Поняття обчислювальної мережі
Обчислювальна мережа - ВС [network] - це сукупність ЕОМ, об'єднаних засобами передачі даних. Засоби передачі даних у ЗС в загальному випадку складаються з наступних елементів: зв'язкових ЕОМ, каналів зв'язку (супутникових, телефонних, волоконно-оптичних та ін), коммутирующей апаратури та ін
Залежно від віддаленості ЕОМ, що входять у ЗС, мережі умовно поділяють на локальні та глобальні.
Локальна мережа - ЛОМ [local area network - LAN] - це група пов'язаних один з одним ЕОМ, розташованих в обмеженій території, наприклад, в будівлі. Відстані між ЕОМ в локальній мережі може досягати декількох кілометрів. Локальні мережі розгортаються зазвичай в рамках деякої організації, тому їх називають також корпоративними мережами.
Якщо мережа виходить за межі будівлі, то така НД називається глобальної [wide area network-WAN]. Глобальна мережа може включати в себе інші глобальні мережі, локальні мережі та окремі ЕОМ.
Глобальні мережі практично мають ті ж можливості, що і локальні. Але вони розширюють сферу їх дії. Користь від застосування глобальних мереж обмежена в першу чергу швидкістю роботи: глобальні мережі працюють з меншою швидкістю, ніж локальні.
Мережі призначені для виконання багатьох завдань, у тому числі:
організація спільного використання файлів для підвищення цілісності інформації;
організація спільного використання периферійних пристроїв, наприклад, принтерів, для зменшення загальних витрат на обладнання офісу;
забезпечення централізованого зберігання даних для полегшення їх захисту та архівування.
Глобальні мережі надають всьому цьому великі масштаби і додають таку зручну річ, як електронна пошта.
Локальні обчислювальні мережі
Архітектура локальної мережі
Для характеристики архітектура мережі використовують поняття логічної і фізичної топології.
Фізична топологія [physical topology] - це фізична структура мережі, спосіб фізичного з'єднання всіх апаратних компонентів мережі. Існує кілька видів фізичної топології.
Найбільш простий є фізична шинна топологія [bus topology], в якій кабель йде від ЕОМ до ЕОМ, пов'язуючи їх в ланцюжок. Розрізняють товсті і тонкі сіті. Товста мережа [thicknet] використовує товстий коаксіальний кабель як магістралі, від якого відходять тонші кабелі.
У тонкій мережі [thinnet] використовується більш тонкий і гнучкий кабель, до якого безпосередньо підключені робочий станції.
Мережі, побудовані за шинної топології, більш дешеві. Однак якщо вузли мережі розташовані по всій будівлі, то набагато більш зручним виявляється використання зіркоподібною топології.
При фізичній зіркоподібною топології [star topology] кожен сервер і робоча станція підключаються до спеціального пристрою - центральному концентратора [hub], який здійснює з'єднання пари вузлів мережі - комутацію.
Рис. 1. Шинна топологія - товста мережу
Обрив кабелю, що йде від однієї робочої станції не вплине на роботу решти робочих станцій. Крім того, взаємне розташування робочих станцій здійснено не важливо.
Рис. 2. Шинна топологія - тонка мережа
Якщо мережа має багато вузлів, причому багато розташовуються на великій відстані один від одного, то витрата кабелю при використанні зіркоподібною топології буде великим. Крім того, до концентратора можна підключити лише обмежене число кабелів. У таких випадках застосовується розподілена зіркоподібна топологія [distributed star topology], коли він кілька концентраторів з'єднуються один з одним.
Крім розглянутих видів з'єднань може застосовуватися також кільцеподібна топологія, при якій робочі станції з'єднані в кільце. Така топологія практично не використовується для локальних мереж, але може застосовуватися для глобальних.
Логічна топологія мережі [logical topology] визначає спосіб, відповідно до якого пристрою мережі передають інформацію від одного вузла до наступного. Фізична топологія не має прямого відношення до логічної.
Розрізняють два види логічної топології: шинну і кільцеву.
