Локально-вычислительные сети

С распространением электронно-вычислительных машин нетрудно предсказать рост в потребности передачи данных. На сегодняшний день в мире существует более 130 миллионов компьютеров и более 80 процентов из них объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм и производителей, работающих под разным программным обеспечением.

Такие огромные потенциальные возможности которые несет в себе вычислительная сеть и тот новый потенциальный подъем который при этом испытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорение производственного процесса не дают нам право не принимать это к разработке и не применять их на практике. Поэтому необходимо разработать принципиальное решение вопроса по организации информационно-вычислительной сети на базе уже существующего компьютерного парка и программного комплекса, отвечающего современным научно-техническим требованиям с учетом возрастающих потребностей и возможностью дальнейшего постепенного развития сети в связи с появлением новых технических и программных решений. Некоторые приложения, которые нуждаются в системах связи, могут помочь понять основные проблемы, которые связаны с сетями связи.

Существует много приложений, требующих удаленного доступа к базам данных. Простыми примерами являются информационные и финансовые службы, доступные пользователям персональных ЭВМ. Также существует много приложений, требующих дистанционного обновления баз данных, которое может сочетаться с доступом к данным. Система резервирования авиабилетов, аппаратуры автоматического подсчета голосов, системы управления инвентаризацией и т.д. являются такими примерами. В приложениях подобного типа имеются множество географически распределенных пунктов, в которых требуются входные данные.

Ещё одним широко известным приложением является электронная почта, для людей пользующихся сетью. Такую почту можно читать, заносить в файл, направлять другим пользователям, дополняя, может быть комментариями, или читать находясь в различных пунктах сети. Очевидно, что такая служба имеет много преимуществ по сравнению с традиционной почтой с точки зрения скорости доставки и гибкости.

В промышленности средств связи уделяется большое внимание системам передачи данных на большие расстояния. Индустрия глобальных сетей развивается и занимает прочные позиции. Локальные сети являются относительно новой областью средств передачи данных.

Промышленность производства локальных сетей развивалась с поразительной быстротой за последние несколько лет. Внедрение локальных сетей мотивируется в основном повышением эффективности и производительности персонала. Эта цель провозглашается фирмами-поставщиками локальных сетей, руководством учреждений и разработчиками локальных сетей.

Использование локальных сетей позволяет облегчить доступ к устройствам оконечного оборудования данных установленных в учреждении. Эти устройства – не только ЭВМ, но и другие устройства, обычно используемые в учреждениях, такие, как принтеры, графопостроители и все возрастающее число электронных устройств хранения и обработки файлов и баз данных. Локальная сеть представляет собой канал и протоколы обмена данными для связи рабочих станций и ЭВМ.

Понятие локальных сетей

Понятие локально-вычислительная сеть (от анг. LAN – Lokal Area Network ) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связаны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодаря такому соединению пользователь может взаимодействовать с другими рабочими станциями, подключенными к этой локально-вычислительной сети.

Под локально-вычислительной сетью понимается совокупность взаимосвязанных и распределенных по сравнительно небольшой территории вычислительных ресурсов, взаимодействие которых обеспечивается специальной системой передачи данных. Такая сеть обычно предназначается для сбора, передачи рассредоточенной и распределенной обработки информации в пределах одного предприятия или организации. Она может быть ориентирована на выполнение определённых функций в соответствии с профилем деятельности предприятия. Благодаря вычислительным сетям мы получили возможность одновременного использования программ и баз данных несколькими пользователями. Вычислительные сети являются дальнейшим развитием вычислительных систем разобщенного типа. Вычислительные сети классифицируются по ряду признаков:

- по степени территориальной рассредоточенности различают:

1. Крупномасштабные или глобальные сети, охватывающие территорию страны или нескольких стран с расстоянием между звеньями от сотен до нескольких тысяч километров.

2. Региональные сети, расположенные в пределах определенного территориального региона (города, области и т. д.).

3. Локальные сети, охватывающие сравнительно небольшую территорию R=1-10км.

- по функциональным, информационным ( по способу хранения и доставки информации) и структурным признакам;

- по способу управления ресурсами сети;

- по методу передачи данных.

Подавляющая часть компьютеров западного мира объединена в ту или иную сеть. Опыт эксплуатации показывает, что около 80 процентов всей пересылаемой информации замыкается в рамках одного офиса, поэтому особое внимание разработчиков стали привлекать так называемы локальные вычислительные сети. Локальные вычислительные сети отличаются от других тем, что они обычно ограничены умеренной географической областью.

