Роль корпоративных сетей в развитии информационно-технической инфраструктуры систем передачи данных

Системы передачи данных, называемые также вычислительными или

компьютерными сетями, являются результатом эволюции двух научно-

технических отраслей современной цивилизации - компьютерных и

телекоммуникационных технологий . С одной стороны, система

передачи данных представляет собой частный случай распределенной

вычислительной сети, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развития в телекоммуникационных системах.

В последнее время ярко выражена конвергенция компьютерных и

телекоммуникационных сетей (телефонных, радио, телевизионных сетей). Во всех этих сетях представляемым ресурсом является информация. Различия между компьютерными, телефонными, телевизионными и первичными сетями (сетями электросвязи), безусловно, существенны, однако все эти сети имеют сходные структуры и в общем случае включают в себя следующие компоненты (рисунок 1.):

Рис. 1. Структура телекоммуникационной сети

– сеть доступа, которая предназначена для концентрации информационных потоков, поступающих от оборудования пользователей по каналам связи, в сравнительно небольшом количестве узлов магистральной сети; магистраль, которая объединяет отдельные сети доступа, и обеспечивает транзит трафика между ними по высокоскоростным каналам;

– информационные центры или, по другому, центры управления сервисами - собственные информационные ресурсы сети, на основе которых осуществляется обслуживание пользователей. Магистральная сеть и сети доступа строятся на основе коммуникационного оборудования: маршрутизаторов и многофункциональных коммутаторов. Сеть доступа представляет собой нижний уровень в иерархии телекоммуникационной сети. Основное ее назначение заключается в концентрации информационных потоков, поступающих по многочисленным каналам связи от оборудования пользователей, в сравнительно небольшом количестве узлов магистральной сети.

Магистральная сеть объединяет отдельные сети доступа, выполняя функции транзита трафика между ними по высокоскоростным каналам. Коммутаторы магистрали могут оперировать не только информационными соединениями между отдельными пользователями, но и агрегированными информационными потоками. Информационные центры/центры управления сервисами – собственные информационные ресурсы сети, на основе которых осуществляется обслуживание пользователей.

В настоящее время точное определения корпоративной сети не введено. В общем случае, под корпоративной сетью понимается сеть, предназначенная для поддержания работы конкретного предприятия, владеющего данной сетью.

Корпоративной сетью назван сложный комплекс взаимосвязанных и согласно функционирующих программных и аппаратных компонентов, обеспечивающих передачу информации между различными удаленными приложениями и системами, используемыми на предприятии. В случае использования нескольких центров обработки данных корпоративные

сети относятся к распределенным вычислительным системам .

В условиях современной рыночной экономики существование какого-

либо предприятия, вне зависимости от профиля деятельности, без внедрения

и развития ИТ-инфраструктуры невозможно. Транспортную основу для

внедрения информационных технологий составляют корпоративные сети

передачи данных.

Сегодня корпоративные сети и ИТ-инфраструктура является важным инструментом бизнеса, на них опираются информационные системы, подсистемы телефонии, охраны, видеонаблюдения и др. С общим ростом конкуренции во всех областях экономики важнейшими факторами дальнейшего развития бизнеса является оперативный анализ и быстрая реакция на меняющиеся требования рынка, высокий уровень управляемости всех подразделений и сокращение эксплуатационных затрат.

Современная корпоративная сеть - не просто сеть передачи данных, это сложный комплекс, способный предоставлять различные сервисы с определенными характеристиками. Чем критичнее бизнес-процессы, поддержку которых обеспечивает корпоративная сеть, тем более жесткие требования предъявляются к ней.

С помощью корпоративных сетей эффективно решаются основные задачи обеспечения бизнес-процессов:

– оперативный доступ к информационным ресурсам в рамках единого информационного пространства предприятия;

– анализ состояния и управление бизнес-процессами из единого аналитического центра управления;

– оперативный обмен расчетными и информационными документами и другими видами трафика;

– надежное функционирование телефонной сети;

– обеспечение аудио- и видеоконференцсвязи между сотрудниками предприятия;

– мониторинг и управление ресурсами ИТ-инфраструктуры из единого центра.

Современные корпоративные сети, созданные на наиболее передовых предприятиях имеют очень высокий технический уровень.

