Назначение и классификация компьютерных сетей и общие принципы их построения

Протекающие в ЭВМ любого класса информационные процессы локализованы рамками входящих в ее состав устройств. При этом обмен данными реализуется посредством системной шины и различного рода кабелей, обеспечивающих подключение внешних устройств. Современные информационные технологии предполагают широкое использование компьютерных сетей, в которых процессы обмена данными между компьютерами приобретают основополагающее значение.

Компьютерная сеть -это система, состоящая из двух и более разнесенных в пространстве компьютеров, объединенных каналами связи, и обеспечивающая распределенную обработку данных. Компьютерные сети представляют собой распределенные системы, позволяющие объединить информационные ресурсы входящих в их состав компьютеров.

Базирующиеся на компьютерных сетях информационные технологии позволяют:

· выполнить различные виды операций по обработке данных с любого компьютера сети;

· организовать распределенные базы данных и повысить надежность их хранения на выделенных для этого компьютерах с улучшенными техническими характеристиками;

· осуществить работу с сетевыми ресурсами в режиме удаленного доступа;

· реализовать возможность использования сетевых версий прикладного программного обеспечения для параллельной работы пользователей с общими базами данных;

· объединить имеющиеся вычислительные ресурсы сети для решения трудоемких задач;

· предоставить пользователю значительное число типовых сетевых сервисов (электронную почту, телеконференции и др.);

· уменьшить расходы за счет коллективного использования ресурсов;

· осуществить переход к безбумажному документообороту и др.

Предшественниками компьютерных сетей при реализации распределенной обработки данных явились многомашинные вычислительные комплексы (МВК), представляющие собой несколько находящихся рядом друг с другом ЭВМ, объединенных средствами сопряжения для совместного выполнения вычислительного процесса. В отличие от МВК компьютерные сети могут включать в своем составе практически любое количество компьютеров вне зависимости от их взаимного расположения, реализовать возможность глубокой функциональной специализации различных компьютеров, обеспечивать передачу данных между компьютерами по различным маршрутам.

Помимо компьютерных сетей широко распространены терминальные сети (сети терминалов). Терминальные сети связывают мощные компьютеры (обычно уровня мэйнфреймов) с большим числом терминалов (оконечных устройств), что характерно, например, для системы продажи авиабилетов. Однако, автономная работа терминалов вне рамок сети теряет смысл в отличие от самостоятельного использования компьютеров в компьютерных сетях.

Следует отметить, что временная связь (для обмена сообщениями) между двумя удаленными на любое расстояние компьютерами может быть осуществлена без использования каких-либо компьютерных сетей на основе обычной телефонной сети. Для этого на каждом компьютере должен быть установлен модем и идентичное программное обеспечение для поддержки удаленного соединения. При этом на время сеанса связи между абонентами создается коммутируемый канал.

Общепринятой классификацией компьютерных сетей является их разделение на локальные (LAN – Local Area Network), глобальные (WAN - World Area Network) и корпоративные сети.

Простейшая сеть образуется соединением двух рядом расположенных компьютеров через последовательные (СОМ) или параллельные (LPT) порты с помощью специальных кабелей. Такое соединение часто применяют при подключении ноутбука к другому компьютеру с целью передачи данных. В последние годы в практику входит использование инфракрасных портов для соединения компьютеров в пределах прямой видимости (без применения кабелей).

Локальная компьютерная сеть (ЛКС) представляет собой распределенную на небольшой территории совокупность связанных компьютеров, обеспечивающих обработку и передачу данных. В связи с ослаблением сигналов в соединяющих компьютеры электрических кабелях протяженность всей системы не должна превышать нескольких километров, что ограничивает ее распространение рядом близко расположенных зданий.

Глобальная компьютерная сеть (ГКС) связывает информационные ресурсы компьютеров, находящихся на любом удалении, что предполагает использование различных специализированных устройств и каналов связи для высокоскоростной и надежной передачи данных. Общедоступные глобальные сети ориентированы на обслуживание любых пользователей.

С позиции удобства описания иерархически организованных сетей в качестве промежуточного уровня иногда используют понятие региональной компьютерной сети (РКС), для которой в качестве отличительной особенности указывается масштаб охватываемой ею территории города, региона, страны или континента. Однако, уже за пределами территории, охватываемой ЛВС, построение сетей различного масштаба требует решений, характерных для больших (глобальных) сетей.