Локальные сети предназначены для реализации таких прикладных функций, как передача файлов, электронная графика, обработка текстов, электронная почта, доступ к удаленным базам данных, передача цифровой речи. Локальные сети объединяют ЭВМ, терминалы, устройства хранения информации, переходные узлы для подключения к другим сетям и др. Локальные сети составляют один из быстроразвивающихся секторов промышленной средств связи, локальную сеть часто называют сетью для автоматизированного учреждения. Локальная сеть характеризуется следующими характеристиками:

- каналы обычно принадлежат организации пользователя;

- каналы являются высокоскоростными ( 1- 400 Мбит\с);

- расстояние между рабочими станциями, подключаемыми к локальной сети, обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч метров;

- локальная сеть передает данные между станциями пользователей ЭВМ (некоторые локальные сети передают речевую и видеоинформацию);

- пропускная способность у локальной сети как правило больше, чем у глобальной сети;

- канал локальной сети обычно находится в монопольной собственности организации, использующей сеть;

- интенсивность ошибок в локальной сети ниже по сравнению с сетью на базе телефонных каналов;

- децентрализация терминального оборудования, в качестве которого используются микропроцессоры, дисплеи, кассовые устройства и т.д.

- данные передаются по общему кабелю, к которому подключены все абоненты сети;

- возможность реконфигурации и развития путем подключения новых терминалов;

- наличие локальной сети позволяет упростить и удешевить персональные ЭВМ, поскольку они коллективно используют в режиме разделения времени наиболее дорогие ресурсы: дисковую память и печатающие устройства.

Актуальность локально-вычислительных сетей

В производственной практике ЛВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместное оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему, которая имеет свои особенные преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде внутрипроизводственной вычислительной сети:

1. Разделение ресурсов – позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающие устройства, со всех присоединенных рабочих станций.

2. Разделение данных – предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.

3. Разделение программных средств – предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств.

4. Разделение ресурсов процессора – возможность использования вычислительных мощностей для обработки данных другими системами входящими в сеть. Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не «набрасываются» моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции.

5. Многопользовательский режим – многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных и управляемых, например, если пользователь системы работает с другим заданием, то текущая выполняемая работа отодвигается на задний план.

Основные области применения локальных сетей

1. Автоматизация административной управленческой деятельности, организация «электронных офисов», в которых вместо бумажного документооборота используется электронная почта;

2. Автоматизация производства – автоматизация технологических процессов, информационное обеспечение оперативного управления производством, планово-экономическое управление производством;

3. Автоматизация научных исследований и разработок;

4. Автоматизация обучения, подготовки и переподготовки кадров;

5. Автоматизация учрежденческой деятельности.

Структура функционирования сети.

Структура локальной сети определяется принципом управления и типом связи. Нередко она отображает в определенных пределах структуру обслуживаемой организации. В локальных сетях могут быть реализованы различные виды топологии: шинная, кольцевая, радиальная, древовидная. Однако наиболее распространенными являются два первых типа структур, отличающихся простотой методов управления, возможностью расширения и изменения конфигурации сети без заметного усложнения средств управления сетью, высокой эффективностью использования каналов связи. Абонентские устройства сети подключаются в различных структурах или к общей шине или к кольцу с помощью сетевых адаптеров, состоящих из приемопередатчиков и контроллеров адаптера.

Контроллеры адаптера, называемые также блоками доступа, выполняют следующие функции: прием данных из канала, выдачу их в канал, и др. Приемопередатчики осуществляют согласование электрических сигналов канала и абонентских станций.

В шинной локальной сети все абонентские станции подключаются к общей сети параллельно, поэтому принципиальной особенностью сети такого типа является параллельная во времени передач информации всем абонентам. Абонентская станция получившая в свое распоряжение шину, передает по ней снабженное адресом сообщение или пакет(кадр). Кадр практически одновременно воспринимается всеми станциями, распознается одной из них как ей адресованной и принимается ею.

Преимущества шинной сети:

- возможность добавления или исключения узлов без повторной инициализации сети;

- обеспечение работоспособности сети при выходе из строя одного или нескольких узлов;

- возможность распределённого управления работой сети через узловые интерфейсы;

- значительное повышение надежности работы сети за счет использования коаксиального кабеля.

