Лекція 1. Огляд і архітектура обчислювальних мереж

1. Основні визначення і терміни

Мережа — це сукупність об'єктів, утворених пристроями передачі і обробки даних. Міжнародна організація по стандартизації визначила обчислювальну мережу як послідовну біт-орієнтовану передачу інформації між пов'язаними один з одним незалежними пристроями.

Іншими словами: Комп’ютерна мережа — це система розподіленої обробки інформації, яка є комплексним об’єднанням комп’ютерів та інших пристроїв оброблення інформації із засобами передачі даних по лініях зв’язку.

У загальному випадку усі комп’ютерні мережі можуть бути класифікованими за певними ознаками (варіант):

•      за порядком доступу до інформаційних ресурсів — відкриті і закриті;

•      за розміщенням елементів мереж (територіальна ознака) — локальні і розподілені;

•      за масштабом використання — корпоративні, регіональні, державні, глобальні;

•      за призначенням — загальні і спеціалізовані;

•      за рівнем побудови — однорангові і з виділеними серверами

(серверні) (рис. 1);

•      за використовуваним обладнанням — однорідні і різнорідні;

•      за використовуваними засобами зв’язку — виділені і комутовані.

Рис. 1. Класифікація комп'ютерних мереж

Мережі зазвичай знаходиться в приватному володінні користувача і займають деяку територію і, як відмічалось раніше, за територіальною ознакою поділяються на:

•      Локальні обчислювальні мережі (ЛОМ) або Local Area Network (LAN), розташовані в одному або декількох близько розташованих будівлях. ЛОМ зазвичай розміщуються в рамках якої організації (корпорації, установи), тому їх називають корпоративними.

•      Розподілені комп'ютерні мережі, глобальні або Wide Area Network (WAN), розташовані в різних будівлях, містах і країнах, які бувають територіальними, змішаними і глобальними. В залежності від цього глобальні мережі бувають чотирьох основних видів: міські, регіональні, національні та транснаціональні. В якості прикладів розподілених мереж дуже великого масштабу можна назвати: Internet, EUNET, Relcom, FIDO. До складу мережі в загальному випадку включається такі елементи: мережеві комп'ютери (оснащені мережним адаптером);

канали зв'язку (кабельні, супутникові, телефонні, цифрові, волоконнооптичні, радіоканали та ін); різного роду перетворювачі сигналів; мережеве обладнання.

Розрізняють два поняття мережі: комунікаційна мережа і інформаційна мережа (рис. 2).

Информационная сеть №1

Информацинная Информацинная система №1 система №n

Коммуникационная сеть

Информацинная Информацинная система №1 система №n

Информационная сеть №2

Рис. 2. Інформаційні та комунікаційні мережі

Комунікаційна мережа призначена для передачі даних, також вона виконує завдання, пов'язані з перетворенням даних. Комунікаційні мережі розрізняються за типом використовуваних фізичних засобів з'єднання.

Інформаційна мережа призначена для зберігання інформації та складається з інформаційних систем. На базі комунікаційної мережі може бути побудована група інформаційних мереж.

Комп'ютерна мережа складається з інформаційних систем і каналів зв'язку.

Під інформаційною системою слід розуміти об'єкт, здатний здійснювати зберігання, обробку чи передачу інформація. Таким чином, під інформаційною системою слід розуміти систему, яка є постачальником або споживачем інформації.

До складу інформаційної системи входять: комп'ютери, програми, користувачі та інші складові, призначені для процесу обробки і передачі даних. Надалі інформаційна система, призначена для вирішення завдань користувача, називатиметься — робоча станція (client). Робоча станція в мережі відрізняється від звичайного персонального комп'ютера (ПК) наявністю мережевої карти (мережевого адаптера), каналу для передачі даних і мережевого програмного забезпечення.

Під каналом зв'язку слід розуміти шлях чи засіб, по якому передаються сигнали. Засіб передачі сигналів називають абонентським, або фізичним, каналом.

Канали зв'язку (data link) створюються по лініях зв'язку за допомогою мережевого устаткування і фізичних засобів зв'язку. Фізичні засоби зв'язку побудовані на основі витих пар, коаксіальних кабелів, оптичних каналів або ефіру. Між взаємодіючими інформаційними системами через фізичні канали комунікаційної мережі і вузли комутації встановлюються логічні канали.

