В среде мэйнфреймов приложения (например, базы данных) выполняются на очень мощном централизованном компьютере и доступны с терминалов. Терминалы запрашивают информацию с мэйнфрейма, тот находит ее и отображает на терминале.
В более современных средах используется модель центрального файл-сервера. Файлы данных хранятся на сервере. Файловые операции с базой данных выполняются по сети с помощью механизмов сетевой ОС. Разделение операций над данными между компьютером-клиентом и файл-сервером, при котором наиболее ресурсоемкую часть работы берет на себя сервер, отсутствует. Обмен данными между клиентом и файл-сервером приводит к значительному увеличению сетевого трафика.
Сеть архитектуры «клиент-сервер» - это сетевая среда, в которой компьютер-клиент инициирует запрос компьютеру серверу, который выполняет его и передает результат компьютеру серверу.
Сервер – компьютер или программа, предоставляющие услуги (сервисы), ресурсы или данные другой программе или компьютеру.
Клиент – компьютер или программа, запрашивающая услуги, ресурсы, данные или обработку у другой программы или компьютера
Для реализации клиент-серверного взаимодействия необходимо создать специальный программный модуль-клиент, который будет выполнять функции формирования сообщений-запросов и приема результатов для всех приложений компьютера. На стороне же компьютера B должен работать другой модуль – сервер, постоянно ожидающий прихода запросов. Сервер, приняв запрос, выполняет его, возможно, с участием локальной ОС.
Чтобы приложения компьютера B могли пользоваться ресурсами компьютера A, описанную схему надо симметрично дополнить клиентом для компьютера B и сервером для компьютера A.
Глава 3. Классификация компьютерных сетей.
3.1. По территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть (локальные и глобальные сети).
Локальные сети (LAN – Local Area Network) – сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена (100-1000 Мбит/с). Большое кол-во услуг в on-line.
Глобальные сети (WAN – Wide Area Network) –объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, в глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей (телефонные, телеграфные). Для устойчивой передачи данных применяются сложные методы и дорогое оборудование. Скорости передачи невысокие, набор on-line услуг ограниченный.
Городские сети (сети мегаполиса) (MAL – Metropolitan Area Network) – предназначены для обслуживания территории крупного города – мегаполиса. Занимают промежуточное положение между LAN и WAN. Используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями от 45 Мбит/с. Предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными. Поддерживают видеоконференции и передачу голоса.
3.2. По масштабу производственного подразделения, в пределах которого действует сеть (сети отделов, кампусов и корпораций).
Сети отделов – сети, которые используются сравнительно небольшой группой сотрудников, работающих в одном отделе предприятия и решающих общие задачи (до 100-150 чел.). Главной целью сети отдела является разделение локальных ресурсов (приложения, данные, принтеры, модемы). Сети отделов обычно не разделяются на подсети и создаются на основе одной сетевой технологии.
Сети кампусов – объединяют множество сетей отделов одного предприятия в пределах одного здания или в пределах одной территории площадью до нескольких км. Глобальные соединения не используются. Служит для взаимодействия между сетями отделов, доступа к общим базам данных предприятия, к общим факс-серверам, высокоскоростным модемам и принтерам. Может объединять подсети с различными сетевыми технологиями.
Корпоративные сети (сети масштаба предприятия) – объединяют большое кол-во компьютеров на всех территориях отдельного предприятия. Они могут быть сложно связаны и покрывать город, регион или даже континент. Для соединения удаленных локальных сетей и отдельных компьютеров применяются разнообразные телекоммуникационные средства, в том числе телефонные каналы, радиоканалы, спутниковая связь. Корпоративные сети обладают высокой степенью гетерогенности – в них используются различные типы компьютеров и ОС.
3.3. По наличию выделенного сервера.
Одноранговые сети (сети рабочих групп) – все компьютеры в сети равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера. Как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер. Нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Каждый пользователь сам администрирует свой компьютер и решает, какие ресурсы сделать общедоступными в сети. Достоинства: простота и дешевизна сети; поддержка одноранговых сетей встроена в большинство операционных систем. Недостатки: низкая управляемость сетью (нет центрального администрирования) и как следствие ограничение на количество компьютеров в сети (обычно не более 10); низкая защита данных в сети: ресурсы рассредоточены по многим компьютерам, невозможно централизованно управлять защитой, защита только на уровне ресурсов (установка пароля).