Основной недостаток шинной сети – невозможность одновременной передачи информации несколькими станциями.

В кольцевой локальной сети, кольцо образуют несколько каналов, которые связываются последовательно друг с другом при помощи приемопередающих блоков. К приемопередатчикам через адаптеры присоединяются абонентские станции. Таким образом принципиалной особенностью таких сетей является последовательная во времени передача информации абонентам.

Преимущества кольцевых локальных сетей:

- при использовании соответствующих детерминированных методов доступа в таких сетях не только гарантируется доступ каждого абонента через определенные интервалы времени независимо от нагрузки сети, но и допускается одновременная передача информации несколькими абонентами;

- невысокая стоимость сетевых интерфейсов, реализующих прямые методы передачи и управления доступом в сеть;

- сравнительная простота использования волоконно-оптической линии связи.

Недостатки кольцевых сетей:

- при добавлении или замене узла необходимы остановка в работе сети и временный разрыв кольца;

- выход из строя узла сети прерывает работу всей сети.

В шинной и кольцевой сетях проблема маршрутизации сообщений практически отсутствует, так как маршруты передач фиксированы.

Современные сети построены по многоуровневому принципу. Чтобы организовать связь двух компьютеров, требуется сначала создать свод правил их взаимодействия, определить язык их общения. Эти правила называются протоколом. Для работы сетей необходимо запастись множеством различных протоколов:, например, управляющих физической связью, установлением связи по сети, доступом к различным ресурсам и т.д.. Многоуровневая структура спроектирована с целью упростить и упорядочить это великое множество протоколов и отношений. Взаимодействие уровней в этой модели – субординарное. Каждый уровень может реально взаимодействовать только с соседними уровнями, виртуально – только в аналогичным уровнем на другом конце линии.

Под реальным взаимодействием понимается непосредственное взаимодействие, непосредственную передачу информации, например пересылку данных в оперативной памяти из области, отведенной одной программы, в область другой программы. При непосредственной передаче данные остаются неизменными все время.

Под виртуальным взаимодействием понимается опосредованное взаимодействие и передачу данных, данные в процессе передачи могут уже определенным, заранее оговоренным способом видоизменяться. Такое взаимодействие аналогично схеме цепи посылки одним директором фирмы другому.

Все локально-вычислительные сети работают в одном стандарте принятом для компьютерных сетей – в стандарте Open Systems Interconnection (OSI). Для единого представления данных в линиях связи, по которым передается информация, сформирована Международная организация по стандартизации (анг. ISO – International Standards Organization). ISO предназначена для разработки модели международного коммуникационного протокола, в рамках которой можно разрабатывать международные стандарты. Для правильной и, следовательно, полной и безошибочной передачи данных необходимо придерживаться согласованных и установленных правил. Все они оговорены в протоколе передачи данных.

Современное положение локальных сетей

На текущем этапе развития объединения сложилась ситуация когда:

1. В объединении имеется большое количество компьютеров работающих отдельно от всех остальных компьютеров и не имеющих возможность гибко обмениваться с другими компьютерами информацией.

2. Невозможно создание общедоступной базы данных, накопление информации при существующих объемах и различных методах обработки и хранения информации.

3. Существующие локально-вычислительные сети объединяют в себе небольшое количество компьютеров и работают только над конкретными и узкими задачами.

4. Накопленное программное и информационное обеспечение не используется в полном объеме и не имеет общего стандарта хранения.

5. При имеющейся возможности подключения к глобальным вычислительным сетям типа Internet необходимо осуществить подключение к информационному каналу не одной группы пользователей, а всех пользователей с помощью объединения в группы.

Для решения данной проблемы предложено создать единую информационную сеть предприятия. Она должна выполнять следующие функции:

- создание единого информационного пространства, которое способно охватить и применять для всех пользователей информацию созданную в разное время и под разными типами хранения и обработки данных, распараллеливание и контроль выполнения работ и обработки данных по ним.

- Повышение достоверности информации и надежности её хранения путем создания устойчивой к сбоям и потери информации вычислительной системы, а так же создание архивов данных, которые можно использовать, но на текущий момент необходимости в них нет.

- Обеспечения эффективной системы накопления, хранения и поиска технологической, технико-экономической и финансово-экономической информации по текущей работе и проделанной некоторое время назад (информация архива) с помощью создания глобальной базы данных.