Логічний канал — це шлях для передачі даних від однієї системи до іншої. Логічний канал прокладається по маршруту в одному або декількох фізичних каналах. Логічний канал можна охарактеризувати, як маршрут, прокладений через фізичні канали і вузли комутації.

2. Переваги та складності використання мереж

Комп'ютерні мережі являють собою варіант співпраці людей і комп'ютерів, забезпечує прискорення доставки та обробки інформації. Об'єднувати комп'ютери в мережі почали більше 30 років тому. Коли можливості комп'ютерів виросли і ПК стали доступні кожному, розвиток мереж значно прискорилося.

Сполучені в мережу комп'ютери обмінюються інформацією і спільно використовують периферійне устаткування і пристрої зберігання інформації (див. рис. 3).

Рис. 3. Використання периферійного обладнання

За допомогою мереж можна розділяти ресурси і інформацію. Нижче перераховані основні задачі, які вирішуються за допомогою робочої станції в мережі, і які важко вирішити за допомогою окремого комп'ютера:

•      Комп'ютерна мережа дозволяє спільно використовувати периферійні пристрої, включаючи: принтери; плотери;

дискові накопичувачі; приводи CD-ROM; дисководи; стримери; сканери; факс-модеми;

•      Комп'ютерна мережа дозволяє спільно використовувати інформаційні ресурси: каталоги; файли;

прикладні програми; ігри; бази даних; медійні ресурси.

•      Комп'ютерна мережа дозволяє працювати з розрахованими на багато користувачів програмами, забезпечують одночасний доступ всіх користувачів до загальних баз даних з блокуванням файлів і записів, що забезпечує цілісність даних. Будь-які програми, розроблені для стандартних ЛОМ, можна використовувати в інших мережах.

•      Спільне використання ресурсів забезпечить істотну економію коштів і часу. Наприклад, можна колективно використовувати один лазерний принтер замість покупки принтера кожному співробітникові або біганини з дискетами до єдиного принтером за відсутності мережі.

•      Організація розповсюдження інформації (електронної пошти, RSS тощо). Можна використовувати ЛОМ як поштову службу і розсилати службові записки, доповіді та повідомлення іншим користувачам.

Однак, крім зрозумілих переваг створення комп’ютерних мереж призводить і до появи нових проблем, без вирішення яких неможливе їх ефективне впровадження та використання:

•      значно ускладнюються питання технічного та програмного забезпечення;

•      виникає необхідність чіткої організації доступу до інформаційних ресурсів мережі, надійного контролю за їх використанням та системи захисту;

•      зростають вимоги до рівня надійності елементів мережі, які визначають якість її функціонування;

•      збільшуються вимоги до професійного рівня всіх користувачів мережі;

•      постійно ускладнюється інформаційний простір та організація його нормального функціонування в межах суспільства.

3. Архітектура мереж

Склад основних елементів в мережі залежить від її архітектури. Архітектура — це концепція, визначальний взаємозв'язок, структура і функції взаємодії робочих станцій в мережі. Вона передбачає логічну, функціональну і фізичну організацію технічних і програмних засобів мережі.

Архітектура мережі визначає основні елементи мережі, характеризує її загальну логічну організацію, технічне забезпечення, програмне забезпечення, описує методи кодування. Архітектура також визначає принципи функціонування та інтерфейс користувача.

Рис. 4. Архітектура комп'ютерної мережі

Інформація в мережі передається блоками даних за процедурами обміну між об'єктами. Ці процедури називають протоколами передачі даних.

Протокол — це сукупність правил, що встановлюють формат і процедури обміну інформацією між двома або кількома пристроями.

Завантаження мережі характеризується параметром, званим трафіком. Трафік (traffic) — це потік повідомлень у мережі передачі даних. Під ним розуміють кількісний вимір у вибраних точках мережі числа проходять блоків даних і їх довжини, виражене в бітах в секунду.

Істотний вплив на характеристику мережі надає метод доступу. Метод доступу — це спосіб визначення того, яка з робочих станцій зможе наступній використовувати канал зв'язку і як управляти доступом до зв'язку (кабелю).

