Реферат: Локально-вычислительные сети
Введение
С распространением электронно-вычислительных машиннетрудно предсказать рост в потребности передачи данных. На сегодняшний день вмире существует более 130 миллионов компьютеров и более 80 процентов из нихобъединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальныхсетей в офисах до глобальных сетей типа Internet.Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важныхпричин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможностьбыстрого обмена информацией между пользователями, получение и передачасообщений не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любойинформации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией междукомпьютерами разных фирм и производителей, работающих под разным программнымобеспечением.
Такие огромные потенциальные возможности которые несет всебе вычислительная сеть и тот новый потенциальный подъем который при этомиспытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорениепроизводственного процесса не дают нам право не принимать это к разработке и неприменять их на практике. Поэтому необходимо разработать принципиальное решениевопроса по организации информационно-вычислительной сети на базе ужесуществующего компьютерного парка и программного комплекса, отвечающегосовременным научно-техническим требованиям с учетом возрастающих потребностей ивозможностью дальнейшего постепенного развития сети в связи с появлением новыхтехнических и программных решений. Некоторые приложения, которые нуждаются всистемах связи, могут помочь понять основные проблемы, которые связаны с сетямисвязи.
Существует много приложений, требующих удаленного доступак базам данных. Простыми примерами являются информационные и финансовые службы,доступные пользователям персональных ЭВМ. Также существует много приложений,требующих дистанционного обновления баз данных, которое может сочетаться сдоступом к данным. Система резервирования авиабилетов, аппаратурыавтоматического подсчета голосов, системы управления инвентаризацией и т.д.являются такими примерами. В приложениях подобного типа имеются множествогеографически распределенных пунктов, в которых требуются входные данные.
Ещё одним широко известным приложением являетсяэлектронная почта, для людей пользующихся сетью. Такую почту можно читать,заносить в файл, направлять другим пользователям, дополняя, может бытькомментариями, или читать находясь в различных пунктах сети. Очевидно, чтотакая служба имеет много преимуществ по сравнению с традиционной почтой с точкизрения скорости доставки и гибкости.
В промышленности средств связи уделяется большое вниманиесистемам передачи данных на большие расстояния. Индустрия глобальных сетейразвивается и занимает прочные позиции. Локальные сети являются относительноновой областью средств передачи данных.
Промышленность производства локальных сетей развивалась споразительной быстротой за последние несколько лет. Внедрение локальных сетеймотивируется в основном повышением эффективности и производительностиперсонала. Эта цель провозглашается фирмами-поставщиками локальных сетей,руководством учреждений и разработчиками локальных сетей.
Использование локальных сетей позволяет облегчить доступк устройствам оконечного оборудования данных установленных в учреждении. Этиустройства – не только ЭВМ, но и другие устройства, обычно используемые вучреждениях, такие, как принтеры, графопостроители и все возрастающее числоэлектронных устройств хранения и обработки файлов и баз данных. Локальная сетьпредставляет собой канал и протоколы обмена данными для связи рабочих станций иЭВМ.
Понятие локальных сетей
Понятие локально-вычислительная сеть (от анг. LAN – Lokal Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно)аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных системсвязаны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодарятакому соединению пользователь может взаимодействовать с другими рабочимистанциями, подключенными к этой локально-вычислительной сети.
Под локально-вычислительной сетью понимается совокупностьвзаимосвязанных и распределенных по сравнительно небольшой территориивычислительных ресурсов, взаимодействие которых обеспечивается специальнойсистемой передачи данных. Такая сеть обычно предназначается для сбора, передачирассредоточенной и распределенной обработки информации в пределах одногопредприятия или организации. Она может быть ориентирована на выполнениеопределённых функций в соответствии с профилем деятельности предприятия.Благодаря вычислительным сетям мы получили возможность одновременногоиспользования программ и баз данных несколькими пользователями. Вычислительныесети являются дальнейшим развитием вычислительных систем разобщенного типа.Вычислительные сети классифицируются по ряду признаков:
- по степени территориальной рассредоточенности различают:
1. Крупномасштабные или глобальные сети, охватывающие территорию страны илинескольких стран с расстоянием между звеньями от сотен до нескольких тысячкилометров.