- Обработка документов и построения на базе этого действующей системы анализа, прогнозирования и оценки обстановки с целью принятия оптимального решения и выработки глобальных отчетов.

- Обеспечивать прозрачный доступ к информации авто-ризованному пользователю в соответствии с его правами и привилегиями.

Методы доступа, применяемые в локальных сетях

Основной проблемой при построении локальных сетей является выбор правил, которые регламентируют порядок передачи станций на общей среде. Сложность проблемы заключается в том, что отдельные станции должны осуществлять передачу таким образом, чтобы не мешать друг другу, поскольку при одновременной передаче сигналов от двух и большего числа станций происходит наложение и взаимное искажение сигналов, происходит так называемый конфликт. При этом локальные сети стремятся строить таким образом, чтобы на сети не было какого-либо координирующего центра ( диспетчера) и все станции могли работать автономно. Для решения этой задачи разработан ряд методов регламентации передачи, или методов множественного доступа.

Все методы доступа, применяемые в локальных сетях, можно подразделить на две категории: методы, базирующиеся на централизованном управлении сетью, и распределенные методы доступа.

Для практического применения в условиях обеспечения высокой надежности наибольший интерес предоставляют распределенные методы доступа, в которых центральный управляющий орган отсутствует и все станции сети функционируют автономно. При таких методах доступа сеть более надежна, поскольку в ней отсутствует критический пункт – центральная станция, отказ которой выводит из строя всю систему. Распределенные методы доступа для локальных сетей с топологией типа можно подразделить на четыре основные категории.

1. Случайные методы доступа, когда момент выхода на среду передачи определяется с использованием механизма случайного выбора. Впервые этот метод был предложен в системе ALOHA, в которой узел начинал передачу своего пакета в момент его появления независимо от наличия передачи в канале связи от других узлов. Такой режим может приводить к конфликтам, когда два или большее число узлов осуществляют одновременную передачу и тем самым взаимно искажают передаваемые пакеты. Искаженные в процессе конфликта пакеты повторно передаются через случайно выбранный интервал времени и могут попадать в повторные конфликты.

Исследование эффективности использования пропускной способности среды передачи показало, что максимальный коэффициент использования (отношение максимальной скорости передачи к пропускной способности) не превышает 0,184. При увеличении нагрузки вероятность конфликта возрастает и время задержки до успешной передачи увеличивается.

Для уменьшения вероятности появления конфликта использования пропускной способности был разработан ряд модификаций этого метода. Случайный множественный доступ с контролем несущей(CSMA), случайный множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD), используемый в одной из первых локальных сетей Ethernet.

Отличие метода CSMA от ALOHA состоит в том, что в нем каждый узел контролирует наличие передачи в среде от других узлов и в момент поступления пакета в узел: передача начинается лишь в том случае, если в данный момент среда свободна. Если в момент передачи возник конфликт, делается попытка его разрешения, например задержка передачи на случайный интервал времени. Новая попытка может привести к успешной передаче или повторению конфликта. Известны и более сложные процедуры разрешения конфликта, обеспечивающие увеличение пропускной способности сети.

Метод CSMA/CD отличается от CSMA тем, что узел, осуществляющий передачу, контролирует возникновение конфликта в процесе передачи, и если он обнаруживает появление конфликта, передача прекращается и реализуется та или иная процедура попытки выхода из конфликтной ситуации.

Эффективность использования среды передачи в таких системах существенно зависит от интервала времени между началом передачи пакета и тем моментом, когда все узлы узнают о занятии среды.

Достоинством случайных методов доступа является простота реализации и низкое время задержки при малых нагрузках на сеть. Однако они обладают и серьезными недостатками, в числе которых можно указать отсутствие гарантированного верхнего предела времени задержки до успешной передачи пакета, что исключает возможность применения этого метода в системах, требующих передачи в реальном масштабе времени с заданными предельными задержками; нестабильную работу при увеличении входной нагрузки, при которой частота успешной передачи пакетов снижается, а задержка резко увеличивается; резкое снижение эффективности использования среды передачи.

Несмотря на это, метод CSMA/CD получил достаточно широкое распространение и предусматривается в числе международных стандартов.

2. Маркерные методы доступа, при которых право на занятие среды передается от узла к узлу в определенной последовательности(по логическому кольцу) или по приоритетам в форме специальных сообщений(маркеров).

