Топологія обчислювальних мереж
Комп'ютерна мережа - це набір комп'ютерів, пов'язаних комунікаційної системою і забезпечених відповідним програмним забезпеченням, що дозволяє користувачам мережі отримувати доступ до ресурсів цього набору комп'ютерів. Мережа можуть утворювати комп'ютери різних типів, якими можуть бути невеликі мікропроцесори, робочі станції, міні-комп'ютери, персональні комп'ютери або суперкомп'ютери. Комунікаційна система може включати кабелі, повторювачі, комутатори, маршрутизатори та інші пристрої, що забезпечують передачу повідомлень між будь-якою парою комп'ютерів мережі. Комп'ютерна мережа дозволяє користувачеві працювати зі своїм комп'ютером як з автономним і додає до цього можливість доступу до інформаційних і апаратних ресурсів інших комп'ютерів мережі.
Історія комп'ютерних мереж
Зв'язок на невеликі відстані в комп'ютерній техніці існувала ще задовго до появи перших персональних комп'ютерів.
До великих комп'ютерів (mainframes), приєднувалися численні термінали (або «інтелектуальні дисплеї»). Правда, інтелекту в цих терміналах було дуже мало, практично ніякої обробки інформації вони не робили, і основна мета організації зв'язку полягала в тому, щоб розділити інтелект (машинний час) великого потужного і дорогого комп'ютера між користувачами, що працюють за цими терміналами. Це називалося режимом поділу часу, так як великий комп'ютер послідовно в часі вирішував завдання безлічі користувачів. В даному випадку досягалося спільне використання найдорожчих в той час ресурсів - обчислювальних (рис. 1.1).
Малюнок 1 # 8209; 1 Підключення терміналів до центрального комп'ютера
Потім були створені мікропроцесори і перші мікрокомп'ютери. З'явилася можливість розмістити комп'ютер на столі у кожного користувача, тому що обчислювальні, інтелектуальні ресурси подешевшали. Але зате всі інші ресурси залишалися ще досить дорогими. А що значить голий інтелект без засобів зберігання інформації і її документування? Не будеш же щоразу після включення живлення заново набирати виконувану програму або зберігати її в маломісткі постійної пам'яті. На допомогу знову прийшли засоби зв'язку. Об'єднавши кілька мікрокомп'ютерів, можна було організувати спільне використання ними комп'ютерної периферії (магнітних дисків, магнітної стрічки, принтерів). При цьому вся обробка інформації проводилася на місці, але її результати передавалися на централізовані ресурси. Тут знову ж таки спільно використовувалося найдорожче, що є в системі, але вже зовсім по-новому. Такий режим отримав назву режиму зворотного поділу часу (рис. 1.2). Як і в першому випадку, засоби зв'язку знижували вартість комп'ютерної системи в цілому.
Малюнок 1 # 8209; 2 Об'єднання в мережу перших мікрокомп'ютерів
Потім з'явилися персональні комп'ютери, які відрізнялися від перших мікрокомп'ютерів тим, що мали повний комплект досить розвиненою для повністю автономної роботи периферії: магнітні диски, принтери, не кажучи вже про більш досконалих засобах інтерфейсу користувача (монітори, клавіатури, миші і т.д.) . Периферія подешевшала і стала за ціною цілком можна порівняти з комп'ютером. Здавалося б, навіщо тепер з'єднувати персональні комп'ютери (рис. 1.3)? Що їм розділяти, коли і так вже все поділено і знаходиться на столі у кожного користувача? Інтелекту на місці вистачає, периферії теж. Що ж може дати мережу в цьому випадку?
Малюнок 1 # 8209; 3 Об'єднання в мережу персональних комп'ютерів
Найголовніше - це знову ж таки спільне використання ресурсу. Те саме зворотне поділ часу, але вже на принципово іншому рівні. Тут вже воно застосовується не для зниження вартості системи, а з метою більш ефективного використання ресурсів, наявних у розпорядженні комп'ютерів. Наприклад, мережа дозволяє об'єднати обсяг дисків всіх комп'ютерів, забезпечивши доступ кожного з них до дисків всіх інших як до власних.