Сегодня глобальные сети (Wide Area Networks, WAN) представляют собой сложную систему передачи данных и служат для того, чтобы предоставить свои сервисы большому количеству конечных абонентов, разбросанных по большой территории - в пределах области, страны, континента или всего земного шара. Передача данных осуществляется от источника к приемнику по сети, состоящей из множества коммуникационных узлов, предназначенных для обеспечения надежного соединения. Узлы связываются друг с другом по некоторой топологии с помощью каналов связи, составляя в совокупности коммуникационную сеть.

Главным требованием, предъявляемым к сетям, является обеспечение пользователям возможности доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть. Из него вытекают следующие показатели функционирования сети:

– расширяемость — возможность простой интеграции отдельных компонентов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб);

– масштабируемость — возможность увеличения количества узлов и протяженность связей, а так же производительности сетевого оборудования и узлов;

– производительность - обеспечение заданных значений параметров производительности (время реакции, скорость передачи данных, задержка передачи и вариация задержки передачи) сетевых узлов и каналов связи;

– управляемость — обеспечение возможности централизованного управления, мониторинга состояния сети и планирования ее развития;

– надежность - обеспечение безотказной работы узлов сети и каналов связи, сохранности, согласованности и доставки без искажений информации до узла назначения;

– безопасность - обеспечение защиты данных от несанкционированного доступа.

Потенциально высокая производительность — это одно из основных преимуществ компьютерных сетей. Это свойство обеспечивается принципиальной возможностью распределения работ между несколькими компьютерами сети. Показательной характеристикой производительности сети с точки зрения пользователя является время реакции сети. В общем случае время реакции определяется как интервал между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на него. Значение показателя зависит от типа службы, к которой обращается

пользователь, от того, к какому серверу обращается, а также от текущего состояния элементов сети загруженности сегментов, маршрутизаторов и коммутаторов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и т.п.

Время реакции сети обычно складывается из нескольких составляющих, соответствующих этапам сетевой обработки данных, то есть передаче данных от клиента к серверу через коммуникационное оборудование и сегменты сети.

Знание сетевых составляющих времени реакции в общем случае позволяет оценить производительность отдельных элементов сети, выявить узкие места и при необходимости выполнить модернизацию сети для повышения ее производительности.

Также производительность сети может характеризоваться скоростью

передачи трафика. Различают мгновенную, максимальную и средную скорость передачи трафика.

– средняя скорость вычисляется путем деления общего объема- переданных данных на время их передачи* - достаточно длительный промежуток времени — час, день или неделя;

– мгновенная скорость отличается от средней тем, что для усреднения выбирается очень маленький промежуток времени например, 10 мс или 1 с;

– максимальная скорость — это наибольшая скорость передачи трафика, зафиксированная в течение всего периода наблюдения.

При проектировании, настройке и оптимизации сети используются в основном такие показатели, как средняя и максимальная скорость. Средняя скорость, с которой отдельный элемент или сеть в целом обрабатывают трафик, позволяет оценить работу сети на протяжении длительного времени, в течение которого пики и спады интенсивности трафика компенсируют друг друга. Максимальная скорость позволяет оценить, как сеть будет справляться с пиковыми нагрузками, характерными для особых периодов работы, например в утренние часы, когда сотрудники предприятия почти одновременно регистрируются в сети и обращаются к общим ресурсам, базам данных и разделяемым. Как правило, при определении скоростных характеристик некоторого сегмента сети в передаваемых данных не выделяет трафик какого-то определенного пользователя, приложения или компьютера, а подсчитывают общий объем передаваемой информации. Тем не менее, такая детализация желательна для более точной оценки качества обслуживания, и в последнее время системы управления сетями все чаще позволяют ее выполнять. В данной работе скорость передачи определенного трафика рассматривается в качестве показателя качественного функционирования телекоммуникационной сети.

Под пропускной способностью канала сети понимают максимально возможную скорость обработки трафика, определенную стандартом технологии, на которой построена сеть. Пропускная способность отражает максимально возможный объем данных, передаваемый сетью или ее частью в единицу времени. Пропускная способность сети зависит как от

характеристик физической среды передачи (медный кабель, оптическое волокно, витая пара) так и от способа передачи данных (технология Ethernet, FastEthernet, ATM). Этот параметр часто используется в качестве характеристики не только сети, но и собственно технологии, на которой сеть построена.