2. Региональные сети, расположенные в пределах определенноготерриториального региона (города, области и т. д.).
3. Локальные сети, охватывающие сравнительно небольшую территорию R=1-10км.
- по функциональным, информационным ( по способу хранения и доставкиинформации) и структурным признакам;
- по способу управления ресурсами сети;
- по методу передачи данных.
Подавляющая часть компьютеров западного мира объединена вту или иную сеть. Опыт эксплуатации показывает, что около 80 процентов всейпересылаемой информации замыкается в рамках одного офиса, поэтому особоевнимание разработчиков стали привлекать так называемы локальные вычислительныесети. Локальные вычислительные сети отличаются от других тем, что они обычноограничены умеренной географической областью.
Локальные сети предназначены для реализации такихприкладных функций, как передача файлов, электронная графика, обработкатекстов, электронная почта, доступ к удаленным базам данных, передача цифровойречи. Локальные сети объединяют ЭВМ, терминалы, устройства хранения информации,переходные узлы для подключения к другим сетям и др. Локальные сети составляютодин из быстроразвивающихся секторов промышленной средств связи, локальную сетьчасто называют сетью для автоматизированного учреждения. Локальная сетьхарактеризуется следующими характеристиками:
- каналы обычно принадлежат организации пользователя;
- каналы являются высокоскоростными ( 1- 400 Мбит\с);
- расстояние между рабочими станциями, подключаемыми к локальной сети,обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч метров;
- локальная сеть передает данные между станциями пользователей ЭВМ(некоторые локальные сети передают речевую и видеоинформацию);
- пропускная способность у локальной сети как правило больше, чем углобальной сети;
- канал локальной сети обычно находится в монопольной собственностиорганизации, использующей сеть;
- интенсивность ошибок в локальной сети ниже по сравнению с сетью на базетелефонных каналов;
- децентрализация терминального оборудования, в качестве которогоиспользуются микропроцессоры, дисплеи, кассовые устройства и т.д.
- данные передаются по общему кабелю, к которому подключены все абонентысети;
- возможность реконфигурации и развития путем подключения новыхтерминалов;
- наличие локальной сети позволяет упростить и удешевить персональные ЭВМ,поскольку они коллективно используют в режиме разделения времени наиболеедорогие ресурсы: дисковую память и печатающие устройства.
Актуальностьлокально-вычислительных сетей
В производственной практике ЛВС играют очень большуюроль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры,расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместноеоборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудниковперестают быть изолированными и объединяются в единую систему, которая имеетсвои особенные преимущества, получаемые при сетевом объединении персональныхкомпьютеров в виде внутрипроизводственной вычислительной сети:
1. Разделение ресурсов – позволяет экономно использовать ресурсы, например,управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающиеустройства, со всех присоединенных рабочих станций.
2. Разделение данных – предоставляет возможность доступа и управлениябазами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.
3. Разделение программных средств – предоставляет возможностьодновременного использования централизованных, ранее установленных программныхсредств.
4. Разделение ресурсов процессора – возможность использованиявычислительных мощностей для обработки данных другими системами входящими всеть. Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсыне «набрасываются» моментально, а только лишь через специальный процессор,доступный каждой рабочей станции.
5. Многопользовательский режим – многопользовательские свойства системысодействуют одновременному использованию централизованных прикладныхпрограммных средств, ранее установленных и управляемых, например, еслипользователь системы работает с другим заданием, то текущая выполняемая работаотодвигается на задний план.
