ТЕМА: КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ И СТРУКТУРЫ Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии являются результатом развития средств связи и вычислительной техники, а также важным фактором экономического и научно-технического прогресса. Системы коллективной деятельности, использующие телекоммуникационные технологии, разделяются на системы с разделением времени и системы обеспечения групповых решений. 1.1. Системы «терминал — хост» Первые системы совместной эксплуатации информационных и вычислительных ресурсов (системы коллективного пользования) появились в 60—70-е гг. XX в. и относятся к вычислительным системам с разделением времени. Изначально операционные системы ЭВМ (ОС) были предназначены для пакетной обработки информации. С появлением интерактивных терминальных устройств стала возможной совместная работа пользователей в реальном времени. 1. Взаимодействие терминала и хоста — рис. 1.1, а, б. Может осуществляться как в локальном, так и в удаленном режимах, во втором случае, как правило, некоторая совокупность пользователей Рис. 1.1. Варианты коллективного использования информационно-вычислительных ресурсов: а — локальный хост; б — удаленный хост; в — глобальная сеть; г — коммуникации ПК — ПК; д — локальная сеть; е — Internet размещается в так называемом абонентском пункте — комплексе, снабженном контроллером, принтером, концентратором и обеспечивающим параллельную работу пользователей с удаленным хостом. Связь между хостом и абонентским пунктом в этом случае осуществлялась с помощью модемов по телефонным каналам. 2. На следующем этапе формируются сети передачи данных, позволяющие осуществлять более тесное взаимодействие терминалов с хостами, а также обмен информацией между хостами для реализации распределенных баз данных и децентрализации процессов обработки информации. 3. Появление и массовое распространение персональных компьютеров выдвигает на первый план проблему связи между ПК для быстрого резервирования и копирования информации, а также возможность использования локальных сетей для совместной работы с базами данных (файл-серверами) и дорогостоящим оборудованием. В дальнейшем локальные сети интегрируются с глобальными сетями, такими как Internet, и теряют самостоятельное значение. В последующем понятия "хост" и "терминал" трансформируются из чисто аппаратурных в аппаратурно-программные и даже сугубо программные. Также в 80-е годы в обиход входит понятие интеллектуального терминала — устройства, которое выполняет часть функций по обработке информации пользователя, например, синтаксический анализ запроса или программы. 1.2. Системы «клиент — сервер» Таким образом, по мере развития представлений о распределенных вычислительных процессах и процессах обработки данных складывается концепция архитектуры «клиент — сервер» — обобщенное представление о взаимодействии двух компонент информационной технологии (технического и/или программного обеспечения) в вычислительных системах и сетях, среди которых логически или физически могут быть выделены: • активная сторона; • пассивная сторона. Примеры реализации принципа: Взаимодействие «клиент — сервер» в сети осуществляется в соответствии с определенным стандартом, или протоколом, — совокупностью соглашений об установлении/прекращении связи и обмене информацией. Обычно клиент и сервер работают в рамках единого протокола (рис. 1.2, а), однако в связи с недостаточностью такого подхода появляются мультипротокольные клиенты и серверы (рис. 1.2, б). Наконец, появляются серверные приложения (брокеры, роботы), которые устанавливаются между разнопротокольными компонентами (рис. 1.2, в) и осуществляют трансформацию протоколов. 1.3. Разновидности функциональных структур «клиент — сервер» Компьютер, управляющий определенным ресурсом, является сервером, а компьютер, пользующийся им, — клиентом. Этот принцип также распространяется на взаимодействие программ. Программа, предоставляющая определенный набор услуг, рассматривается в качестве сервера, а программы, использующие эти услуги, называются клиентами. Основной принцип технологии "клиент-сервер" заключается в разделении функций стандартного приложения на четыре группы: -Ввод и отображение данных; -Прикладные функции; -Функции хранения и управления информационными ресурсами; -Служебные функции, обеспечивающие связь между первыми тремя группами. В любом приложении выделяются такие логические компоненты, как: компонент представления; прикладной компонент; компонент доступа к информационным ресурсам, а также соглашения о способах их взаимодействия. Выделяются 4 подхода, реализованные в следующих технологиях: файловый сервер (FS); доступ к удаленным данным (RDA); сервер баз данных (DBS); сервер приложений (AS). Файловый сервер (FS) Этот подход является базовым для локальных сетей ПК. Один из компьютеров в сети назначается файловым сервером и предоставляет другим компьютерам услуги по обработке файлов. Файловый сервер работает под управлением сетевой операционной системы и играет роль компонента доступа к информационным ресурсам. На других ПК в сети функционирует приложение, в кодах которого совмещен компонент представления и прикладной компонент (рис. 1.3). Протокол обмена при такой схеме представляет собой набор вызовов, обеспечивающих приложению доступ к файловой системе на файл-сервере. К недостаткам данной технологии относятся: низкий сетевой трафик; небольшое количество операций манипуляции с данными; отсутствие адекватных средств безопасности доступа к данным и т.