Локальные вычислительные сети

3.8.1 Основные принципы построения локальных вычислительных сетей

Под локальной вычислительной сетью (ЛВС) понимается объединение ЭВМ для совместного использования их ресурсов в пределах ограниченной территории. Отличительной особенностью ЛВС является то, что все ее компоненты (компьютеры, средства и каналы связи) находятся на ограниченной, относительно небольшой территории одного предприятия (или его структурного подразделения). Создание в организации локальной вычислительной сети позволяет решить следующие задачи информационного обеспечения управления:

— организация одновременной работы нескольких пользователей с одними и теми же ресурсами (документами, таблицами, базами данных и пр.);

— обеспечение быстрого обмена данными между пользователями сети (с помощью программ электронной почты);

— создание распределенных баз данных — таких, в которых хранимая информация физически расположена не на одной, а на нескольких ЭВМ;

— создание надежных архивов, к которым возможен более быстрый доступ, чем к традиционным бумажным;

— повышение надежности хранения информации и ее достоверности путем обработки данных несколькими ЭВМ.

При создании локальной сети для конкретной организации необходимо определить, какие функции должна выполнять данная ЛВС и какой круг задач будет решаться в рамках данной технологии, т. е. определить стратегию сети. Работу по определению стратегии и по дальнейшему созданию сети, как правило, выполняет специализированная фирма — системный интегратор. Эта фирма должна предложить клиенту оптимальный с точки зрения соотношения цена качество набор компонентов сети. При этом предлагаемые сетевые решения и модели должны пройти проверку на реальном оборудовании в постоянно действующей сетевой лаборатории.

При определении типа создаваемой ЛВС следует принять решение по выбору следующих ее компонентов:

— программное обеспечение прикладных задач, которые предполагается решать с помощью ЛВС;

— сетевая операционная система (ОС);

— аппаратный комплекс (отдельные ЭВМ), требуемый для функционирования сетевой ОС;

— соответствующее коммуникационное оборудование.

В настоящее время на рынке информационных систем свои услуги предлагает множество фирм — системных интеграторов. Как правило, пользователи отдают предпочтение известным фирмам, предлагающим оборудование известных мировых производителей.

Рассмотрим различные параметры, по которым сети отличаются между собой. Эти параметры, как правило, служат критериями, по которым можно классифицировать различные виды сетей.

3.8.2 Коммуникационное оборудование

Минимальный набор оборудования, необходимый для организации сети между двумя компьютерами, включает в себя адаптеры (сетевые карты, контроллеры) и соединительный кабель (линию передачи данных). С увеличением числа компьютеров, расстояний между ними, в зависимости от применяемой топологии и типа сети расширяется и номенклатура необходимого оборудования.

Сетевой контроллер или карта, адаптер (Network Interface Card – NIC) – устройство сопряжения компьютера со средой передачи данных. В современных моделях компьютеров адаптер обычно интегрирован на материнской плате.

Концентраторы предназначены для объединения в сеть многих узлов. Такие концентраторы создают общую среду передачи данных без разделения трафика. Другое название концентратора – многопортовый повторитель.

Коммутаторы в отличие от концентраторов предназначены для объединения в сеть многих узлов или подсетей с возможностью создания одновременно нескольких соединений. Они называются также переключателями (свитчами – switch). Коммутаторы используются также для связи нескольких ЛВС с территориальной сетью. Коммутатор может объединять несколько как однотипных, так и разнотипных ЛВС.

Использование коммутаторов вместо маршрутизаторов (там, где это возможно) позволяет существенно повысить пропускную способность сети. Коммутатор работает с локальными MAC-адресами, в нем имеется таблица соответствия MAC-адресов и портов. Корме того, между разными портами коммутатора образуется несколько соединений, по которым пакеты могут передаваться одновременно. MAC-адрес – уникальный серийный номер, присваиваемый каждому сетевому устройству Ethernet для идентификации его в сети. MAC-адрес присваивается адаптеру его производителем.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, назы-ваемым маршрутизаторами и шлюзами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Маршрутизатор оперирует IР-адресами и таблицами маршрутизации и выполняет сложные алгоритмы маршрутизации.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту, оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.

