Организация локальных вычислительных сетей

Обычно скорость передачи данных по ВОК – несколько Гбит/с (до 3 Гбит). Однако есть сообщение, что  инженерам фирмы Alcatel удалось передать данные по подводному оптоволоконному кабелю на расстояние свыше320 км со скоростью 1,6 Тбит/сек (т.е. 1,6 *1015 бит/сек) без применения повторителей.

В ВОК малы погонные затухания (5 дБ/км), поэтому длина сетевого кабеля может достигать много  десятков километров.

Задержка сигнала в  ВОК составляет около 5 нс./м.

Оптоволоконный кабель применяется в сетях, использующих метод доступа FDDI.

Недостатки ВОК:

• сложность монтажа;
• малая механическая прочность;
• долговечность меньше, чем у коаксиального кабеля;

• чувствительность к ионизирующим излучениям, т. к. снижается прозрачность волокна и затухание увеличивается;

• высокая стоимость.   

 

1.2.4. Радиоканал

 

При использовании радиоканала (рис 1.3.) нет  кабеля связи между  взаимодействующими в сети ПК, что весьма удобно. Скорость обмена данными до 100 Мбит/с (зависит от диапазона волн).

Рисунок 1.3 Схема использования  радиоканала для передачи сообщений

 

Достоинства:

Экономичность. Нередко  радиоканал является самой экономически оправданным решением при организации канала передачи данных в отсутствии оптических и медных кабелей. В некоторых случаях применение БШД вместо прокладки наземных каналов позволяет снизить затраты на организацию передачи данных в десятки раз. 

Мобильность. Радиооборудование  является мобильным, т.к. легко демонтируется и монтируется при переезде организации в новое место. Беспроводные технологии незаменимы при организации временных сетей, развертываемых на выставках, семинарах и т.п. Технология радиодоступа позволяет организовать передачу данных между подвижными объектами.

Оперативность. При использовании  радиодоступа отпадает необходимость  в прокладке кабеля (организации  выделенной линии), которая занимает длительное время. Средний срок организации  радиоканала - 5 рабочих дней.  Защита инвестиций. Радиооборудование можно продать или установить в другое место. Тогда как кабель - это средства, "закопанные в землю".  Легкость обслуживания. Радиооборудование легко настраивается и перенастраивается. Регламентные и ремонтные работы не связаны с земляными работами, которые проводятся только уполномоченными организациями и, следовательно, требуют большого количества времени. 

Гибкость. Применение беспроводных технологий позволяет создавать  практически любые конфигурации сетей передачи данных на больших территориях без существенных капиталовложений.  Высокая скорость передачи данных. Оборудование радиодоступа позволяет организовывать обмен данными с пропускной способностью в несколько десятков мегабит в секунду. 

Надежность. Использование  шумоподобной полосы позволяет получать помехозащищенные каналы связи, обеспечивающие надежность передачи данных и защищенность от несанкционированного доступа.

Недостатки:

-высокая стоимость  приемопередатчиков;

-низкая помехозащищенность;

-низкая секретность;

-низкая надежность  связи.

 

1.2.5. Инфракрасный канал

 

Применяется для связи  между ПК в одной комнате.

Достоинства инфракрасных каналов  совпадают с достоинствами радиоканала  и дополнительно необходимо отнести  отсутствие чувствительности к электромагнитным помехам.

Недостатки:

-высокая стоимость приемопередатчиков;

-низкая помехозащищенность;

-низкая секретность; 

-низкая надежность связи. Связь  может быть только в условиях  прямой видимости между ПК.

 

 

 

 

2. Стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей

 

Компьютерные сети реализуют  распределенную обработку данных. Здесь  обработка данных распределяется между  двумя объектами: клиентом и сервером. В процессе обработки данных клиент формирует запрос к серверу на выполнение сложных процедур. Сервер выполняет запрос, обеспечивает хранение данных общего пользования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту. Подобная модель вычислительной сети получила название архитектуры клиент — сервер.

По признаку распределения функций локальные компьютерные сети делятся на одноранговые и двухранговые (иерархические сети или сети с выделенным сервером).

В одноранговой сети компьютеры равноправны по отношению друг к  другу. Каждый пользователь в сети решает сам, какие ресурсы своего компьютера он предоставит в общее пользование. Таким образом, компьютер выступает и в роли клиента, и в роли сервера. Одноранговое разделение ресурсов является вполне приемлемым для малых офисов с 5-10 пользователями, объединяя их в рабочую группу.

Двухранговая сеть организуется на основе сервера, на котором регистрируются пользователи сети.

Для современных компьютерных сетей типичной является смешанная  сеть, объединяющая рабочие станции  и серверы, причем часть рабочих  станций образует одноранговые сети, а другая часть принадлежит двухранговым сетям.

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

 

2.1. Шина

 

Канал связи, объединяющий узлы в сеть, образует ломаную линию  — шину. Любой узел может принимать  информацию в любое время, а передавать — только тогда, когда шина свободна. Данные (сигналы) передаются компьютером на шину. Каждый компьютер проверяет их, определяя, кому адресована информация, и принимает данные, если они посланы ему, либо игнорирует.