Узел, получивший маркер, может осуществлять передачу в течении определенного времени, после чего обязан передать маркер следующему узлу. Достоинствами этого метода являются гарантированное предельное время задержки передачи пакета и отсутствие нестабильного режима передачи, характерного для случайных методов доступа. Недостаток – сложность реализации процедур инициализации логического кольца, включения – исключения узлов из логического кольца, процедуры восстановления работы сети после отказов или при потере маркера, и т.д. кроме того, сама передача маркера требует передачи определенного объема служебной информации, что приводит к снижению эффективности использования среды передачи.

3. Интервальные методы доступа характеризуются использованием в процедуре доступа временных интервалов, связанных с моментом освобождения среды после передачи пакета. Узел имеет право на передачу, если он наблюдает свободную среду после передачи пакета каким-либо узлом в течении определенного интервала времени, который зависит от конкурентной процедуры доступа.

Интервальные методы доступа в зависимости от способа расположения узлов на среде передачи можно подразделить на две категории: для сетей с упорядоченным и с произвольным расположением. При упорядоченном расположении узлов последовательность передачи права на занятие среды совпадает с последовательностью размещения узлов на среде передачи. Для сетей с произвольным расположением последовательность подключения узлов на сети не связана с последовательностью передачи права на занятие среды.

Методы доступа подразделяются также по виду информации, которая используется в процессе принятия решения о возможности передачи с данного узла. В простейшем случае в процедуре доступа используется только информация о времени освобождения среды передачи в данном узле, номере данного узла и максимальном времени распространения сигнала между наиболее удаленными узлами сети. В более сложных процедурах может использоваться также информация о номере узла, который последним вел передачу, о времени распространения между парами узлов и о других параметрах.

4. Интервально-маркерные методы доступа, при которых право на занятие среды определяется временными интервалами после передачи пакета или специального маркера. Если сеть достаточно загружена, то в ней идет непрерывная передача пакетов с интервалами, определяемыми процедурой доступа. Если же в сети пакетов нет, осуществляется передача синхромаркеров, которые служат опорными временными метками для отсчета временных интервалов, определяющих право занятия среды передачи узлами сети при появлении у них пакетов.

Еще одной характеристикой, по которой могут различаться методы доступа, является порядок передачи между узлами права на занятие среды, то есть порядок передачи управления, или режим приоритетов. По этому критерию можно выделить следующие возможные режимы:

- последовательный циклический доступ, при котором все узлы в определенной последовательности получают право на передачу пакетов. Ни один из узлов не обладает какими-либо преимуществами по сравнению с другими узлами. При таком методе передачи управления для каждого узла гарантировано конечное предельное время задержки пакета, не зависящее от активности других узлов;

- приоритетный циклический доступ, при котором управление последовательно передается между всеми узлами сети, однако узел, ведущий передачу, обладает приоритетом по отношению к другим узлам – он может продолжать передачу до тех пор, пока у него имеются пакеты. В этом случае возможен захват среды отдельными узлами и вследствие этого предельное время задержки не гарантировано;

- частично-приоритетный циклический доступ, при котором узел, ведущий передачу, обладает приоритетом лишь над частью узлов, например над узлами с меньшими номерами, если узлы с большими номерами не имеют пакетов для передачи. Если все узлы имеют пакеты, то этот метод доступа обеспечивает последовательный обход всех узлов. Предельное время задержки для всех узлов сети в этом случае не гарантируется;

- приоритетный доступ, при котором после передачи любым узлом управление переходит к узлу с наибольшим приоритетом, если этот узел не имеет пакетов ,- к узлу следующего приоритета и т.д.. Предельное время задержки в этом случае гарантируется лишь для узлов с наибольшим приоритетом;

- доступ с приоритетным распределением пропускной способности, при котором в условиях, когда все узлы имеют пакеты для передачи, пропускная способность среды распределяется пропорционально заданным приоритетам. Предельное время задержки при этом методе гарантируется всем узлам.

Список использованных источников:

1 С.И. Казаков «Основы сетевых технологий»

2 Токанов « Теория экономического анализа» глава «Информационные системы на предприятии»

3 Бертсекас, Галлагер « Сети передачи данных»

4 Лорин « Операционные системы/ пер. с англ. Райкова» – М.: Финансы и статистика 1984 г.