Конспект лекций по дисциплине «Сетевые технологии»

Для описания качества сети используют величины: максимальная задержка передачи и вариация задержки.

Обычно задержки для любых типов трафика не превышают сотен миллисекунд, реже - нескольких секунд. Такие задержки пакетов, порождаемых файловой службой, службой электронной почты или службой печати, мало влияют на качество этих служб с точки зрения пользователя сети. А с другой стороны, если такие же задержки пакетов будут возникать при передаче голосовых данных или видеоизображений, то это может привести к не очень приятным последствиям. Может возникать эффекта "эха", и пользователь просто не сможет разобрать некоторые слова, может дрожать изображения и т.п.

В принципе пропускная способность и задержка передачи - независимые параметры. Сеть может обладать, например, высокой пропускной способностью, но вносить значительные задержки при передаче каждого пакета.

2.Надежность и безопасность

Для простых технических устройств сети используются одни показатели надежности (наработка на отказ, время отказа, интенсивность отказов), а для сложных систем, состоящих из многих элементов, используются другой набор характеристик. Таких как:

Готовность или коэффициент готовности (availability)- означает промежуток времени, в течении которого система может быть использована. Готовность можно увеличить за счет избыточности структуры сети (при отказе одного, другой продолжает выполнять его функции). Высоконадежная система должна иметь высокую готовность, но этого недостаточно. Если используется избыточность, то нужно обеспечить: во-первых, - преждевременную сохранность данных и защиту от искажений информации; во-вторых, - согласованность данных. И если у вас в сети на нескольких серверах хранятся копии данных, то нужно обеспечить их постоянное соответствие друг другу.

Вероятность доставки пакета. Так как сеть работает на основе механизма передачи пакетов информации между конечными узлами, то следующей характеристикой надежности сети является вероятность доставки пакета без искажений.

Безопасность (security)- это способность сети защитить свои данные от постороннего нежелательного (несанкционированного) доступа. Понятно, что при передаче информации по линиям связи, часто проходящим через общедоступные помещения, которые могут прослушиваться безопасность данных - очень уязвимое место сети. Тем более, если сеть имеет выходы в глобальные сети общего пользования.

Отказоустойчивость (fault tolerance)В сетях, под этим словом понимают способность системы скрыть от глаз пользователя отказ отдельных ее элементов. Вот, допустим, пользователь работает с базой данных, а она предварительно сохранена на нескольких серверах. Если, вдруг, один из них откажется работать, то пользователь ничего не подозревая, дальше продолжит свою работу, хотя качество работы сети все же немного снизится.

3.Расширяемость и масштабируемость

Расширяемость (extensibility) - возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной. Важно отметить, что расширяемость сети может осуществляться даже в очень ограниченных пределах. Например, локальная сеть, построенной на основе одного единственного сегмента толстого коаксиального кабеля, обладает хорошей расширяемостью, потому что, легко позволяет подключать новые станции. Но одновременно имеет ограничение на число станций, потому что сразу снижается производительность сети. Этот пример показывает плохую масштабируемость системы при хорошей расширяемости.

Масштабируемость (scalability) означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов b протяженность связей в очень широких пределах, и при этом производительность сети не ухудшается. Масштабируемость сети обеспечивают дополнительным коммуникационным оборудованием, при этом и специальным образом структурируют сеть. Например, хорошей масштабируемостью обладает многосегментная сеть, построенная с использованием коммутаторов и маршрутизаторов и имеющая иерархическую структуру связей. Такая сеть может включать несколько тысяч компьютеров и при этом обеспечивать каждому пользователю сети нужное качество обслуживания.

