Компоненты информационных сетей

 

Информационная сеть – это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов:

- компьютеров;

- коммуникационного оборудования;

- операционных систем;

- сетевых приложений.

Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов – от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.

Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время большую роль стали играть коммуникационные устройства: кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать.

Большое значение для сети имеет также выбор операционной системы. От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети нужно учитывать, насколько просто данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.

Самым верхним слоем сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.

Для управления информационной сетью, образуемой коммуникационной подсетью, к которой подключается необходимое число абонентских систем, используется одна либо несколько административных систем.

Абонентские системы в зависимости от характера выполняемых прикладных процессов делятся на три группы. Рабочей назовем систему, представляющую основные информационные ресурсы широкому кругу пользователей, работающих с ними через коммуникационную подсеть. Терминальная система обеспечивает взаимодействие пользователей через коммуникационную подсеть с информационными ресурсами рабочих систем. Кроме того, терминальная система предоставляет местный сервис для нужд ее пользователей. Часто роль терминальной системы выполняет персональный компьютер. В этом случае с системой работает один пользователь, последняя именуется рабочим местом. Нередко в сети используются комбинированные системы, каждая из которых выполняет функции как рабочей, так и терминальной систем. Естественно, что в комбинированной системе обеспечивается связь не только с удаленными информационными ресурсами, но также и с теми ресурсами, которые расположены в этой системе.

Коммуникационные подсети

 

Коммуникационная подсеть предназначена для передачи информации между большим числом абонентских систем и является базой, на которой строится вся информационная сеть. Коммуникационная подсеть в свою очередь создается на основе стандартных компонентов, главные из которых представлены на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Компоненты коммуникационной подсети.

В состав подсети входит один либо несколько комплексов физических средств соединения (ФСС). При использовании нескольких комплексов ФСС, последние соединяются при помощи ассоциативных систем.

Каждый комплекс ФСС состоит из одного либо группы параллельно прокладываемых каналов передачи данных. Кроме того, ФСС имеют несложные оконечные устройства, образующие интерфейсы для подключения к ним систем.

Через один канал может работать две либо более систем. Поэтому каждый канал имеет два либо более оконечных устройств. ФСС нередко содержат также специальные устройства, выполняющие специфические функции, например, смеситель световых сигналов. В качестве физической среды, в каналах ФСС используются эфир, оптические волокна и металлические нити.

Таким образом, коммуникационная подсеть состоит из двух видов компонентов: ФСС и ассоциативных систем. Естественно, что в ряде простых подсетей ассоциативные системы могут отсутствовать.

Пример коммуникационной подсети показан на рис. 8.2. Подсеть состоит из семи физических средств соединения А–Ж и трех ассоциативных систем. В концевых точках коммуникационной подсети подключаются абонентские системы, создавая информационную сеть.

Коммуникационные подсети чрезвычайно разнообразны и определяются многими параметрами, к которым в первую очередь относятся: эффективность, сложность и надежность; протяженность и скорость передачи данных; число соединяемых абонентских систем и объем потоков передаваемой информации.

Рис. 8.2. Структура коммуникационной подсети.

Любая коммуникационная подсеть передает от абонентской системы-отправителя к абонентской системе-получателю информацию, содержащуюся в блоках данных. Каждый такой блок содержит определенную порцию информации и дополнительные сведения необходимые для передачи через коммуникационную подсеть, например, адрес назначения блока, проверочную последовательность битов, необходимую для определения появляющихся ошибок. Как правило, передаваемая информация не помещается в один блок данных. Поэтому абонентская система делит предназначенную для передачи порцию информации на множество блоков, а система, их принимающая, из блоков восстанавливает полученную порцию в исходном виде. Данные передаются через коммуникационную подсеть либо в виде одного блока, либо в виде последовательности определенного числа блоков. Коммуникационные подсети характеризуются многими свойствами. Важнейшими из них являются те, которые определяют способы поставки информации конкретным адресатам. В этом отношении коммуникационные подсети делятся на два класса. К первому из них относятся коммуникационные подсети с селекцией информации. Они характеризуются тем, что в них любой блок данных передается от одной абонентской системы-отправителя всем абонентским системам. Системы, получив очередной блок данных, проверяют адрес его назначения. Система, которой адресован блок, принимает его, остальные системы отвергают этот блок. В результате происходит селекция информации, которая позволяет посылать блоки данных одной группе, а также сразу всем абонентским системам, подключенным к коммуникационной подсети. Подсети с селекцией информации делятся на две группы: моноканальные (моноканал) и циклические. Они различаются тем, что в подсети первой группы каждый посланный блок данных попадает ко всем абонентским системам практически одновременно, а в подсети второй группы каждый передаваемый блок доставляется всем абонентским системами последовательно (по очереди), проходя мимо каждой из них.