Основные области применения локальных сетей
1. Автоматизацияадминистративной управленческой деятельности, организация «электронных офисов»,в которых вместо бумажного документооборота используется электронная почта;
2. Автоматизацияпроизводства – автоматизация технологических процессов, информационноеобеспечение оперативного управления производством, планово-экономическоеуправление производством;
3. Автоматизациянаучных исследований и разработок;
4. Автоматизацияобучения, подготовки и переподготовки кадров;
5. Автоматизацияучрежденческой деятельности.
Структура функционирования сети.
Структура локальной сети определяется принципомуправления и типом связи. Нередко она отображает в определенных пределахструктуру обслуживаемой организации. В локальных сетях могут быть реализованыразличные виды топологии: шинная, кольцевая, радиальная, древовидная. Однаконаиболее распространенными являются два первых типа структур, отличающихсяпростотой методов управления, возможностью расширения и изменения конфигурациисети без заметного усложнения средств управления сетью, высокой эффективностьюиспользования каналов связи. Абонентские устройства сети подключаются вразличных структурах или к общей шине или к кольцу с помощью сетевых адаптеров,состоящих из приемопередатчиков и контроллеров адаптера.
Контроллеры адаптера, называемые также блоками доступа,выполняют следующие функции: прием данных из канала, выдачу их в канал, и др.Приемопередатчики осуществляют согласование электрических сигналов канала иабонентских станций.
В шинной локальной сети все абонентские станцииподключаются к общей сети параллельно, поэтому принципиальной особенностью сетитакого типа является параллельная во времени передач информации всем абонентам.Абонентская станция получившая в свое распоряжение шину, передает по нейснабженное адресом сообщение или пакет(кадр). Кадр практически одновременновоспринимается всеми станциями, распознается одной из них как ей адресованной ипринимается ею.
Преимущества шинной сети:
- возможность добавления или исключения узлов без повторной инициализациисети;
- обеспечение работоспособности сети при выходе из строя одного илинескольких узлов;
- возможность распределённого управления работой сети через узловыеинтерфейсы;
- значительное повышение надежности работы сети за счет использованиякоаксиального кабеля.
Основной недостаток шинной сети – невозможностьодновременной передачи информации несколькими станциями.
В кольцевой локальной сети, кольцо образуют несколькоканалов, которые связываются последовательно друг с другом при помощиприемопередающих блоков. К приемопередатчикам через адаптеры присоединяютсяабонентские станции. Таким образом принципиалной особенностью таких сетейявляется последовательная во времени передача информации абонентам.
Преимущества кольцевых локальных сетей:
- при использовании соответствующих детерминированных методов доступа втаких сетях не только гарантируется доступ каждого абонента через определенныеинтервалы времени независимо от нагрузки сети, но и допускается одновременнаяпередача информации несколькими абонентами;
- невысокая стоимость сетевых интерфейсов, реализующих прямые методыпередачи и управления доступом в сеть;
- сравнительная простота использования волоконно-оптической линии связи.
Недостатки кольцевых сетей:
- при добавлении или замене узла необходимы остановка в работе сети ивременный разрыв кольца;
- выход из строя узла сети прерывает работу всей сети.
В шинной и кольцевой сетях проблема маршрутизациисообщений практически отсутствует, так как маршруты передач фиксированы.
Современные сети построены по многоуровневому принципу.Чтобы организовать связь двух компьютеров, требуется сначала создать сводправил их взаимодействия, определить язык их общения. Эти правила называютсяпротоколом. Для работы сетей необходимо запастись множеством различныхпротоколов:, например, управляющих физической связью, установлением связи посети, доступом к различным ресурсам и т.д… Многоуровневая структураспроектирована с целью упростить и упорядочить это великое множество протоколови отношений. Взаимодействие уровней в этой модели – субординарное. Каждыйуровень может реально взаимодействовать только с соседними уровнями, виртуально– только в аналогичным уровнем на другом конце линии.