д. Доступ к удаленным данным RDA отличается от FS метода тем, что программы компонента представления и прикладного компонента выполняются на компьютере-клиенте. Доступ к информационным ресурсам осуществляется через оператора специального языка запросов или вызовы функций специальной библиотеки. Запросы направляются по сети удаленному компьютеру, который обрабатывает и возвращает клиенту блоки данных. Сервер баз данных DBS-технология реализована в реляционных СУБД и основана на механизме хранимых процедур. Процедуры хранятся в базе данных, разделяются между клиентами и выполняются на сервере БД. Это позволяет централизованное администрирование, снижение трафика и экономию ресурсов компьютера. Достоинства RDA-технологии: возможность централизованного администрирования прикладных функций; снижение трафика; возможность разделения процедуры сразу между несколькими приложениями; экономия ресурсов компьютера за счёт единожды созданного плана выполнения какой нибудь процедуры. Недостатки DBS-технологии: ограниченность средств написания хранимых процедур; ограниченность их использования из-за отсутствия возможности отладки и тестирования. Сервер приложений Сервер приложений (AS) - это процесс, выполняемый на компьютере-клиенте, который обеспечивает интерфейс с пользователем. Прикладной компонент реализован как группа процессов, выполняющих прикладные функции, и называется сервером приложения. Доступ к информационным ресурсам осуществляется менеджером ресурсов. AS, размещенная на компьютере с менеджером ресурсов, избавляет от необходимости направления SQL-запросов по сети, что повышает производительность системы. Технологии RDA и DBS опираются на двухзвенную схему разделения функций: в RDA прикладные функции отданы программе-клиенту ; в DBS ответственность за их выполнение берет на себя ядро СУБД. В AS реализована трехзвенная схема разделения функций, где прикладной компонент выделен как важнейший изолированный элемент приложения. 1.4. Информационно-вычислительные сети Включают вычислительные и информационные ресурсы для распределенной обработки данных и совместного использования информации, которые обеспечивают эффективный доступ к ресурсам, увеличивая использование имеющихся в сети ресурсов и обеспечивая удаленный доступ к ним. Примеры локальных сетей демонстрируют преимущества сетевого объединения персональных компьютеров: разделение ресурсов - позволяет экономно использовать периферийные устройства, такие как принтеры, со всех подключенных рабочих станций. разделение данных - обеспечивает доступ к базам данных с периферийных рабочих мест. разделение программных средств - позволяет одновременное использование централизованных программ. разделение ресурсов процессора - позволяет использовать вычислительные мощности для обработки данных другими системами в сети. многопользовательский режим - позволяет одновременное использование централизованных прикладных программных средств. ИВС можно разделить на локальные, промежуточные и глобальные. Локальные ИВС Локальные (LAN) - были рассмотрены ранее и, как это нам уже известно, представляют собой набор аппаратных средств и алгоритмов, обеспечивающих соединение компьютеров, других периферийных устройств и позволяющих им совместно использовать общую дисковую память, периферийные устройства, обмениваться данными. Сети промежуточного масштаба Сети промежуточного масштаба (MAN) - городская или региональная сеть. Сети масштаба предприятия используются только для нужд компании. Для автоматизации работы производственных предприятий часто используются системы на базе протоколов MAP/TOP. MAP - сеть для производственных предприятий, позволяющая создать единую технологическую цепочку от конструктора до оборудования. Глобальные ИВС Глобальные сети (WAN) предназначены для манипулирования ресурсами на национальном уровне. ARPAnet, созданная в 1969 году, стала первой глобальной сетью, на основе которой развился Интернет. Сеть ARPAnet была разработана RAND по поручению правительства США для обеспечения надежной передачи данных в случае ядерного конфликта. Она была основана на принципе коммутации пакетов и объединила несколько университетов и научных центров. В 1982 году были разработаны протоколы TCP/IP, которые стали основой для межсетевого обмена и развития Интернета. В 1984 году Национальный научный фонд США начал инвестировать в научную компьютерную сеть NSFnet, которая объединила научные центры и университеты США. Это способствовало становлению глобальной компьютерной сети США — Интернета. 