вищого (прикладного) рівня (rlogin, talk, ftp, ntp, NFS, DNS, traceronte та ін.) визначають правила взає­модії прикладних програм кінцевих користувачів.