ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ (ЛВС)

Интернет или, по-другому, всемирная сеть – это, конечно, хорошо. Но возможности соединения по ней ограничены "черепашьей" скоростью вашего модема и толщиной вашего кошелька.

Для объединения близко расположенных компьютеров без использования телефонных линий применяются ЛВС.

В свою очередь уже объединенные в ЛВС компьютеры могут быть подключены к Интернету.

Компьютерные сети можно классифицировать по многим признакам, например по удаленности сетевых узлов.

Расстояние между узлами	Масштаб сети	Обозначение
0,1 км	Здание	Локальная сеть (Local Area Network)
1-10 км	Город	Городская сеть (Metropolitan Area Network)
10-1000 км	Страна	Глобальная сеть (Wide Area Network)
Более 1000 км	Планета	Internet

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) – это совокупность компьютеров и других средств вычислительной техники (активного сетевого оборудования, принтеров, сканеров и т.п.), объединенных с помощью кабелей и сетевых адаптеров и работающих под управлением сетевой операционной системы. Вычислительные сети создаются для того, чтобы группа пользователей могла совместно задействовать одни и те же ресурсы: файлы, принтеры, модемы, процессоры и т.п. Каждый компьютер в сети оснащается сетевым адаптером, адаптеры соединяются с помощью сетевых кабелей и тем самым связывают компьютеры в единую сеть. Компьютер, подключенный к вычислительной сети, называется рабочей станцией или сервером, в зависимости от выполняемых им функций. Эффективно эксплуатировать мощности ЛВС позволяет применение технологии «клиент/сервер». В этом случае приложение делится на две части: клиентскую и серверную. Один или несколько наиболее мощных компьютеров сети конфигурируются как серверы приложений: на них выполняются серверные части приложений. Клиентские части выполняются на рабочих станциях; именно на рабочих станциях формируются запросы к серверам приложений и обрабатываются полученные результаты.

Различают сети с одним или несколькими выделенными серверами и сети без выделенных серверов, называемые одноранговыми сетями. Рассмотрим сначала локальные сети с выделенным сервером. В сетях с выделенным сервером именно ресурсы сервера, чаще всего дисковая память, доступны всем пользователям. Серверы, разделяемым ресурсом которых является дисковая память, называются файл-серверами. Можно сказать, что сервер обслуживает все рабочие станции. Файловый сервер обычно используется только администратором сети и не предназначен для решения прикладных задач. Поэтому он может быть оснащен недорогим, даже монохромным дисплеем. Однако файловые серверы почти всегда содержат несколько быстродействующих накопителей. Сервер должен быть высоконадежным, поскольку выход его из строя приведет к остановке работы всей сети. На файловом сервере, как правило, устанавливается сетевая операционная система.

На рабочих станциях, как правило, устанавливается обычная операционная система, например: DOS, Windows или Windows NT. Рабочая станция – это индивидуальное рабочее место пользователя. Полноправным владельцем всех ресурсов рабочей станции является пользователь. В то же время ресурсы файл-сервера разделяются всеми пользователями. В качестве рабочей станции может использоваться компьютер практически любой конфигурации. Но, в конечном счете, все зависит от тех приложений, которые этот компьютер используют. Существует несколько признаков, по которым можно узнать, работает компьютер в составе сети или автономно. Если компьютер является сетевой рабочей станцией, то, во-первых, после его включения появляются соответствующие сообщения, во-вторых, для входа в сеть необходимо пройти процедуру регистрации и, в-третьих, после регистрации в нашем распоряжении оказываются новые дисковые накопители, принадлежащие файловому серверу.

Отметим еще одну важную функцию файлового сервера – управление работой сетевою принтера. Сетевой принтер подключается к файл-серверу, но пользоваться им можно с любой рабочей станции. То есть каждый пользователь может отправить на сетевой принтер материалы, предназначенные для печати. Регулировать очередность доступа к сетевому принтеру будет файловый сервер.

ЛВС с выделенным сервером

При выборе компьютера на роль файлового сервера необходимо учитывать следующие факторы:

· быстродействие процессора;

· скорость доступа к файлам, размещенным на жестком диске;

· емкость жесткого диска;

· объем оперативной памяти;

· уровень надежности сервера;

· степень защищенности данных.