Под реальным взаимодействием понимается непосредственноевзаимодействие, непосредственную передачу информации, например пересылку данныхв оперативной памяти из области, отведенной одной программы, в область другойпрограммы. При непосредственной передаче данные остаются неизменными все время.
Под виртуальным взаимодействием понимается опосредованноевзаимодействие и передачу данных, данные в процессе передачи могут ужеопределенным, заранее оговоренным способом видоизменяться. Такое взаимодействиеаналогично схеме цепи посылки одним директором фирмы другому.
Все локально-вычислительные сети работают в одномстандарте принятом для компьютерных сетей – в стандарте OpenSystems Interconnection (OSI). Для единого представления данных в линияхсвязи, по которым передается информация, сформирована Международная организацияпо стандартизации (анг. ISO – International StandardsOrganization). ISO предназначена для разработки модели международногокоммуникационного протокола, в рамках которой можно разрабатывать международныестандарты. Для правильной и, следовательно, полной и безошибочной передачиданных необходимо придерживаться согласованных и установленных правил. Все ониоговорены в протоколе передачи данных.
Современное положение локальных сетей
На текущем этапе развития объединения сложилась ситуациякогда:
1. В объединении имеется большое количество компьютеров работающих отдельноот всех остальных компьютеров и не имеющих возможность гибко обмениваться сдругими компьютерами информацией.
2. Невозможно создание общедоступной базы данных, накопление информации присуществующих объемах и различных методах обработки и хранения информации.
3. Существующие локально-вычислительные сети объединяют в себе небольшоеколичество компьютеров и работают только над конкретными и узкими задачами.
4. Накопленное программное и информационное обеспечение не используется вполном объеме и не имеет общего стандарта хранения.
5. При имеющейся возможности подключения к глобальным вычислительным сетямтипа Internet необходимо осуществить подключение кинформационному каналу не одной группы пользователей, а всех пользователей спомощью объединения в группы.
Для решения данной проблемы предложено создать единуюинформационную сеть предприятия. Она должна выполнять следующие функции:
- создание единого информационного пространства, которое способно охватитьи применять для всех пользователей информацию созданную в разное время и подразными типами хранения и обработки данных, распараллеливание и контрольвыполнения работ и обработки данных по ним.
- Повышение достоверности информации и надежности её хранения путемсоздания устойчивой к сбоям и потери информации вычислительной системы, а также создание архивов данных, которые можно использовать, но на текущий моментнеобходимости в них нет.
- Обеспечения эффективной системы накопления, хранения и поискатехнологической, технико-экономической и финансово-экономической информации потекущей работе и проделанной некоторое время назад (информация архива) спомощью создания глобальной базы данных.
- Обработка документов и построения на базе этого действующей системыанализа, прогнозирования и оценки обстановки с целью принятия оптимальногорешения и выработки глобальных отчетов.
- Обеспечивать прозрачный доступ к информации авто-ризованному пользователюв соответствии с его правами и привилегиями.
Методы доступа, применяемые в локальных сетях
Основной проблемой при построении локальных сетейявляется выбор правил, которые регламентируют порядок передачи станций на общейсреде. Сложность проблемы заключается в том, что отдельные станции должныосуществлять передачу таким образом, чтобы не мешать друг другу, поскольку приодновременной передаче сигналов от двух и большего числа станций происходитналожение и взаимное искажение сигналов, происходит так называемый конфликт.При этом локальные сети стремятся строить таким образом, чтобы на сети не былокакого-либо координирующего центра ( диспетчера) и все станции могли работатьавтономно. Для решения этой задачи разработан ряд методов регламентациипередачи, или методов множественного доступа.
Все методы доступа, применяемые в локальных сетях, можноподразделить на две категории: методы, базирующиеся на централизованномуправлении сетью, и распределенные методы доступа.
