Основные компоненты и топология локальных компьютерных сетей.

Понятие, назначение и отличительные особенности ЛВС. К локальным компьютерным сетям относятся сети, узлы которых располагаются на небольшом расстоянии друг от друга, обычно не дальше нескольких сотен метров. Примерами таких сетей могут служить сети отдельных предприятий и организаций, а также их структурных подразделений.

 

Основным назначением ЛВС является предоставление информационных, вычислительных и технических ресурсов подключенным к сети пользователям.

ЛВС имеют характерные отличительные черты, позволяющие их выделить в отдельный класс компьютерных сетей. К характерным особенностям ЛВС относятся:

 

1. Компактное территориальное расположение узлов сети. Расстояние между узлами сети обычно не превышает нескольких сот метров.

2. В качестве среды передачи данных используется кабельная система. Беспроводные средства связи используются крайне редко.

3. В качестве узлов сети чаще всего используются персональные компьютеры. Мэйнфреймы используются в ЛВС специального назначения.

4. Методы доступа, топологии, компоненты ЛВС разнообразны, имеют высокую степень совместимости и гибкости применения, что позволяет разрабатывать сети любой сложности и архитектуры.

Классификация ЛВС. Характеристика отдельных видов ЛВС. Различные виды ЛВС выделяются по следующим признакам:

1. Метод доступа к среде передачи данных. В зависимости от используемого метода доступа существуют сети ARCnet, Ethernet, TokenRing, FDDI.

2. Топология построения ЛВС. По этому признаку различают сети с шинной, звездообразной, кольцевой, ячеистой и смешанной топологиями построения.

3. Наличие или отсутствие сервера в сети. В зависимости от того, имеет ли ЛВС в своем составе выделенный сервер или все узлы сети равноправны.

4. В зависимости от используемой кабельной системы выделяют сети, построенные на основе коаксиального кабеля, витой пары, волоконно-оптического кабеля. Существуют также ЛВС, отдельные части которых используют разные типы кабелей.

 

При построении архитектуры ЛВС следует учитывать существующие зависимости между используемыми методами доступа, топологиями сети и кабельной системой. Возможные сочетания этих элементов архитектуры определены соответствующими стандартами и спецификациями.

 

Отметим, что основными методами доступа при построении современных ЛВС являются высокоскоростные реализации (технологии) метода доступа Ethernet, которые называются, соответственно, FastEthernet (скорость передачи – 100 Мбит/с) и GigabitEthernet (скорость передачи 1Гбит/с).

 

Методы доступа ARCnet (скорость передачи – 2,5 Мбит/с) и TokenRing (скорость передачи – 4 Мбит/сили 16 Мбит/с) не используются из-за низкой производительности. Метод доступа FDDI имеет ограниченное применение по причине высокой стоимости сети. Таким образом методы доступа FastEthernet и GigabitEthernet являются основным методами при построении ЛВС. Несмотря на то, что эти методы являются прямыми преемниками метода Ethernet, у них отсутствуют недостатки присущие прежнему методу. Преодоление этих недостатков стало возможным благодаря реализации шиной топологии построения сети Ethernet в виде физической «звезды», а также использование витой пары и волоконно-оптического кабеля в качестве среды передачи. При такой архитектуре каждый луч звезды функционирует как отдельная логическая шина, но без концевых терминаторов. Один конец шины заканчивается на концентраторе, другой – на узле сети.

 

Под концентратором понимается коммутационное устройство, объединяющее отдельные части сети. Для объединения более крупных частей (сегментов) сети шина выполняет роль высокоскоростной магистрали, соединяющей между собой концентраторы сети.

В одноранговых ЛВС все компьютеры сети имеют равные права. Ресурсы сети распределены между разными компьютерами одноранговой сети. Любой из компьютеров может разделять ресурсы с любыми другими компьютерами ЛВС. При этом компьютер сам управляет использованием ресурса, которым владеет. Это означает возможность предоставления доступа к ресурсу в свободном режиме, по паролю авторизованным компьютерам, или запрещение доступа к ресурсу. Распределение ресурсов требует наличия информации у каждого компьютера о местонахождении ресурсов сети и способов доступа к ним. Таким образом в одноранговой сети отсутствуют централизованное администрирование сетью и общее управление безопасностью ресурсов. Компьютеры ЛВС во время предоставления ресурса сталкиваются с падением собственной производительности, в результате образования дополнительных затрат процессорного времени, памяти, загрузки внешних устройств, связанных с обслуживанием запросов сети. В одноранговых ЛВС затруднена процедура резервного копирования данных, при которой необходимо копировать данные с разных компьютеров, повреждение кабеля приводит к остановке работы сети. Перечисленные недостатки одноранговых ЛВС усиливаются при увеличении числа узлов сети. Положительными сторонами являются простота и оперативность их установки, низкая стоимость оборудования и программного обеспечения. Для установки сети требуются только сетевые адаптеры, кабель и операционная система.

