Успешно изучив материал, Вы будете знать:

• определения основных понятий, связанных с построением и функционированием компьютерных сетей (КС);

• принципы классификации и основные функциональные, информационные и структурные классификационные признаки КС;

• структуру программного обеспечения КВС и назначение его элементов;

• факторы, оказывающие принципиальное значение на процесс функционирования КС;

• определения основных понятий, связанных с построением и функционированием сетевых операционных систем.

После изучения данной темы Вы будете уметь:

• классифицировать компьютерные сети по функциональным, информационным и структурным признакам;

• осуществлять сравнительный анализ локальных сетей с различной топологией;

• анализировать назначение структурных частей сетевых операционных систем.

После изучения материала Вы будете обладать навыками:

• изучения подходов к построению сетевых операционных систем;

• выявления основных особенностей сетевых операционных систем;

• анализа различных функциональных параметров ЛВС.

Компьютерная сеть

Протокол

Открытая система

Прикладной процесс

Сетевая операционная система

Выделенный сервер

Компьютерная сеть (КС) — это объединение некоторого числа компьютеров и специального оборудования (сетевого оборудования) с помощью каналов передачи данных (каналов связи).

С появлением компьютерных сетей удалось разрешить две очень важные проблемы:

1) обеспечение практически неограниченного доступа к компьютерам пользователей независимо от их территориального расположения;

2) возможность оперативного перемещения больших объемов информации на любые расстояния, позволяющая своевременно получать данные для принятия пользователем тех или иных решений.

Одной из основных проблем при создании компьютерных сетей была проблема совместимости соединяемых друг с другом компьютеров (они могут быть различной конфигурации), сетевого оборудования. Для решения этой задачи Международной организацией по стандартизации (ISO — International Standards Organization) был создан специальный сетевой стандарт, который позволял передавать программы и информацию пользователей от одного компьютера к другому без искажений и ошибок. В основе разработанного стандарта лежала система стандартных протоколов, получившая название модели взаимодействия открытых систем — OSI (Open System Interconnection).

Протокол — это набор правил и методов, который:

• охватывает основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия составных частей КС;

• обеспечивает корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети.

Открытая система — это система, которая открыта для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

В соответствии с эталонной семиуровневой логической моделью открытых систем каждая компьютерная система представляется прикладными процессами и процессами взаимодействия компьютеров, периферийного оборудования, средств связи и программного обеспечения.

Прикладной процесс — это различные процедуры ввода, хранения, обработки и выдачи информации, выполняемые в интересах пользователей и описываемые прикладными программами.

Для КС принципиальное значение имеют следующие обстоятельства:

• ЭВМ, находящиеся в составе разных абонентских систем одной и той же сети или различных взаимодействующих сетей, связываются между собой автоматически (в этом заключается основная сущность протекающих в сети процессов);

• каждая ЭВМ сети должна быть приспособлена как для работы в автономном режиме под управлением своей операционной системы (ОС), так и для работы в качестве составного звена сети.

КС могут работать в различных режимах: обмена данными между АС, запроса и выдачи информации, сбора информации, пакетной обработки данных по запросам пользователей с удаленных терминалов, в диалоговых режимах.

По сравнению с адекватной по вычислительной мощности совокупностью автономно работающих ЭВМ сеть имеет ряд преимуществ:

• обеспечение распределенной обработки данных и параллельной обработки многими ЭВМ;

• возможность создания распределенной базы данных (РБД), размещаемой в памяти различных ЭВМ;

• возможность обмена большими массивами информации между ЭВМ, удаленными друг от друга на значительные расстояния;

• коллективное использование дорогостоящих ресурсов: прикладных программных продуктов, баз дан-ных (БД), баз знаний (БЗ), запоминающих уст-ройств (ЗУ), печатающих устройств;

• предоставление большего перечня услуг, в том числе таких, как электронная почта (ЭП), телеконференции, электронные доски объявлений (ЭДО), дистанционное обучение;

• повышение эффективности использования средств вычислительной техники и информатики (СВТИ) за счет более интенсивной и равномерной их загрузки, а также надежности обслуживания запросов пользователей;

• возможность оперативного перераспределения вычислительных мощностей между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей, а также резервирования этих мощностей и средств передачи данных на случай выхода из строя отдельных элементов сети;

• сокращение расходов на приобретение и эксплуатацию СВТИ (за счет коллективного их использования);

• облегчение работ по совершенствованию технических, программных и информационных средств.

В основу классификации КС положены наиболее характерные функциональные, информационные и структурные признаки.

1. По степени территориальной рассредоточенности элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные, региональные и локальные компьютерные сети.