4. Прозрачность

Прозрачность (transparency), это когда сеть представляется пользователям не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабелей, а как одна обыкновенная вычислительная машина. "Сеть - это компьютер" - эта фраза относится к пониманию свойства прозрачности сети. Об обеспечении прозрачности можно говорить с двух сторон - со стороны пользователя и программиста. Для пользователя нужно, чтобы, работая с удаленными ресурсами, он использовал те же команды и привычные ему процедуры, что и для работы с локальными ресурсами. На программном уровне прозрачность заключается в том, что приложению для доступа к удаленным ресурсам требуются те же вызовы, что и для доступа к локальным ресурсам. В сети должны быть скрыты как все особенности операционных систем, так и все различия типов компьютеров. К примеру, пользователь Macintosh должен без проблем иметь доступ к ресурсам системы под управлением UNIX, пользователь UNIX должен иметь возможность разделять информацию с пользователями Windows 95 и т.п. Реальное место нахождения программных и аппаратных ресурсов не должны даже выдавать и их имена. Т.е. ресурсы должны перемещаться без изменения своих имен. Для программиста должна быть обеспечена такая прозрачность, когда система сама берет на себя обязанность распределять (распараллеливание вычислений) части приложений по процессорам и компьютерам сети, его этот процесс не должен касаться. В наше время любая сеть стремится обеспечить прозрачность, это стало одной из основных целей при разработке современной сети.

5. Поддержка разных видов трафика

Сейчас уже никого не удивишь возможностями посмотреть фильм или прослушать музыку в сети. Мультимедийные данные, которые представляют собой речь или видеоизображение в цифровой форме уже давно "проникли" в трафик сети. Естественно, что динамические передачи мультимедийного трафика требуют совсем других алгоритмов и протоколов, другого оборудования, и мы это уже отмечали.

Кратко остановимся на особенностях, возникающих при передачах в сети голоса или изображения.

Во-первых - очень жесткое требование к синхронности передач. Звуковые колебания или изменения интенсивности света в видеоизображениях - непрерывные процессы. Поэтому чтобы качественно воспроизвести эти сигналы, нужно измерить и закодировать амплитуды частоты этих сигналов на передающей стороне, вычислить эти же значение на принимающей стороне и потом сравнить эти величины. И здесь очень важна точность соответствия. Малейшее запаздывание сообщения - это искажения всей информации.

Во-вторых, мы уже говорили, что в сетях присутствует неравномерная интенсивность поступлений потоков информации (пульсирующий трафик). Скажем, если пользователь работает с файлом, который принадлежит другой машине, то по мере того, что он делает с этим файлом (а он делать может различные действия), возникает совсем неравномерный поток сообщений между компьютером пользователя и удаленным компьютером-владельцем файла. Алгоритмы, и протоколы, и оборудование компьютерной сети рассчитаны на работу  именно с пульсирующим трафиком. Теперь, когда стало необходимостью работать с непрерывным мультимедийным трафиком, понадобились существенные изменения этих средств. Но на нынешний момент эти вопросы успешно решаются и даже решены в той или в иной степени.

Особенно тяжело пришлось обеспечить совместить работу традиционного компьютерного и мультимедийного трафиков. В принципе, звуки и видео- это скорее развлечение, нежели основной вид деятельности, поэтому основное внимание отводят качеству компьютерного трафика при присутствии мультимедийного. И, конечно же, основные усилия разработчики сейчас направляют на то, чтобы попытаться не ущемлять интересы обоих видов потоков информации.

6. Управляемость

Управляемость сети означает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и решать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети. В общем случае, хорошая система управления должна уметь:

• наблюдать за сетью и, обнаружив проблему, быстро реагировать, выполнять строго определенное действие, которое может исправить ситуацию, и поставить в известность администратора о случившейся проблеме, и о принятых мерах;
• накапливать данные, чтобы потом на их основании можно было планировать развитие сети;
• быть независимой от производителя, и простой в использовании.

Следует отметить, что задача - организация систем управления сети, развита еще очень слабо. Большинство существующих средств только наблюдают за состоянием сети, но не выполняют активные действий, если что-то произошло.

7. Планирование сети

Процесс планирования сети становиться неотъемлемой частью работы администратора, особенно в больших сетях. Он должен иметь возможность постоянно следить за тем, какие возникают проблемы производительности, конфигурирования сети, обработки сбоев, безопасности информации. Все эти задачи и называют планированием сети.

8. Совместимость

Совместимость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение. Т.е. в сети могут совместно работать различные операционные системы, которые работают в сети с помощью разных сетевых протоколов и аппаратные средства и приложения от разных производителей. Сеть, состоящая из разнотипных элементов, называется неоднородной или гетерогенной.

