Характеристика и особенности локальных компьютерных сетей (ЛКС)

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Впервые она появилась в 1972 году (разработчиком выступила известная фирма Xerox). Сеть оказалась довольно удачной, и вследствие этого ее в 1980 году поддержали такие крупнейшие фирмы, как DEC и Intel (объединение этих фирм, поддерживающих Ethernet, назвали DIX по первым буквам их названий). Стараниями этих фирм в 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ЕСМА (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт получил название IEEE 802.3. Он определяет множественный доступ к моноканалу типа «шина» с обнаружением конфликтов и контролем передачи, то есть с уже упоминавшимся методом доступа CSMA/CD. Вообще-то надо сказать, что этому стандарту удовлетворяют и некоторые другие сети, так как он не очень сильно детализирован. В результате сети стандарта IEEE 802.3 нередко несовместимы между собой как по конструктивным, так и по электрическим характеристикам. Основные характеристики стандарта IEEE 802.3 следующие: топология — шина, среда передачи - коаксиальный кабель, скорость передачи - 10 Мбит/с, максимальная длина — 5 км, максимальное количество абонентов — до 1024, длина сегмента сети - до 500 м, количество абонентов на одном сегменте — до 100, метод доступа -CSMA/CD, передача узкополосная, то есть без модуляции (моноканал).

Строго говоря, между стандартами IEEE 802.3 и Ethernet существуют небольшие отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.

Существуют группы стандартов:

802.1 —Internetworking — стандарты объединения сетей, общих для всех локальных сетей. Например, они определяют логику работы некоторых сетевых устройств вроде мостов, которые способны соединять различные сети, способы создания виртуальных локальных сетей и так далее.

802.2 — группа стандартов Logical Link Control (LLC) — методов управления логической передачей данных.

802.3 — группа стандартов Ethernet, использующего метод доступа CSMA/CD.

Среди отличительных признаков локальных сетей от других видов компьютерных сетей следует выделить:

Высокую скорость передачи информации, большая пропускная способность сети. Приемлемая скорость сейчас — не менее 10 Мбит/с.

Низкий уровень ошибок передачи (или, что тоже самое, высококачественные каналы связи). Допустимая вероятность ошибок передачи данных должна быть порядка 10-8 — 10-12.

Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом по сети.

Заранее четко ограниченное количество компьютеров, подключаемых к сети.

Если еще десять лет назад вполне приемлемой считалась скорость обмена в 10 Мбит/с, то сейчас уже среднескоростной считается сеть, имеющая пропускную способность 100 Мбит/с, активно разрабатываются, а кое-где используются средства для скорости 1000 Мбит/с и даже больше. Без этого уже нельзя, иначе связь станет слишком узким местом, будет чрезмерно замедлять работу объединенного сетью виртуального компьютера, снижать удобство доступа к сетевым ресурсам.

Таким образом, главное отличие локальной сети от любой другой — высокая скорость передачи информации по сети. Но это еще не все, не менее важны и другие факторы.

В частности, принципиально необходим низкий уровень ошибок передачи, вызванных как внутренними, так и внешними факторами. Ведь даже очень быстро переданная информация, которая искажена ошибками, просто не имеет смысла, ее придется передавать еще раз. Поэтому локальные сети обязательно используют специально прокладываемые высококачественные и хорошо защищенные от помех линии связи.

Особое значение имеет и такая характеристика сети, как возможность работы с большими нагрузками, то есть с высокой интенсивностью обмена (или, как еще говорят, с большим трафиком). Ведь если механизм управления обменом, используемый в сети, не слишком эффективен, то компьютеры могут подолгу ждать своей очереди на передачу. И даже если эта передача будет производиться затем на высочайшей скорости и безошибочно, для пользователя сети такая задержка доступа ко всем сетевым ресурсам неприемлема. Ему ведь не важно, почему приходится ждать.

Механизм управления обменом может гарантированно успешно работать только в том случае, когда заранее известно, сколько компьютеров (или, как еще говорят, абонентов, узлов) допустимо подключить к сети. Иначе всегда можно включить столько абонентов, что вследствие перегрузки забуксует любой механизм управления. Наконец, сетью можно назвать только такую систему передачи данных, которая позволяет объединять до нескольких десятков компьютеров, но никак не два, как в случае связи через стандартные порты.

Классификация локальных компьютерных сетей

Существует множество отличительных признаков, по которым можно проводить классификацию компьютерных сетей вообще и локальных компьютерных сетей в частности. Среди основных признаков можно выделить такие, как функциональное назначение сети, топология, метод управления доступом к среде передачи данных, программное и техническое обеспечение сетей.