Корпоративная компьютерная сеть (ККС) создается для обеспечения деятельности различного рода корпоративных структур (например, банков со своими филиалами), имеющих территориально удаленные подразделения. В общем случае корпоративная сеть является объединением ряда сетей, в каждой из которых могут быть использованы различные технические решения. По функциональному назначению корпоративная сеть ближе к локальным сетям, по особенностям используемых для передачи данных технических решений и характеру размещения информационных ресурсов – к глобальным сетям. В отличие от глобальных сетей как локальные, так и корпоративные сети являются, как правило, сетями закрытого типа, политика доступа в которые определяется их владельцами (как правило, для свободного доступа открыты небольшие сегменты сетей, ориентированные на рекламу, взаимодействие с клиентами и др.).

Следует отметить, что подавляющее большинство глобальных компьютерных сетей относятся к информационным сетям, обеспечивающим поддержку передачи данных и поиска определенных, размещенных в сети информационных ресурсов. В последнее десятилетие ведутся интенсивные работы по созданию глобальных вычислительных сетей, способных объединить вычислительные мощности, входящих в различные локальные сети компьютеров (определенной их части на текущий момент времени), для решения трудоемких задач путем их разделения на относительно самостоятельные компоненты, параллельно выполняемые на многих компьютерах (телекоммуникационное оборудование обеспечивает взаимодействие компьютеров при обмене данными и результатами их обработки в процессе решения задачи). Ряд исследовательских институтов и университетов по всему миру вовлечены в разнообразные проекты, цель которых - развитие модели сетевых вычислений Grid, которая предполагает построение огромной сети компьютеров таким образом, чтобы все машины в совокупности действовали как единая система. За счет связи разнородных серверов, систем хранения и программного обеспечения различные исследовательские центры, к примеру, могут обмениваться между собой вычислительными ресурсами и данными. В области компьютерных сетей стал применяться термин метакомпьютинг, обозначающий направление использования компьютерных сетей для создания распределенной вычислительной инфраструктуры национального и мирового масштаба.

Создание компьютерной сети представляет собой сложную задачу, при решении которой необходимо учитывать широкий круг взаимосвязанных вопросов: выбор рациональной структуры сети из множества возможных вариантов, в наибольшей степени удовлетворяющей назначению сети и имеющимся различного рода ограничениям; выбор каналов связи между элементами сети (рабочими станциями, сегментами, входящими в нее сетями меньшего масштаба и др.) с оценкой их пропускной способности; определение эффективной схемы маршрутизации передаваемых пакетов данных (сообщений); обеспечение взаимодействия разнородных элементов сети с реализованными в них отличающимися от типовых решениями; доступ пользователей и процессов к различным категориям сетевых ресурсов; защиту ресурсов сети от несанкционированного доступа и др.

Проектирование сетей осуществляется с оптимизацией нескольких показателей качества: минимизацией времени обслуживания пользователей, надежности обслуживания, минимизацией расходов на создание сетей и их содержание и др.

Многолетняя практика создания компьютерных сетей различного масштаба позволила выработать ряд основополагающих принципов, используемых при проектировании новых сетей:

· системный подход, предполагающий подчинение всех принимаемых решений общей цели создания компьютерной системы. При этом выбор архитектуры сети, организация каналов передачи данных, характер территориального размещения баз данных, особенности доступа пользователей к ресурсам сети, функциональные возможности аппаратного и программного обеспечения должны соответствовать назначению сети, и в пределе - оптимизировать принятые при ее проектировании критерии качества Системный подход изначально позволяет акцентировать внимание на внутренней непротиворечивости реализуемых решений;

· реализация архитектуры открытых систем, ориентированной на возможность расширения (изменения), в том числе, через взаимодействие с другими сетями на основе принятых стандартов. Открытый характер построения сети позволяет осуществить ее декомпозицию в виде относительно самостоятельных подсистем меньшего масштаба и модулей, в пределах которых при проектировании могут быть использованы индивидуальные решения. Актуальность данного принципа подчеркивается значением моделивзаимодействия открытых систем OSI как общепризнанного стандарта построения сетей. Открытость системы является основой для ее адаптации (как правило, непрерывной) к изменяющимся условиям, включая решение вопросов ее последующего масштабирования;

· использование унифицированных решений.Широкая номенклатура современных серийно выпускаемых специализированных аппаратных и программных средств обеспечивает соответствие действующим международным стандартам в области построения компьютерных сетей, что способствует снижению затрат и сокращению времени на их проектирование, монтаж и отладку, а также повышает надежность их последующей работы;