9. Интегрируемость

Если гетерогенная сеть работает без проблем, то она является интегрированной. Интегрируемость сетей удается достичь, если в сети использовать модули, которые выполнены согласно соответствующим стандартам. В других разделах курса мы поговорим об этом подробнее.

2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ  КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ (КС)

1. Определение КС и ее программных и аппаратных компонентов.

Компьютерная сеть – представляет собой систему распределенной обработки информации, состоящую как минимум, из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью средств передачи информации.

Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной системы, общая операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, может отсутствовать. Тогда необходимы некоторые добавления к персональным ОС. На тех компьютерах, ресурсы которых должны быть доступны пользователям сети, необходимо добавить модули, которые будут обслуживать (serve) запросы на доступ к этим ресурсам. Такие модули называются программными серверами (server) На тех компьютерах, пользователи которых хотят получать доступ к ресурсам других компьютеров необходимо добавить специальные модули, вырабатывающие запросы на доступ к удаленным ресурсам. Такие модули называются программными клиентами (client). Два модуля «клиент-сервер» обеспечивающие совместный доступ к какому либо типу ресурса называются службой (service). Например, файловая служба, служба удаленного доступа, служба электронной почты.

На структурном уровне сервер - абонент сети, отдающий в сеть свой ресурс и имеющий или не имеющий доступа к ее ресурсам, клиент - абонент, не отдающий в сеть свой ресурс, но имеющий доступ к ресурсам сети. Иногда клиенты называются рабочими станциями в противоположность серверу.

Сетевые службы представляют собой распределенные программы. Распределенная программа – программа, состоящая из взаимодействующих модулей, каждый из которых выполняется на отдельном компьютере. Сетевые службы это системные распределенные программы. Распределенные  пользовательские программы  называются сетевыми приложениями.

В структуре КС принято выделять 4 основных составляющих: компьютеры, коммуникационное оборудование, операционная система, сетевые приложения.

Иногда структуру КС описывают с помощью многослойной модели.

Первый слой – аппаратный.  Слой стандартных компьютерных платформ – различные средства сбора, хранения обработки информации –  персональные компьютеры, специализированные микроконтроллеры, миникомпьютеры, большие компьютеры (mainframes), специальные рабочие станции.

Второй слой - коммуникационное оборудование. Средства передачи информации, обеспечивающие взаимосвязь между компьютерами – сетевые адаптеры, соединенные средой передачи данных и другое коммуникационное оборудование.

Сетевой адаптер - электронная плата, сопрягающая аппаратуру абонента сети и среды передачи информации.

Среда передачи информации - электрический кабель, коаксиальный, витая пара, оптоволоконный и т.д., т.е. то, что используется в данной сети для связи абонентов.

Третий слой - программная платформа сети. Операционные системы

Четвертый слой - сетевые приложения. Сетевые базы данных, почтовые системы, системы автоматизации коллективной работы

В соответствии с функциональным назначение компьютеров, сети принято делить на одноранговые и сети на основе серверов (серверные) сети.

Если узлы сети выполняют одинаковые коммуникационные функции, они называются равными (peer). Такая сеть называется обычно одноранговой (peer-to-peer networks).  При этом ресурсы каждого компьютера условно делятся на локальные и сетевые. Локальными называются собственные ресурсы каждого компьютера,  независимо от того подключен он или нет к сети. Сетевыми называется часть локальных ресурсов, которые каждый компьютер предоставляет в общее пользование другим компьютерам. Если один из компьютеров сети использует ресурсы другого компьютера, то он выступает в качестве клиента, соответственно компьютер, предоставляющий ресурсы рассматривается в данный момент как сервер.

Если  сеть состоит из множества рабочих станций или клиентов, которые обмениваются информацией с одним или небольшим количеством серверов, то такая сеть называется клиент-сервер (client-server networks). Сети клиент-сервер предлагают централизованный доступ к серверу, приложениям или устройствам, упрощающим доступ к информации. Серверов в сети может быть несколько. Выделенный сервер – это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделенный сервер кроме функций по обслуживанию сети может решать еще и другие задачи. Для каждого вида сетевых ресурсов создан свой сервер (файловый сервер, сервер печати, сервер баз данных) Поскольку ресурсы сконцентрированы на сервере, в отличии распределенных по сети ресурсов в одноранговых сетях, сети клиент-сервер более эффективны.