На основі вищесказаного структуру КМ можна показати у вигляді, представленому на рис. 1.1.
Узагальнена структура
Великою різноманітністю характеризуються Host підсистеми або мережеві сервери. Сервером прийнято називати спеціальний комп'ютер, що виконує основні сервісні функції, такі як: управління мережею, збір, обробку, зберігання і надання інформації абонентам КМ. У зв'язку з великим числом сервісних функцій доцільне розділення серверів за їх функціональним призначенням. Наприклад, файл-сервер визначається як мережевий комп'ютер, що здійснює операції по зберіганню, обробці і наданню файлів даних абонентам КМ. У свою чергу, комп'ютер, що забезпечує абонентським системам ефективний доступ до КМ, отримав назву сервер доступу і т.д.
Комутаційні підсистеми є вузлами комутації мережі передачі даних і забезпечують організацію складових каналів передачі даних між абонентським підсистемами. Як керуючі елементи вузлів комутації використовуються процесори телеобробки або спеціальні комутаційні (мережеві) процесори.
Абонентська підсистема являє собою комп'ютер, орієнтований на роботу в складі КМ і забезпечує користувачам доступ до її обчислювальних ресурсів.
Відповідно до цього по функціональній ознаці всю безліч систем КМ можна розділити на абонентські, комутаційні і головні (Host) підсистеми.
Надання обчислювальних ресурсів і послуг абонентам мережі.
Під архітектурою будемо розуміти сукупність принципів і правил у відповідності з якими будуються обчислювальні системи різних видів.
Розглядаючи питання архітектури комп'ютерних мереж (КМ), насамперед, необхідно визначити їх призначення та область застосування. Так основним призначенням комп'ютерної мережі є надання великому числу користувачів одночасного доступу до її обчислювальних ресурсів. Виходячи з цього, комп'ютерна мережа може бути визначена як система розподіленої обробки інформації, що складається з комп'ютерів, територіально-розосереджених і взаємодіючих між собою за допомогою засобів зв'язку. Комп'ютери, що входять до складу мережі, виконують досить широке коло функцій, основними серед яких є:
- організація доступу до мережі;
- управління передачею інформації;
Рис. 1.1 Узагальнена структура КМ
Класифікація КМ
В залежності від основної класифікаційної ознаки покриття території всі КМ поділяють на групи:
Локальні (Local Area Network);
Глобальні (Wide Area Network);
Регіональні (Metropolitain Area Network);
Корпоративні КМ.
Локальні КМ за покриттям території є найменшими з перелічених. Найчастіше вони займають простір протяжністю в кілька кілометрів і поєднують абонентські підсистеми розташовані в кількох приміщенням чи корпусах. Прикладом такої мережі може бути локальна мережа ІКІТ, інших структурних підрозділів Академії народного господарства.
Глобальні КМ за покриттям є найбільшими і розташовуються на одного чи навіть кількох континентів. Такі мережі об’єднують між собою як окремі абонентські підсистеми, так локальні мережі. Приклад – всесвітня мережа Internet.
Регіональні КМ покривають територію міста, регіону, країни. Приклад – українська глобальна мережа URAN.
Останнім часом швидкими темпами розвиваються корпоративні КМ. Вони поєднують розрізнені локальні мережі підрозділів підприємств та корпорацій, навчальних закладів. Приклад – проект корпоративної КМ ТАНГ.
2. Еталонна модель взаємодії відкритих систем
Еталонна модель взаємодії відкритих систем, або модель зв'язку відкритих систем, або Open System Interconnection (OSI) — семирівнева логічна модель роботи КМ. Модель OSI являє собою групу протоколів чи правил зв'язку, організованих у сім рівнів (рис.1.2). Ці рівні пов'язують прикладні процеси, розміщені на верхньому рівні, з фізичним середовищем передавання, що розташоване на нижчому рівні. Кожен рівень OSI виконує визначену функцію по передачі даних і базується на основі нижчого рівня. Хоча вони повинні працювати в строгій черговості, але кожний з рівнів допускає кілька варіантів. Перші три рівні OSI — фізичний, канальний, мережний відносяться до передачі і маршрутизації даних. Четвертий, транспортний рівень забезпечує зв'язок між першими трьома і вищими рівнями. Останні три рівні — сеансовий, представницький і прикладний, обслуговують користувацькі додатки.
Рис. 1.2 Основні функції рівнів КМ
Нульовий рівень – фізичне середовище передавання КМ. Під фізичним середовищем передавання інформації у КМ розуміють усі існуючі засоби (носії сигналу):
- багатожильні кабелі;
- звійні пари проводів;
- бі- та триаксіальні і силові кабелі;
- волоконно-оптичний кабель;
- телефонні кабелі;
- коаксіальні кабелі;
- радіоканали;
- супутникові, телеметричні канали.
