Глава 8. Основы сетевых компьютерных технологий. Средства коммуникации (стр. 1 )

Глава 8. Основы сетевых компьютерных технологий. Средства коммуникации.

8.1. Возможности компьютерных сетей.

Как было отмечено в главе 1, для реализации управляющих компьютерных технологий требуется использование больших объемов данных и необходим постоянный обмен информацией, поэтому методы хранения данных и средства коммуникации играют решающую роль в процессе управления экономическими объектами. Существует множество задач в экономике, которые нуждаются в централизованных общих данных, удаленном доступе к базам данных, передаче данных на, расстояние и их распределенной обработке. Примером могут служить информационные системы Государственной статистики, коммерческие системы, отра­жающие состояние рынка, системы дистанционного управления и обучения.

В современных, динамично развивающихся экономических отношениях, автономный персональный компьютер не всегда может помочь предприятию, фирме или другому субъекту, использующему современные информационные технологии, так как имеет ограничения памяти, ресурсов и доступа к информации при совместном ее использовании. Чтобы решить многие проблемы хранения, передачи и доступа к данным, принято объединять компьютеры между собой посредствам вычислительной сети. В процессе объединения компьютеров разрабатываются сетевые технологии, обеспечивающие коллективное ис­пользование аппаратных, программных и информацион­ных ресурсов каждого компьютера и всей сети в целом, для того, чтобы пользователи могли совместно обрабатывать большие потоки данных и обмениваться информацией.

Вычислительная сеть – это сложная система программных и аппаратных компонентов, взаимосвязанных друг с другом и обеспечивающих информационный обмен между компьютерами без использования каких-либо промежуточных носителей информации.

Термин вычислительная в настоящее время не совсем отражает сущность компьютерной сети, основной функцией которой стало не выполнение трудоемких расчетов, а обеспечение пользователя мощным коммуникационным потенциалом. Основным назначением сети стала организация коллективного использования распределенных се­тевых ресурсов, при на­дежной их защите от несанкционированного доступа.

Использование компьютерных сетей предоставило пользователю преимущества, без которых компьютерный мир не мог бы достичь современного прогресса:

7 Автоматизация обмена информацией и программными средствами между отдельными ПЭВМ.

7 Свободный доступ к обширным информационным ресурсам, накопленным человечеством.

7 Создание распределенных БД размещаемых на разных компьютерах.

7 Организация параллельной обработки данных многими пользователями.

7 Специализация отдельных ЭВМ для эффективного вычисления отдельных классов задач.

7 Перераспределение мощностей компьютерной техники в зависимости от круга решаемых задач пользователей.

7 Повышение загрузки компьютерной техники, включая дорогое периферийное оборудование.

7 Взаимозаменяемость отдельных компьютеров и участков сети, что позволяет быстро восстанавливать работу сети на всех участках.

7 Сочетание различных режимов работы, включая пакетный диалоговый и режим-запрос, режим-ответ.

К аппаратным средствам сети относятся компьютеры, коммуникационное оборудование, периферийные устройства, кассовые аппараты и т. д. Программные компоненты состоят из сетевых операционных систем и приложений, которые предназначены для решения специальных задач по управлению работой компьютеров в сети.

8.2. Принцип построения и классификация компьютерных сетей.

Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по некоторым признакам. Прежде всего, различают локальные, глобальные и региональные сети, общая характеристика которых будет дана ниже.

По принадлежности различают ведомственные и государственные сети.

Ведомственные сети принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Государственные сети используются в государственных структурах.

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко-, средне - и высокоскоростные, по типу среды передачи разделяются на сети коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные, с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне.

По совместимости компьютерных средств различают гомогенные и гетерогенные сети. Первые состоят из пропорционально совместимых ПК и являются однородными. Гетерогенные сети могут объединять и неоднородные, несовместимые компьютеры, использующие разные платформы (IBM, Macintosh).

По характеру функций, выполняемых в сети, используются вычислительные сети, которые используются для решения задач управления, на основе вычислительной обработки исходной информации; информационные сети, предназначенные для получения пользователем справочных данных; смешанные сети, выполняющие и те, и другие операции.

По типу организации передачи данных различают сети с коммутацией каналов, сообщений и пакетов.

В компьютерной сети, с коммутацией каналов, между двумя сообщающимися компьютерами устанавливается физический канал связи, по которому идет обмен данными.

Передача данных осуществляется по аналогии с разговором по телефонной линии связи, что предоставляет пользователям возможность взаимного общения и высокую скорость передачи данных на все время сеанса соединения. К недостаткам такого способа соединения можно отнести загруженность канала и невозможность общения с другими компьютерами на время связи.