Сети на основе сервера – для обеспечения работы сети используются выделенные серверы. Выделенные серверы – компьютеры, функционирующие только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Существуют различные типы специализированных серверов: файл-серверы, серверы печати, серверы приложений, почтовые серверы, факс-серверы, коммуникационные серверы. Серверы работают под управлением специальной серверной операционной системы. Преимущества: централизованное администрирование сети, надежная защита данных на уровне пользователя, высокая надежность, возможность дублирования и резервного копирования информации на сервере, возможность создания сетей с любым количеством пользователей. Недостатки: высокая стоимость сети в связи с применением дорогих серверных станций, дисковых массивов и другого специализированного оборудования, необходимость иметь специально обученного администратора сети.
Глава 4. Характеристики вычислительных сетей.
Главным требованием, предъявляемые к сетям, является выполнение сетью ее основной функции – обеспечение пользователям потенциальной возможности доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть.
Существуют два подхода к обеспечению качества обслуживания сети. Первый подход состоит в том, что сеть гарантирует пользователю соблюдение некоторой числовой величины показателя качества обслуживания.
Второй подход состоит в том, что сеть обслуживает пользователей в соответствии с их приоритетами. Качество обслуживания в данном случае не гарантируется, а гарантируется только уровень привилегий пользователя. Такое обслуживание называется обслуживанием с наибольшим старанием.
4.1. Производительность.
Существует несколько основных характеристик производительности сети:
· время реакции – интервал времени между возникновением запроса пользователя к сетевой службе и получением ответа на этот запрос (складывается из времени подготовки запроса на клиентском компьютере, времени передачи запроса между клиентом и сервером, времени обработки запроса сервером, времени передачи ответа от сервера клиенту и времени обработки ответа клиентом;
· пропускная способность – объем данных, передаваемых сетью или ее частью в единицу времени (средняя, мгновенная, максимальная);
· задержка передачи и вариация задержки передачи – задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом его появления на выходе этого устройства
4.2. Надежность и безопасность.
· готовность или коэффициент готовности - доля времени, в течение которого система может быть использована;
· сохранность данных;
· согласованность (непротиворечивость) данных;
· вероятность доставки пакета;
· безопасность – способность системы защитить данные от несанкционированного доступа.
· отказоустойчивость.
4.3. Расширяемость и масштабируемость.
· расширяемость – возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов и замены существующего оборудования более мощным;
· масштабируемость – означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.
4.4. Прозрачность.
Сеть должна представляться пользователю не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабелей, а как единая вычислительная машина с системой разделения времени. Различают прозрачность расположения, прозрачность перемещения, прозрачность параллелизма.
4.5. Поддержка разных видов трафика.
Можно выделить два основных вида трафика
· компьютерный – трафик, порождаемый традиционными сетевыми службами (передача файлов, email, news). Характеризуется крайне неравномерной интенсивностью при отсутствии жестких требований к синхронности доставки сообщений;
· мультимедийный – передача речи и изображения. Главная особенность – наличие жестких требований к синхронности доставки сообщений.
4.6. Управляемость.
Возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.
4.7. Совместимость (интегрируемость).
Означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение.
Часть II. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.
Глава 5. Понятие «открытая система» и проблемы стандартизации.
5.1. Понятие «открытая система».
В широком смысле открытой системой может быть названа любая система, которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.
Спецификация – формализованное описание аппаратных и программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия друг с другом, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик.
Открытые спецификации – опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам.
В модели сетевого взаимодействия под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.
Преимущества сетей, построенных на принципах открытости:
· возможность использования аппаратных и программных средств разных производителей;
· возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными;
· возможность легкого сопряжения одной сети с другой;
· простота освоения и обслуживания сети.
Пример открытой системы: сеть Internet.
5.2. Многоуровневый подход к описанию средств сетевого взаимодействия.
Модель взаимодействия двух узлов.
Средства сетевого взаимодействия могут быть представлены в виде иерархически организованного множества модулей. Специфика сетевого взаимодействия связана с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют две машины.
Процедура взаимодействия двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон.
Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.
Правила взаимодействия модулей, реализующих протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, называются интерфейсом.
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.
5.3. Сообщение как единица информации в сети.