Але найбільш наочно переваги мережі проявляються в тому випадку, коли всі користувачі активно працюють з єдиною базою даних, запитуючи інформацію з неї і заносячи в неї нову (наприклад, в банку, в магазині, на складі). Ніякими дискетами тут вже не обійдешся: довелося б цілими днями переносити дані з кожного комп'ютера на всі інші, утримувати цілий штат кур'єрів. А з мережею все дуже просто: будь-які зміни даних, вироблені з будь-якого комп'ютера, тут же стають помітними і доступними всім. В цьому випадку особливої обробки на місці зазвичай не потрібно, і в принципі можна було б обійтися більш дешевими терміналами (повернутися до першої розглянутої ситуації), але персональні комп'ютери мають незрівнянно більш зручний інтерфейс користувача, який полегшує роботу персоналу. До того ж можливість складної обробки інформації на місці часто може помітно зменшити обсяг переданих даних.
Малюнок 1 # 8209; 4 Використання локальної мережі для організації спільної роботи комп'ютерів
Без мережі також неможливо обійтися в тому випадку, коли необхідно забезпечити узгоджену роботу декількох комп'ютерів. Ця ситуація найчастіше зустрічається, коли ці комп'ютери використовуються не для обчислень і роботи з базами даних, а в завданнях управління, вимірювання, контролю, там, де комп'ютер сполучається з тими чи іншими зовнішніми пристроями (рис. 1.4). Прикладами можуть служити різні виробничі технологічні системи, а також системи управління науковими установками і комплексами. Тут мережа дозволяє синхронізувати дії комп'ютерів, распараллелить і відповідно прискорити процес обробки даних, тобто скласти вже не тільки периферійні ресурси, а й інтелектуальну міць.
Саме зазначені переваги локальних мереж і забезпечують їх популярність і все більш широке застосування, незважаючи на всі незручності, пов'язані з їх установкою і експлуатацією.
Глобальні і локальні мережі
Для класифікації комп'ютерних мереж використовуються різні ознаки, але частіше за все мережі ділять на типи за територіальною ознакою, тобто за величиною території, яку покриває мережа. І для цього є вагомі причини, так як відмінності технологій локальних і глобальних мереж дуже значні, незважаючи на їх постійне зближення.
До локальних мереж - Local Area Networks (LAN) - відносять мережі комп'ютерів, зосереджені на невеликій території (зазвичай в радіусі не більше 1-2 км). У загальному випадку локальна мережа являє собою комунікаційну систему, що належить одній організації. Через короткі відстані в локальних мережах є можливість використання відносно дорогих високоякісних ліній зв'язку, які дозволяють, застосовуючи прості методи передачі даних, досягати високих швидкостей обміну даними порядку 100 Мбіт / с. У зв'язку з цим послуги, що надаються локальними мережами, відрізняються широким розмаїттям.
Найбільш точно було б визначити як локальну таку мережу, яка дозволяє користувачам не помічати зв'язку. Ще можна сказати, що локальна мережа повинна забезпечувати прозору зв'язок. Під прозорістю в даному випадку слід розуміти високу реальна швидкість доступу, швидкість обміну інформацією між додатками, практично непомітна для користувача.
Розглянемо основні відмінності локальних мереж від глобальних більш детально. Так як останнім часом ці відмінності стають все менш помітними, то будемо вважати, що в даному розділі ми розглядаємо мережі кінця 80-х років, коли ці відмінності виявлялися вельми виразно, а сучасні тенденції зближення технологій локальних і глобальних мереж будуть розглянуті в наступному розділі .
· Складність методів передачі і обладнання. В умовах низької надійності фізичних каналів в глобальних мережах потрібні складніші, ніж в локальних мережах, методи передачі даних і відповідне обладнання. З іншого боку, якісні лінії зв'язку в локальних мережах дозволили спростити процедури передачі даних.
· Швидкість обміну даними. Одним з головних відмінностей локальних мереж від глобальних є наявність високошвидкісних каналів обміну даними між комп'ютерами, швидкість яких (зараз средньошвидкісною вважається мережа, що має пропускну здатність 100 Мбіт / с, активно розробляються, а подекуди використовуються засоби для швидкості 1000 Мбіт / с і навіть більше) можна порівняти зі швидкостями роботи пристроїв і вузлів комп'ютера - дисків, внутрішніх шин обміну даними і т. п. За рахунок цього у користувача локальної мережі, підключеного до віддаленого ресурсу, що (наприклад, диск сервера), складається враження, що він користується цим диском, як «своїм». Для глобальних мереж типові набагато нижчі швидкості передачі даних - 2400,9600,28800,33600 біт / с, 56 і 64 Кбіт / с і тільки на магістральних каналах - до 2 Мбіт / с.