При передаче данных с коммутацией сообщений, весь объем передаваемой информации передается в узел связи и анализируется на предмет пересылки и адреса получателя.

Если канал, ведущий к участку связи (адресата), занят, то сообщение становится в очередь до освобождения канала. При таком способе коммутации сообщение должно иметь адрес. Можно выделить достоинства этого способа перед предыдущим: пересылка сообщения осуществляется автоматически; независимость отдельных участков дает возможность более согласованно использовать пропускную способность каналов; при передаче сообщений по многим адресам, система коммуникации используется более рационально; передача сообщений может производиться в любое время. К недостаткам относится тот факт, что передача сообщений больших объемов может затруднить освобождение узла связи и создавать длительные очереди, что плохо для сообщений срочного характера, а также отсутствие постоянной связи между абонентами и односторонность связи.

Способ передачи данных с коммуникацией пакетов используется в крупных глобальных сетях.

Порядок осу­ществления связи регулируется специальными правилами и процедурами передачи данных в сети, которые называются протоколами.

Протоколом называют совокупность соглашений по обмену данными в технических системах.

Единая сеть Internet состоит из множества сетей различной физической природы. Естественно, что все компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы по завершении передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде.

Протоколы, отвечающие за коммуникацию пакетов – IP, TCP. Семейство протоколов TCP/IP широко применяется во всем мире для объединения компьютеров в сеть Internet Термин «TCP/IP» охватывает целое семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть. Таким образом, TCP/IP- это технология межсетевого взаимодействия.

Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компью­терами и гарантируют надежный обмен данными между ними. TCP (Transmission Control Protocol) - протокол для гарантированной доставки данных, разбитых на последова­тельность фрагментов; IP (Internet Protocol) - - протокол для передачи дан­ных. Сетевые протоколы TCP/IP управляют адресацией, маршрутизацией, провер­кой ошибок и запросами на повторную передачу.

Перед началом передачи информация делиться с использованием протокола IP на небольшие пакеты, в сети Internet такие пакеты не превышают 1500 символов. Каждому пакету присваивается адрес получателя. Протокол TCP отвечает за последовательную нумерацию каждого пакета, как при пересылке, так и при получении данных. При утере пакетов протокол TCP автоматически запрашивает утерянную информацию.

Несомненным преимуществам пакетной коммутации можно считать то, что фиксированная величина пакета позволяет оперативно обрабатывать и пересылать информацию, предотвращать блокировки каналов связи и не требует больших объемов памяти в узлах связи. Время задержки при передаче информации сокращается. Соблюдается последовательность данных и контроль достоверности передачи. К недостаткам отнесем односторонний характер связи.

8.3. Распределенные технологии хранения информационных ресурсов.

По способу распределения информационных ресурсов сети различают централизованные, децентрализованные и смешанные формы организации данных.

При централизованной форме организации хранения данных в сети имеется один сервер, на котором находится единственная копия БД (рис. 8.1). Сервером может служить один из компьютеров обладающий самыми хорошими характеристиками. На нем могут распределяться ресурсы сети для всех остальных компьютеров, и хранится основные БД и программное обеспечение сети. Остальные компьютеры в сети называются клиентами.

Клиенты запрашивают необходимые данные посредствам удаленного запроса (транзакции).

Рисунок 8.1 Структура централизованной формы организации хранения данных.

Преимущества централизованной формы организации хранения данных состоят в том, что БД постоянно поддерживается в актуальном состоянии. Все изменения сразу поступают в основное хранилище сервер, а клиенты работают с данными по удаленным запросам. Если информация конфиденциальна, то в этом случае, проще ограничить несанкционированный доступ к ней. Централизованная форма хранения данных используется чаще всего в государственных и крупных коммерческих структурах.

Недостатками такой формы организации являются:

+ большой объем БД, что накладывает дополнительные требования на характеристики сервера;

+ высокая стоимость пересылки запроса;

+ возможные задержки при выполнении запросов по причине загруженности сервера,

+ потеря всей информации в случае неисправности сервера.

Децентрализованная форма организации данных предполагает наличие на каждом компьютере - клиенте своей части БД. Выделяют два способа децентрализации: деление и дублирование.

Деление осуществляется на основе дробления БД на несколько физически распределенных участков (рис.При этом каждый клиент пользуется своей частью БД, пополняет ее новыми данными, модифицирует и выполняет запросы в основном по своим данным. Например, базы данных социальной поддержки граждан распределены по районам.

 

Рисунок 8.2 Структура децентрализованной формы организации хранения данных.