Возникает вопрос, зачем файл-серверу высокое быстродействие, если прикладные программы выполняются на рабочих станциях? Во время работы большой ЛВС файловый сервер обрабатывает огромное количество запросов на обслуживание файлов, а на это затрачивается значительное процессорное время. Для того чтобы ускорить обслуживание запросов и создать у пользователя впечатление, что именно он является единственным клиентом сети, необходим быстродействующий процессор.

Но все же наиболее важным компонентом файлового сервера является дисковый накопитель. На нем хранятся все файлы пользователей сети. Быстрота доступа, емкость и надежность накопителя во многом определяют, насколько эффективным будет использование сети.

Сетевые ОС с выделенным файл-сервером обычно имеют более высокую производительность, поскольку они оптимизированы именно под выполнение операций с файлами. В принципе, никаких более важных действий на выделенном файл-сервере не выполняется. Значительного повышения производительности работы сервера можно добиться, увеличивая его оперативную память. В одноранговой сети нескольких мегабайт памяти может быть вполне достаточно, в то время как для крупной сети с выделенным файл-сервером желательна память объемом 128 и более мегабайт. Если файловый сервер снабжен оперативной памятью достаточного объема, то он имеет возможность именно в оперативной памяти хранить те области дискового пространства, к которым обращаются наиболее часто. Такой метод хорошо известен, часто применяется для ускорения доступа к данным на обычных ПК и называется методом кэширования. Ведь если идет обращение к файлу, данные которого в данный момент находятся в кэше, сервер может передать искомую информацию, не обращаясь к диску. В результате этого будет достигнут значительный временной выигрыш.

Сетевой адаптер, установленный на файловом сервере – это такое устройство, через которое проходят практически все данные, функционирующие в локальной сети. В связи с этим необходимо, чтобы этот адаптер работал быстро. Сетевой адаптер становится более быстродействующим в результате, во-первых, повышения его разрядности и, во-вторых, увеличения объема его собственного ОЗУ. На файл-сервере должен быть установлен сетевой адаптер для шины PCI, что позволяет поддерживать высокую скорость передачи данных.

Одноранговые ЛВС

В одноранговых сетях любой компьютер может быть и файловым сервером, и рабочей станцией одновременно. Преимущество одноранговых сетей заключается в том, что нет необходимости копировать все используемые сразу несколькими пользователями файлы на сервер. В принципе любой пользователь сети имеет возможность использовать все данные, хранящиеся на других компьютерах сети, и устройства, подключенные к ним. Основной недостаток работы одноранговой сети заключается в значительном увеличении времени решения прикладных задач. Это связано с тем, что каждый компьютер сети отрабатывает все запросы, идущие к нему со стороны других пользователей. Следовательно, в одноранговых сетях каждый компьютер работает значительно интенсивнее, чем в автономном режиме.

Затраты на организацию одноранговых вычислительных сетей относительно небольшие. Однако при увеличении числа рабочих станций эффективность их использования резко уменьшается. Пороговое значение числа рабочих станций составляет, по оценкам фирмы Novell, – 25-30. Поэтому одноранговые сети используются только для относительно небольших рабочих групп.

Архитектура ЛВС

Различают три наиболее распространенные сетевые архитектуры, которые используют и для одноранговых сетей и для сетей с выделенным файл-сервером. Это так называемые шинная, кольцевая и звездообразная структуры.

Рис. 81. Шинная структура одноранговой сети

В случае реализации шинной структуры все компьютеры связываются в цепочку. Причем на ее концах надо разместить так называемые терминаторы, служащие для гашения сигнала. Если же хотя бы один из компьютеров сети с шинной структурой оказывается неисправным, вся сеть в целом становится неработоспособной. В сетях с шинной архитектурой для объединения компьютеров используется тонкий и толстый кабель. Максимальная теоретически возможная пропускная способность таких сетей составляет 10 Мбит/с. Такой пропускной способности для современных приложений, использующих видео- и мультимедийные данные, явно недостаточно. Поэтому почти повсеместно применяются сети со звездообразной архитектурой.

