Класс информационных сетей как открытые информационные системы

 

Суть сети – это соединение разного оборудования, а значит, проблема совместимости является одной из наиболее острых. Эту проблему решают стандарты взаимодействия открытых систем.

Каждая открытая система предназначена для выполнения двух задач – обработки данных и передачи данных. Поэтому она состоит из двух частей (рис. 2.1). Первая из них – прикладные процессы, предназначена для обработки данных и в первую очередь для нужд пользователей. Вторая часть – область взаимодействия, которая обеспечивает передачу данных между прикладными процессами, расположенными в различных системах.

Рис. 2.1. Структура открытой системы.

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем.

Многоуровневый подход заключается в следующем. Все множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерархию, то есть имеются вышележащие и нижележащие уровни. Множество модулей, составляющих каждый уровень, сформировано таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему.

Сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, обмениваются информацией в соответствии с некоторым протоколом. Протокол – protocol – набор правил, которым следуют компьютеры и программы при обмене информацией. Существует масса различных протоколов, которые управляют всеми аспектами связи и передачи данных – от аппаратного до прикладного уровня, но все они сходны в том, что задают правила, делающие связь возможной.

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Модели и структуры информационных сетей

Сетевые топологии

 

Под топологией – topology – информационной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи.

Важно отметить, что понятие топологии относится прежде всего к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по своему пути.

 

3.1.1 Топология "Шина"

Шинная топология представляет собой топологию, в которой все устройства локальной сети подключаются к линейной сетевой среде передачи данных – шине или трассе.

Рис. 3.1. Топология "Шина".

Каждое устройство независимо подключается к общему шинному кабелю с помощью специального разъема. Шинный кабель должен иметь на конце согласующий резистор, или терминатор, который поглощает электрический сигнал, не давая ему отражаться и двигаться в обратном направлении по шине.

Достоинства топологии:

– небольшое время установки сети;

– дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств);

– простота настройки;

– выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети.

Недостатки топологии:

– любые неполадки в сети, как обрыв кабеля, выход из строя терминатора полностью уничтожают работу всей сети;

– сложная локализация неисправностей;

– с добавлением новых рабочих станций падает производительность сети.

3.1.2 Топология "Кольцо"

При использовании кольцевой топологии все компьютеры сети подключаются последовательно друг к другу, образуя замкнутую сеть.

Рис. 3.2. Топология "Кольцо".

В кольце, в отличие от других топологий, не используется конкурентный метод посылки данных, компьютер в сети получает данные от стоящего предыдущим в списке адресатов и перенаправляет их далее, если они адресованы не ему.

Достоинства топологии:

– простота установки;

– практически полное отсутствие дополнительного оборудования;

– возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи при загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность коллизий.

Недостатки топологии:

– выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети;

– сложность конфигурирования и настройки;

– сложность поиска неисправностей.

3.1.3. Топология "Двойное кольцо"

Эта топология использует два кольца, соединяющих компьютеры.

Рис. 3.3. Топология "Двойное кольцо".

Два кольца образуют основной и резервный путь для передачи данных. Часто данные по первому кольцу передаются в одном направлении, а по второму в обратном. При выходе из строя одного кольца оно объединяется со вторым, и сеть продолжает функционировать.

3.1.4 Топология "Звезда"

При такой топологии все компьютеры сети присоединяются к одному центральному узлу с использованием отдельных линий связи.

а)	б)

а – активная "Звезда"; б – пассивная "Звезда";

Рис. 3.4. Топология "Звезда".

Передача данных осуществляется через центральный узел. При использовании концентрата в качестве центрального узла, только одна рабочая станция в сети в определенный момент времени может передавать данные. В случае применения коммутатора этот недостаток отсутствует.

Достоинства топологии:

– выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;

– хорошая масштабируемость сети;

– легкий поиск неисправностей и обрывов в сети;

– высокая производительность сети (при условии правильного проектирования);

– гибкие возможности администрирования.

Недостатки топологии:

– выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом;

– для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;

– конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

Ячеистая топология

Ячеистая топология – базовая полносвязная топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция сети соединяется со всеми другими рабочими станциями этой же сети.

Рис. 3.5. Ячеистая топология.

Достоинства топологии:

– высокая отказоустойчивость;

– повышенная пропускная способность;

– высокий уровень безопасности, т.к. поток информации идет от компьютера-отправителя к получателю напрямую.

Недостатки топологии:

– сложность настройки;

– избыточный расход кабеля;

– потребность наличия нескольких сетевых интерфейсов на компьютерах сети.