К достоинствам децентрализованной разделенной организации хранения данных относятся: сокращение времени на актуализацию каждого участка и выполнение запросов; невысокая стоимость запросов к БД; увеличение доступности данных и гарантия их надежности; сохранность основного объема информации при выходе из строя одной из частей сети; независимость функционирования различных участков сети.

Недостатки: в случае необходимости выполнения глобального запроса удаленная транзакция может потребовать данные из всех серверов, такой запрос будет очень дорог; для объединения работы всех компьютеров необходимо иметь сведения о размещении данных в различных БД; отсутствие копий может привести к потере части данных.

Способ дублирования реализуется, если на каждом сервере сети располагается полная копия БД (рис. 8.3 ).

Преимущества способа дублирования: возможность работы в сети при выходе из строя отдельных ее участков; недорогие запросы по всем БД; высокая надежность хранения данных.

 

Рисунок 8.3 Способ дублирования при организации хранения данных.

Недостатки: – повышенное требование к памяти всех серверов; усложнение корректировки и добавлении записи из-за необходимости синхронизации данных в целях согласованности копии.

Смешанная форма организации и хранения данных объединяет два способа распределения: разбиение и дублирование, приобретая при этом недостатки и достоинства обоих способов (рис. 8.4 ).

Достоинства: дешевый запрос, повышенная сохранность и надежность данных, возможность работы сети при выходе из строя отдельных его участков.

Рисунок 8.4 Структура смешанной формы организации хранения данных.

Недостатки: для объединения всех компонентов необходимо иметь сведения о разрешении данных в различных БД, повышенное требование кк памяти всех серверов.

8.4. Основные компоненты компьютерных сетей.

Среди сетевых устройств основными являются рабочие станции, сетевые серверы и коммуникационные узлы.

Рабочей станцией называют персональный компьютер, подключенный к сети, на котором выполняется определенная работа.

В зависимости от используемых программных и аппаратных возможностей, различают рабочую станцию с локальным диском, бездисковую рабочую станцию и удаленную рабочую станцию.

На рабочей станции с диском используется собственная операционная система, и компьютер может работать как в сети, так и автономно. На бездисковой рабочей станции операционная система загружается с диска файлового сервера. Такая возможность обеспечивается специальной микросхемой, устанавливаемой на сетевом адаптере бездисковой станции. В этом случае автономная работа компьютера невозможна.

Удаленная рабочая станция представляет собой компьютер, подключаемый через телекоммуникационные каналы связи (модем).

В качестве сетевого сервера используется компьютер, обладающий мощными характеристиками, большим объемом памяти и предоставляющий пользователям сети определенные услуги. К ним можно отнести, например, выполнения прикладных программ пользователей, хранение программ и данных общего пользования, согласование изменений данных, выполняемых разными пользователями, передачу данных, поддержку их целостности, полноты, актуальности, печать заданий, обработку запроса к базе данных, удаленную обработку заданий, разграничение доступа пользователей и многие другие функции. По характеру выполняемых функций различают коммуникационные и файловые серверы, серверы баз данных и резервного копирования данных, серверы прикладных программ и серверы доступа. Все перечисленные типы серверов могут функционировать на одном выделенном для этих целей компьютеров.

При передаче данных в любой среде происходит затухание сигнала, что приводит к ограничению протяженности сети расстояния. Чтобы преодолеть это ограничение и расширить сеть, устанавливают специальные устройства расширения, специализированные абоненты (узлы) сети, к ним относятся повторители, мосты, маршрутизаторы (router) и шлюзы. Эти устройства служат для объединения в единую сеть нескольких разнородных сетей с разными протоколами обмена, в частности, с разными форматами пакетов, разными методами кодирования, разной скоростью передачи. В результате их применения сложная и неоднородная сеть, содержа­щая в себе самые разные сегменты, с точки зрения пользователя выгля­дит обычной сетью.

Часть сети, в которую не входит устройство расширения, принято называть сегментом сети.

Повторителем называется устройство, усиливающее или регенерирующее затухающий при передаче данных сигнал и поддерживающее обмен данными между двумя станциями.

Мостом называют устройство, служащее для объединения се­тей с разными стандартами обмена, или не­скольких сегментов одной и той же сети.

Мост поддерживает несколько процессов обмена данными для каждой пары станций разных сегментов. Он принимает поступаю­щие пакеты целиком и, в случае необходимости, производит их простей­шую обработку.

Маршрутизатор – это устройство соединяющее сети одного или разных типов по одному протоколу обмена данными.

