Общие принципы построения вычислительных сетей

Определение и назначение компьютерных сетей

В настоящее время наиболее важным применением компьютеров становится со­здание сетей, обеспечивающих единое информационное пространство для многих пользователей. Особенно наглядно этот процесс проявляется па примере всемир­ной компьютерной сети Internet.

Компьютерной сетью называется совокупность взаимосвязанных через каналы передачи данных компьютеров, обеспечивающих пользо­вателей средствами обмена информацией и коллективного использо­вания ресурсов сети: аппаратных, программных и информационных.

Объединение компьютеров в сеть позволяет совместно использовать дорогостоя­щее оборудование — диски большой емкости, принтеры, основную память, иметь общие программные средства и данные. Глобальные сети предоставляют возмож­ность использовать аппаратные ресурсы удаленных компьютеров. Глобальные сети, охватывая миллионы людей, полностью изменили процесс распространения и вос­приятия информации, сделали обмен информацией через электронную почту са­мой распространенной услугой сети, а основным ресурсом — информацию.

Основным назначением сети является обеспечение простого, удобного и надеж­ного доступа пользователя к распределенным общесетевым ресурсам и организа­ция их коллективного использования при надежной защите от несанкционирован­ного доступа, а также обеспечение удобных и надежных средств передачи данных между пользователями сети. С помощью сетей эти проблемы решаются независи­мо от территориального расположения пользователей. В эпоху всеобщей инфор­матизации большие объемы информации хранятся, обрабатываются и передаются в локальных и глобальных компьютерных сетях. В локальных сетях создаются общие базы данных для работы пользователей. В глобальных сетях осуществля­ется формирование единого научного, экономического, социального и культурно­го информационного пространства.

Существует множество задач, нуждающихся в централизованных общих данных, удаленном доступе к базам данных, передаче данных на расстояние и их распре­деленной обработке. Примерами являются банковские и другие финансовые структуры; коммерческие системы, отражающие состояние рынка («спрос-пред­ложение»); системы социального обеспечения; налоговые службы; дистанционное компьютерное обучение; системы резервирования авиабилетов; дистанционная медицинская диагностика; избирательные системы. Во всех этих приложениях необходимо, чтобы в сети осуществлялся сбор, хранение и доступ к данным, гаран­тировалась защита данных от искажений и несанкционированного доступа.

Помимо научной, деловой, образовательной, общественной и культурной сфер жиз­ни, глобальная сеть охватила и сделала доступным для миллионов людей новый вид отдыха и развлечений. Сеть превратилась в инструмент ежедневной работы и организации досуга людей самого разного круга.

Классификация сетей

Компьютерные сети можно классифицировать по ряду признаков, в том числе по степени территориальной распределенности. При этом различают: глобальные, региональные и локальные сети.

Глобальные сети объединяют пользователей, расположенных по всему миру, и часто используют спутниковые каналы связи, позволяющие соединять узлы сети связи и ЭВМ, находящиеся на расстоянии 10-15 тыс, км друг от друга.

Региональные сети объединяют пользователей города, области, небольших стран. В качестве каналов связи чаще всего используются телефонные линии. Расстояния между узлами сети составляют 10-1000 км.

Локальные сети ЭВМ связывают абонентов одного или нескольких близле­жащих зданий одного предприятия, учреждения. Локальные сети получили очень широкое распространение, так как 80-90% информации циркулирует вблизи мест ее появления и только 10-20% связано с внешними взаимодействиями. Локаль­ные сети могут иметь любую структуру, но чаще всего компьютеры в локальной сети связаны единым высокоскоростным каналом передачи данных. Единый для всех компьютеров высокоскоростной канал передачи данных — главная отличи­тельная особенность локальных сетей. В качестве канала передачи данных ис­пользуются: витая пара, коаксиальный кабель, оптический кабель и др. В оптичес­ком канале световод сделан из кварцевого стекла толщиной в человеческий волос. Это наиболее высокоскоростной, надежный, но и дорогостоящий кабель. Расстоя­ния между ЭВМ в локальной сети небольшие — до 10 км. При использовании радиоканалов связи — до 20 км. Каналы в локальных сетях являются собствен­ностью организаций и это упрощает их эксплуатацию.