Взаимодействие модулей происходит через отправку и получение стандартных сообщений. Сетевое сообщение представляет собой определенный объем информации, передаваемый сетью единовременно.
Сообщение состоит из заголовка, поля данных и концевика (трейлера). Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть соответствующему модулю машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. Концевик обычно содержит контрольную сумму для контроля ошибок передачи.
Сетевые сообщения имеют относительно небольшой размер. Если объем передаваемой информации больше максимального объема поля данных сообщения, информация разбивается на части, каждая из которых передается в отдельном сообщении.
· Контроль ошибок передачи – обеспечивается сравнением контрольной суммы, полученной в сообщении и рассчитанной на принимающей стороне.
· Уменьшение повторно передаваемых данных – в случае возникновения ошибок требуется повторная передача только небольшого сообщения, а не всего объема информации.
· Маршрутизация сообщений – каждое сообщение может передаваться отдельно от остальных в общем случае по разным маршрутам.
· Оптимизация трафика – сообщения могут идти параллельно по нескольким маршрутам, что ускоряет доставку информации получателю.
Глава 6. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) OSI.
Модель OSI (Open Source Interconnection) определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.
В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней:
7. Прикладной;
6. Представительский;
5. Сеансовый;
4. Транспортный;
3. Сетевой;
2. Канальный;
1. Физический.
Приложение обращается с запросом к прикладному уровню. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сообщение состоит из заголовка, поля данных и концевика (трейлера). Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. Концевик обычно содержит контрольную сумму для контроля ошибок передачи.
После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительскому уровню. Протокол представительского уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию – заголовок представительского уровня, в котором содержатся указания для протокола представительского уровня машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, и т.д. Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому времени сообщение «обрастает» заголовками всех уровней.
Когда сообщение по сети поступает машине-адресату, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх по стеку протоколов. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.
В модели OSI определены два основных типа протоколов.
1) Протокол с установлением соединения – перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать некоторые параметры протокола. После завершения диалога они должны разорвать это соединение.
2) Протокол без предварительного установления соединения (дейтаграммный) – отправитель просто передает сообщение, когда оно готово.
6.1. Уровни модели OSI.
Физический уровень – имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи. На этом уровне определяются характеристики физических сред передачи данных, характеристики электрических сигналов, типы разъемов.
Примеры: коаксиальный кабель, витая пара UTP и STP, оптоволокно, радиоволны, ИК-излучение.
Канальный уровень – осуществляет проверку доступности среды передачи, реализацию механизмов обнаружения и коррекции ошибок. На канальном уровне биты группируются в кадры. Протокол канального уровня локальных сетей работают в сети только с определенной типовой топологией, для которой он разработан
Сетевой уровень– служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Он решает задачи правильного выбора маршрута передачи сообщений по составным сетям. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами. На сетевом уровне работают несколько видов протоколов:
· Сетевые протоколы – реализуют продвижение пакетов через сеть;
· Протоколы маршрутизации – используются для сбора информации о топологии межсетевых соединений;
· Протоколы разрешения адресов – отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес узла в сети.
Примеры: IP (TCP/IP), IPX (Novell).
Транспортный уровень – обеспечивает приложениям или верхним уровням стека передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Он предоставляет различные классы сервиса, отличающиеся качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, способностью к обнаружению и устранению ошибок передачи, таких как искажение, потеря или дублирование пакета.
Примеры: TCP и UDP (TCP/IP), SPX (Novell).
Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой. Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.
Сеансовый уровень – обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации.
Представительский уровень – имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя ее содержание. Позволяет преодолеть синтаксические различия в представлении данных, различия кодировок. Может выполнять шифрование и дешифрование данных.
Пример: SSL (TCP/IP).
Прикладной уровень – это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам. Единица данных – сообщение.
Три нижних уровня модели OSI – физический, канальный и сетевой – являются сетезависимыми, т.е. протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием.
Три верхних уровня – прикладной, представительский и сеансовый – являются сетенезависимыми, т.е. ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети.
Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних.
Важнейшим направлением стандартизации в области вычислительных сетей является стандартизация коммуникационных протоколов. Практически все стеки на нижних уровнях – физическом и канальном, - используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и др., которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. На верхнем уровне все стеки работают по своим собственным протоколам.