Маршрутизаторы выполняют более сложную функцию, чем мосты. Они анализируют адрес назначения пакета с данными и выбирают для каждого пакета оптимальный маршрут, по наименее загруженным участкам сети, обходя по­врежденные участки. Использование маршрутизаторов целесообразно в сложных разветвленных сетях, имеющих несколько маршрутов между отдельными абонентами. Суще­ствуют также гибридные маршрутизаторы (brouter), представляющие собой гибрид моста и маршрутизатора. Они выделяют пакеты, которым нужна маршрутизация, и обрабатывают их как маршрутизаторы, а для остальных пакетов служат обычными мостами.

Шлюзом называют устройство для соединения различных сетей с сильно отличающимися протоколами.

Например, для соединения локаль­ных сетей с большими компьютерами или с глобальными сетями. Это са­мые дорогие и редко применяемые сетевые устройства.

8.5. Сетевое программное обеспечение.

Программное обеспечение компьютерных сетей служит для организации коллективного доступа к вычислительным и информационным ресурсам в сети, с целью повышения оперативности обработки информации, максимальной загрузки аппаратных средств, а также повышения надежности в случае отказа или выхода из строя отдельных технических средств. Сетевое программное обеспечение предоставляет пользователям простой и удобный интерфейс, посредствам которого большинство сетевых функций выполняется автоматически и не требует от работника сети специальной подготовки.

Программные средства в сетевых информационных технологиях разделяются на системные, прикладные и базовые.

Сетевое программное обеспечение системы представляет собой комплекс программных средств, поддерживающих и корректирующих взаимодействие всех ресурсов вычислительной сети.

Операционные системы сетей включают в себя набор управляющих обслуживающих модулей, которые выполняют следующие функции:

Специальное программное обеспечение, представлено прикладными программами, отражающими специфику хранения, обработки и передачи информационных ресурсов в различных предметных областях при решении задач управления.

Общее программное обеспечение образуется базовым программным обеспечением отдельных ПК, входящих в состав сети.

8.6. Основы технологии «клиент-сервер».

В компьютерной технологии, называемой архитектурой «клиент-сервер», программное обеспечение ориентировано не только на коллек­тивное использование ресурсов, но и на их обработку в месте размеще­ния ресурсов по запросам пользователей. Программные системы архи­тектуры клиент-сервер состоят из двух частей: программного обеспече­ния сервера и программного обеспечения пользователя-клиента.

Основная идея технологии «клиент-сервер» состоит в том, что функции по обработке информации разделяются между программой-приложением (клиентом) и программой управления базой данных (сервером).

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 производится мощным сервером, а на компьютер пользователя посылаются только результаты выполнения запроса. Серверы, используемые в этой технологии, рассчитаны на работу с большими объемами данных и большое число пользователей, поэтому обладают мощными техническими характеристиками. Они обеспечивают высокую производительность, надежность и защищенность. В глобальных сетях архитектура клиент-сервер является основной.

Различают виды технологии «клиент-сервер», ориентированные на:

7 автономный компьютер, когда клиент и сервер размещены на одной ПЭВМ; по функциональным возможностям такая система аналогична децентрализованной СУБД.

7 централизованное распределение, при использовании которого клиент получает доступ к данным одиночного удаленного сервера; данные могут только считываться; доступ к данным осуществляется по средствам удаленных запросов или удаленных транзакций.

7 ЛВС, при ее использовании единичный сервер обеспечивает доступ к данным; клиент формирует запрос, отвечающий за содержательную обработку данных и логический доступ к базе, при этом доступ замедлен, т. к. связь клиента и сервера ведется через локальную сеть.

7 изменение данных в области локальной базы; удаленные серверы не связаны между собой сетью, сервер-координатор отсутствует; клиент может изменять данные только своей локальной базы, при этом возникает опасность блокировки сети, поэтому сеть должна быть оснащена средством контроля с совпадения запросов; технология реализует метод с расчленением;

7 изменение данных в нескольких местах, в этом случае существует сервер-координатор, поддерживающий протокол передачи данных между различными серверами; возможна обработка распределенных запросов в разных удаленных серверах.

8.7. Общая характеристика локальных вычислительных сетей.

Локальной вычислительной сетью (ЛВС) называют совместное подключение нескольких компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к еди­ному каналу передачи данных с помощью соответствующих средств коммуникации.

Понятие ЛВС (англ. LAN - Lokal Area Network) относится к территориально или производственно ограниченным технологиям. Благодаря такому со­единению, каждый пользователь ЛВС может взаимодействовать с другими рабочими станциями, подключенными к этой сети. Локальной может быть и небольшая офисная сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего площадь в несколько сотен гектаров. Основная среда передачи данных ЛВС — неэкранированная витая пара, коаксиальный кабель, многомодовое оптоволокно. При примерно одинаковой стоимости одномодового и многомодового оптоволокна, конечное оборудование для одномодового, значительно дороже, хотя и обеспечивает передачу данных на большие расстояния.