Рис. 3. Зіркоподібна топологія
У шинної логічної топології процес передачі даних організовано наступним чином. Якщо будь-який вузол мережі має дані для іншого вузла, то перший вузол виробляє «сповіщення» всієї мережі. Всі інші вузли «слухають» мережу і перевіряють, призначені ці дані для них чи ні. Якщо призначені, то вони залишають їх собі, якщо ні - ігнорують. Будь-які дані, що передаються «чути» усіх вузлів мережі. Вузол, який хоче передати якісь дані, спочатку «слухає» мережу, чи не зайнята вона. Якщо мережа вільна, то вузол передає дані. Якщо відстань між вузлами велике, і посланий раніше кимось сигнал ще не встиг дійти до передавального вузла, то може відбутися конфлікт, коли в мережі одночасно виявляються два повідомлення. У цьому випадку передавальні вузли мережі на короткий час припиняють свою роботу і через деякий випадковий проміжок часу відновлюють передачі даних.
Рис. 4. Розподілена зіркоподібна топологія
У мережі з кільцевою логічною топологією дані передаються по замкнутій естафеті від одного вузла до іншого. Коли надіслане повідомлення повертається до передавальному вузлу, він припиняє передачу. Кільцева топологія менш схильна до конфліктів.
Апаратні компоненти локальної мережі
Основними компонентами, складовими будь-яку локальну мережу, є: кабелі, мережні інтерфейсні плати, модеми, сервери.
Всі з'єднання з мережі здійснюються за допомогою спеціальних мережних кабелів. Основними характеристиками мережевого кабелю є швидкість передачі даних і максимально допустима довжина. Обидві характеристики визначаються фізичними властивостями кабелю.
Приклад
Для з'єднання в локальних мережах використовуються: кабелі типу «вита пара» і «екранована вита пара», коаксіальний кабель, оптоволоконний кабель.
Таблиця 1. Типи кабелів
| Тип кабелю | Швидкість передачі даних, Мбіт / с | Допустима довжина, м |
| Вита пара | 100 | 90 |
| Екранована вита пара | 100 | 90 |
| Коаксіальний | 10 | 750 |
| Оптоволоконний | 155 | 10000 |
Джерело [1].
Мережеві інтерфейсні плати [network interface card] являють собою додаткові плати, що встановлюються на материнську плату ПЕОМ. До мережевої плати підключаються мережеві кабелі. Мережева плата визначає тип локальної мережі.
Приклад
На практиці використовують два типи локальних мереж - Ethernet і Token Ring. Обидва типи мають модифікації.
Таблиця 2. Типи мереж Ethernet
| Назва | Фізична топологія і кабель | Швидкість передачі Мбіт / с |
| 10Base2 | Шинна, тонкий коаксіальний | 10 |
| 10BaseS | Шинна, товстий коаксіальний | 10 |
| Fast Ethernet | Зіркоподібна, вита пара | 100 |
| Gigabit Ethernet | Зіркоподібна, оптоволоконний | 1000 |
Джерело [2].
Модем [modem] - це пристрій, призначений для зв'язку між ЕОМ по телефонних лініях. За телефонної мережі будь-які дані можуть передаватися лише в аналоговій формі. Дані від ЕОМ надходять в цифровому вигляді. Завдання модему полягає в перетворенні цифрових даних в аналогову форму і навпаки.
Сервер [server] - це будь-яка мережева ЕОМ, що обслуговує інші мережеві ЕОМ. Існують сервери різних типів, які визначаються типом послуг, що надаються.
Файловий сервер [file server] надає іншим ЕОМ (клієнтам) доступ до даних, які зберігаються в зовнішній пам'яті сервера. Таким чином, на файловий сервер покладені всі завдання з безпеки зберігання даних, пошуку даних, архівування та ін Зовнішня пам'ять сервера стає розподіляється ресурсом, так як її можуть використовувати декілька клієнтів.
Сервер друку [printer server] організовує спільне використання принтера.
Комунікаційні сервери служать для зв'язку локальної мережі з зовнішнім світом, наприклад, з глобальною мережею Internet. Для цього використовуються модемні пули, проксі-сервери та маршрутизатори.
Модемний пул [modem pool] представляє собою ЕОМ, забезпечену особливої мережевою платою, до якої можна підключити декілька модемів. Таким чином досягається певна економія, коли, наприклад, десять ЕОМ працюють, використовуючи три модему.