Сетевое программное обеспечение

Функциональные возможности сети определяются теми услугами, которые она предоставляет пользователю. Для реализации каждой из услуг сети и доступа пользователя к этой услуге разрабатывается программное обеспечение.

Программное обеспечение, предназначенное для работы в сети, должно быть ори­ентированным на одновременное использование многими пользователями. В на­стоящее время получили распространение две основные концепции построения такого программного обеспечения.

В первой концепции сетевое программное обеспечение ориентировано на предо­ставление многим пользователям ресурсов некоторого общедоступного главного компьютера сети, называемого файловым сервером. Это название он полу­чил потому, что основным ресурсом главного компьютера являются файлы. Это могут быть файлы, содержащие программные модули или данные. Файловый сервер — самый общий тип сервера. Очевидно, емкость дисков файлового серве­ра должна быть больше, чем на обычном компьютере, так как он используется многими компьютерами. В сети может быть несколько файловых серверов. Мож­но назвать и другие ресурсы файлового сервера, предоставляемые в совместное использование пользователям сети, например принтер, модем, устройство для фак­симильной связи. Сетевое программное обеспечение, управляющее ресурсами фай­лового сервера и предоставляющее к ним доступ многим пользователям сети, называется сетевой операционной системой. Ее основная часть размеща­ется на файловом сервере; на рабочих станциях устанавливается только неболь­шая оболочка, выполняющая роль интерфейса между программами, обращающи­мися за ресурсом, и файловым сервером.

Программные системы, ориентированные на работу в рамках этой концепции, позволяют пользователю использовать ресурсы файлового сервера. Как пра­вило, сами эти программные системы также могут храниться на файловом сервере и использоваться всеми пользователями одновременно, но для вы­полнения модули этих программ по мере необходимости переносятся на компьютер пользователя — рабочую станцию и там выполняют работу, для которой они предназначены. При этом вся обработка данных, даже если они являются общим ресурсом и хранятся на файловом сервере, производит­ся на компьютере пользователя. Очевидно, что для этого файлы, в которых хранятся данные, должны быть перемешены на компьютер пользователя,

Во второй концепции, называемой архитектурой “клиент-сервера”, про­граммное обеспечение ориентировано не только на коллективное использова­ние ресурсов, но и на их обработку в месте размещения ресурса по запросам пользователей. Программные системы архитектуры клиент-сервер состоят из двух частей: программного обеспечения сервера и программного обеспе­чения пользователя-клиента. Работа этих систем организуется следующим образом: программы-клиенты выполняются на компьютере пользователя и посылают запросы к программе-серверу, которая работает на компьютере об­щего доступа. Основная обработка данных производится мощным сервером, а на компьютер пользователя посылаются только результаты выполнения запроса. Так, например, сервер баз данных используется в мощных СУБД, таких как Microsoft SQL Server, Oracle и др., работающих с распределенными базами дан­ных. Серверы баз данных рассчитаны на работу с большими объемами данных (десятки гигабайт и более) и большое число пользователей и обеспечивают при этом высокую производительность, надежность и защищенность. В приложениях глобальных сетей архитектура клиент-сервер (в определенном смысле) является основной. Широко известны Web-серверы, обеспечивающие хранение и обработ­ку гипертекстовых страниц, FTP-серверы, серверы электронной почты и множе­ство других. Клиентские программы перечисленных служб позволяют сформули­ровать запрос на получение услуги со стороны этих серверов и принять от них ответ.

Любой компьютер сети, имеющий разделяемый ресурс, может быть назван серве­ром. Так, компьютер с разделяемым модемом, к которому имеют доступ пользо­ватели с других компьютеров, — это модемный или коммуникационный сервер.

Преимущества вычислительных сетей

При появлении вычислительных сетей естественным образом возник вопрос: в каких случаях их развертывание предпочтительнее использованию автономных компьютеров или многомашинных систем? Какие новые возможности открываются с появлением вычислительной сети? И, наконец, всегда ли нужна сеть?

Если не вдаваться в частности, то конечной целью использования вычисли­тельных сетей является повышение эффективности работы, которое может выражаться, например, в увеличении прибыли предприятия. Дей­ствительно, если благодаря компьютеризации снизились затраты на производство уже существующего продукта, сократились сроки разработки новой модели или ускорилось обслуживание заказов потребителей — это означает, что сеть действительно была нужна.