Перший рівень – фізичний рівень КМ визначає межу між фізичним середовищем (лінією зв'язку) та канальним рівнем. Еталонна модель КМ фізичний рівень визначає так: “Фізичний рівень забезпечує механічні, електричні, функціональні та процедурні способи активації, підтримки та деактивації фізичних з'єднань при побітовому передаванні між канальними об'єктами”. Для КМ фізичний рівень забезпечує інтерфейс між ПК, що бере (беруть) участь у взаємодії, та середовищем передавання дискретних сигналів. Фізичний рівень через інтерфейс керує потоком даних.
Другий рівень – канальний рівень відкритих КМ формує з даних, що передаються на фізичному рівні, так звані кадри або послідовності кадрів. На цьому рівні здійснюється також керування доступом до середовища передачі даних, яке використовується кількома ПК.
Канальний рівень КМ долає обмеження, властиві фізичним ланцюгам, а також визначає та по змозі усуває помилки, що їх допущено у процесі передавання даних за рахунок замаскованих недоліків якості передавання. Канальний рівень дає змогу мережному рівню регулювати взаємозв'язки комунікацій у фізичних середовищах (у середині фізичного рівня).
Третій рівень – мережний рівень відкритих КМ реалізує додаткові функції маршрутизації для того, щоб “кадри” канального рівня були прозорі (доступні) для різноманітного мережного обладнання, засобів передавання та доступу.
Четвертий рівень – транспортний рівень відкритих КМ відповідає за прозоре передавання інформації надійним та економічно вигідним способом між об'єктами (ПК) сеансового рівня. Транспортний рівень звільняє об'єкти сеансового рівня від проблем реального транспортування даних. Він також оптимізує послуги мережі з метою досягнення мінімального рівня вартості експлуатаційних характеристик та відповідає за цілісність даних, що передаються в мережі. Функції транспортного рівня містять наскрізне послідовне керування, наскрізне керування потоком, знаходження та виправлення помилок, поточний контроль якості послуг.
П'ятий рівень – сеансовий рівень відкритих КМ відповідає за взаємодію та підтримку діалогу між процесами певного типу. Логічна асоціація (взаємодія та підтримка діалогу між процесами певного типу) називається сеансом. Для КМ може бути передбачено кілька різних сеансових рівнів і відповідно кілька протоколів для процесів різних типів, наприклад передавання усної мови у цифровому коді та інтерактивні обчислення. Для того щоб взаємодіяли два та більше процесів, має бути встановлена логічна асоціація між цими процесами. Отже, сеансовий рівень є відповідальним за встановлення та припинення сеансу, а також за керування діалогом під час цього сеансу.
Шостий рівень – рівень подання (представлення) даних у відкритих КМ відповідає за сумісність подання даних між прикладними процесами, що взаємодіють, такими як формати даних (екрани дисплеїв або виводи принтера), коди та символи перетворень. Рівень здійснює також перетворення представлення інформації, що передається між відкритими системами.
Сьомий рівень – прикладний рівень забезпечує прикладним програмам (або за термінологією OSI — прикладним процесам) доступ до середовища OSI. Цей рівень – єдиний, що забезпечує послуги безпосередньо прикладній програмі.
Діапазон функцій, які потенційно забезпечуються прикладним рівнем, є різноманітним. Як найвищий рівень у моделі КМ, прикладний рівень не має інтерфейсу з рівнем, розміщеним вище.
Геометрична форма плоскої проекції середовища передавання називається топологією (конфігурацією) КМ. Залежно від способу поєднання фізичних компонентів у КМ можуть використовуватися такі топології:
топологія зірки (Star topology);
кільцева топологія (Ring network);
шинна топологія (Bus topology);
ієрархічна топологія (Clusters topology).
Архітектуру КМ, в якій усі вузли мережі сполучені з одним центральним вузлом, називають топологією зірки. Мережа з топологією зірки одна з найпоширеніших КМ. У мережах такого типу (рис.1.3) вузол А, як правило, відповідає за маршрутизацію трафіка через себе до інших компонентів, а також відповідає за локалізацію несправностей. До позитивних властивостей мережі з топологією зірки можна віднести такі:
легкість керування;
достатньо просте програмне забезпечення;
простий потік трафіка;
можливість швидкого пошуку помилок;
відносну простоту та незначні витрати при потребі нарощування мереж.