В отличие от времени реакции сети или скорости передачи по ней трафика пропускная способность не зависит от загруженности сети и имеет постоянное значение, определяемое используемыми технологиями передачи. На разных участках телекоммуникационной сети, где используется' несколько разных технологий, пропускная способность может различаться. Для анализа и настройки сети необходимо знать данные о пропускной способности отдельных ее элементов. Крайне важным можно назвать тот факт, что из-за последовательного характера передачи данных различными элементами сети общая пропускная способность любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов.

Задержка передачи информации в общем случае определяется как задержка между моментом поступления данных на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом их появления на выходе этого устройства.

Данный параметр производительности по смыслу близок ко времени реакции сети, но отличается тем, что всегда характеризует только сетевые этапы обработки данных, без задержек обработки конечными узлами сети. Общепринято характеризовать качество работы сети с помощью величин максимальной задержки передачи и вариацией задержки. Однако, не все типы трафика чувствительны к задержкам передачи, во всяком случае, к тем величинам задержек, которые характерны для компьютерных сетей. Обычно задержки не превышают сотен миллисекунд, реже — нескольких секунд. Задержки пакетов такого порядка, порождаемых файловой службой, службой электронной почты или службой печати, мало влияют на качество работы этих служб с точки зрения пользователя сети. С другой стороны, такие лее задержки пакетов, переносящих голосовые или видеоданные, приводят к значительному снижению качества предоставляемой пользователю информации — появлению эффекта ≪эха≫, вибрации изображения, невозможности разобрать некоторые слова и т. п.

Одной из первоначальных целей создания распределенных систем, к которым относятся и вычислительные сети, являлось достижение большей надежности по сравнению с отдельными вычислительными машинами. Для сравнительно простых технических устройств обычно используются

такие показатели надежности, как:

– среднее время наработки на отказ ;

– вероятность отказа;

– интенсивность отказов.

Эти-показатели пригодны для оценки надежности простых элементов и

устройств, которые могут находиться только в двух состояниях — работоспособном- или неработоспособном. Сложные же системы, состоящие из многих элементов;

кроме состояний работоспособности и неработоспособности, могут иметь И' другие промежуточные состояния, которые эти характеристики не учитывают.

Для оценки надежности , сложных систем применяется другой набор

характеристик:

– готовность- или коэффициент готовности;

– сохранность данных;

– согласованность (непротиворечивость)данных;

– вероятность доставки данных;

– безопасность;

– отказоустойчивость.

Готовность или коэффициент готовности в общем случае означает период времени, в течение которого система может использоваться; Готовность может быть повышена, по принципу- избыточности элементов в структуре системы: ключевые элементы-системы должны, существовать в.

нескольких экземплярах, чтобы, при отказе одного-из них функционирование системы обеспечивали другие.

Чтобы считаться высоконадежной, компьютерная система должна как минимум, обладать высокой готовностью, но и этого может быть недостаточно.

Необходимо обеспечить сохранность данных и защиту их от искажений; Кроме того, должна поддерживаться непротиворечивость данных, например если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько, копий данных, то нужно постоянно* обеспечивать их синхронизацию.

Одной из характеристик надежности является вероятность доставки

пакета узлу назначения без искажений. Наряду с этой характеристикой могут использоваться и другие показатели: вероятность потери пакета (по любой из причин — отсутствия работоспособного пути к узлу назначения, из-за переполнения буфера маршрутизатора, несовпадения контрольной суммы и т. д.), вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных, соотношение количества потерянных и доставленных пакетов. Еще одной характеристикой надежности является отказоустойчивость. В телекоммуникационных сетях под отказоустойчивостью понимается способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. В отказоустойчивой системе выход из строя одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы (деградации), а не к полной ее остановке.

Хотя все эти требования весьма важны, часто понятие « качество обслуживания» компьютерной сети трактуется более узко — в него включают только две самые важные характеристики работы телекоммуникационной сети - производительность и надежность

Концепция обеспечения качества обслуживания (quality of service —

QoS) определяет, какая сетевая полоса пропускания должна быть назначена трафику каждого конкретного приложения и как следует управлять ею. Кроме того, оно обеспечивает предсказуемый уровень полосы пропускания на базе ГР в зависимости от важности процессов, связанных с трафиком.