Более обстоятельно отвечая на вопрос, зачем нужна сеть, начнем с рас­смотрения тех принципиальных преимуществ сетей, которые вытекают из их при­надлежности к распределенным системам.

Концептуальным преимуществом распределенных систем (а значит и сетей) пе­ред централизованными системами является их способность выполнять параллель­ные вычисления. За счет этого в системе с несколькими обрабатывающими узлами в принципе может быть достигнута производительность, превышающая максимально возможную на данный момент производительность любого отдельного, сколь угодно мощного процессора. Распределенные системы потенциально имеют лучшее соотно­шение производительность-стоимость, чем централизованные системы.

Еще одно очевидное и важное достоинство распределенных систем — это их принципиально более высокая отказоустойчивость. Под отказоустойчивостью по­нимается способность системы выполнять свои функции (может быть, не в пол­ном объеме) при отказах отдельных элементов аппаратуры и неполной доступности данных. Основой повышенной отказоустойчивости распределенных систем явля­ется избыточность. Избыточность обрабатывающих узлов (процессоров в много­процессорных системах или компьютеров в сетях) позволяет при отказе одного узла переназначать приписанные ему задачи на другие узлы. С этой целью в распределенной системе могут быть предусмотрены процедуры динамической или статической реконфигурации. В вычислительных сетях некоторые наборы дан­ных могут дублироваться на внешних запоминающих устройствах нескольких компьютеров сети, так что при отказе одного их них данные остаются доступ­ными.

Использование территориально распределенных вычислительных систем боль­ше соответствует распределенному характеру прикладных задач в некоторых предметных областях, таких как автоматизация технологических процессов, бан­ковская деятельность и т. п. Во всех этих случаях имеются рассредоточенные по некоторой территории отдельные потребители информации – сотрудники, органи­зации или технологические установки. Эти потребители достаточно автономно решают свои задачи, поэтому рациональнее предоставлять им собственные вычис­лительные средства, но в то же время, поскольку решаемые ими задачи тесно вза­имосвязаны, их вычислительные средства должны быть объединены в единую систему. Адекватным решением в такой ситуации является использование вычис­лительной сети.

Для пользователя, кроме выше названных, распределенные системы дают еще и такие преимущества, как возможность совместного использования данных и устройств, а также возможность гибкого распределения работ по всей системе. Такое разделение дорогостоящих периферийных устройств – таких как дисковые масси­вы большой емкости, цветные принтеры, графопостроители, модемы, оптические диски – во многих случаях является основной причиной развертывания сети на предприятии. Пользователь современной вычислительной сети работает за своим компьютером, часто не отдавая себе отчета в том, что при этом он пользуется дан­ными другого мощного компьютера, находящегося за сотни километров от него. Он отправляет электронную почту через модем, подключенный к коммуникацион­ному серверу, общему для нескольких отделов его предприятия. У пользователя создается иллюзия, что эти ресурсы подключены непосредственно к его компьюте­ру или же «почти» подключены, так как для их использования нужны незначи­тельные дополнительные действия по сравнению с использованием действительно собственных ресурсов. Такое свойство называется прозрачностью сети.

В последнее время стал преобладать другой побудительный мотив развертыва­ния сетей, гораздо более важный в современных условиях, чем экономия средств за счет разделения между сотрудниками корпорации дорогой аппаратуры или про­грамм. Этим мотивом стало стремление обеспечить сотрудникам оперативный до­ступ к обширной корпоративной информации. Чтобы такая работа была возможна, необходимо не только наличие быстрых и надежных связей в корпоративной сети, но и наличие структурированной информации на серверах организации, а также возможность эффективного поиска нужных данных. Этот аспект сетевой работы всегда был узким местом в органи­зации доставки информации сотрудникам, даже при существовании мощных СУБД информация в них попадала не самая «свежая» и не в том объеме, кото­рый был нужен. В последнее время в этой области наметился некоторый про­гресс, связанный с использованием гипертекстовой информационной службы WWW – так называемой технологии Intranet. Эта технология поддерживает дос­таточно простой способ представления текстовой и графической информации в виде гипертекстовых страниц, что позволяет быстро поместить самую свежую ин­формацию на WWW-серверы корпорации. Кроме того, она унифицирует просмотр информации с помощью стандартных программ — WEB-броузеров, работа с кото­рыми несложна даже для неспециалиста. Сейчас многие крупные корпорации уже перенесли огромные кипы своих документов на страницы WWW-серверов, и со­трудники этих фирм, разбросанные по всему миру, используют информацию этих серверов через Internet. Получая легкий и более полный доступ к информации, сотрудники принимают решение быстрее, и качество этого решения, как правило, выше.

