Появление малых и микро-ЭВМ, а также персональных компьютеров потребовало нового подхода к организации систем обработки данных. В результате был осуществлен переход от использования отдельных ЭВМ в системах централизованной обработки данных к распределенной обработке данных. Распределенная обработка данных выполняется на независимых, но связанных между собой компьютерах. Таким образом, вычислительная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределенной обработки данных.
Объекты, генерирующие или потребляющие информацию, в сети называются абонентами. Аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом информации, называется станцией. Линии связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы, а также аппаратура передачи данных называется физической передающей средой. На базе физической передающей среды строится коммуникационная сеть, которая обеспечивает передачу информации между абонентскими системами.
В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:
- глобальные сети (GAN-Global Area Network);
- региональные сети (MAN-Metropolitan Area Network);
- локальные сети (LAN-Local Area Network).
Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами осуществляется на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальная сеть позволяет объединять информационные ресурсы всего человечества и обеспечивать доступ к ним.
Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами составляет десятки, сотни километров.
Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту.
Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевыеиерархии.
Сеть создается для доступа пользователей к любому ее ресурсу. Качество доступа к ресурсам сети может быть описано совокупностью показателей.
Открытость – это возможность подключения дополнительных устройств без изменения аппаратно-программных средств существующей сети.
Гибкость – это сохранение работоспособности сети при изменении ее структуры, либо в результате выхода из строя ЭВМ или линии связи.
Эффективность означает обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.
Производительность сети может определяться временем с момента поступления запроса в систему до момента получения ответа на него.
Надежность сети определяется вероятностью безотказной работы всех ее компонентов, возможностью распараллеливания работы между разными элементами сети, а также обеспечением сохранности информации.
Управляемость сети обеспечивает возможность воздействовать на работу отдельных элементов сети и осуществлять управление с любого элемента сети. Управлением сетью занимается администратор сети.
Прозрачность сети предполагает скрытие особенностей сети от конечного пользователя.
Интегрируемость сети означает возможность подключения к сети разнообразного и разнотипного оборудования, программного обеспечения от разных производителей. Работы по стандартизации вычислительных сетей ведутся большим количеством организаций в разных странах.
Экономические преимущества распределенной обработки данных:
обработка информации осуществляется в месте ее возникновения и использования, что повышает заинтересованность пользователя в достоверности данных и качестве принятия решений;
становится возможной безбумажная технология обработки данных;
имеет место относительное уменьшение капитальных затрат на создание системы обработки данных (СОД) и эксплуатационных расходов при высокой общей производительности системы;
повышается надежность СОД и сокращается время обработки информации за счет высокого уровня параллельности обработки;
возникает возможность адаптивной настройки архитектуры системы на объекте и наращивания ее вычислительной мощности.
Таким образом, разделение ресурсов процессора позволяет использовать вычислительные мощности для обработки данных другими системами, входящими в сеть, а разделение данных обеспечивает доступ и управление базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации. Многопользовательский режим обеспечивает возможность одновременного использования программных средств многими пользователями.
8.2. Сетевые средыпередачиинформации
Средой передачи информации называются линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами.
В компьютерных сетях используются проводные (кабельные) и беспроводные каналы связи.
Информация в локальных сетях передается либо в последовательном коде, то есть бит за битом, либо в параллельном коде (по нескольким кабелям одновременно). При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость кабеля сравнима со стоимостью компьютеров. Проложить один кабель гораздо проще, дешевле обойдется также поиск повреждений и ремонт кабеля.
Передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной же количество требуемых устройств возрастает пропорционально разрядности параллельного кода. При параллельной передаче важно, чтобы длины отдельных кабелей были точно равны друг другу. Иначе на приемном конце образуется временной сдвиг между сигналами, который может привести к сбоям сети.
Все кабели разделяют на три большие группы:
электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.
Учитываются следующие основные параметры кабелей в сетях:
полоса пропусканиякабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле, измеряемое в децибелах и пропорциональное длине кабеля;
помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации;
скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр – задержка сигнала на метр длины кабеля;
волновое сопротивление, учитываемое при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля (от 50 до 150 Ом).
Телефонная линия. Скорость передачи данных 1 — 10 Мбит/с. Сети данного типа используют существующие телефонные линии, но работают в другом частотном диапазоне, чтобы не создавать помех для телефонных разговоров.
Линия электропередачи. Скорость передачи данных 1 — 10 Мбит/с. Сети на базе линий электропередачи аналогичны сетям на базе телефонный линий, но используют для передачи данных между компьютерами электрическую проводку и розетки.
Кабели на основе витых пар.Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов. Обычно в кабель входит 2 или 4 витые пары.
Коаксиальный кабель состоит из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика и помещенных в общую внешнюю оболочку.
Коаксиальный кабель имеет высокую помехозащищенностью и более широкие полосы пропускания(свыше 1Ггц), а также большие допустимые расстояния передачи (до километра). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабелясложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже в 1,5 – 3 раза). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля.
Коаксиальный кабель используется в сетях типа шина. При этом на концах кабеля должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, причем один из них должен быть заземлен. Волновое сопротивление кабеля – 50 и 93 ома.
Оптоволоконный (волоконно-оптический) кабель. Информация по кабелю передается световым сигналом по прозрачному стекловолокну, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением. Структура оптоволоконного кабеля похожа на структуру коаксиального кабеля. Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних помех здесь не требуется. Однако, иногда ее все-таки применяют для механической защиты от внешних воздействий (такой кабель называют броневым).
Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1000 Ггц. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. Величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах.
Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Главный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа.
Бескабельные каналы связи. Главное преимущество бескабельных каналов состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов. Компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.
Для передачи информации используетсярадиоканал, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков Мбит/с (в зависимости от выбранной длины волны и способа кодирования). В радиоканалеиспользуется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.
Главными недостатками радиоканалаявляется его плохая защита от прослушивания, слабая помехозащищенность, возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и TV-станциями и т.д.).
Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) применяются подключения по радиоканалуна небольших расстояниях (до 100 м) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона – 2,4 Ггц и 5 Ггц, скорость передачи – до 54 Мбит/с и 11 Мбит/с. Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты). Они могут использоваться в местах, где прокладка кабелей неосуществима, а также в качестве дополнения к имеющейся проводной локальной сети, призванного обеспечить пользователям возможность работать, перемещаясь по зданию.
Технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точка доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что упрощает их подключение к сети.
Радиоканалшироко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи.
Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом – нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.
Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5—10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с.
Инфракрасные каналы делятся на две группы. Во-первых, каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети, зато протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров. Во-вторых, каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий, препятствия в данном случае не помеха, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения.