Проксі-сервер [proxy server] не тільки використовує єдине з'єднання з Internet, але і надає свою пам'ять для зберігання тимчасових файлів, що прискорює роботу з Internet.
Головним завданням маршрутизатора [router] є пошук найкоротшого шляху, по якому буде надіслано повідомлення, адресоване деякої ЕОМ в глобальній мережі. Маршрутизатор представляє собою або спеціалізовану ЕОМ, або звичайну ЕОМ зі спеціальним програмним забезпеченням.
Сервер додатків [application server] використовується для виконання програм, які з якихось причин недоцільно або неможливо виконати на інших мережевих ЕОМ. Очевидною причиною може бути недостатня продуктивність клієнтських ЕОМ. Інша причина - використання будь-яких стандартних бібліотек, копіювання яких на кожну клієнтську ЕОМ трудомістко і, крім того, створює можливість неузгодженості версії бібліотеки. Сітьові операційні системи (Linux, Windows NT) дозволяють побудувати так звану тонку клієнтних мережу, в якій всі ресурси клієнтів надані сервером. Самі клієнтські ЕОМ не витрачають нічого на обробку даних. Тоді ЕОМ користувачів в такій мережі називаються терміналами, а сам сервер - термінальним сервером. Такий сервер повинен мати великий обсяг основної і зовнішньої пам'яті і високу продуктивність.
Глобальна мережа Internet
Загальна характеристика глобальної мережі Internet
У структурі глобальної мережі можна виділити три рівні (див. рис. 4.8).
Перший - внутрішній рівень становить мережу передачі даних. Вона складається з вузлів зв'язку. Кожен вузол зв'язку являє собою сукупність засобів передачі даних і складається з комутаційної ЕОМ та апаратури передачі даних.
Рис. 5. Структура глобальної мережі
На другий рівень входять різноманітні сервери, звані хост-ЕОМ [host computer], які виконують в мережі завдання по зберіганню та обробці даних. Такими серверами можуть бути, наприклад, сервери різних локальних мереж.
Третій рівень - термінальний - складається зі звичайних клієнтних робочих станцій, які користуються послугами глобальної мережі.
Кожна локальна мережа називається сайтом [site], а юридична особа, що забезпечує роботу сайту - провайдером. Сайт складається з групи серверів, яка виконує певні завдання.
Основними характеристиками мережі є: час доставки повідомлень, продуктивність і вартість обробки даних.
Час доставки повідомлень визначається як статистичне середній час від моменту передачі повідомлення в мережу до моменту отримання повідомлення адресатом.
Продуктивність мережі являє собою сумарну продуктивність серверів.
Вартість обробки даних визначається як вартістю засобів, що використовуються для обробки, так і часом доставки та продуктивністю мережі.
Тип мережі і всі її характеристики в основному визначаються будовою та принципами роботи мережі передачі даних, які описуються протоколом. Протокол [protocol] - це система правил, що визначають формат і процедури передачі даних по мережі. Можна сказати, що протокол являє собою мову, на якому «розмовляють» ЕОМ в мережі. Протокол, зокрема, визначає, як будуть ідентифікуватися в мережі хост-ЕОМ і як можна знайти їх в мережі, тобто визначаються адресація і порядок маршрутизації.
Приклад
Властивості глобальної мережі Internet визначаються так званим IP-протоколом.
Адресація та маршрутизація в мережі Internet
Для організації зв'язку між хост-ЕОМ необхідна загальносітьового система адресації, яка встановлює порядок іменування абонентів мережі передачі даних. У IP-мережах, до яких відноситься і мережа Internet, кожній фізичній об'єкту (хост-ЕОМ, сервери, підмережі) привласнюється число, зване IP-адресою, який зазвичай представляється у вигляді чотирьох чисел від 0 до 255, розділених крапкою, наприклад, 192.171. 153.60. Самі по собі ці числа не мають ніякого значення. Адреса містить у собі номер підмережі та номер хост-ЕОМ в даній мережі.
Для зручності користувачів в Internet так само використовується інший спосіб адресації, який називається системою доменних імен [domain naming system - DNS].