   Глобальная компьютерная сеть (ГКС) объединяет абонентские системы, рассредоточенные на большой территории, охватывающей различные страны и континенты. ГКС решают проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним. Взаимодействие компонентов компьютерной сети осуществляется на базе различных территориальных сетей связи, в которых используются телефонные линии связи, радиосвязь, системы спутниковой связи.

   Региональная компьютерная сеть (РКС) объединяет абонентские системы, расположенные друг от друга на значительном расстоянии: в пределах отдельной страны, региона, большого города.

   Локальная компьютерная сеть (ЛКС) связывает абонентские системы, расположенные в пределах небольшой территории. К классу ЛКС относятся сети предприятий, фирм, банков, офисов, учебных заведений и т.д. Протяженность ЛКС ограничивается несколькими километрами.

   Отдельный класс составляют корпоративные компьютерные сети (ККС). Корпоративная сеть является технической базой корпорации. Ей принадлежит ведущая роль в реализации задач планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации.

   Объединение локальных, региональных, корпоративных и глобальных сетей позволяет создавать сложные многосетевые иерархии.

2. По способу управления КС делятся на сети с централизованным (в сети имеется один или несколько управляющих органов), децентрализованным (каждый компонент компьютерной сети имеет средства для управления сетью) и смешанным управлением, в которых в определенном сочетании реализованы принципы централизованного и децентрализованного управления (например, под централизованным управлением решаются только задачи с высшим приоритетом, связанные с обработкой больших объемов информации).

3. По организации передачи информации КС делятся на сети с селекцией информации и с маршрутизацией информации. В сетях с селекцией информации, строящихся на основе моноканала, взаимодействие компонентов компьютерной сети производится выбором (селекцией) адресованных им блоков данных (кадров): всем компонентам компьютерной сети доступны все передаваемые в сети кадры, но копию кадра снимают только те компоненты компьютерной сети, кому они предназначены. В сетях с маршрутизацией информации для передачи кадров от отправителя к получателю могут использоваться несколько маршрутов. Поэтому с помощью коммуникационных систем сети решается задача выбора оптимального (например, кратчайшего по времени доставки кадра адресату) маршрута.

4. По типу организации передачи данных сети с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией цепей (каналов), коммутацией сообщений и коммутацией пакетов. В эксплуатации находятся сети, в которых используются смешанные системы передачи данных.

5. По топологии, т.е. конфигурации элементов в КС, сети могут делиться на два класса: широковещательные и последовательные. Широковещательные конфигурации и значительная часть последовательных конфигураций («кольцо», «звезда с интеллектуальным центром», иерархическая) характерны для локальных компьютерных сетей. Для глобальных и региональных сетей наиболее распространенной является произвольная (ячеистая) топология. Нашли применение также иерархическая конфигурация и «звезда».

   В широковещательных конфигурациях в любой момент времени на передачу кадра может работать только одна рабочая станция (абонентная система). Остальные рабочие станции (РС) сети могут принимать этот кадр, т.е. такие конфигурации характерны для ЛКС с селекцией информации.

   Основные типы широковещательной конфигурации — «общая шина», «дерево», «звезда с пассивным центром». Главные достоинства ЛКС с общей шиной — простота расширения сети, простота используемых методов управления, минимальный расход кабеля.

Характеризуя возможности той или иной КС, следует оценивать ее аппаратное, информационное и программное обеспечение.

Аппаратное обеспечение составляют ЭВМ различных типов, средства связи, оборудование абонентских систем, оборудование узлов связи, аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней. Основные требования к ЭВМ сетей — это универсальность, т.е. возможность выполнения практически неограниченного круга задач пользователей, и модульность, обеспечивающая возможность изменения конфигурации ЭВМ. В сетях, в зависимости от их назначения, используются ЭВМ в широком диапазоне по своим характеристикам: от суперЭВМ до ПЭВМ. ЭВМ могут размещаться либо в непосредственной близости от пользователей (например, ПЭВМ в составе абонентской системы, т.е. на рабочем месте пользователя), либо в центре обработки информации (ЦОИ), который является звеном сети и к которому пользователи обращаются с запросами со своих АС.

Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий массивы данных общего применения, доступные для всех пользователей (абонентов) сети, и массивы индивидуального пользования, предназначенные для отдельных абонентов. В состав информационного обеспечения входят базы знаний, автоматизированные базы данных — локальные и распределенные, общего и индивидуального назначения.