· Оперативність виконання запитів. Час проходження пакета через локальну мережу зазвичай становить кілька мілісекунд, час же його передачі через глобальну мережу може досягати декількох секунд. Низька швидкість передачі даних в глобальних мережах ускладнює реалізацію служб для режиму on-line, який є звичайним для локальних мереж.
· Поділ каналів. У локальних мережах канали зв'язку використовуються, як правило, спільно відразу декількома вузлами мережі, а в глобальних мережах - індивідуально.
Сформулюємо відмітні ознаки локальної і глобальних мереж таким чином:
Локальні сетіLocal Area Networks (LAN)
Глобальні сетіWide Area Networks (WAN)
Забезпечує прозорий зв'язок - користувач не помічає, де розташований потрібний йому ресурс
Ступінь прозорості невисока.
Нерідко виділяють ще один клас комп'ютерних мереж - міські, регіональні мережі (MAN, Metropolitan Area Network). які зазвичай за своїми характеристиками ближче до глобальних мереж, хоча іноді все-таки мають деякі риси локальних мереж, наприклад, високоякісні канали зв'язку і порівняно високі швидкості передачі. В принципі міська мережа може бути локальною з усіма її перевагами.
Правда, зараз вже не можна провести чітку межу між локальними і глобальними мережами. Більшість локальних мереж має вихід в глобальну. Але характер переданої інформації, принципи організації обміну, режими доступу до ресурсів усередині локальної мережі, як правило, сильно відрізняються від тих, що прийняті в глобальній мережі. І хоча всі комп'ютери локальної мережі в даному випадку включені також і в глобальну мережу, специфіки локальної мережі це не скасовує. Можливість виходу в глобальну мережу залишається всього лише одним з ресурсів, що розділяються користувачами локальної мережі.
Абонент (вузол, хост, станція) - це пристрій, підключений до мережі і активно бере участь в інформаційному обміні. Найчастіше абонентом (вузлом) мережі є комп'ютер, але абонентом також може бути, наприклад, мережевий принтер або інше периферійне пристрій, що має можливість безпосередньо підключатися до мережі. Далі в курсі замість терміна «абонент» для простоти буде використовуватися термін «комп'ютер».
Сервером називається абонент (вузол) мережі, який надає свої ресурси іншим абонентам, але сам не використовує їх ресурси. Таким чином, він обслуговує мережу. Серверів в мережі може бути кілька, і зовсім не обов'язково, що сервер - найпотужніший комп'ютер. Виділений (dedicated) сервер - це сервер, що займається тільки мережними завданнями. Невиділений сервер може крім обслуговування мережі виконувати й інші завдання. Специфічний тип сервера - це мережевий принтер.
Клієнтом називається абонент мережі, який тільки використовує мережні ресурси, але сам свої ресурси в мережу не віддає, тобто мережа його обслуговує, а він їй тільки користується. Комп'ютер-клієнт також часто називають робочою станцією. В принципі кожен комп'ютер може бути одночасно як клієнтом, так і сервером.
Під сервером і клієнтом часто розуміють також не власними комп'ютери, а працюють на них програмні додатки. У цьому випадку той додаток, що тільки віддає ресурс у мережу, є сервером, а той додаток, що тільки користується мережевими ресурсами - клієнтом.
Топологія обчислювальних мереж
Під топологією обчислювальної мережі розуміється конфігурація графа, вершинам якого відповідають комп'ютери мережі (іноді й інше устаткування), а ребрам - зв'язки між ними.
Розглянемо деякі, найбільш часто зустрічаються топології.
Повнозв'язна топологія (....) Відповідає мережі, в якій кожен комп'ютер мережі пов'язаний з усіма іншими. Незважаючи на логічну простоту, цей варіант виявляється громіздким і неефективним. Дійсно, кожен комп'ютер в мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів, достатню для зв'язку з кожним з інших комп'ютерів мережі. Для кожної пари комп'ютерів повинна бути виділена окрема електрична лінія зв'язку. Така топологія робить розширення мережі, тобто додавання нових вузлів практично неможливим. Цей вид топології використовується в багатомашинних комплексах (кластерах). У кластерах прозорість мережі досягає свого максимуму, тобто всі вузли працюють як дин комп'ютер.