Приклад
DNS-адреса має вигляд: win.smtp.dol.ru. У цьому прикладі:
ru - домен країни, тут означає всі хост-ЕОМ Росії;
dol - домен провайдера, означає всі ЕОМ локальної мережі деякої форми;
smtp - домен групи поштових серверів цієї ж фірми.;
win - ім'я конкретної ЕОМ з групи smtp.
Особливе значення мають організаційні та географічні домени - ті, які пишуться крайніми праворуч в DNS-адресу. Імена для цих доменів зареєстровані міжнародною організацією InterNIC (Internet Network Information Center). Наприклад, edu означає освітню організацію, com - комерційну, gov - урядову, us - США, uk-Великобританію, de - Німеччину і т.д. DNS-адреса завжди діє спільно з IP-адресою.
При організації зв'язку мережа повинна за адресою одержувача визначити шлях передачі даних - маршрут. Для визначення маршруту використовуються різні алгоритми маршрутизації [routing]. Ефективність алгоритму маршрутизації суттєво впливає на швидкість передачі даних по мережі.
Служби мережі Internet
У мережі Internet є численні служби, що надають інформаційні послуги.
Однією з найбільш використовуваних служб є електронна пошта [e-mail]. Для обслуговування електронної пошти в мережі є спеціальні поштові сервери. Такий сервер виділяє своїм клієнтам певний обсяг зовнішньої пам'яті (зазвичай 1-3 Мб) і призначає цієї пам'яті деякий ім'я - адреса і пароль для доступу. Така іменована пам'ять називається поштовою скринькою [mailbox]. Всі повідомлення, адресовані даному клієнту, поміщаються в цей ящик і можуть бути прочитані, знищені або переправлені в інше місце клієнтом, якому цей ящик належить. Для відправлення та отримання пошти використовуються спеціальні поштові програми. Адреса пошти - це DNS-адресу з додаванням імені абонента.
Приклад
Існує безліч поштових серверів. Одним з відомих серверів є mail.ru. Адреса пошти на цьому сервері буде мати вигляд:
ivanov@mail.ru
де ivanov - це ім'я абонента, а mail.ru - це DNS-адресу поштового сервера.
Прикладом поштової програми є Outlook Exdivss для Windows98.
Інша широко використовувана служба - FTP-служба [file transfer protocol]. Ця служба використовується для віддаленого доступу до файлів. FTP-сервер являє собою сховище всіляких файлів. Ці файлу користувач може прочитати або скопіювати на свою ЕОМ. DNS-адресу таких серверів починається з ftp, наприклад, ftp.microsoft.com. Інформація на FTP-серверах організована у вигляді традиційних каталогів. Вузли FTP-служби використовуються розробниками програмного забезпечення для його поширення.
Доступ до будь-яких ресурсів мережі Internet можна отримати за допомогою служби World Wide Web або просто Web. Очевидне відмінність цієї служби від FTP або електронної пошти полягає в тому, що Web - це мультимедійна служба, тобто вона підтримує не тільки текст, але й графіку, анімацію, звук.
Web-сервер зберігає дані у вигляді набору текстових файлів, які написані на спеціальній мові HTML [hypertext markup language]. Спеціальна програма - броузер [browser] - інтерпретує HTML-текст і виводить на екран монітора сторінку, в якій поєднуються текст, графіка, анімація і, найголовніше, посилання на інші сторінки. Таким чином, за допомогою посилань Web-сторінки користувач має можливість переходити від однієї сторінки до іншої і більш оперативно розшукувати потрібну інформацію.
Для пошуку сторінок, що містять потрібну інформацію, використовується пошукова служба. Пошукові сервери використовують спеціальні програми, які аналізують заголовки Web-сторінок і міститься в них. Результатом роботи цих програм є список Web-сторінок, які відповідають критеріям пошуку.
Приклад
Існує велика кількість пошукових серверів: Alta Vista, Lycos, Yahoo.
Архітектура обчислювального процесу
Архітектура програми
Всі комп'ютерні програми за логікою їх роботи можна представити у вигляді, показаному на рис. 4.6.
Рис. 6. Архітектура програми
Інтерфейс користувача - це набір програм, які забезпечують взаємодію програми з користувачем: графічний інтерфейс, система повідомлень про помилки і т.д.
Прикладна програма - це ядро програми, що виконує основні функції цього додатка: переклад тексту, математичні розрахунки і т.д.