1.5. Сети передачи данных Сети передачи данных предназначены для оказания услуг по связи и передаче информации, различаются типами связи, каналами связи, средой реализации связи, скоростью передачи. Коммуникационные сети и системы Передача данных — это обмен сообщениями между прикладными процессами пользователей, удаленными ЭВМ с целью обработки информации. Сеть ПД - состоит из узлов коммутации и каналов связи, предназначенных для передачи данных между различными точками. Служба передачи данных - предоставляет пользователям услуги передачи данных, базируясь на сети данных или передаче данных, включая оконечное оборудование. Документальная электросвязь включает виды электросвязи, предназначенные для передачи сообщений в виде документов. Виды электросвязи делятся на: кодовые; факсимильные. Телеграфная связь - осуществляется по сетям: телефонной сети общего пользования, телеграфной и телексной (международной). Передача данных - обеспечивает связь человека с ЭВМ и межмашинную связь в различных АСУ и сетях ЭВМ. Канал передачи - представляет собой комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигнала электросвязи в определенной полосе частот. При обмене данными по каналам используются три метода передачи данных: Симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио); Полудуплексная (прием и передача информации осуществляются поочередно); Дуплексная (двунаправленная), каждая станция одновременно передает и принимает данные. Для передачи данных в информационных системах наиболее часто применяется последовательная передача. Асинхронная передача - осуществляется так, что каждый символ передается отдельной посылкой. Оно работает так - стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи, затем передается символ. Для определения достоверности передачи используется бит четности, который равен 1, если количество единиц в символе нечетно, и 0 в противном случае. Последний бит («стоп-бит») сигнализирует об окончании передачи. Преимущества асинхронной передачи: простая и отработанная система и недорогое интерфейсное оборудование по сравнению со синхронной передачей. Недостатки асинхронной передачи: часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов; не высокая скорость передачи по сравнению с синхронной; при множественной ошибке с помощью бита четности невозможно определить достоверность полученной информации. Синхронная передача - при использовании синхронного метода данные передаются блоками. Как оно работает - для синхронизации работы приемника и передатчика в начале блока передаются биты синхронизации. Затем передаются данные, код обнаружения ошибки и символ окончания передачи. При синхронной передаче данные могут передаваться и как символы, и как поток битов. В качестве кода обнаружения ошибок обычно используется циклический избыточный код обнаружения ошибок. Он вычисляется по содержимому поля данных и позволяет однозначно определить достоверность принятой информации. Преимущества синхронной передачи: высокая эффективность передачи данных; высокие скорости передачи данных; надежный встроенный механизм обнаружения ошибок. Недостатки синхронной передачи: интерфейсное оборудование более сложное; интерфейсное оборудование более дорогое. В сетях и системах передача данных довольно редко осуществляется отдельными символами, а чаще всего пакетами. Форматы передачи данных могут отличаться по следующим характеристикам: Порядок следования битов и размер символа в битах; Порядок следования байтов; Представление и кодировка символов; Структура и синтаксис файлов. Линия передачи – среда распространения сигналов. Каналу передачи присваивается название «аналоговой» или «цифровой» в зависимости от методов передачи сигналов электросвязи. Канал тональной частоты является основным типовым аналоговым каналом, другие типы каналов образуются путем объединения определенного числа каналов ТЧ. В основе номенклатуры цифровых каналов лежит цифровой канал со скоростью передачи сигналов 64 Кбит/с, аналогичный каналу ТЧ. Совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи в полосе представляет собой групповой тракт первичной сети. Система передачи – это совокупность технических средств, обеспечивающих образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной передачи сети. Телетекс – передача буквенно-цифровых сообщений по абонентскому принципу. Телефакс – передача неподвижных изображений по каналам электросвязи по абонентскому принципу. Датафакс – то же, что и телефакс, но работает по сетям ПД. Бюрофакс – терминальные устройства устанавливаются в отделениях связи. Видеотекс – справочная