Из рис. 8.3 следует, что моноканал строится на основе общего канала, к которому через специальные устройства подключаются абонентские системы (АС).

Рис. 8.3. Структура моноканала.

Циклическая коммуникационная подсеть, часто именуемая циклическим кольцом (рис. 8.4) – это канал, имеющий кольцевую форму. В это кольцо врезаются абонентские системы, деля его на сегменты.

Рис. 8.4. Циклическое кольцо.

Ко второму классу относятся коммуникационные подсети с маршрутизацией информации. В этих подсетях передача данных в отличие от сетей предыдущего класса осуществляется от одной абонентской системы-отправителя к другой абонентской системе-получателю. Для обеспечения такой доставки информации в коммуникационной подсети используются один либо более узлов коммутации, поэтому рассматриваемую подсеть именуют узловой. Пример узловой подсети дан на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Узловая подсеть.

Подсеть состоит из трех узлов коммутации, а также каналов, соединяющих узлы друг с другом и с четырьмя абонентскими системами А–Г. Каждый узел коммутации принимает блоки данных и передает далее по различным направлениям в зависимости от адресов их назначения. Благодаря этому в подсети осуществляется маршрутизация информации – прокладка через коммуникационную подсеть трактов, связывающих абонентские системы.

Моноканальные, циклические и узловые подсети нередко конкурируют друг с другом. При этом нужно иметь в виду, что моноканальные и узловые подсети могут быть как локальными, так и территориальными. Что же касается циклических подсетей, то они являются только локальными.

Таблица 8.1.

Сравнительные характеристики коммуникационных подсетей.

Подсеть	Гибкость	Расширяемость	Стоимость подключения АС	Надежность
Моноканал	Высокая	Высокая	Низкая	Высокая
Циклическое кольцо	Средняя	Средняя	Умеренная	Низкая
Узловая подсеть	Низкая	Зависит от производительности узлов	В начале высокая, уменьшается при увеличении размера	Средняя

Из сравнения трех указанных видов подсетей (таблица 8.1) следует, что моноканал имеет перед другими подсетями преимущества в гибкости, расширяемости, надежности.

Моноканальные подсети

 

Как показано в предыдущем разделе моноканалом является коммуникационная подсеть, в которой любой блок данных, переданный абонентской системой-отправителем, достигает, с точностью до скорости распространения по нему сигналов сразу всех абонентских систем.

Топологии моноканалов довольно разнообразны. Так, на рис. 9.1 показаны три вида моноканала: магистральный (а), звездообразный (б), древовидный (б). Точками обозначены места подключения абонентских систем. Все их объединяет единый принцип – если в одной из точек интерфейса подсети появился сигнал, переданный абонентской системой, то он достигнет всех точек моноканала, включая исходную. Сложные моноканалы разбивают на части, именуемые секциями. Секций, соединяясь друг с другом, образуют единый канал. Такой подход позволяет повысить надежность и помехоустойчивость моноканала.

Рис. 9.1. Топология моноканалов.

Структура магистрального моноканала (рис. 9.2) состоит из двух основных частей: общего канала и его оконечных устройств – блоков доступа (БД). Канал строится на основе различных форм физической среды: эфира, оптических волокон, металлических нитей. Блоки доступа необходимы для стыковки абонентских систем А–М с моноканалом в точках его интерфейса.