Ця топологія має і ряд недоліків: виникнення “вузьких місць” у разі, коли трафіком керує пристрій, що розміщений на найвищому рівні.
Рис. 1.3 КМ з топологією зірки
У мережі з кільцевою топологією (рис.1.4) вузол дістає повідомлення від одного зі своїх сусідів і далі або обробляє його сам, або ретранслює іншому сусідові, причому дані поширюються колом і здебільшого лише в одному напрямі.
До позитивних властивостей мережі з кільцевою топологією можна віднести такі: нечасті перевантаження, притаманні ієрархічній або зіркоподібній топології; логічна організація кільцевої мережі є відносно простою. Ця топологія має недолік, що полягає в наявності одного каналу, який поєднує всі компоненти в кільце. Якщо відмовляє канал між двома вузлами, настає відказ усієї мережі.
Для усунення зазначеної ситуації необхідно зарезервувати канал або застосувати перемикачі для обходу вузлів, що відмовили.
Рис. 1.4 КМ з топологією зірки
Архітектуру КМ, при якій усі вузли підімкнені до спільного лінійного інформаційного каналу, називають шинною топологією(рис.1.5), мережі із шинною топологією є досить популярними. Шина дозволяє, щоб кожне повідомлення приймалось усіма станціями. Відповідно в момент передавання працює одна-єдина станція у широкомовному режимі на кілька станцій.
Серед позитивних характеристик мережі із шинною топологією можна назвати такі:
відносно просте керування трафіком між підімкненими пристроями;
легше додати абонента до “шини”, ніж до зірки та кільця, яке має бути розірваним;
більша надійність, оскільки на функціонування справних вузлів зможуть впливати несправні вузли або тракти, що поєднують їх через шину.
Рис. 1.5 КМ з шинною топологією
Шинна топологія має й окремі недоліки, а саме:
- наявність одного каналу, що поєднує всі компоненти. Якщо відмовив канал між двома вузлами, настає відказ усієї мережі. Для усунення такої ситуації необхідно зарезервувати канал або застосувати перемикачі для об ду вузлів, що відмовили;
- трудність локалізації відказів із точністю до окремої компоненти, яку підімкнено до шини. Це зумовлюється відсутністю точок концентрації, через що проблема розрізнення несправностей стає важко розв'язуваною.
Ієрархічною називають топологію КМ, при якій вузли об'єднують в групи (кластери) зі спільним контролером (рис.1.6), причому правила взаємодії між вузлами всередині одного кластера та між вузлами різних кластерів різні. Мережі із ієрархічною топологією мають відносно просте програмне забезпечення. Здебільшого мережею керує пристрій який має найвищий пріоритет, і він же ініціює поширення трафіка в мережі. Такий підхід забезпечує своєрідну точку концентрації для керування діагностування помилок.
Рис. 1.6 КМ з ієрархічною топологією
Часто в КМ з ієрархічною топологією застосовується метод побудови супідрядних ієрархічних структур. У супідрядних ієрархічних структурах пристрій, розміщений вище за ієрархів забезпечує безпосереднє керування пристроями, що в ієрархії містяться нижче. Це зменшує навантаження на центральний пристрій, наприклад вузол А. У мережах з ієрархічною топологією є можливість поступової еволюції (нарощування) пристроїв мережі в напрямку складнішої структури КМ.
Позитивними властивостями мережі з ієрархічною топологією є такі:
відносна простота програмного забезпечення; можливість швидкого пошуку помилок;
відносна простота і незначні витрати у разі потреби нарощування мережі. Ця топологія має й деякі недоліки:
виникнення “вузьких місць” в разі, коли трафіком керує пристрій, розташований найвище;
мала надійність за відсутності технічного резервування; часте виникнення конфліктних ситуацій, пов'язаних із втратою інформації за напрямами “згори — донизу” та “знизу — угору”.
На практиці деколи застосовують гібридні технології. До них можна віднести, наприклад, коміркову топологію, топологію сніжинка і т. ін. Коміркова топологія (рис.1.7) знайшла застосування лише останніми роками, і тому недостатньо досліджена у практиці, її привабливість полягає у відносній стійкості до перевантажень та відказів. Завдяки множинності шляхів, створюваних з компонентів мережі, трафік може бути напрямлений в обхід вузлів, які відмовили або зайняті. Незважаючи на те, що такий підхід характеризується складністю та високою вартістю (протоколи є порівняно складними з погляду логіки роботи), численні користувачі надають перевагу комірковим мережам як надійнішим за мережі інших типів.
Рис. 1.7 КМ з комірковою топологією