Під логікою даних розуміється набір програм, які визначають порядок доступу до даних, контролюють цілісність даних відповідно до бізнес-правил і допустимість даних. Ці програми зазвичай надаються використовуваної при розробці програми СУБД.
Під доступом до даних розуміється набір програм, які забезпечують запис і читання даних з зовнішньої пам'яті. Такі програми також зазвичай реалізовані засобами СУБД.
Перераховані складові частини програми відносно незалежні один від одного. Зв'язок між ними вичерпується лише передачею даних. Таку передачу даних можна організувати по мережі. Також функціонування частин програми можна забезпечити на різних ЕОМ, з'єднаних в мережі. Це дає можливість різним чином організувати виконання програми. Архітектура обчислювального процесу характеризує як побудова апаратного забезпечення (ЕОМ і мережі), так і спосіб функціонування додатків.
Розрізняють чотири способи організації обчислювального процесу:
централізована архітектура;
розподілена архітектура;
архітектура клієнт-сервер;
многозвенная архітектура.
Централізована архітектура
Класичне уявлення централізованої архітектури показано на рис. 4.7.
Центральна ЕОМ повинна мати велику пам'ять і високу продуктивність, щоб забезпечувати комфортну роботу великої кількості користувачів.
Рис. 7. Централізована архітектура обчислювальної системи
Всі додатки, що працюють в такій архітектурі, повністю знаходяться в основній пам'яті хост-ЕОМ. Термінали є лише пристроями введення-виведення і таким чином у мінімальному ступені підтримують інтерфейс користувача рис 4.8.
Рис. 8. Архітектура централізованого програми
Така архітектура обчислювальних систем була поширена в 70-х і 80-х роках і реалізовувалася на базі мейнфреймів (наприклад, IBM-360/370 або їх вітчизняних аналогів серії ЄС ЕОМ), або на базі міні-ЕОМ (наприклад, PDP-11 або їх вітчизняного аналога СМ-4). Характерна особливість такої архітектури - повна «інтелектуальних» терміналів. Їх роботою керує хост-ЕОМ. Переваги такої архітектури полягають у тому, що користувачі спільно використовують дорогі ресурси ЕОМ і дорогі периферійні пристрої. Крім того, централізація ресурсів та обладнання полегшує обслуговування і експлуатацію обчислювальної системи. Головним недоліком для користувача є те, що він повністю залежить від адміністратора хост-ЕОМ. Користувач не може налаштувати робоче середовище під свої потреби - все використовуване програмне забезпечення є колективним. Використання такої архітектури є виправданим, якщо хост-ЕОМ дуже дорога, наприклад, супер-ЕОМ.
Розподілена архітектура
Основою розподіленої архітектури є файл-сервер. Він надає клієнтам (тобто програмами на ПЕОМ) свою дискову пам'ять, тобто забезпечує доступ до даних. Кожен клієнт користується для роботи своїми ресурсами, тому вимоги до продуктивності файл-сервера невисокі. Основними вимоги будуть пред'являтися до файлової системи файл-сервера.
Рис. 9. Розподілена архітектура
обчислювальної системи
Як видно з рис. 4.10, основна обробка даних відбувається на клієнтних ЕОМ, тобто клієнти на відміну від терміналів повинні володіти деякими ресурсами, тому їх називають «товстими» клієнтами.
Розподілена архітектура позбавлена недоліків централізованої архітектури, до того ж дорогі периферійні пристрої (принтери, RAID-масиви) в такій архітектурі також можуть використовуватися спільно.
Основним недоліком розподіленої архітектури є те, що вся обробка даних зосереджена всередині декількох незалежних додатків користувачів.
Приклад
Однією з важливих завдань з обробки даних є пошук інформації. Нехай необхідно знайти 5 записів деякої таблиці, яка містить мільйон таких записів. Оскільки вся обробка даних зосереджена на деякій клиентной ЕОМ, то для пошуку файл-сервер повинен передати клієнтові всю таблицю цілком. Тобто різко зростає навантаження на мережу.
Рис. 10. Архітектура розподіленого додатка
Якщо число користувачів не занадто велика і обсяг загальних даних також невеликий, то розподілена архітектура є найкращим вибором.