По функциональному назначению локальные сети можно разделить на сети хранения данных, серверные фермы, а также, так называемые, сети SOHO.

Сеть хранения данных, СХД (англ. Storage Area Network, SAN) — представляет собой архитектурное решение для подключения внешних устройств хранения данных, таких как дисковые массивы, ленточные библиотеки, оптические приводы к серверам таким образом, чтобы операционная система распознала подключённые ресурсы как локальные. SAN характеризуются предоставлением так называемых сетевых блочных устройств (обычно посредством протоколов Fibre Channel, iSCSI или AoE), в то время как сетевые хранилища данных (англ. Network Attached Storage, NAS) нацелены на предоставление доступа к хранящимся на их файловой системе данным при помощи сетевой файловой системы (такой как NFS, SMB/CIFS, или AppleTalk).

Следует обратить внимание, что категорическое разделение вида «SAN — это только сетевые диски, NAS — это только сетевая файловая система» является искусственным: с появлением iSCSI началось взаимное проникновение технологий с целью повышения гибкости и удобства их применения. Например, в 2003 году NetApp уже предоставляли iSCSI на своих NAS, а EMC и HDS — наоборот, предлагали NAS-шлюзы для своих SAN-массивов.

Серверная ферма — это ассоциация серверов, соединенных сетью передачи данных и работающих как единое целое. Один из видов серверной фермы определяет метакомпьютерная обработка. Во всех случаях рассматриваемая ферма обеспечивает распределенную обработку данных. Она осуществляется в распределенной среде обработки данных.

Серверная ферма является ядром крупного центра обработки данных.

Под компьютерной сетью типа SOHO понимается небольшая локальная сеть, которая может объединить компьютеры, телевизоры на платформе Smart TV, цифровые видеокамеры, плееры и так далее. Появление телевизоров с возможностями технологии Smart TV позволило подключать их в беспроводную (Wi-Fi) или кабельную локальную (Ethernet) сеть, что изменило качество услуг, предоставляемых компьютерной сетью SOHO.

По типу сетевой топологии можно определить сети таких типов как шина, звезда, кольцо, решетка, смешанные и полносвязные топологии.

Шинная топология вероятно, самая простая сетевая структура. В ней для передачи используется одна среда, называемая шиной. Шинная топология иногда также называется цепочкой, потому что она цепочкой соединяет компьютеры вместе. Каждый компьютер, подключенный к шине, имеет уникальный адрес, идентифицирующий его в сети. Вы можете представить себе сетевые адреса подобно номерам телефона. Ваш номер идентифицирует ваш телефон в сети. Подобным способом адрес компьютера на шине отличает этот компьютер от всех других.

В шинной топологии можно соединять компьютеры с помощью коаксиального кабеля, подобного кабелю для подключения телевизора к выводу кабельного телевидения. Для соединения компьютеров часто используется коаксиальный кабель RG-58 A/U. Он имеет превосходные электрические свойства. В большинстве случаев коаксиальный кабель это не один сплошной длинный провод, а множество коротких отрезков, концы которых связаны между собой посредством тройниковых соединителей (Т-коннектор). Последние, кроме того, позволяют линии ответвляться в сторону для подключения к сети других компьютеров.

Необходимо использовать специальные аппаратные средства для установления на обоих концах коаксиального кабеля оконечных нагрузок. Это делается для того, чтобы сигнал, доходя до одного конца шины, не отражался от него и не начинал двигаться в обратном направлении, к другому концу кабеля, как бы в результате повторной передачи данных.

По мере того как данные передаются по кабелю шины, каждый компьютер проверяет их, определяя, кому адресована информация. После проверки данных (основываясь на определенных сетевым протоколом правилах) компьютер либо принимает данные, если они посланы ему, либо игнорирует их, если они предназначены другому компьютеру. Если компьютеры расположены близко друг к другу, то организация сети с шинной топологией недорога и проста. Для создания компьютерной сети на базе шинной топологии, необходимо просто проложить кабель от одного компьютера к другому и так далее, а затем установить на обоих концах оконечные нагрузки.

Проблема шинной топологии состоит в том, что при разрыве в любой точке кабеля не только компьютеры на одной стороне разрыва потеряют контакт с другой стороной, но и каждая сторона потеряет одну из оконечных нагрузок. Потеря оконечной нагрузки вызовет отражение сигналов и повреждение находящихся на шине данных. Это не единственная опасность: если сетевая карта одного из компьютеров выйдет из строя и начнет передавать на шину зашумленные сигналы, тo они могут вызывать неправильное функционирование всей сети.

