Методы коммутации и коммуникационное оборудование

Так как пользователи нуждаются  в эффективном управлении, система  вычислительной сети представляется как  комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользователей.

Для правильной и, следовательно, полной и безошибочной передачи данных необходимо придерживаться согласованных  и установленных правил. Все они  оговорены в протоколе передачи данных.

Протокол передачи данных требует следующей информации:

Под синхронизацией понимают механизм распознавания начала блока данных и его конца.

Под инициализацией понимают установление соединения между взаимодействующими партнерами по сеансу связи.

Под блокированием понимают разбиение передаваемой информации на блоки данных строго определенной максимальной длины (включая опознавательные знаки начала блока и его конца).

Адресация обеспечивает идентификацию различного используемого оборудования данных, которое обменивается друг с другом информацией во время взаимодействия.

Под обнаружением ошибок понимают установку битов четности и, следовательно, вычисление контрольных битов с целью проверки правильности передачи данных.

Текущая нумерация блоков позволяет установить ошибочно передаваемую или потерявшуюся информацию.

Управление потоком  данных служит для распределения и синхронизации информационных потоков. Так, например, если не хватает места в буфере устройства данных или данные не достаточно быстро обрабатываются в периферийных устройствах (например, принтерах), сообщения и / или запросы накапливаются.

После прерывания процесса передачи данных используют методы восстановления, чтобы вернуться к определенному положению для повторной передачи информации.

Распределение, контроль и управление ограничениями доступа к данным вменяются в обязанность пункта разрешения доступа (например, “только передача” или “только прием”).

В качестве средств коммуникации наиболее часто используются витая  пара, коаксиальный кабель и оптоволоконные линии. При выборе типа кабеля учитывают  следующие показатели:

• Стоимость монтажа и обслуживания;
• Скорость передачи информации;
• Ограничения на величину расстояния передачи информации (без дополнительных усилителей–повторителей (репитеров));
• Безопасность передачи данных.

Главная проблема заключается  в одновременном обеспечении  этих показателей, например, наивысшая  скорость передачи данных ограничена максимально возможным расстоянием  передачи данных, при котором еще  обеспечивается требуемый уровень  защиты данных. Легкая наращиваемость и простота расширения кабельной  системы влияют на ее стоимость и  безопасность передачи данных.

Витая пара.

Наиболее дешевым кабельным  соединением является витое двухжильное  проводное соединение часто называемое “витой парой” (англ. twisted pair). Она позволяет передавать информацию со скоростью до 10 Мбит/с, легко наращивается, однако является помехонезащищенной. Длина кабеля не может превышать 1000 м при скорости передачи 1 Мбит/с. Преимуществами являются низкая цена и беспроблемная установка. Для повышения помехозащищенности информации часто используют экранированную витую пару, т.е. витую пару, помещенную в экранирующую оболочку, подобно экрану коаксиального кабеля. Это увеличивает стоимость витой пары и приближает ее цену к цене коаксиального кабеля.

Наиболее дорогими являются оптопроводники, называемые также стекловолоконным кабелем. Скорость распространения информации по ним достигает 100 Мбит/с, а на экспериментальных образцах оборудования – 200 Мбит/с. Допустимое удаление более 50 км. Внешнее воздействие помех практически отсутствует. На данный момент это наиболее дорогостоящее соединение для ЛВС. Применяются там, где возникают электромагнитные поля помех или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей. Они обладают противоподслушивающими свойствами, так как техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна. Оптопроводники объединяются в JIBC с помощью звездообразного соединения.

Топологии вычислительных сетей.

Топология типа "Шина".

Топология типа шина, представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.

Отправляемое рабочей  станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет - кому адресовано сообщение  и если ей, то обрабатывает его. Для  того, чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо «несущий» сигнал, либо один из компьютеров является главным и «даёт слово» остальным станциям.

При построении больших компьютерных сетей возникает проблема ограничения на длину связи между узлами, в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами - повторителями, концентраторами или хабами. Например, технология Ethernet позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров.

Типичная шинная топология имеет простую структуру кабельной системы с короткими отрезками кабелей. Поэтому по сравнению с другими топологиями стоимость ее реализации невелика. Однако низкая стоимость реализации компенсируется высокой стоимостью управления. Фактически, самым большим недостатком шинной топологии является то, что диагностика ошибок и изолирование сетевых проблем могут быть довольно сложными, поскольку здесь имеются несколько точек концентрации. Так как среда передачи данных не проходит через узлы, подключенные к сети, потеря работоспособности одного из устройств никак не сказывается на других устройствах. Хотя использование всего лишь одного кабеля может рассматриваться как достоинство шинной топологии, однако оно компенсируется тем фактом, что кабель, используемый в этом типе топологии, может стать критической точкой отказа. Другими словами, если шина обрывается, то ни одно из подключенных к ней устройств не сможет передавать сигналы.

Топология типа "Кольцо".

Топология типа кольцо, базовая топология компьютерной сети, в которой рабочие станции подключены последовательно друг к другу, образуя замкнутую сеть.

В кольце, в отличие от других топологий (звезда, шина), не используется конкурентный метод посылки данных, компьютер в сети получает данные от стоящего предыдущим в списке адресатов и перенаправляет их далее, если они адресованы не ему. Список адресатов генерируется компьютером, являющимся генератором маркера. Сетевой модуль генерирует маркерный сигнал (обычно порядка 2-10 байт во избежание затухания) и передает его следующей системе (иногда по возрастанию MAC-адреса). Следующая система, приняв сигнал, не анализирует его, а просто передает дальше. Это так называемый нулевой цикл.