Данная концепция предполагает не только указание, какой трафик необходимо передать через шлюз первым, но и составляет основу стратегии управления сетью на базе правил, определяющих, как использовать сетевые ресурсы, в конкретных условиях, и какую полосу пропускания следует выделять.

Современные технологии, на базе которых возможна организация

коммуникационной сети, могут быть классифицированы по методам передачи данных. В общем случае можно выделить три основных метода:

– коммутация каналов;

– коммутация сообщений;

– коммутация пакетов.

Связь с помощью коммутации каналов предполагает наличие специализированного выделенного коммуникационного пути между двумя

станциями. Этот путь представляет собой упорядоченную последовательность соединений между узлами и выделяется до начала передачи данных.

Пропускная способность канала между парой узлов в этом пути и внутренняя коммутационная пропускная способность каждого узла определяются и фиксируются коммутаторами заранее. Определенная пропускная способность канала резервируется в процессе соединения, даже в том случае, если не происходит передача данных. С точки зрения производительности, в этом случае имеется задержка начала передачи данных при создании вызова. После создания соединения данные передаются с фиксированной скоростью без каких-либо задержек, кроме задержки передачи по линиям связи. Задержка на каждом узле незначительна.

При коммутации пакетов данные передаются короткими блоками, которые называются пакетами. Каждый пакет содержит порцию данных пользователя и управляющую информацию — как минимум сведения о маршруте пакета по сети, необходимые сведения об адресате и порядке сборки пакетов. В каждом попутном узле пакет принимается, некоторое время хранится и передается на следующий узел. Когда линия связи доступна, каждый пакет передается на следующий узел и все пакеты, в конечном счете, проходят свой путь по сети до места назначения. За многие преимущества коммутации пакетов (гибкость, совместное использование ресурсов сети, надежность, способность к реагированию) приходится расплачиваться.

Сеть с коммутацией пакетов представляет собой распределенную совокупность узлов пакетной коммутации, вследствие чего всегда присутствует задержка во времени между изменением статуса узла в данном фрагменте сети и получением информации об этом изменении в другом месте сети.

Каждый раз, когда происходит передача пакета через узел сети с коммутацией пакетов, происходит некая его задержка на время, необходимое для принятия пакета во внутренний буфер узла. Кроме того, могут возникать различные задержки при обработке данных и постановки их в очередь на отправку. Поскольку пакеты различных данных от разных источников имеют

различную длину. Разные маршруты и задержки во времени на коммутаторах, общее время задержки отправки пакета может существенно отличаться. Этот феномен, называемый неустойчивой синхронизацией (jitter), весьма нежелателен в некоторых приложениях, например в приложениях реального времени, включая телефонные переговоры и видеозапись в реальном времени.

Первые технологии коммутации пакетов - Х.25 и IP были спроектированы с учетом возможности работы с каналами связи плохого качества. В ходе улучшения качества каналов связи стало возможным использование протокола HDLC, который использовался в сетях Frame Relay. Дальнейшее увеличение производительности и технической гибкости каналов послужило толчком разработки технологии SMDS, положенной в основу стандартизации ATM.

Frame Relay (≪Передача кадров≫) - технология передачи данных, в настоящее время активно применяющаяся в корпоративных сетях различного масштаба. Основной ее принцип нескольких виртуальных каналов на одном физическом, при этом для каждого виртуального канала резервируется

гарантированная полоса пропускания. Данная технология использует метод пакетной коммутации, но при этом отсутствует коррекция ошибок и

подтверждения получения, так как сети Frame Relay базируются навысокоскоростных цифровых каналах с вероятностью ошибки не более 10"6. Данное обстоятельство увеличивает скорость передачи информации, минимизируя время доставки пакета. Гарантированная скорость позволяет использовать протокол Frame Relay для приложений реального времени, критичных к времени задержки.

ATM (Asynchronous Transfer Mode - асинхронный режим передачи) - технология универсальной транспортной сети, предназначенной для предоставления услуг прозрачной передачи различных типов информации. В основе данной технологии лежит передача информации в виде ячеек

фиксированной длины для любого типа трафика, скорости передачи и способа кадрирования. При этом технологией передачи обеспечивается достаточная пропускная способность для каждого из них и гарантируется своевременная доставка чувствительных к задержкам типов трафика

Основной транспортной единицей ATM является двунаправленный

виртуальный канал, выделяемый логически и соединяющий: две конечные станции ATM на все; время взаимодействия. Физический путь передачи данных содержит несколько; виртуальных путей и каналов. Виртуальный , путь,объединяющий несколько виртуальных каналов, существует постоянно, вне зависимости от соединения.