 

3.1.6 Топология "Решетка"

Это топология, в которой узлы образуют регулярную многомерную решетку. При этом каждое ребро решетки параллельно ее оси и соединяет два смежных узла вдоль этой оси.

Одномерная решётка – это цепь, соединяющая два внешних узла (имеющие лишь одного соседа) через некоторое количество внутренних (у которых по два соседа – слева и справа). При соединении обоих внешних узлов получается кольцевая топология. Двух- и трехмерные решетки используются в архитектуре суперкомпьютеров.

а)	б)

а – одномерная "Решетка"; б – двумерная "Решетка";

Рис. 3.6. Топология "Решетка".

Достоинства топологии:

– высокая надежность;

– высокая отказоустойчивость.

Недостатки топологии:

– сложность реализации.

Технологии локальных сетей

Локальная сеть Token Ring

Этот стандарт разработан фирмой IBM. В качестве передающей среды применяется неэкранированная или экранированная витая пара или оптоволокно. В качестве метода управле­ния доступом станций к передающей среде используется метод - маркерное кольцо (Token Ring). Основные положения этого метода:

– устройства подключаются к сети по топологии кольцо;

– все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

– в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом.

В сети можно подключать компьютеры по топологии звезда или кольцо.

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.

 

Локальная сеть Arcnet

Arcnet – a ttached r esource c omputer netw ork – простая, недорогая, надежная и достаточно гибкая архитектура локальной сети, разработанная корпорацией Datapoint. В качестве передающей среды используются витая пара, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель. При подключении устройств в Аrcnet применяют топологии шина и звезда. Метод управления доступом станций к передающей среде – маркерная шина (Token Bus). Этот метод предусматривает следующие правила:

– все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

– в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом;

– данные, передаваемые одной станцией, доступны всем станциям сети.

В сети Arcnet можно использовать две топологии: звезда и шина.

 

Локальная сеть Ethernet

Спецификацию Ethernet предложила компания Xerox Corporation. Позднее к этому проекту присоединились компании Digital Equipment Corporation (DEC) и Intel Corporation. Различия между ними незначительные.

На логическом уровне в Ethernet применяется топология шина:

– все устройства, подключенные к сети, равноправны, то есть любая станция может начать передачу в любой момент времени (если передающая среда свободна);

– данные, передаваемые одной станцией, доступны всем станциям сети.

На физическом уровне Ethernet поддерживает любую топологию сети.

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

– 10Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента 500 метров (без повторителей).

– 10Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента 185 метров (без повторителей).

– 10Base-T – кабель на основе неэкранированной витой пары. Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом не более 100 м.

– 10Base-F – волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации с максимальной длиной сегмента до 2000 м.

Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мбит/с. Слово Base – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband – широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

 

Технология FDDI

FDDI – f iber d istributed d ata i nterface – оптоволоконный интерфейс распределенных данных. Это первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является оптоволокно. Работы по созданию технологий и устройств для использования волоконно-оптических каналов в локальных сетях начали проводиться институтом ANSI. В результате появились начальные версии стандарта FDDI, который обеспечивал передачу кадров со скоростью 100 Мбит/с по двойному волоконно-оптическому кольцу длиной до 100 км.

Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI: для обеих характерны кольцевая топология и маркерный метод доступа.

Технология FDDI является наиболее отказоустойчивой технологией локальных сетей. При однократных отказах кабельной системы или станции сеть, за счет "сворачивания" двойного кольца в одинарное, остается вполне работоспособной.

Маркерный метод доступа FDDI работает по-разному для синхронных и асинхронных кадров (тип кадра определяет станция). Для передачи синхронного кадра станция всегда может захватить пришедший маркер на фиксированное время. Для передачи асинхронного кадра станция может захватить маркер только в том случае, когда маркер выполнил оборот по кольцу достаточно быстро, что говорит об отсутствии перегрузок кольца. Такой метод доступа, во-первых, отдает предпочтение синхронным кадрам, а во-вторых, регулирует загрузку кольца, притормаживая передачу несрочных асинхронных кадров.

В качестве физической среды технология FDDI использует волоконно-оптические кабели и неэкранированную витую пару 5 категории. Максимальное количество станций двойного подключения в кольце 500, максимальный диаметр двойного кольца 100 км. Максимальные расстояния между соседними узлами для многомодового кабеля равны 2 км, для витой пары UTP 5 категории 100 м, а для одномодового оптоволокна зависят от его качества.