Рисунок 9.2 – Структура магистрального моноканала

Абонентская система здесь и далее представляется в виде двух технических устройств: терминальное оборудование и станция. Последняя выполняет функции стыковки основной части системы – терминального оборудования с сетью. Главной задачей терминального оборудования является выполнение прикладных процессов.

Выбор физических средств моноканала зависит от предъявляемых к ним требований, среди которых, в первую очередь – скорость передачи сигналов, надежность работы, стоимость средств.

В зависимости от способа передачи сигналов по моноканалам, последние делятся на два вида: физические и частотные. Физическим назовем канал, через который возможна одновременная передача только одного сигнала. В частотном канале за счет создания частотных полос одновременно передается группа сигналов (по каждой полосе по сигналу).

Физический моноканал строится на основе коаксиального либо оптического кабеля, скрученной пары проводов, плоского кабеля, через который одновременно направляется только один сигнал. Последний использует физическую среду полностью.

Частотный моноканал, напротив, занимает только одну полосу в используемой физической среде. Так, на рис. 9.3 показана группа частотных каналов, построенных на основе широкополосного коаксиального кабеля. Для упрощения рисунка здесь изображены лишь две используемые полосы: а, б. В действительности же в кабеле создается значительное число частотных полос, на основе которых строится большое число частотных моноканалов.

Рис. 6.3. Частотный моноканал.

На основе двух частотных моноканалов, образованы две несвязанные друг с другом информационные сети. Первая из них охватывает абоненты А1–М1, а вторая – А2–М2.

Частотные моноканалы чаще всего создаются на основе коаксиальных кабелей. В этих случаях общий канал кроме собственного кабеля имеет значительное число вспомогательных технических устройств: усилителей, разветвителей и т.д. Так как они пока являются однонаправленными, это создает определенные трудности: сигналы по общему каналу передаются только в одну сторону. Вследствие этого приходится принимать специальные меры. Первая из них заключается в том, что общий канал прокладывается так, чтобы он дважды проходил мимо всех: абонентских систем. Далее происходит следующее. В первой сети (полоса а, стрелки) общий канал (в верхней его части) вначале собирает информацию, передаваемую абонентами А1–М1. Затем в нижней части канала осуществляется раздача полученной информация абонентам А1–М1. Аналогично этому абоненты А2–М2 передают информацию через моноканал, созданный на основе частотной полосы б.

Вторая специальная мера заключается в добавлении к общему каналу компонента, именуемого головным преобразователем (рис. 9.4). Его задачей является передача сигналов из одного частотного канала в другой. Появление в моноканале головного преобразователя, естественно, усложняет его структуру. Однако в этом случае общий канал не должен дважды проходить мимо всех абонентских систем. Это позволяет вдвое сократить длину дорогостоящего кабеля.

Рис. 9.4. Моноканал с преобразователем частоты.

Вместе с тем каждый частотный моноканал использует уже не одну, а две частотные полосы. По одной из них (например, а) информация собирается со всех абонентских систем. По второй частотной полосе (например, б) информация раздается всем абонентским системам сети. Головной преобразователь осуществляет преобразование частот, обеспечивающее соединение пар частотных полос, например полос а, б.

Часто для увеличения производительности числа подключаемых абонентских систем и пропускной способности физический моноканал создается в виде группы соединяемых друг с другом секций. Секции соединяются друг с другом ассоциативными системами. В результате создается многосекционный моноканал.

В коммуникационных подсетях все шире начинают применяться оптические моноканалы. Это связано с тем, что оптическое волокно по сравнению с металлом имеет ряд важных преимуществ. К ним, прежде всего, следует отнести высокую защищенность от электромагнитных помех, малую массу и отсутствие все более дефицитной меди.

Однако при создании оптического моноканала возникают и определенные трудности. Главная из них заключается в том, что изготовление оптического канала с большим числом ответвлений сегодня еще является сложной задачей. Кроме того, свет по оптическому волокну передается пока только в одном направлении. Это требует создания особой структуры моноканала.

Моноканал, в котором сигналы по оптическим волокнам передаются только в одном направлении, показан на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Оптический моноканал со смесителем сигнала.