связь, передается по телефонной сети на телевизор адресата. Телетекст — аналогичная система, предоставляющая информацию на экран телевизора. Она использует телевизионные сигналы для передачи текстовой информации, такой как новости, программы передач, расписание телепередач и т. д. Электронный обмен данными в стандарте EDIFACT представляет собой стандарт обмена электронными документами между компаниями. Этот стандарт определяет форматы для различных бизнес-документов, таких как заказы, счета и другие коммерческие сообщения. Таким образом, существует множество различных типов каналов передачи данных и разнообразных телематических служб связи, которые обеспечивают передачу различных видов информации по электросвязи. Компрессия и кодирование данных позволяют сократить время передачи информации и обеспечить защиту от перехвата. Сети выделенной связи, такие как ISDN (ФРГ, Великобритания) и RNIS (Франция), обеспечивают передачу всех видов информации и интегрируют различные коммуникационные и информационные системы. Через одно присоединение к ISDN абонент может одновременно установить несколько связей для передачи речи, текста, изображений и данных. Коммутация пакетов Метод коммутации пакетов (КП) - это разновидность коммутации с накоплением, где сообщения разбиваются на меньшие части, называемые пакетами, каждый из которых имеет установленную максимальную длину. Пакеты нумеруются, снабжаются адресами и направляются по сети (методом передачи с промежуточным хранением), где они коммутируются. Приемник выполняет сборку пакетов в исходное сообщение и отправляет его получателю. Преимущества систем КП включают возможность передачи множества пакетов одного сообщения одновременно, отсутствие необходимости во внешних запоминающих устройствах в узлах коммутации, использование оперативной памяти и механизмы задержки передаваемых пакетов. В сети с КП процесс передачи включает разбиение сообщения на пакеты, их передачу по адресу и запоминание в оперативной памяти узла КП. Пакеты могут быть переданы на соседний узел КП или временно храниться в очереди до освобождения канала. Пакеты одного сообщения могут передаваться по разным маршрутам в зависимости от наименьшей задержки. Существуют два метода пакетной коммутации: датаграммный и способ виртуальных соединений. В сети с КП осуществляеться следующий процесс передачи: Вводимое в сеть сообщение разбивается на части. Указанное разбиение осуществляется или в оконечном пункте, если он содержит ЭВМ, или в ближ. к получателю УК; Если разбиение сообшения на пакеты происходит в УК, то дальнейшая передача осущ. по мере их формирования; В узле КП пакет запоминается в ОЗУ и по адресу определяется канал, по которому он должен быть передан; Если канал свободен, то пакет немедленно передаётся на соседний узел КП; Если канал занят, то пакет может небольшое время хранится в ОЗУ до освобождения канала При хранении пакеты усваиваются в очереди по направлению передачи. Если дли очереди превышает допустимую, пакеты стираются из ОЗУ и из передача должна быть повторена. Датаграммный метод (ДМ) эффективен для передачи коротких сообщений и не требует установления соединения между абонентами. Датаграммы - это самостоятельные пакеты, движущиеся по сети независимо от других пакетов. Они доставляются получателю различными маршрутами, определяемыми динамической ситуацией на сети. Пакеты могут поступать на прием в произвольной последовательности, что требует выполнения функций, связанных со сборкой пакетов. Узел коммутации направляет датаграмму в сторону смежного узла, ближайшего к адресату. Если смежный узел не подтверждает получение пакета, он отправляется в другой смежный узел, и так далее. Как оно работает - все узлы, окружающие данный узел коммутации, ранжируются по степени близости к адресату, и каждому присваивается ранг. Пакет сначала посылается в узел первого ранга, при неудаче - в узел второго ранга и так далее. Эта процедура называется алгоритмом маршрутизации. Датаграммный режим объединяет в себе сетевой и транспортный уровни, поэтому протокол передачи данных в сети Internet называется протоколом TCP/IP, где TCP протокол четвертого транспортного уровня, а IP - сетевой протокол. Виртуальный метод (ВМ) предполагает установление маршрута передачи сообщения от отправителя до получателя с помощью запроса вызова (ЗВ). Как оно работает - пакет запроса на соединение выбирает маршрут, который закрепляется для прохождения по нему всего трафика, если получатель соглашается на соединение. Преимущества режима ВС перед датаграммным заключается в обеспечении упорядоченности пакетов, поступающих в адрес получателя и простоте управления потоком данных и возможность предварительного резервирования ресурсов памяти на узлах коммутации. К недостаткам следует отнести отсутствие воздействия изменившейся ситуации в сети на маршрут, который не корректируется до конца связи.