Для практического применения в условиях обеспечениявысокой надежности наибольший интерес предоставляют распределенные методыдоступа, в которых центральный управляющий орган отсутствует и все станции сетифункционируют автономно. При таких методах доступа сеть более надежна,поскольку в ней отсутствует критический пункт – центральная станция, отказкоторой выводит из строя всю систему. Распределенные методы доступа длялокальных сетей с топологией типа можно подразделить на четыре основныекатегории.
1. Случайныеметоды доступа, когда момент выхода на среду передачи определяется сиспользованием механизма случайного выбора. Впервые этот метод был предложен всистеме ALOHA, в которой узел начинал передачу своегопакета в момент его появления независимо от наличия передачи в канале связи отдругих узлов. Такой режим может приводить к конфликтам, когда два или большеечисло узлов осуществляют одновременную передачу и тем самым взаимно искажаютпередаваемые пакеты. Искаженные в процессе конфликта пакеты повторно передаютсячерез случайно выбранный интервал времени и могут попадать в повторныеконфликты.
Исследование эффективности использования пропускнойспособности среды передачи показало, что максимальный коэффициент использования(отношение максимальной скорости передачи к пропускной способности) непревышает 0,184. При увеличении нагрузки вероятность конфликта возрастает ивремя задержки до успешной передачи увеличивается.
Для уменьшения вероятности появления конфликтаиспользования пропускной способности был разработан ряд модификаций этогометода. Случайный множественный доступ с контролем несущей(CSMA),случайный множественный доступ с контролем несущей и обнаружениемконфликтов (CSMA/CD), используемый в одной из первых локальныхсетей Ethernet.
Отличие метода CSMA от ALOHA состоит в том, что в нем каждый узел контролируетналичие передачи в среде от других узлов и в момент поступления пакета в узел:передача начинается лишь в том случае, если в данный момент среда свободна.Если в момент передачи возник конфликт, делается попытка его разрешения,например задержка передачи на случайный интервал времени. Новая попытка можетпривести к успешной передаче или повторению конфликта. Известны и более сложныепроцедуры разрешения конфликта, обеспечивающие увеличение пропускной способностисети.
Метод CSMA/CD отличается от CSMA тем,что узел, осуществляющий передачу, контролирует возникновение конфликта впроцесе передачи, и если он обнаруживает появление конфликта, передачапрекращается и реализуется та или иная процедура попытки выхода из конфликтнойситуации.
Эффективность использования средыпередачи в таких системах существенно зависит от интервала времени междуначалом передачи пакета и тем моментом, когда все узлы узнают о занятии среды.
Достоинством случайных методов доступа являетсяпростота реализации и низкое время задержки при малых нагрузках на сеть. Однакоони обладают и серьезными недостатками, в числе которых можно указатьотсутствие гарантированного верхнего предела времени задержки до успешнойпередачи пакета, что исключает возможность применения этого метода в системах,требующих передачи в реальном масштабе времени с заданными предельнымизадержками; нестабильную работу при увеличении входной нагрузки, при которойчастота успешной передачи пакетов снижается, а задержка резко увеличивается;резкое снижение эффективности использования среды передачи.
Несмотря на это, метод CSMA/CDполучил достаточно широкое распространение и предусматривается в числемеждународных стандартов.
2. Маркерныеметоды доступа, при которых право на занятие среды передается от узла кузлу в определенной последовательности(по логическому кольцу) или поприоритетам в форме специальных сообщений(маркеров).
Узел, получивший маркер, может осуществлять передачу втечении определенного времени, после чего обязан передать маркер следующемуузлу. Достоинствами этого метода являются гарантированное предельное времязадержки передачи пакета и отсутствие нестабильного режима передачи,характерного для случайных методов доступа. Недостаток – сложность реализациипроцедур инициализации логического кольца, включения – исключения узлов излогического кольца, процедуры восстановления работы сети после отказов или припотере маркера, и т.д. кроме того, сама передача маркера требует передачиопределенного объема служебной информации, что приводит к снижениюэффективности использования среды передачи.