Программное обеспечение (ПО) компьютерных сетей отличается большим многообразием как по своему составу, так и по выполняемым функциям. Оно автоматизирует процессы программирования задач обработки информации, осуществляет планирование и организацию коллективного доступа к телекоммуникационным, вычислительным и информационным ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение этих ресурсов с целью повышения оперативности и надежности удовлетворения запросов пользователей и т.д.

Создание КС — сложная комплексная задача, требующая согласованного решения ряда вопросов: выбора рациональной структуры сети, соответствующей ее назначению и удовлетворяющей поставленным требованиям (определяется состав элементов и звеньев сети, их расположение, способы соединения); выбора типа линий и каналов связи между звеньями сети и оценки их пропускной способности; обеспечения способности доступа пользователей к общесетевым ресурсам, в частности за счет оптимального решения задач маршрутизации; распределения аппаратных, информационных и программных ресурсов по звеньям сети; защиты информации, циркулирующей в сети, от несанкционированного доступа и др. Все эти вопросы решаются с учетом требований, предъявляемых к сети по главным показателям: временным — для оценки оперативности удовлетворения запросов пользователей; надежностным — для оценки надежности своевременного удовлетворения этих запросов; экономическим — для оценки капитальных вложений на создание и внедрение сети и текущих затрат при эксплуатации и использовании.

Сетевая операционная система составляет основу ПО любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен.

В узком смысле сетевая операционная система — это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети. Есть и более развернутое определение сетевой операционной системы: сетевая операционная система — это система программных средств, управляющих процессами в сети и объединенных общей архитектурой, определенными коммуникационными протоколами и механизмами взаимодействия вычислительных процессов. Она обеспечивает пользователям стандартный и удобный доступ к разнообразным сетевым ресурсам и обладает высоким уровнем прозрачности, т.е. изолирует от пользователя все различия, особенности и физические параметры привязки процессов к обрабатываемым ресурсам.

Таким образом, сетевая операционная система — это совокупность операционных систем (ОС) отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым протоколам.

В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей (рис. 12.1).

1. Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами в мультипроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных операционных систем.

2. Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование — серверная часть операционной системы (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам.

3. Средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования — клиентская часть операционной системы (редиректор). Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.

4. Коммуникационные средства операционной системы, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений.

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может отсутствовать либо клиентская, либо серверная части. На рис. 12.2 показано взаимодействие сетевых компонентов. Здесь компьютер 1 выполняет роль «чистого» клиента, а компьютер 2 — роль «чистого» сервера, соответственно на первой машине отсутствует серверная часть, а на второй — клиентская. На рисунке отдельно показан компонент клиентской части — редиректор. Именно редиректор перехватывает все запросы, поступающие от приложений, и анализирует их. Если выдан запрос к ресурсу данного компьютера, то он переадресовывается соответствующей подсистеме локальной ОС, если же это запрос к удаленному ресурсу, то он переправляется в сеть.

При этом клиентская часть преобразует запрос из локальной формы в сетевой формат и передает его транспортной подсистеме, которая отвечает за доставку сообщений указанному серверу. Серверная часть операционной системы компьютера 2 принимает запрос, преобразует его и передает для выполнения своей локальной ОС. После того как результат получен, сервер обращается к транспортной подсистеме и направляет ответ клиенту, выдавшему запрос. Клиентская часть преобразует результат в соответствующий формат и адресует его тому приложению, которое выдало запрос.

На практике сложилось несколько подходов к построению сетевых операционных систем.

Локальные ОС и сетевые оболочки. Первые сетевые ОС представляли собой совокупность существующей локальной ОС и надстроенной над ней сетевой оболочки. При этом в локальную ОС встраивался минимум сетевых функций, необходимых для работы сетевой оболочки, которая выполняла основные сетевые функции.

ОС со встроенными сетевыми функциями. Однако более эффективным представляется путь разработки операционных систем, изначально предназначенных для работы в сети. Сетевые функции у ОС такого типа глубоко встроены в основные модули системы, что обеспечивает их логическую стройность, простоту эксплуатации и модификации, а также высокую производительность.

В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, сетевые операционные системы (так же как и сети) делятся на два класса: одноранговые и двухранговые. В одноранговых сетях все компьютеры равны в правах доступа к ресурсам друг друга. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его эксплуатировать. В таких сетях на всех компьютерах устанавливается одна и та же ОС, которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности.

Двухранговые ОС чаще называют сетями с выделенными серверами. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим пользователям сети, то он играет роль сервера. При этом компьютер, обращающийся к ресурсам другой машины, является клиентом. Компьютер, работающий в сети, может выполнять функции либо клиента, либо сервера, либо совмещать обе эти функции.