· поддержка различных способов доступа пользователей к ресурсам сети, соответствующих реализованным в ней сервисам (функциям), характеру и статусу запрашиваемых ресурсов, уровню предъявляемых полномочий по использованию конкретных ресурсов и др. При необходимости в сети должен быть обеспечен режим удаленного доступа, реализована возможность одновременного использования сетевого ресурса несколькими пользователями или процессами;

· обеспечение безопасности информации,включающее в себя сохранение ее целостности, конфиденциальности и доступность информации для пользователей при наличии у них требуемых уровней полномочий.

Любая компьютерная сеть в самом общем виде может быть представлена в виде двух взаимодействующих составляющих: коммутационной системы и совокупности абонентов (включая их оборудование: рабочие станции, серверы и др.). Основным назначением коммутационной системы является формирование транспортной среды, обеспечивающей связь абонентов друг с другом. Абоненты сети потенциально могут как предоставлять сетевые услуги, так и потреблять их. Изменение масштабов компьютерной сети приводит к изменению сложности ее обеих составляющих.

Объединение компьютерных сетей различного масштаба позволяет создавать иерархические сетевые структуры, обеспечивающие доступ к множеству территориально распределенных информационных и вычислительных ресурсов. Примером классической трехуровневой компьютерной системы может служить сеть Интернет в начале 90-х годов, включающая в себя на первом уровне - базовую скоростную магистраль, на втором – сеть провайдеров, на третьем – локальные сети абонентов.

До 1995 года развитие всемирной глобальной сети Интернет контролировалось Национальным научным фондом США (NSF – National Science Foundation). Сеть имела строго иерархическую трехуровневую структуру. Верхний уровень сети образовывала базовая высокоскоростная транспортная магистраль. Второй уровень формировался сетями региональных поставщиков услуг по доступу к сети Интернет, подключенными к сети верхнего уровня. Третий уровень составляли сети локального уровня, принадлежащие учебным и научным учреждениям, предприятиям и др. Изначально принятая в сети Интернет система адресации была ориентирована на формирование полного сетевого адреса ресурса как совокупности адресов соподчиненных сетей и адреса компьютера в конкретной локальной сети.

Внедрение гипертекстовой технологии и развитие службы WWW послужили мощным толчком расширения масштабов сети Интернет и ее превращения во многом в сеть с коммерческой направленностью. В последние годы сеть Интернет приобрела типичную для глобальных сетей узловую структуру, основу которой составляют объединенные каналами связи коммутационные узлы, к которым подключены региональные поставщики сетевых услуг.

С учетом приведенной классификации сетей обобщенная иерархическая структура компьютерной сети (рис.6.1), отражающая ее архитектуру, включает в себя множество сетей различного уровня сложности, соединяемых каналами связи и устройствами сопряжения.

При этом сети большего масштаба могут объединять сети меньшего масштаба, например, ЛВС могут входить в качестве самостоятельных компонентов в состав РКС, а те, в свою очередь, являться частью глобальной компьютерной сети. Каждая из отдельных сетей может иметь собственную внутреннюю организацию коммутационной системы и специфические особенности управления доступом к ее ресурсам. Основным назначением различного рода устройств сопряжения является обеспечение согласования формы представления сообщения при его передаче из одной сети в другую, в соответствии с принятыми в них стандартами.

Рис.6.1. Обобщенная структура иерархически организованной компьютерной сети

Аналогичную иерархическую архитектуру имеет глобальная сеть FidoNet. Она является некоммерческой сетью, представляющей собой совокупность множества “электронных досок объявлений” BBS (Bulletin Board System), объединенных в единую сеть с помощью каналов связи. Основным сервисом сети FidoNet является свободный доступ к множеству файлов с актуальным программным обеспечением. В соответствии со структурой сети FidoNet ее нижний уровень образуется сетью, объединяющей пользователей одного города (района области). Следующий уровень сети формируется в рамках одного государства (региона) из совокупности сетей нижнего уровня. Высший уровень сети формируется структурными единицами в пределах одного материка (или большой части материка), называемых зонами. Управляют работой сети FidoNet координаторы, закрепленные за каждым из уровней сети. Сеть FidoNet имеет устройства сопряжения (шлюзы) с сетью Интернет.