 

Сети с выделенным сервером, реализующие архитектуру «клиент-сервер», включают в свой состав функционально ориентированные компьютеры. С точки зрения оборудования, серверы оснащаются мощными многопроцессорными системами, увеличенным объемом оперативной памяти, высокоскоростными каналами обмена с внешними устройствами, RAID-системами хранения информации на жестких дисках с минимальным временем обращения к данным и т.д. Помимо специальных программных средств, обеспечивающих различные способы защиты данных и серверов от несанкционированного доступа, сервера размещают в специальных помещениях с контролируемым доступом.

 

К недостаткам сетей с выделенным сервером относятся более высокая их стоимость, сложность построения сети, необходимость постоянного мониторинга за состоянием сети и происходящих процессах, наличие персонала высокой квалификации.

 

Кабельное оборудование ЛВС. При выборе лучшей передающей среды для ЛВС следует учитывать следующие факторы: скорость передачи данных, возможность применения в конкретных сетевых архитектурах, расстояние между соседними сетевыми устройствами, устойчивость к помехам от внешних источников, стоимость кабеля, простота установки и модернизации.

 

В ЛВС применяются три типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов (витая пара), коаксиальные кабели, волоконно-оптические кабели.

 

Витая пара существует в экранированном варианте, когда пара медных проводов заключается в изоляционный экран, и неэкранированном без изоляционной обертки. Скручивание проводов, а также наличие изоляционного экрана снижают влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Все кабели типа витой пары имеют 4 пары скрученных проводов и делятся на 5 категорий, каждая из которых характеризуется определенной совокупностью электромагнитных характеристик (5 категория позволяет передавать данные со скорость до 1 Гбит/с).

 

Коаксиальный кабель состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует два типа коаксиального кабеля, толстый коаксиальный кабель и тонкий.

 

Толстый коаксиальный кабель достигает в диаметре 10 мм (скорость передачи данных не превышает 10 Мбит/с), тонкий – 5мм (достигает 100 Мбит/с). Поэтому тонкий коаксиальный кабель используется при прокладке ЛВС в агрессивной внешней среде с высоким уровнем воздействия радио- и электромагнитных волн.

 

Волоконно-оптический кабель состоит из одной или нескольких стеклянных или пластиковых жил (световодов), по которым распространяются световые сигналы. Жилы покрыты защитной поливинилхлоридной оболочкой. Этот тип кабеля обеспечивает наивысшую скорость передачи данных до 100 Гбит/с. По волоконно-оптическому кабелю можно одновременно передавать по нескольку световых волн. Волоконно-оптический кабель применяется в ЛВС в качестве магистральных каналов передачи данных благодаря высокой скорости передачи и малого затухания сигнала. К достоинствам волоконно-оптического кабеля следует также отнести сложность получения несанкционированного доступа к данным во время передачи и невосприимчивость кабеля к радио- и электромагнитным помехам. Недостатками применения являются его высокие стоимость и хрупкость, сложность монтажа, а также высокие требования к квалификации обслуживающего персонала.

 

Аппаратура ЛВС. Коммуникационное оборудование ЛВС предназначено для связи отдельных узлов в единую сеть, а также объединения множества сетей между собой. В состав оборудования входят сетевые адаптеры (контроллеры, карты), повторители, концентраторы, коммутаторы, мосты, маршрутизаторы.

 

Сетевые адаптеры физически соединяют компьютер или другое устройство (принтер, сканер и т.д.) с кабельной системой ЛВС. Конструктивно адаптер может быть интегрирован с другими устройствами системной платы компьютера или выполнен в виде отдельной платы, вставляемой в разъемы внутренней шины компьютера. Сетевой адаптер непосредственно взаимодействует со средой передачи данных ЛВС. Как и любой другой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением специальной программы управления адаптером, называемой драйвером адаптера.

 

Адаптеры преобразуют параллельные коды, используемые внутри компьютера и представленные сигналами небольшой мощности, в последовательный поток усиленных сигналов для их передачи по внешней сети. При приеме сигналов из внешней сети происходит процесс обратного преобразования. Помимо этого сетевой адаптер разделяет передаваемые данные на блоки и формирует пакеты передачи. При приеме пакета данных адаптер идентифицирует адрес получателя и если он соответствует адресу принимающего компьютера, то информация пакета переводится в форму его внутреннего представления. Адаптер выполняет промежуточное хранение данных и служебной информации в буфере, что позволяет возложить на адаптер некоторые функции контроля за сетью. При наличии буфера компьютер может не отслеживать момент передачи данных.

 

Повторители сигналов сети очищают получаемые сигналы от посторонних искажений, увеличивают мощность сигнала и возвращают сигнал в передающую среду.

 

Основной функцией концентратора является организация общего центра подключения кабелей, ведущих к отдельным узлам сети и обеспечение взаимодействия этих узлов с остальной сетью. Тем самым концентраторы позволяют большое количество компьютеров соединять в одну или несколько ЛВС. Концентраторы могут использоваться для объединения различных сегментов сети между собой и централизации общей архитектуры сети.