Шлюзы – устройства, оперирующие на верхних уровнях модели OSI (сеансовом, представления и приложений). Это компьютеры, объединяющие несколько сетей. Необходимость в применении шлюзов появляется, когда объединяют две системы с совершенно различной архитектурой для преобразования потока данных, проходящих между этими системами

В качестве средств коммуникации на сегодняшний день при создании ЛВС наиболее широко используются витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконные линии.

При выборе типа кабеля учитывают следующие их характеристики:

— стоимость установки и последующего обслуживания;

— скорость передачи данных;

— максимальная дальность передачи информации, т. е. расстояние, на котором гарантируется качественная связь без применения специальных усилителей-повторителей (репитеров);

— безопасность передачи данных, в том числе помехозащищенность.

Основная сложность при выборе подходящего типа кабеля состоит в том, что трудно одновременно обеспечить наилучшие значения всех этих показателей.

Наиболее дешевым типом кабельного соединения является так называемая витая пара(twisted pair). Она представляет собой витой двужильный провод. Витая пара позволяет передавать данные со скоростью до 10 мегабит в секунду (Мб/с). При этом для скорости 1 Мб/с длина кабеля не должна превышать 1000 м.

Преимуществами данного типа кабеля являются низкая цена и легкость установки (в том числе при подключении новых узлов к уже работающей сети).

К недостаткам витой пары следует отнести низкую помехозащищенность. Для улучшения этого показателя часто используют экранированную витую пару. Этот вид кабеля представляет собой обычную витую пару, помещенную в экранирующую (металлическую) оболочку. Это увеличивает стоимость витой пары и приближает ее цену к цене коаксиального кабеля.

Коаксиальный кабельпо стоимости занимает среднее положение между витой парой и оптоволокном. Он обеспечивает хорошую защиту от помех и применяется для связи на большие расстояния (до нескольких километров). Скорость передачи данных от 1 до 10 Мб/с.

Для широкополосной передачи данных применяется специальный широкополосный коаксиальный кабель. Скорость передачи данных при его использовании достигает 500 Мб/с. Максимальное расстояние передачи информации равно 1, 5 км, а при использовании специальных усилителей-повторителей достигает 10 км. При всехдостоинствах этого типа кабеля его стоимость достаточно высока.

Еще одним типом коаксиального кабеля является Ethernet-кабель. Его также часто называют «толстый Ethernet» (thick Ethernet) или «желтый кабель». От обычного коаксиального кабеля данный тип выгодно отличает высокая помехозащищенность. Однако высокая цена уменьшает это преимущество. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя не превышает 500 м. Скорость передачи —до 10 Мб/с.

Другая, более дешевая разновидность коаксиального кабеля носит название Cheapernet, или «тонкий Ethernet» (thin Ethernet). Расстояние передачи данных — 10 Мб/с, максимальное расстояние между рабочими станциями — до 300 м (без повторителей).

Наиболее дорогим типом коммуникационного оборудования являются оптоволоконные линии.Скорость распространения сигнала по этим линиям достигает единиц гигабит в секунду. Максимальное расстояние передачи данных — порядка 50 км. Обеспечивается хорошая защита от внешних помех и побочного излучения передаваемой информации во внешнюю среду. Эти свойства определяют область применения оптоволоконных линий теми случаями, когда необходимо обеспечение связи высокого качества на больших расстояниях.

Перечисленные типы каналов передачи данных относятся к так называемым проводным технологиям. Сейчас все более быстрыми темпами развиваются и беспроводные коммуникационные технологии, которые используют для передачи данных радио, спутниковые и лазерные каналы связи. Этот тип технологий представляет собой разумную альтернативу обычным проводным сетям и становится все более привлекательным. Самое значительное преимущество беспроводных технологий — возможность работы в сети пользователей портативных компьютеров.

3.8.3 Топология локальных вычислительных сетей

Различают физическую и логическую топологии. Под физической понимается реальная схема соединения ЭВМ в пределах сети. Логическая топология определяет маршруты обмена информацией. Физическая и логическая топологии могут не совпадать.

ЛВС можно представить в виде автоматизированных рабочих мест (рабочих станций), объединенных высокоскоростными каналами передачи данных. Рабочие станции подключены к каналам передачи с помощью сетевых адаптеров. Сетевые адаптеры предназначены для обеспечения взаимодействия рабочих станций внутри ЛВС.

Существует несколько видов топологии сетей:

— звездообразная;

— кольцевая;

— шинная;

— древовидная.