Архітектура клієнт-сервер
Обчислювальна система, що відповідає архітектурі клієнт-сервер складається з трьох компонентів:
сервера баз даних, керуючого зберіганням даних, доступом і захистом, резервним копіюванням, що відслідковує цілісність даних відповідно до бізнес-правил і, найголовніше, виконує запити клієнта;
клієнта, надає інтерфейс користувача, який перевіряє допустимість даних, що посилає запити до сервера;
мережі та комунікаційного обладнання.
Ядром архітектури клієнт-сервер є сервер баз даних. Оскільки багато завдання, пов'язані з обробкою даних покладені на сервер, то навантаження на мережу-трафік - різко знижується в порівнянні з розподіленою архітектурою.
Приклад
Нехай необхідно знайти 5 записів деякої таблиці, яка містить мільйон таких записів. Клієнт посилає серверу запит, в якому зазначено, які дані повинні бути знайдені. Цей запит обробляється сервером, сервер робить пошук і пересилає клієнтові необхідні п'ять записів.
Інша перевага архітектури клієнт-сервер перед розподіленої полягає в тому, що на сервері можна зосередити програми, що забезпечують цілісність даних, відповідність даних бізнес-правил, що дозволяє уникнути дублювання програмного коду в різних додатках, що використовують загальну базу даних.
Рис. 11. Архітектура додатки типу клієнт-сервер
У разі архітектури клієнт-сервер сервер баз даних повинен мати високу продуктивність.
В даний час всі сучасні прикладні програми орієнтовані на роботу з такою архітектурою обчислювального процесу.
Багатоланкова архітектура
У випадку великої кількості користувачів виникають проблеми своєчасної та синхронної заміни версій клієнтських додатків на робочих станціях. Такі проблеми вирішуються в рамках багатоланкової архітектури. Частина загальних додатків переноситься на спеціально виділений сервер додатків. Тим самим знижуються вимоги до ресурсів робочих станцій, які будуть називатися «тонкими» клієнтами. Даний спосіб організації обчислювального процесу є різновидом архітектури клієнт-сервер.
Рис. 12. Багатоланкова архітектура
Використання багатоланкової архітектури може бути рекомендовано також у разі, якщо деяка програма вимагає для своєї роботи багато ресурсів, то може виявитися дешевше побудувати тонку мережу з одним дуже потужним сервером, ніж використовувати кілька потужних клієнтних робочих станцій. Особливо це має значення, якщо даною програмою користуються не постійно, а час від часу.
Рис. 13. Архітектура багатоланкового програми
Розумне поєднання продуктивності сервера додатків і продуктивності робочих станцій дозволять побудувати мережу, дешевшу при установці і експлуатації.
Список літератури
Андерсон К. Мінас М. Локальні мережі. Повний посібник: К.: ВЕК +, М.: ентропія, СПб.: КОРОНА принт, 1999. - 624 с.
Богумірскій Б.С. Керівництво користувача ПЕОМ: У 2-х ч. - СПб.: Асоціація OILCO, 1992. - 357 с.
Головкін Б.А. Паралельні обчислювальні системи. М.: Наука, 1980. - 520 с.
Єлманова Н.З. Borland C + + Builder 3.0. Архітектура "клієнт / сервер», багатоланкові системи та Internet-додатки. - М.: Діалог-МІФІ, 1999. - 240 с.
Касаткін А.І., Вальвачев О.М. Професійне програмування на мові Сі: Від Turbo C до Borland С + +: Мн.: Виш.шк., 1992. -240 С.
Косарєв В.П. Єрьомін Л.В. Комп'ютерні системи та мережі. - М.: Фінанси і статистика, 1999. - 464 с.
Кручинін С. Архітектура комп'ютера. Hard і Soft № квітні 1995.
Мельников Д.О. Інформаційні процеси в сучасних мережах. Протоколи, стандарти, інтерфейси, моделі. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 1999. -256 С.
Першиков та ін Російсько-англійський тлумачний словник з інформатики. - М.: Фінанси і статистика, 1999. - 386 с.
Економічна інформатика і обчислювальна техніка: Підручник / За ред. В.П. Косарєва. - М.: Фінанси і статистика, 1996. - 336 с.