Протокол IP является протоколом сетевого уровня не ориентированным на соединения: Обычно архитектуру этого* протокола; называют комплектом протоколов TCP/IP (TCP/IP Protocol Suite).

Модель TCP/IP представляет задачу, коммуникации в виде пяти относительно независимых уровней:

– физический уровень (physical layer);

– уровень доступа к сети (network access layer);

– сетевой уровень (internet layer);;

– транспортный уровень (host-to-host layer или transport layer);

– уровень приложений (application layer).

Физический; уровень охватывает физический интерфейс между устройствами; передачи данных, а также среду передачи данных. Этот уровень, связан, со специфическими характеристиками передающей среды, скоростью передачи данных, природой сигналов и т. д.

Уровень доступа к сети связан с обменом данными между конечным устройством (сервером, рабочей, станцией и т. д.) и сетью, к которой- оно

подключено;

Уровень доступа к сети имеет отношение к доступу и маршрутизации: данных: по сети между двумя конечными устройствами, подключенными к одной и той же телекоммуникационной сети.

В том случае, когда два устройства подключены к разным взаимосвязанным сетям, необходимы процедуры, которые позволяют передавать данные.

Данная функция лежит на сетевом уровне. Для ее обеспечения на этом

уровне используется протокол Интернета (Internet Protocol, IP). Этот протокол реализован не только на конечных устройствах, но и в маршрутизаторах.

Независимо от природы приложений, которые обмениваются информацией, к технологии передачи данных всегда предъявляется требования по ее надежности. Так как механизмы обеспечения надежности по существу не

зависят от природы приложений, эти механизмы было целесообразно собрать

на общем уровне, который совместно используется всеми приложениями. Этот уровень получил название транспортного. Наконец, на уровне приложений содержится логика, необходимая для поддержки различных приложений пользователя.

Для большинства приложений, выполняющихся как часть архитектуры

протокола TCP/IP, протоколом транспортного уровня является протокол TCP.

Протокол TCP обеспечивает надежную связь для передачи данных между

приложениями. Связь представляет собой просто логическую ассоциацию

между двумя объектами в различных системах. В процессе связи каждый

объект отслеживает сегменты TCP, получаемые от другой стороны или

отправляемые другой стороне, для того, чтобы регулировать поток сегментов и восстанавливать утерянные или поврежденные сегменты.

Другой протокол транспортного уровня, который чаще всего используется как часть комплекта протоколов ТСРЯР — UDP (User Datagram

Protocol, протокол передачи дейтаграмм пользователя). Протокол UDP не

гарантирует доставку, сохранение последовательности или защиту от

дублирования. Этот протокол обеспечивает процедуру отправки сообщений

другим процедурам с использованием минимального количества механизмов протокола. Поскольку этот протокол не связан с установкой соединения, возможности UDP очень ограничены.

2 Распределенная обработка данных и ее реализация в системах

Как мы определили выше, термин “распределенная обработка” означает, что разные машины можно соединить в коммуникационную сеть так, что одна задача обработки данных распределяется между несколькими машинами в сети. Термин "параллельная обработка" используется практически с тем же значением, за исключением того, что разные машины с физической точки зрения расположены близко друг к другу в "параллельных" системах. Это вовсе не обязательно в "распределенной" системе, например, они могут быть удалены географически. Связь между различными машинами осуществляется с помощью специального программного обеспечения для управления сетью. Распределенная обработка может быть самой разнообразной и осуществляться на разных уровнях. Как отмечалось выше, в одном из простых случаев запускается сервер СУБД на одной машине и клиентское приложение на другой. Термин "клиент/сервер" фактически стал синонимом структуры, изображенной на рис.1., в соответствии с которой клиент и сервер запускаются на разных машинах. В действительности существует множество аргументов в пользу такой схемы.

• Первый аргумент связан с параллельной обработкой, а именно: в этом случае для всей задачи применяется несколько процессоров и обработка сервера (базы данных) и клиента (приложения) осуществляется параллельно. Поэтому время ответа и производительное время должны уменьшиться.

Рис.2 Типичная распределенная система обработки данных