При звездообразной структуре сети поток данных между двумя рабочими станциями (периферийными узлами сети) проходит через центральный узел (файловый сервер) (рис 2.).

Рисунок 2 - Сетевая топология звезда

Пропускная способность и скоростные характеристики герметики данной сети определяются мощностью центрального узла. Это позволяет гарантировать каждой рабочей станции определенную величину пропускной способности. Однако, в случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Если файловый сервер является достаточно производительным и соединен с каждым узлом сети своей линией связи, то в этом случае звездообразная топология будет самой быстродействующей.

В сети такого типа не будут происходить конфликтные столкновения потоков данных от различных узлов, так как все соединения контролируются головной машиной.

К недостаткам данной топологии можно отнести высокую стоимость прокладки кабелей, если периферийные узлы сильно удалены, от центрального или последний территориально находится не в центре сети. При подключении большого числа рабочих станций обеспечение высокой скорости коммутации связано со значительными аппаратными затратами.

Другой вид топологической структуры — кольцевая топология (рис.3). В сети такого типа рабочие станции связаны друг с другом по кругу, т. е. первая со второй, вторая — с третьей, третья — с четвертой и т. д. Последний узел соединяется с первым.

Рисунок 3 - Сетевая топология кольцо

Каждая рабочая станция сети имеет свой адрес. Когда одна из станций получает запрос от другого узла, то она отправляет информацию в сеть, указав адрес получателя. Информация циркулирует в сети по кругу, пока не дойдет до адресата. Время между отправкой и получением сообщения увеличивается пропорционально числу узлов сети.

Кольцевая топология может быть очень эффективной, так как сообщения для различных узлов могут отправляться по кольцу друг за другом через малые промежутки времени. Также очень просто можно послать запрос сразу на все станции сети.

Третий вид топологической структуры сети — шинная топология (рис.4).

При шинной топологии все узлы сети подключены к единому информационному каналу — шине, по которому передаются данные от всех подключенных рабочих станций. При этом каждый узел сети может непосредственно вступать в контакт с любой другой рабочей станцией

Подключение новых или отключение неисправных узлов сети может происходить в любое время без нарушения работы сети в целом. Однако поиск неисправной станции затруднен, так как по состоянию сети трудно судить о состоянии ее отдельных компонентов — функционирование всей сети не зависит от работы конкретной рабочей станции.

Рисунок 4 - Сетевая топология шина

При этом существует прямая зависимость работы сети от состояния самой шины и ее компонентов — любая неисправность главной магистрали парализует всю сеть.

Древовидная структура ЛВС представляет собой комбинацию сетей, построенных по принципам уже описанных топологий: «звезда», «кольцо», «шина» (рис.5).

В этой топологической структуре все коммуникационные каналы («ветви дерева») сходятся в одной точке — «корне» (рис.2).

Вычислительные сети такого типа применяются там, где невозможно построение сетей какого-нибудь основного типа топологии.

Для подключения большого числа узлов сети применяют сетевые усилители и (или) коммутаторы. Также применяются активные концентраторы — коммутаторы, одновременно обладающие и функциями усилителя. На практике используют два вида активных концентраторов: обеспечивающие подключение 8 или 16 линий.

Рисунок 5 - Топология активное дерево

Другой тип коммутационного устройства — пассивный концентратор, который позволяет организовать разветвление сети для трех рабочих станций (рис.6).

Рисунок 6 - Топология пассивное дерево. К – концентраторы

Малое число присоединяемых узлов означает, что пассивный концентратор не нуждается в усилителе. Такие концентраторы применяются в тех случаях, когда расстояние до рабочей станции не превышает нескольких десятков метров.

По сравнению с шинной или кольцевой топологией, древовидный тип обладает большей надежностью. Выход из строя одного из компонентов сети, в большинстве случаев, не оказывает влияния на общую работоспособность сети.

Рассмотренные выше топологии локальных сетей являются основными, т. е. базовыми. Реальные ЛВС строят, основываясь на задачах, которые призвана решить данная локальная сеть, и на структуре ее информационных потоков. Таким образом, на практике топология ЛВС представляет собой синтез традиционных типов топологий.

На основе различных типов коммутационного оборудования и топологических структур разработано несколько стандартов технологий построения локальных вычислительных сетей.