У мережі всі робочі станції фізично з'єднані між собою каналами зв'язку по певній структурі, званій топологією. Топологія — це опис фізичних з'єднань в мережі, що вказує які робочі станції можуть зв'язуватися між собою. Тип топології визначає продуктивність, працездатність і надійність експлуатації робочих станцій, а також час звернення до файловому серверу. Залежно від топології мережі використовується той або інший метод доступу.

Інтерфейс — це система уніфікованих апаратних, конструктивних та програмних засобів необхідних для організації надійної взаємодії елементів мережі. Основу його складає комплекс електронних і часових параметрів, необхідних управляючих сигналів та команд, набір конструктивних та системотехнічних засобів та рішень, які відображають структуру та порядок обміну інформацією згідно вибраним протоколам обміну даними (стандарт обміну).

Технічні засоби мережі забезпечують об’єднання комп’ютерів в єдину систему. До них відносять сервери, робочі станції, адаптери мережі, концентратори, мости, маршрутизатори, шлюзи, елементи ліній зв’язку і таке інше.

Програмні засоби мережі призначені для управління роботою мережі та забезпечують необхідний інтерфейс з користувачами. До них включають операційні системи мереж та програмні засоби, що доповнюють.

В основному виділяють три види архітектур: архітектура термінал — головний комп'ютер, архітектура клієнт — сервер і однорангова архітектура.

Сучасні мережі можна класифікувати за різними ознаками: по віддаленості комп'ютерів, топології, призначенню, переліку наданих послуг, принципам управління (централізовані і децентралізовані), методам комутації, методам доступу, видам середовища передачі, швидкостям передачі даних і т. д. Всі ці поняття будуть розглянуті більш докладно при подальшому вивченні курсу. В даному курсі буде розглянуто три виду архітектур: архітектура термінал — головний комп'ютер; однорангова архітектура; архітектура клієнт — сервер.

Архітектура термінал — головний комп'ютер

Архітектура термінал — головний комп'ютер (terminal — host computer architecture) — це концепція інформаційної мережі, в якій вся обробка даних здійснюється одним або групою головних комп'ютерів.

Рис. 5. Архітектура термінал — головний комп'ютер

Розглянута архітектура передбачає два типу обладнання:

•      Головний комп'ютер, де здійснюється управління мережею, зберігання і обробка даних.

•      Термінали, призначені для передачі головному комп'ютеру команд на організацію сеансів і виконання завдань, введення даних для виконання завдань і отримання результатів.

Головний комп'ютер через мультиплексори передачі даних (МПД) взаємодіють з терміналами, як представлено на рис. 3.

Класичний приклад архітектури мережі з головними комп'ютерами — системна мережева архітектура (System Network Architecture — SNA).

Однорангова архітектура

Однорангова архітектура (peer-to-peer architecture) — це концепція інформаційної мережі, в якій її ресурси розосереджені по всіх системах. Дана архітектура характеризується тим, що в ній всі системи рівноправні.

До однорангових мереж відносяться малі мережі, де будь-яка робоча станція може виконувати одночасно функції файлового сервера і робочої станції. В однорангових ЛОМ дисковий простір і файли на будь-якому комп'ютері можуть бути загальними. Щоб ресурс став загальним, його необхідно віддати в загальне користування, використовуючи служби віддаленого доступу мережевих однорангових операційних систем. В залежності від того, як буде встановлено захист даних, інші користувачі зможуть користуватися файлами відразу ж після їх створення. Однорангові ЛОМ досить хороші тільки для невеликих робочих груп.

Рис. 6. Однорангова архітектура

Однорангові ЛОМ є найбільш легким і дешевим типом мереж для установки. Вони на комп'ютері вимагають, окрім мережевої карти і мережевої носія, тільки операційної системи. При з'єднанні комп'ютерів, користувачі можуть надавати ресурси і інформацію в спільне користування. Однорангові мережі мають такі переваги: вони легкі в установці та налаштування; окремі ПК не залежать від виділеного сервера; користувачі в змозі контролювати свої ресурси; мала вартість і легка експлуатація;

мінімум устаткування і програмного забезпечення; немає необхідності в адміністратора;

добре підходять для мереж з кількістю користувачів, що не перевищує

десяти.