Mesh-мережі (mesh) виходить з повно-шляхом видалення деяких можливих зв'язків (рис. ...). У мережі з комірчастою топологією безпосередньо зв'язуються тільки ті комп'ютери, між якими відбувається інтенсивний обмін даними, а для обміну даними між комп'ютерами, що не з'єднаними прямими зв'язками, використовуються транзитні передачі через проміжні вузли. Mesh-мережі дозволяє вибирати маршрут для доставки інформації від абонента до абонента, обходячи несправні ділянки. З одного боку, це збільшує надійність мережі, з іншого ж - вимагає істотного ускладнення мережевої апаратури, яка повинна вибирати маршрут. Mesh-мережі допускає з'єднання великої кількості комп'ютерів і характерна, як правило, для глобальних мереж.
Наступні три топології найбільш часто використовуються саме в локальних мережах. Ці топології називають базовими або типовими.
Загальна шина (bus) - всі комп'ютери паралельно підключаються до однієї лінії зв'язку. Інформація від кожного комп'ютера одночасно передається всім іншим комп'ютерам (рис. ...). Передана інформація може поширюватися в обидві сторони. Застосування загальної шини знижує вартість проводки, уніфікує підключення різних модулів, забезпечує можливість майже миттєвого широкомовного звернення до всіх станцій мережі. Таким чином, основними перевагами такої схеми є дешевизна і простота розводки кабелю по приміщеннях.
Найсерйозніший недолік загальної шини полягає в її низькій надійності: будь-який дефект кабелю або якого-небудь з численних роз'ємів повністю паралізує всю мережу. (Здавалося б, при обриві кабелю виходять дві цілком працездатні шини. Однак треба враховувати, що через особливості поширення електричних сигналів по довгих лініях зв'язку необхідно передбачати включення на кінцях шини спеціальних узгоджувальних пристроїв, термінаторів. Без включення термінаторів сигнал відбивається від кінця лінії і спотворюється так, що зв'язок по мережі стає неможливою. У разі розриву або пошкодження кабелю порушується узгодження лінії зв'язку, і припиняється обмін навіть між тими комп'ютерами, котор Перші залишилися з'єднаними між собою.)
Зірка (star) - кожен комп'ютер (периферійний абонент) підключається окремим кабелем до загального пристрою - центральному абоненту (рис. ...). У функції центрального абонента входить напрямок переданої комп'ютером інформації одному або всім іншим комп'ютерам мережі.
Головна перевага цієї топології перед загальною шиною - істотно більша надійність. Будь-які неприємності з кабелем стосуються лише того комп'ютера, до якого цей кабель приєднаний, і тільки несправність периферійного абонента може вивести з ладу всю мережу. Крім того, периферійний абонент може грати роль інтелектуального фільтра інформації, що надходить від вузлів в мережу, і при необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі.
До недоліків топології типу зірка відноситься більш висока вартість мережевого устаткування. Крім того, можливості по нарощуванню кількості вузлів в мережі обмежуються кількістю портів периферійного абонента.
Іноді мережа з топологією кільце виконується на основі двох паралельних кільцевих ліній зв'язку, що передають інформацію в протилежних напрямках (рис. ....). Мета подібного рішення - збільшення (в ідеалі - удвічі) швидкості передачі інформації по мережі. До того ж при пошкодженні одного з кабелів мережа може працювати з іншим кабелем (правда, гранична швидкість зменшиться).
Мережева топологія дерево (tree) - можна розглядати як комбінацію декількох зірок (рис. ....). Центральні абоненти в цьому випадку утворюють ієрархію. Така топологія характерна для локальних мереж великого розміру.
У той час як невеликі мережі, як правило, мають типову топологію - зірка, кільце або загальна шина, для великих мереж характерна наявність довільних зв'язків між комп'ютерами. У таких мережах можна виділити окремі довільно пов'язані фрагменти (підмережі), що мають типову топологію, тому їх називають мережами зі змішаною (або комбінованої) топологією.