3. Интервальныеметоды доступа характеризуются использованием в процедуре доступа временныхинтервалов, связанных с моментом освобождения среды после передачи пакета. Узелимеет право на передачу, если он наблюдает свободную среду после передачипакета каким-либо узлом в течении определенного интервала времени, которыйзависит от конкурентной процедуры доступа.
Интервальные методы доступа в зависимости от способа расположенияузлов на среде передачи можно подразделить на две категории: для сетей супорядоченным и с произвольным расположением. При упорядоченном расположенииузлов последовательность передачи права на занятие среды совпадает споследовательностью размещения узлов на среде передачи. Для сетей спроизвольным расположением последовательность подключения узлов на сети несвязана с последовательностью передачи права на занятие среды.
Методы доступа подразделяются также по виду информации,которая используется в процессе принятия решения о возможности передачи сданного узла. В простейшем случае в процедуре доступа используется толькоинформация о времени освобождения среды передачи в данном узле, номере данногоузла и максимальном времени распространения сигнала между наиболее удаленнымиузлами сети. В более сложных процедурах может использоваться также информация ономере узла, который последним вел передачу, о времени распространения междупарами узлов и о других параметрах.
4. Интервально-маркерныеметоды доступа, при которых право на занятие среды определяется временнымиинтервалами после передачи пакета или специального маркера. Если сетьдостаточно загружена, то в ней идет непрерывная передача пакетов синтервалами, определяемыми процедурой доступа. Если же в сети пакетов нет,осуществляется передача синхромаркеров, которые служат опорными временнымиметками для отсчета временных интервалов, определяющих право занятия средыпередачи узлами сети при появлении у них пакетов.
Еще одной характеристикой, по которой могут различатьсяметоды доступа, является порядок передачи между узлами права на занятие среды,то есть порядок передачи управления, или режим приоритетов. По этому критериюможно выделить следующие возможные режимы:
- последовательный циклический доступ, при котором все узлы в определеннойпоследовательности получают право на передачу пакетов. Ни один из узлов необладает какими-либо преимуществами по сравнению с другими узлами. При такомметоде передачи управления для каждого узла гарантировано конечное предельноевремя задержки пакета, не зависящее от активности других узлов;
- приоритетный циклический доступ, при котором управление последовательнопередается между всеми узлами сети, однако узел, ведущий передачу, обладаетприоритетом по отношению к другим узлам – он может продолжать передачу до техпор, пока у него имеются пакеты. В этом случае возможен захват среды отдельнымиузлами и вследствие этого предельное время задержки не гарантировано;
- частично-приоритетный циклический доступ, при котором узел, ведущийпередачу, обладает приоритетом лишь над частью узлов, например над узлами сменьшими номерами, если узлы с большими номерами не имеют пакетов для передачи.Если все узлы имеют пакеты, то этот метод доступа обеспечивает последовательныйобход всех узлов. Предельное время задержки для всех узлов сети в этом случаене гарантируется;
- приоритетный доступ, при котором после передачи любым узлом управлениепереходит к узлу с наибольшим приоритетом, если этот узел не имеет пакетов ,- кузлу следующего приоритета и т.д… Предельное время задержки в этом случаегарантируется лишь для узлов с наибольшим приоритетом;
- доступ с приоритетным распределением пропускной способности, при которомв условиях, когда все узлы имеют пакеты для передачи, пропускная способностьсреды распределяется пропорционально заданным приоритетам. Предельное времязадержки при этом методе гарантируется всем узлам.
Список использованных источников:
1 С.И. Казаков «Основы сетевых технологий»
2 Токанов «Теория экономического анализа» глава «Информационные системы на предприятии»
3 Бертсекас,Галлагер « Сети передачи данных»
4 Лорин «Операционные системы/ пер. с англ. Райкова» – М.: Финансы и статистика 1984 г.