Проблемою однорангової архітектури є ситуація, коли комп'ютери відключаються від мережі. У цих випадках з мережі зникають види сервісу, які вони надавали. Мережеву безпеку одночасно можна застосувати лише до одного ресурсу, і користувач повинен пам'ятати стільки паролів, скільки мережевих ресурсів. При отриманні доступу до ресурсу відчувається падіння продуктивності комп'ютера. Істотним недоліком однорангових мереж є відсутність централізованого адміністрування.

Використання однорангової архітектури не виключає застосування в тій же мережі також архітектури «термінал — головний комп'ютер» або архітектури «клієнт — сервер».

Архітектура клієнт – сервер

Архітектура клієнт — сервер (client-server architecture) — це концепція інформаційної мережі, в якій основна частина її ресурсів зосереджена в серверах, обслуговуючих своїх клієнтів (рис. 6). Розглянута архітектура визначає два типи компонентів: сервери і клієнти.

Сервер — це об'єкт, що дає сервіс іншим об'єктам мережі за їх запитами. Сервіс — це процес обслуговування клієнтів.

Рис. 7. Архітектура клієнт – сервер

Сервер працює за завданнями клієнтів і управляє виконанням їх завдань. Після виконання кожного завдання сервер посилає отримані результати клієнтові, послав це завдання.

Сервісна функція в архітектурі клієнт — сервер описується комплексом прикладних програм, відповідно до якого виконуються різноманітні прикладні процеси.

Процес, який викликає сервісну функцію за допомогою певних операцій, називається клієнтом. Ним може бути програма або користувач. На рис. 8 наведено перелік сервісів в архітектурі клієнт — сервер.

Рис. 8. Модель клієнт-сервер

Клієнти — це робочі станції, які використовують ресурси сервера і надають зручні інтерфейси користувача. Інтерфейси користувача це процедури взаємодії користувача з системою або мережею.

Клієнт є ініціатором і використовує електронну пошту або інші сервіси сервера. У цьому процесі клієнт затребувана вид обслуговування, встановлює сеанс, отримує потрібні йому результати і повідомляє про закінчення роботи.

У мережах з виділеним файловим сервером на виділеному автономному ПК встановлюється серверна мережева операційна система. Цей ПК стає сервером. Програмне забезпечення (ПЗ), встановлене на робочій станції, дозволяє їй обмінюватися даними з сервером.

Крім мережевої операційної системи необхідні мережеві прикладні програми, що реалізують переваги, надані мережею.

Мережі на базі серверів мають кращі характеристики і підвищену надійність. Сервер володіє головними ресурсами мережі, до яких звертаються інші робочі станції.

У сучасній клієнт — серверній архітектурі виділяється чотири групи об'єктів: клієнти, сервери, дані і мережеві служби. Клієнти розташовуються в системах на робочих місцях користувачів. Дані в основному зберігаються в серверах. Мережеві служби є спільно використовуваними серверами і даними. Крім того служби керують процедурами обробки даних.

Мережі клієнт — серверної архітектури мають наступні переваги: дозволяють організовувати мережі з великою кількістю робочих станцій;

забезпечують централізоване управління обліковими записами

користувачів, безпекою та доступом, що спрощує мережеве адміністрування; ефективний доступ до мережевих ресурсів;

користувачеві потрібний один пароль для входу в мережу і для отримання

доступу до всіх ресурсів, на які поширюються права користувача.

Поряд з перевагами мережі клієнт — серверної архітектури мають і ряд недоліків:

несправність сервера може зробити мережу непрацездатною, як мінімум

втрату мережевих ресурсів; вимагають кваліфікованого персоналу для адміністрування; мають вищу вартість мереж і мережевого устаткування.

Вибір архітектури мережі

Вибір архітектури мережі залежить від призначення мережі, кількості робочих станцій і від виконуваних на ній дій.