Если выполнение каких-либо серверных функций является основным назначением компьютера (например, предоставление файлов в общее пользование всем остальным пользователям сети или организация совместного использования факса или предоставление всем пользователям сети возможности запуска на данном компьютере своих приложений), то такой компьютер называется выделенным сервером. Выделенный сервер не принято использовать в качестве компьютера для выполнения текущих задач, не связанных с его основным назначением, так как это может уменьшить производительность его работы как сервера. В зависимости от того, какой ресурс сервера является разделяемым, он называется файл-сервером, факс-сервером, принт-сервером, сервером приложений и т.д.

Несмотря на то, что в сети с выделенным сервером все компьютеры в общем случае могут выполнять одновременно роли и сервера, и клиента, эта сеть функционально несимметрична: аппаратно и программно в ней реализованы два типа компьютеров: одни — в большей степени ориентированные на выполнение серверных функций и работающие под управлением специализированных серверных ОС, а другие — в основном выполняющие клиентские функции и работающие под управлением соответствующего этому назначению варианта ОС. Функциональная несимметричность, как правило, вызывает и несимметричность аппаратуры — для выделенных серверов используются более мощные компьютеры с большими объемами оперативной и внешней памяти. Таким образом, функциональная несимметричность в сетях с выделенным сервером сопровождается несимметричностью операционных систем (специализация ОС) и аппаратной несимметричностью (специализация компьютеров).

В одноранговых сетях также может возникнуть функциональная несимметричность: одни пользователи не желают разделять свои ресурсы с другими. В этом случае их компьютеры выполняют роль клиента, а за другими компьютерами администратор закрепил только функции по организации совместного использования ресурсов, следовательно, они являются серверами.

Также может возникнуть и другая ситуация, когда локальный пользователь не возражает против использования его ресурсов и сам не исключает возможности обращения к другим компьютерам. ОС, устанавливаемая на его компьютере, должна включать и серверную, и клиентскую части. В отличие от сетей с выделенными серверами, в одноранговых сетях отсутствует специализация ОС в зависимости от преобладающей функциональной направленности — клиента или сервера. Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации, однако они применяются в основном для объединения небольших групп пользователей, не предъявляющих больших требований к объемам хранимой информации, ее защищенности от несанкционированного доступа и к скорости доступа. При повышенных требованиях к этим характеристикам более подходящими являются двухранговые сети, где сервер лучше решает задачу обслуживания пользователей своими ресурсами, так как его аппаратура и сетевая операционная система специально спроектированы для этой цели.

Сетевые операционные системы имеют разные свойства в зависимости от того, предназначены они для сетей масштаба рабочей группы (отдела), для сетей масштаба офиса или для сетей масштаба предприятия.

1. Компьютерная сеть (КС) — это объединение некоторого числа компьютеров и специального оборудования (сетевого оборудования) с помощью каналов передачи данных (каналов связи). Использование компьютерных сетей позволяет:

   1) обеспечить практически неограниченный доступ к компьютерам пользователей независимо от их территориального расположения;

   2) оперативно перемещать информацию на любые расстояния.

   В основе построения компьютерных сетей лежат наборы стандартов — протоколы.

2. Протокол — это набор правил и методов, который охватывает основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия составных частей КС, обеспечивает корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети.

3. Открытая система — это система, которая открыта для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

4. Существует ряд подходов к классификации компьютерных сетей. Так, по степени территориальной рассредоточенности элементов сети различают глобальные (ГКС), региональные (РКС) и локальные компьютерные сети (ЛКС). Корпоративные компьютерные сети составляют отдельный класс и предназначены для реализации задач планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации.

   По способу управления КС делятся на сети с централизованным, децентрализованным и смешанным управлением.

   По организации передачи информации сети делятся на сети с селекцией информации и с маршрутизацией информации.

   По топологии, т.е. конфигурации элементов в КС, сети могут делиться на два класса: широковещательные («общая шина», «дерево», «звезда с пассивным центром») и последовательные («кольцо», «звезда с интеллектуальным центром», иерархическая).

5. Программное обеспечение (ПО) КС автоматизирует процессы программирования задач обработки информации, осуществляет планирование и организацию коллективного доступа к ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение этих ресурсов и т.д.

6. Сетевая операционная система составляет основу ПО любой вычислительной сети. Сетевая операционная система — это совокупность операционных систем (ОС) отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым протоколам.

7. В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить: средства управления локальными ресурсами компьютера, средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование (сервер), средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования (редиректор) и коммуникационные средства операционной системы.

Выполните задания к теме 12 в тетради-практикуме.