 

Коммутаторы предназначены для разделения сети на отдельные мелкие логические сегменты и дальнейшего упорядочивания обмена информации между ними путем перераспределения информационных потоков. Помимо этого коммутаторы используются для установления равномерного трафика загрузки каналов ЛВС, а также при создании ЛВС смешанной топологии, при которой возникают ситуации объединения сетей с разными методами доступа и различным кабельным оборудованием.

 

Мосты представляют собой устройства для соединения отдельных частей (сегментов) ЛВС. Каждая из соединяемых частей сети подключается по физическим каналам к входным и выходным портам моста. Мосты могут соединять части сети, использующие разные среды передачи данных, методы доступа. Часть функции мостов выполняют коммутаторы.

 

Маршрутизаторы в качестве сетевых коммуникационных устройств, обеспечивают связь между отдельными ЛВС, объединение ЛВС в корпоративную сеть, обмен информацией между ЛВС и глобальными сетями. Маршрутизатор одновременно работает с несколькими каналами, благодаря этому выбирается оптимальный маршрут следования пакета данных в разных сетях.

 

Важную роль в архитектуре компьютерной сети играют топологии сети.

Под топологией вычислительной сети понимается изображение сети в виде графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети, а ребрам – физические связи между ними.

 

Существуют четыре основные топологии: шина (Bus), кольцо (Ring), звезда (Star) и ячеистая топология (Mesh). Другие виды топологий являются комбинаций основных типов. На рис. 6.1 приведены варианты топологий сетей.

Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами.

 

Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования. Выбор топологии существенно влияет на многие характеристики сети.

 

Шинная топология представляет собой наиболее простой способ установки сети. Она требует меньше оборудования, кабелей, времени на настройку, чем другие топологии. Физическая среда передачи состоит из единственного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети. Недостатками являются подключение небольшого числа рабочих станций (не более 15) и полное прекращение работы сети при повреждении общего кабеля.

 

Кольцевая топология представляет собой непрерывную магистраль для передачи данных, не имеющую логической начальной или конечной точек. Каждый компьютер является частью кольца и получая данные, адресованные другому компьютеру, пересылает их по назначению. По сравнению с шинной топологией кольцевая обеспечивает более высокую скорость передачи пакетов, она более надежна и позволяет подключать к сети значительное число рабочих станций. Однако кольцевая технология дороже шинной, добавление или удаление из кольца узлов невозможно без временной остановки сети.

 

В топологии «звезда» все рабочие станции сети соединены друг с другом с помощью центрального коммутирующего устройства. Все данные, которые посылаются с рабочей станции, направляются на центральное устройство, пересылающее передаваемый кадр в направлении адресата. Основным преимуществом топологии «звезда» является обеспечение работоспособности сети, при выходе из строя отдельных рабочих станций и их соединений. В сетях с такой топологией проще обнаружить и устранить неисправности, связанные с работой отдельных узлов сети и каналов передачи, наращивать масштаб сети за счет добавления новых компьютеров и менять их месторасположение. К недостаткам топологии следует отнести большой расход кабеля.

 

Ячеистая топология предполагает, что любой узел сети располагает не менее чем двумя физическими связями с другими узлами. Данная топология обоснована в своем применении в неблагоприятных условиях агрессивной окружающей среды при достаточно большой вероятности разрыва сетевых соединений. Если одна из связей доступа к узлу будет нарушена, то всегда, в качестве альтернативной связи, будет существовать еще одна.

 

Смешанная топология при соединении между собой отдельных ранее существовавших сетей с разными топологиями.

 

Полносвязная топология характерна для глобальных сетей, где часто в отдельных сегментах сети используется связь между узлами по принципу «каждый с каждым». Под сегментом сети понимается часть сети с общим пространством доступа к среде передачи данных.

В качестве современных технологий построения и функционирования компьютерных сетей используются следующие:

 

• технология X.25 является одной из самых распространенных, за счет возможности работы на ненадежных линиях передачи данных благодаря использованию протоколов с установленным соединением и коррекцией ошибок на канальном и сетевом уровнях открытой модели OSI;

 

• технология FrameRelay (ретрансляция кадров) предназначена для передачи информации с неравномерным потоком. Поэтому чаще используется при передаче цифровых данных между отдельными локальными сетями или сегментами территориальных или глобальных сетей. Технология не позволяет передавать речь, видео или другую мультимедиа-информацию.

 

• ISDN (IntegratedServisesDigitalNetwork – цифровая сеть с интеграцией услуг), позволяющая осуществить одновременную передачу данных, речи и мультимедиа-информацию;

 

• ATM (AsynchronousTransferMode – асинхронный режим передачи) технология расширяет возможности сетей ISDN по передачи мультимедиа-данных за счет повышения скорости передачи до 2,5 Гбит/с.;

 

• VPN (VirtualPrivateNetwork – виртуальная частная сеть) технология организации частной сети, функционирующей как туннель через большую сеть, например Интернет. Сеть VPN доступна только авторизованным клиентам и удовлетворяет требованиям передачи конфиденциальных данных.