Шинная топология также накладывает ограничение на число компьютеров, подключаемых к сети. Причина в том, что при продвижении по кабелю сигнал ослабляется. Если вы хотите подключить большее число компьютеров к сети, необходимо использовать специальное сетевое оборудование, называемое повторителем (репитером), усиливающее сигнал на определенных участках шины. Так как сеть с шинной топологией использует минимальное количество кабеля и специальных аппаратных средств, она недорога и относительно проста в установке.

В топологии типа "звезда" сетевые компьютеры соединяются с центральной системой, называемой ядром или концентратором.

При звездообразной топологии пакеты данных передаются от каждого узла центральному концентратору. Концентратор, в свою очередь, пересылает пакеты адресату. Концентратор обычно обеспечивает от 8 до 48 входов, что определяет число компьютеров, которые к нему можно подключить.

Каждый компьютер в сети называется узлом. Узел может быть клиентом, сервером или и тем, и другим. В системе с концентратором между компьютерами нет прямых соединений. Вместо этого они все объединены друг с другом через концентратор (каждый с помощью одного кабеля). В зависимости от числа компьютеров, которые надо подсоединить с использованием звездообразной топологии, вам может потребоваться несколько концентраторов.

Так как каждый компьютер соединяется с концентратором с помощью одиночного кабеля, при звездообразной топологии расходуется больше кабеля, чем при шинной. При топологии типа "звезда" концентратор представляет собой дополнительную статью расходов, не существующую при шинной топологии. В звездообразной топологии можно использовать либо неэкранированный кабель типа витой пары (UTP), либо экранированную витую пару (STP). Неэкранированный и экранированный кабели типа "витая пара" похожи (хотя и несколько толще) на кабели, соединяющие ваш домашний телефон с пластмассовым гнездом на стене. Цена экранированного кабеля приблизительно в два раза выше, чем неэкранированного. Для сокращения расходов многие разработчики сетей используют в звездообразной топологии неэкранированную витую пару. Однако, если расстояние (длина линии) от концентратора до каждого узла превышает 110 метров, необходимо использовать более дорогую экранированную витую пару. Экранированный кабель необходим при наличии высоких уровней электромагнитных (EMI) или радиочастотных (RFI) помех.

Так как плюсы сетей со звездообразной топологией часто перевешивают более высокие расходы, связанные с концентратором и дополнительными кабелями, звездообразная топология становится выбором де-факто среди разработчиков сетей. Главное преимущество ее заключается в том, что нарушение соединения между любым компьютером и концентратором не влияет на любой другой узел сети каждый из них имеет собственное соединение с концентратором. Кроме того, так как каждый пакет данных должен проходить через концентратор, можно использовать специальные концентраторы для контроля состояния всех подключенных узлов. Используя специальное программное обеспечение, можно производить динамические изменения в способе подключения каждого узла к концентратору, увеличивая таким образом надежность сети. Недостаток звездообразной топологии заключается в том, что при выходе из строя центрального концентратора вся сеть перестает работать.

При кольцевой топологии сеть не имеет конечного пункта в соединении. Это означает, что сеть формирует непрерывное (но обязательно круговое) кольцо, по которому данные переходят от одного узла к другому.

При кольцевой топологии можно начать движение из любой точки сети и, в конечном счете, вернуться в стартовую точку, потому что данные здесь перемещаются только в одном направлении. В этом случае сеть передает данные от узла к узлу по кольцу. Каждый узел принимает сигнал данных, анализирует информацию и, если сообщение адресовано другому узлу, передает его к следующему узлу по кольцу. Используя кольцевую топологию, можно подсоединить к сети большее количество узлов, чем при использовании других топологий. Это происходит из-за того, что при просмотре данных каждым узлом происходят очистка и усиление данных, а затем отправка их следующему компьютеру. Следовательно, потери сигнала меньше, чем при топологии типа "звезда" или "шина".

Для создания сетей, охватывающих большое географическое пространство, на котором затруднено использование звездообразной топологии, разработчики сетей часто используют кольцевую топологию. В отличие от звезды, кольцевая топология требует наличия непрерывного соединения между всеми сетевыми компьютерами. Разрыв в любом месте кольца вызовет прекращение работы всей сети. В качестве меры предотвращения такого сбоя иногда используют внедрение резервного кабеля для передачи данных. Еще одна слабая черта кольцевой топологии заключается в том, что из-за прохождения данных через каждый компьютер сети, пользователи могут просматривать данные, циркулирующие по кольцу.

Решётка — понятие из теории организации компьютерных сетей. 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.