При шинной топологии  среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного дня всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети. Если компьютеры расположены близко друг друга, то организация компьютерной сети с шинной топологией недорога и проста — необходимо просто проложить кабель от одного компьютера к другому. Затухание сигнала с увеличением расстояния ограничивает длину шины и, следовательно, число компьютеров, подключенных к ней.

Рабочие станции в  любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet-кaбeль с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

Проблемы шинной топологи возникают, когда происходит разрыв (нарушение контактов) в любой точке страны; сетевой адаптер одного из компьютеров выходит из строя и начинает передавать на шину сигналы с помехами; необходимо подключить новый компьютер.

 

2.2. Кольцо

 

Узлы объединены в  сеть замкнутой кривой. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Передача данных осуществляется только в одном направлении. Каждый узел помимо всего прочего реализует функции ретранслятора. Он принимает и передает сообщения, а воспринимает только обращенные к нему. Используя кольцевую топологию, можно присоединить к сети большое количество узлов, решив проблемы помех и затухания сигнала средствами сетевой платы каждого узла. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять “в дорогу” по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

При кольцевой топологии  сети рабочие станции связаны  одна с другой по кругу, т.е. рабочая  станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая  станция 3 с рабочей станцией 4 и  т.д. Последняя рабочая станция  связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо.

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и  дорогостоящей, особенно если географически  рабочие станции расположены  далеко от кольца (например, в линию) .

Основная проблема при  кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует кратко срочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

 

2.3. Логическая кольцевая цепь

 

Специальной формой кольцевой  топологии является логическая кольцевая  сеть. Физически она монтируется  как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью  специальных коммутаторов (англ. Hub — концентратор), которые по-русски также иногда называют “хаб” . В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Управление отдельной рабочей станцией в логической кольцевой сети происходит так же, как и в обычной кольцевой сети. Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.

Недостатки кольцевой  организации: разрыв в любом месте  кольца прекращает работу всей сети; время  передачи сообщения определяется временем последовательного срабатывания каждого узла, находящегося между отправителем и получателем сообщения; из-за прохождения данных через каждый узел существует возможность непреднамеренного искажения информации.

 

2.4. 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.

Концепция топологии  сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте RELCOM. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети.

Пропускная способность  сети определяется вычислительной мощностью  узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает.

Комбинация базовых  топологий — гибридная топология  — обеспечивает получение широкого спектра решений, аккумулирующих достоинства  и недостатки базовых.

Кроме проблем создания локальных вычислительных сетей  имеется также проблема расширения (объединения) компьютерных сетей. Дело в том, что созданная на определенном этапе развития информационной системы вычислительная сеть со временем может перестать удовлетворять потребности всех пользователей. В то же время физические свойства сигнала, каналов передачи данных и конструктивные особенности сетевых компонент накладывают жесткие ограничения на количество узлов и геометрические размеры сети.

Для объединения локальных  вычислительных сетей применяются  следующие устройства.

1. Повторитель — устройство, обеспечивающее усиление и фильтрацию сигнала без изменения его информативности. По мере передвижения по линиям связи сигналы затухают. Для уменьшения влияния затухания используются повторители. Причем повторитель не только копирует или повторяет принимаемые сигналы, но и восстанавливает характеристики сигнала: усиливает сигнал и уменьшает помехи.

2. Мост — устройство, выполняющее функции повторителя  для тех сигналов (сообщений), адреса  которых удовлетворяют заранее  наложенным ограничениям. Одной  из проблем больших сетей является напряженный сетевой трафик (поток сообщений в сети). Эта проблема может решаться следующим образом. Компьютерная сеть делится на сегменты. Передача сообщений из сегмента в сегмент осуществляется только целенаправленно, если абонент одного сегмента передает сообщение абоненту другого сегмента. Мост является устройством, ограничивающим движение по сети и не позволяющим сообщениям попадать из одной сети в другую без подтверждения права на переход.

Мосты бывают локальные  и удаленные.

Локальные мосты соединяют сети, расположенные на ограниченной территории в пределах уже существующей системы.

Удаленные мосты соединяют  сети, разнесенные территориально, с использованием каналов связи  и модемов.

Локальные мосты, в свою очередь, разделяются на внутренние и внешние.

Внутренние мосты обычно располагаются на одном компьютере и совмещают функцию моста  с функцией абонентской ЭВМ. Расширение функций осуществляется путем установки  дополнительной сетевой платы.

Внешние мосты предусматривают  использование отдельного компьютера со специальным программным обеспечением.

3. Маршрутизатор —  это устройство, соединяющее сети  разного типа, но использующие  одну операционную систему. Это,  по сути, тот же мост, но имеющий  свой сетевой адрес. Используя  возможности адресации маршрутизаторов, узлы в сети могут посылать маршрутизатору сообщения, предназначенные для другой сети. Для поиска лучшего маршрута к любому адресату в сети используются таблицы маршрутизации. Эти таблицы могут быть статическими и динамическими.