Рис. 82. Звездообразная структура одноранговой сети

Для построения сети с звездообразной архитектурой в центре сети необходимо разместить концентратор. Его основная функция – обеспечение связи между компьютерами, входящими в сеть. То есть все компьютеры, включая файл-сервер, не связываются непосредственно друг с другом, а присоединяются к концентратору. Такая структура надежнее, поскольку в случае выхода из строя одной из рабочих станций все остальные сохраняют работоспособность. В сетях же с шинной топологией в случае повреждения кабеля хотя бы в одном месте происходит разрыв единственного физического канала, необходимого для движения сигнала. Кроме того, сети со звездообразной топологией поддерживают технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, что позволяет увеличить пропускную способность сети в десятки и даже сотни раз (разумеется, при использовании соответствующих сетевых адаптеров и кабелей).

Рис. 83. Кольцевая структура одноранговой сети

Кольцевая структура используется в основном в сетях Token Ring и мало чем отличается от шинной. Также в случае неисправности одного из сегментов сети вся сеть выходит из строя. Правда, отпадает необходимость в использовании терминаторов.

В сети любой структуры в каждый момент времени обмен данными может происходить только между двумя компьютерами одного сегмента. В случае ЛВС с выделенным файл-сервером – это файл-сервер и произвольная рабочая станция; в случае одноранговой ЛВС – это любые две рабочие станции, одна из которых выполняет функции файл-сервера. Упрощенно диалог между файл-сервером и рабочей станцией выглядит так: открыть файл – подтвердить открытие файла; передать данные файла – пересылка данных; закрыть файл – подтверждение закрытия файла. Управляет диалогом сетевая операционная система, клиентские части которой должны быть установлены на рабочих станциях.

Остановимся подробнее на принципах работы сетевого адаптера. Связь между компьютерами ЛВС физически осуществляется на основе одной из двух схем – обнаружения коллизий и передачи маркера. Метод обнаружения коллизий используется стандартами Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, а передачи маркера – стандартом Token Ring. В сетях Ethernet адаптеры непрерывно находятся в состоянии прослушивания сети. Для передачи данных сервер или рабочая станция должны дождаться освобождения ЛВС и только после этого приступить к передаче. Однако не исключено, что передача может начаться несколькими узлами одного сегмента сета одновременно, что приведет к коллизии. В случае возникновения коллизии, узлы должны повторить свои сообщения. Повторная передача производится адаптером самостоятельно без вмешательства процессора компьютера. Время, затрачиваемое на преодоление коллизии, обычно не превышает одной микросекунды. Передача сообщений в сетях Ethernet производится пакетами со скоростью 10, 100 и 1000 Мбит/с. Естественно, реальная загрузка сети меньше, поскольку требуется время на подготовку пакетов. Все узлы сегмента сети принимают сообщение, передаваемое компьютером этого сегмента, но только тот узел, которому оно адресовано, посылает подтверждение о приеме. Основными поставщиками оборудования для сетей Ethernet являются фирмы 3Com, Bay Networks (недавно компания IMortel купила Bay Networks), CNet.

В ЛВС с передачей маркера сообщения передаются последовательно от одного узла к другому вне зависимости от того, какую архитектуру имеет сеть – кольцевую или звездообразную. Каждый узел сети получает пакет от соседнего. Если данный узел не является адресатом, то он передает тот же самый пакет следующему узлу. Передаваемый пакет может содержать либо данные, направляемые от одного узла другому, либо маркер. Маркер – это короткое сообщение, являющееся признаком незанятости сети. В том случае, когда рабочей станции необходимо передать сообщение, ее сетевой адаптер дожидается поступления маркера, а затем формирует пакет, содержащий данные, и передает этот пакет в сеть. Пакет распространяется по ЛВС от одного сетевого адаптера к другому до тех пор, пока не дойдет до компьютера-адресата, который произведет в нем стандартные изменения. Эти изменения являются подтверждением того, что данные достигли адресата. После этого пакет продолжает движение дальше по ЛВС, пока не возвратится в тот узел, который его сформировал. Узел-источник убеждается в правильности передачи пакета и возвращает в сеть маркер. Важно отметить, что в ЛВС с передачей маркера функционирование сети организовано так, что коллизии возникнуть не могут. Пропускная способность сетей Token Ring равна 16 Мбит/с. Оборудование для сетей Token Ring производят IBM, 3Com и некоторые другие фирмы.