Последующий алгоритм работы таков - пакет данных GRE, передаваемый отправителем адресату начинает следовать  по пути, проложенному маркером. Пакет  передаётся до тех пор, пока не доберётся  до получателя.

Достоинства топологии типа "Кольцо" :

• Простота установки.
• Практически полное отсутствие дополнительного оборудования.
• Возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий.

Недостатки топологии типа "Кольцо" :

• Выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети.
• Сложность конфигурирования и настройки.
• Сложность поиска неисправностей.

Топология типа "Звезда".

Топология типа звезда, базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно сетевой концентратор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило "дерево").

Рабочая станция, с которой  нужно послать данные, отсылает их на концентратор, а тот определяет адресата и отдаёт ему информацию. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные, если на концентратор одновременно приходят два пакета, обе посылки  оказываются не принятыми и отправителям нужно будет подождать случайный  промежуток времени, чтобы возобновить  передачу данных. Этот недостаток отсутствует  на сетевом устройстве более высокого уровня - коммутаторе, который, в отличие  от концентратора, подающего пакет  на все порты, подает лишь на определенный порт получателю. Одновременно может  быть передано несколько пакетов. Сколько  зависит от коммутатора.

Достоинства топологии типа "Звезда" :

• Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом.
• Хорошая масштабируемость сети.
• Лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети.
• Высокая производительность сети.
• Гибкие возможности администрирования.

Недостатки топологии типа "Звезда" :

• Выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом.
• Для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий.
• Конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

Топология типа "Дерево".

Топология типа дерево, топология компьютерной сети, образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий компьютерных сетей. Основание "дерева" вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева). Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде. Для подключения большого числа рабочих станций соответственно адаптерным платам применяют сетевые усилители и коммутаторы. Коммутатор, обладающий одновременно и функциями усилителя, называют активным концентратором.

Основное направление  развития современных Сетевых Операционных Систем (Network Operation System - NOS ) - перенос вычислительных операций на рабочие станции, создание систем с распределенной обработкой данных. Это в первую очередь связано с ростом вычислительных возможностей персональных компьютеров и все более активным внедрением мощных многозадачных операционных систем: OS/2, Windows NТ, Windows 95. Кроме этого внедрение объектно-ориентированных технологий (ОLЕ, DСЕ, IDAPI) позволяет упростить организацию распределенной обработки данных. В такой ситуации основной задачей NOS становится объединение неравноценных операционных систем рабочих станций и обеспечение транспортного уровня для широкого круга задач: обработка баз данных, передача сообщений, управление распределенными ресурсами сети (directoгу/namе service). 
В современных NOS применяют три основных подхода к организации управления ресурсами сети. 
Первый - это Таблицы Объектов (Bindery). Используется в сетевых операционных системах NetWare v3.1х. Такая таблица находится на каждом файловом сервере сети. Она содержит информацию о пользователях, группах, их правах доступа к ресурсам сети (данным, сервисным услугам и т.п.). Такая организация работы удобна, если в сети только один сервер. В этом случае требуется определить и контролировать только одну информационную базу. При расширении сети, добавлении новых серверов объем задач по управлению ресурсами сети резко возрастает. Администратор системы вынужден на каждом сервере сети определять и контролировать работу пользователей. Абоненты сети, в свою очередь, должны точно знать, где расположены те или иные ресурсы сети, а для получения доступа к этим ресурсам - регистрироваться на выбранном сервере. Конечно, для информационных систем, состоящих из большого количества серверов, такая организация работы не подходит. 
Второй подход используется в LANServer и LANMahager - Структура Доменов (Domain). Все ресурсы сети и пользователи объединены в группы. Домен можно рассматривать как аналог таблиц объектов (bindery), только здесь такая таблица является общей для нескольких серверов, при этом ресурсы серверов являются общими для всего домена. Поэтому пользователю для того чтобы получить доступ к сети, достаточно подключиться к домену (зарегистрироваться), после этого ему становятся доступны все ресурсы домена, ресурсы всех серверов и устройств, входящих в состав домена. Однако и с использованием этого подхода также возникают проблемы при построении информационной системы с большим количеством пользователей, серверов и, соответственно, доменов. Например, сети для предприятия или большой разветвленной организации. Здесь эти проблемы уже связаны с организацией взаимодействия и управления несколькими доменами, хотя по содержанию они такие же, как и в первом случае. 
Третий подход - Служба Наименований Директорий или Каталогов (Directory Name Services - DNS) лишен этих недостатков. Все ресурсы сети: сетевая печать, хранение данных, пользователи, серверы и т.п. рассматриваются как отдельные ветви или директории информационной системы. Таблицы, определяющие DNS, находятся на каждом сервере. Это, во-первых, повышает надежность и живучесть системы, а во-вторых, упрощает обращение пользователя к ресурсам сети. Зарегистрировавшись на одном сервере, пользователю становятся доступны все ресурсы сети. Управление такой системой также проще, чем при использовании доменов, так как здесь существует одна таблица, определяющая все ресурсы сети, в то время как при доменной организации необходимо определять ресурсы, пользователей, их права доступа для каждого домена отдельно. 
В настоящее время по оценке компании IDC наиболее распространенными являются следующие сетевые операционные системы: 
- NetWare v2.х и vЗ.х, Nowell Inc. 65% 
- LAN Server, IВМ Согр. 14% 
- LAN Manager, Microsoft Corp. 3% 
- VINES, Ваnуаn Systems Inc. 2%