Моноканал имеет форму звезды, исходящей из специального устройства, именуемого смесителем сигналов (СМ). К нему от каждого блока доступа (БД) подходит два оптических волокна. Каждое из них передает сигналы в одном направлении. Задачей смесителя является передача пришедшего по одному из волокон сигнала параллельно всем волокнам, направленным к абонентским системам.

В большом оптическом моноканале используется группа активных смесителей, располагаемых в. несколько ярусов. Это позволяет охватывать подобной коммуникационной сетью большую территорию десятки километров и подключать к моноканалу до 4096 абонентских систем.

Большое число абонентских систем, включаемых в моноканальную сеть, все возрастающие объемы информации требуют увеличения скоростей передачи блоков данных. Эта задача решается, с одной стороны, увеличением скоростей работы моноканалов, с другой – созданием многоканальных моноканалов.

Первый способ повышения скорости передан данных заключается в создании не одного, а нескольких общих каналов. Однако следует отметить, что несмотря на наличие нескольких каналов, здесь не возникает, как в узловой подсети, проблема маршрутизации информации. В рассматриваемом моноканале выбирается не маршрут передачи, а номер общего канала и, не смотря на наличие нескольких каналов, осуществляется селекция (выбор по адресам назначения) принимаемых блоков информации.

Второй способ повышения скорости передачи информации заключается в создания иерархии моноканалов. Сущность этого способа иллюстрируется схемой, показанной на рис. 9.6. В сети функционирует 18 абонентских систем А–Т. Однако они подключены не к одному, а к шести моноканалам 1–6.

В рассматриваемой сети в большинстве случаев взаимодействующие системы передают данные соответственно через "свои" моноканалы 1, 2, 4, 5, 6. Что касается моноканала 3, то он используется только тогда, когда необходимо взаимодействие систем, подключенных к разным моноканалам, например, систем А и Д.

Рис. 9.6. Иерархия моноканалов.

В результате использования иерархия моноканалов можно резко повысить скорость передачи информации. Так, фирме Network Systems удалось достичь скорости равной 1 Гбит/с.

Циклические подсети

 

Как было указано, характерной особенностью циклической подсети является Использование кольцевого канала, поэтому ее называют циклическим кольцом. Циклическое кольцо является широко распространенным типом коммуникационной подсети. Этот тип характерен тем, что каждый блок данных, направленный одной из абонентских систем информационной сети, последовательно (по очереди) доставляется всем абонентским системам, включенным в эту сеть.

Простое циклическое кольцо (рис. 10.1) состоит из общего кольцевого канала и блоков доступа к кольцу.

Рис. 10.1. Структура простого циклического кольца.

Кольцевой канал в зависимости от скорости передачи данных создается на базе плоскою кабеля, витой пары проводов, коаксиального либо опти­ческого кабеля. Циклическое кольцо состоит из единого канала, и который, разделяя его на сегменты, включаются абонентские системы. Передача сигналов, несущих информацию, осуществляется в кольце циклами в одном направлении через все блоки доступа. В каждом из них передаваемый кадр задерживается (побитно) для того, чтобы соответствующая система могла прочесть адрес кадра, записать его содержимое и сделать отметки в кадре.

Простое циклическое кольцо редко используется на практике из-за его ненадежности: обрыв, либо неисправность кольца в любой его точке приводит к прекращению работы всей информационной сети. Вследствие этого применяют различные усовершенствования (усложнения) циклического кольца, приводящие к повышению надежности сети. Чаще других применяются две модификации.

Первая из них изображена на рис. 10.2. Здесь в циклическое кольцо добавляется центральный коммутатор (в сложной циклической кольцевой подсети может быть не один, а несколько центральных коммутаторов). Вследствие этого циклическое кольцо приобретает специфическую форму. Оно состоит из дуг а–д, исходящих из центрального коммутатора и соединенных друг с другом так, как показано стрелками. Но это происходит лишь тогда, когда в циклическом кольце исправны все его звенья.