Слід вибрати однорангову мережу, якщо: кількість користувачів не перевищує десяти; всі машини знаходяться близько один від одного; мають місце невеликі фінансові можливості;

немає необхідності в спеціалізованому сервері, такому як сервер БД, факс-

сервер або який-небудь інший; немає можливості або необхідності в централізованому адмініструванні. Слід вибрати клієнт серверну мережу, якщо:

кількість користувачів перевищує десяти;

потрібно централізоване управління, безпека, управління ресурсами або

резервне копіювання; необхідний спеціалізований сервер; потрібен доступ до глобальної мережі; потрібно розділяти ресурси на рівні користувачів.

Глосарій

Комп’ютерна мережа — це система розподіленої обробки інформації, яка є комплексним об’єднанням комп’ютерів та інших пристроїв оброблення інформації із засобами передачі даних по лініях зв’язку.

Інформаційна система - об'єкт, здатний здійснювати зберігання, обробку чи передачу інформація.

Канал зв'язку - шлях чи засіб, по якому передаються сигнали.

Архітектура — це концепція, визначальний взаємозв'язок, структура і функції взаємодії робочих станцій в мережі. Вона передбачає логічну, функціональну і фізичну організацію технічних і програмних засобів мережі.

Топологія — це опис фізичних з'єднань в мережі, що вказує які робочі станції можуть зв'язуватися між собою

Протокол — це сукупність правил, що встановлюють формат і процедури обміну інформацією між двома або кількома пристроями.

Трафік (traffic) — це потік повідомлень у мережі передачі даних.

Інтерфейс — це система уніфікованих апаратних, конструктивних та програмних засобів необхідних для організації надійної взаємодії елементів мережі.

Технічні засоби мережі забезпечують об’єднання комп’ютерів в єдину систему. До них відносять сервери, робочі станції, адаптери мережі, концентратори, мости, маршрутизатори, шлюзи, елементи ліній зв’язку і таке інше.

Програмні засоби мережі призначені для управління роботою мережі та забезпечують необхідний інтерфейс з користувачами. До них включають операційні системи мереж та програмні засоби, що доповнюють.

Сервер — це об'єкт, що дає сервіс іншим об'єктам мережі за їх запитами.

Сервіс — це процес обслуговування клієнтів.

Клієнти — це робочі станції, які використовують ресурси сервера і надають зручні інтерфейси користувача.

Використані джерела

1.                  Компьютерные сети. Курс лекций. (для направления 6.0802 "Прикладная математика", специальность 6.080200 “Информатика”) Сост: Волков С.В. – Рубежное: РФ ВНУ, 2004. – 142 с.

2.                  Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 4-е издание. Учебник / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. — СПб.: Питер, 2010. — 944 с.

Питання для самоконтролю

1.                  Дати визначення мережі.

2.                  Чим відрізняється комунікаційна мережа від інформаційної мережі?

3.                  Як поділяються мережі за територіальною ознакою?

4.                  Що таке інформаційна система?

5.                  Що таке канали зв'язку?

6.                  Дати визначення фізичного каналу зв'язку.

7.                  Дати визначення логічного каналу зв'язку.

8.                  Як називається сукупність правил обміну інформацією між двома або кількома пристроями?

9.                  Як називається об'єкт, здатний здійснювати зберігання, обробку чи передачу даних, до складу, якого входять комп'ютер, програмне забезпечення, користувачі та ін складові, призначені для процесу обробки і передачі даних?

10.             Яким параметром характеризується завантаження мережі?

11.             Що таке метод доступу?

12.             Що таке сукупність правил, що встановлюють процедури і формат обміну інформацією?

13.             Чим відрізняється робоча станція в мережі від звичайного персонального комп'ютера?

14.             Які елементи входять до складу мережі?

15.             Як називається опис фізичних з'єднань в мережі?

16.             Що таке архітектура мережі?

17.             Як назвати спосіб визначення, яка з робочих станцій зможе наступній використовувати канал зв'язку?

18.             Перерахувати переваги використання мереж.

19.             Чим відрізняється однорангова архітектура від клієнт серверної архітектури?

20.             Які переваги великомасштабної мережі з виділеним сервером?

21.             Які сервіси надає клієнт серверна архітектура?

22.             Переваги і недоліки архітектури термінал — головний комп'ютер.

23.             У якому випадку використовується однорангова архітектура?

24.             Що характерно для мереж з виділеним сервером?

25.             Як називаються робочі станції, які використовують ресурси серверу?

26.             Що таке сервер?