Использование сети приводит к совершенствованию коммуникаций, то есть к улучшению процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудника­ми предприятия, а также его клиентами и поставщиками. Сети снижают потреб­ность предприятий в других формах передачи информации, таких как телефон или обычная почта. Зачастую именно возможность организации электронной по­чты является основной причиной и экономическим обоснованием развертывания на предприятии вычислительной сети. Все большее распространение получают новые технологии, которые позволяют передавать по сетевым каналам связи не только компьютерные данные, но голосовую и видеоинформацию. Корпоративная сеть, которая интегрирует данные и мультимедийную информацию, может использо­ваться для организации аудио и видеоконференций, кроме того, на ее основе мо­жет быть создана собственная внутренняя телефонная сеть.

Проблемы построения и использования вычислительных сетей

Конечно, вычислительные сети имеют и свои проблемы. Эти проблемы в основ­ном связаны с организацией эффективного взаимодействия отдельных частей распределенной системы.

Во-первых, это сложности, связанные с программным обеспечением – операционными системами и приложениями. Программирование для распределенных систем принципиально отличается от программирования для централизованных систем. Так, сетевая операционная система, выполняя в общем случае все функции по управлению локальными ресурсами компьютера, сверх того решает многочис­ленные задачи по предоставлению сетевых служб. Разработка сетевых приложений осложняется из-за необходимости организовать совместную работу их частей, вы­полняющихся на разных машинах. Много забот доставляет обеспечение совмести­мости программного обеспечения.

Во-вторых, много проблем связано с транспортировкой сообщений по каналам связи между компьютерами. Основные задачи здесь – обеспечение надежности (чтобы передаваемые данные не терялись и не искажались) и производительности (чтобы обмен данными происходил с приемлемыми задержками). В структуре общих затрат на вычислительную сеть расходы на решение «транспортных вопросов» составляют существенную часть, в то время как в централизованных системах эти проблемы полностью отсутствуют.

В-третьих, это вопросы, связанные с обеспечением безопасности, которые го­раздо сложнее решаются в вычислительной сети, чем в централизованной системе. В некоторых случаях, когда безопасность особенно важна, от использования сети лучше вообще отказаться.

Можно приводить еще много «за» и «против» использования сетей, но главным доказательством эффективности является бесспорный факт их повсеместного рас­пространения. Трудно найти сколь-нибудь крупное предприятие, на котором не было хотя бы односегментной сети персональных компьютеров; все больше и боль­ше появляется крупных сетей с сотнями рабочих станций и десятками серверов, некоторые большие организации и предприятия обзаводятся частными глобаль­ными сетями, объединяющими их филиалы, удаленные на тысячи километров. В каждом конкретном случае для создания сети были свои резоны, но верно и общее утверждение: что-то в этих сетях все-таки есть.

Выводы

Вычислительные сети явились результатом эволюции компьютерных технологий.

Вычислительная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи.

Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими ком­муникационными устройствами.

Все сетевое оборудование работает под управ­лением системного и прикладного программного обеспечения.

Основная цель сети – обеспечить пользователям сети потенциальную возмож­ность совместного использования ресурсов всех компьютеров.

Вычислительная сеть – это одна из разновидностей распределенных систем, достоинством которых является возможность распараллеливания вычислений, за счет чего может быть достигнуто повышение производительности и отказо­устойчивости системы.

Важнейший этап в развитии сетей – появление стандартных сетевых техноло­гий типа Ethernet, позволяющих быстро и эффективно объединять компьюте­ры различных типов.

Использование вычислительных сетей дает предприятию следующие возмож­ности:

• разделение дорогостоящих ресурсов;

• совершенствование коммуникаций;

• улучшение доступа к информации;

• быстрое и качественное принятие решений;

• свобода в территориальном размещении компьютеров.

Современные темпы развития сетевых технологий требуют постоянного совершенствования и обновления существующих решений и методов организации взаимодействия распределенных компьютерных систем.