При появлении в кольце неисправностей центральный коммутатор отключает поврежденные дуги. Это позволяет оставшейся части кольца продолжать свою работу. Например, произошел разрыв кольца в точке X. В этом случае центральный коммутатор передает данные из дуги "а" не в дугу "б", как до появления обрыва, а непосредственно в дугу "в". При этом дуга "б" оказывается отключенной, и она передается для ремонта.

Вторая модификация циклического кольца связана с созданием двойного циклического кольца (рис. 10.3). Рассматриваемое кольцо состоит из блоков доступа – коммутаторов (К) и пар проходящих сквозь них каналов. Нетрудно увидеть, что в нормальном состоянии используются два кольца, данные по которым передаются в различные стороны.

Рис. 10.2. Циклическое кольцо с центральным коммутатором.

Рис. 10.3. Двойное циклическое кольцо.

При каких-нибудь нарушениях нормального состояния происходит перекоммутация, в результате которой два кольца превращаются в одно. Например, произошел обрыв кольца в точках X. В этом случае блок Б перестает передавать данные блоку А и направляет их в обратном направлении по другому кольцу. Аналогично блок А передает данные блоку Е. В результате два кольца превращаются в одно, а части обоих колец, расположенные между блоками А и Б отключаются и могут быть отремонтированы без остановки работы сети.

Узловые подсети

 

Узловые подсети коренным образом отличаются от моноканальных и циклических. Последние имеют общие каналы, к которым подключаются все абонентские системы сети. Узловая подсеть содержит множество различных каналов, соединяемых узлами коммутации. На рис. 11.1, где показана ее типовая структура, изображены четыре узла 1–4 коммутации, к которым подходит большое число каналов. В зависимости от размера узла это число может изменяться от 3 до 10000. Все используемые каналы делятся на две группы: магистральные и абонентские.

Магистраль – backbone – основная линия связи, к которой подключена сеть. Для крупных сетей часто реализована на волоконно-оптическом кабеле. Магистральным является канал, соединяющий два узла коммутации.

Абонентский канал – channel – средство или путь, по которому передаются сигналы или данные между абонентскими системами.

Кроме того, каналы, используемые в узловой подсети, подразделяются на аналоговые и дискретные. Аналоговые методы обработки и передачи данных уступают более надежным и экономичным дискретным, поэтому на новых узловых подсетях явное предпочтение отдается дискретным каналам. Скорость в дискретном канале зависит от объема передаваемой через него информации. Наиболее популярна скорость 64 Кбит/с и выше. Взаимодействие пары абонентских систем осуществляется по одному либо группе от трех до десятков параллельных каналов. Обычно пользователи "не видят" магистральных каналов и даже не знают о их существовании. Их, естественно, в первую очередь интересуют абонентские каналы, поэтому пользователям предоставляются абонентские интерфейсы.

Рис. 11.1. Четырехузловая сеть.

Характеристики абонентских систем, подключаемых к узловой подсети, чрезвычайно многообразны. Поэтому в точках их соединения с подсетью, как правило, предусматривается не один, а несколько абонентских интерфейсов. Говорят, что их число определяет "интеллектуальность" подсети. Практически подсеть имеет один интерфейс, поэтому в узлах несколько, абонентских интерфейсов преобразуются в один главный.

Небольшие узлы имеют малые габаритные размеры, размещаются на столе либо в тумбе стола. Крупные узлы коммутации требуют сотни квадратных метров площади для установки. Естественно, что небольшие узлы работают без эксплуатационного персонала и их программное обеспечение загружается из других узлов либо из центра управления сетью. Крупные узлы для своей нормальной работы требуют наличия эксплуатационного персонала, работающего круглые сутки.

Основные функции узлов заключаются в коммутации передаваемых блоков информации и создании маршрутов (трактов) между взаимодействующими абонентскими системами. Чем больше различных маршрутов, связывающих пару систем, можно проложить в подсети, тем надежнее она работает. Каждый маршрут состоит из последовательности каналов узловой подсети. Кроме основных функций в узле коммутации осуществляется диагностика неисправностей части подсети и ведется статистика потоков блоков данных в окрестностях узла.