Организация информационных сетей, топология и архитектура

Информационная (вычислительная) сеть – сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов:

Ø 1 слой - компьютеры;

Ø 2 слой - коммуникационное оборудование;

Ø 3 слой - операционное программное обеспечение;

Ø 4 слой - сетевые программные приложения.

1 слой–аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. То есть, компьютеры различных классов – от персональных компьютеров до мэйфреймов (мощный компьютер универсального назначения) и суперЭВМ.

2 слой–коммуникационное оборудование, сложный специализированный мультиплексор, который требуется конфигурировать, оптимизировать, администрировать и требует знания большого количества протоколов.

3 слой-образует программную платформу сети, от которой зависит её эффективность, безопасность и мощность (количество абонентов).

4 слой – это совместимые сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др.

Многопользовательские информационные системы, где требуется удалённая обработка данных, могут использоваться следующие принципиальные технические решения, приведённые на рисунках.

Мультипроцессорная система с общей памятью (мультипроцессор с общей памятью) представляет собой централизованную архитектуру, когда к одной общей оперативной памяти подключены несколько центральных процессоров.

Необычное свойство этой системы, что ваши данные, хранимые в общей памяти, могут быть изменены другим пользователем.

Основным достоинством централизованной архитектуры с точки зрения обеспечения безопасности хранения и обработки данных является относительная простота построения и администрирования системы защиты информации.

Сообщения в мультипроцессоре состоят из 4 частей:

Ø Module – это поле указывает модуль памяти, по его значению коммутатор определяет, по какой выходных линий следует отправить сообщение;

Ø Address – это поле указывает адрес внутри модуля;

Ø Opcode – указывает код операции, то есть «READ» - чтение, или «WRITE» - запись;

Ø Value – необязательное поле может содержать операнд, например 32-разрядное слово, которое должно быть записано операцией «запись».

Необходимо различать: · физические связи - соединение компьютеров физическими линиями электросвязи; · логические связи – маршруты передачи данных между узлами сети, образованные путём соответствующей настройки коммутационного оборудования. Топология физических связей – способ организации физических связей между узлами сети. То есть, под топологией информационной сети понимается конфигурация графа, вершинами которого являются узлы сети, а рёбрами – физические связи между ними.

Мультипроцессорная система с передачей сообщений содержит базовый узел, который состоит из центрального процессора (может быть 2 или 4 процессора), памяти, сетевого интерфейса и иногда жёсткого диска. Компьютеры, подключаемые к сети, называют станциями или узлами сети.

Рассмотрим варианты наиболее часто встречающихся топологий. Каждая из них имеет свои относительные положительные и отрицательные технико-экономические характеристики:

	1. Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер соединён с каждым. Достоинство: наибольшая надёжность и логическая простота. Недостаток: самый громоздкий и неэффективный вариант, у каждого компьютера количество портов равна количеству соединений, для каждой пары компьютеров – своя выделенная линия связи. 2. Ячеистая топология получается из полносвязной путём удаления некоторых возможных связей. Непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми интенсивный обмен данными. Достоинство: допускает соединение большого числа компьютеров и применяется, как правило, для организации глобальных сетей.
		Полносвязная

Недостаток: громоздкий и малоэффективный вариант.

3. Общая шина самая распространённая для локальных сетей. Компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажного ИЛИ» с помощью ответвителя, называемого «зуб вампира», который протыкает иглой кабель до середины. Передаваемая информация может распространяться в оби стороны.

Достоинство: низкая себестоимость, быстрота прокладки линия связи (кабеля).

		Общая шина

Недостаток: малая надёжность за счёт дефектов кабеля или многочисленных разъёмов. Невысокая производительность сети, так как пропускная способность канала связи делится между всеми узлами сети.

		4. Звезда – каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству – концентратору, который находится в центре сети. Сейчас самая распространенная топология, как в локальных, так и глобальных сетях. Достоинство: большая надёжность сети. Концентратор также может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть.

Недостаток: стоимость концентраторов, а также ограничение количества узлов сети количеством портов в концентраторе.

6. Комбинированная топология предполагает использование нескольких концентраторов, иерархически связанных между собою.

Данная система в настоящее время наиболее широко используется. Она может иметь несколько моделей соответствующих различным вариантам распределения программных компонентов (прикладной компонент, компонент представления и менеджер ресурсов) между рабочими станциями и серверами сети. Помимо очевидных преимуществ, имеется ряд недостатков с точки зрения безопасности обработки и хранения данных:

¨ территориальное распределение компонентов программных приложений и неоднородность элементов вычислительной системы приводят к существенному усложнению построения и администрирования системы информационно-компьютерной безопасности;

¨ часть защищаемых информационных ресурсов может располагаться на персональных компьютерах, которые характеризуются повышенной уязвимостью;

¨ использование для обмена данными между компьютерами сети закрытых протоколов требует разработки уникальных средств защиты, а соответственно – повышения затрат;

¨ при потере параметров настройки программного обеспечения какого-либо компьютера-клиента необходимо выполнение сложных процедур связывания и согласования этого компьютера с остальной частью вычислительной системы, что приводит к увеличению времени восстановления работоспособности компьютерной сети при возникновении отказов.

Глобальная распределённая система является наиболее перспективной, поскольку снимает многие недостатки, присущие сетям с классической архитектурой «клиент-сервер». Она сконцентрировала и объединила в себе лучшие качества централизованных систем и классических систем «клиент-сервер».

Данная архитектура позволяет на аппаратно-программном уровне обеспечить наиболее удобным образом ранжирование абонентов сети в защищённом файле рангов пользователей, хранимом в сервере, а также организовать систему единого времени сети, исключающую возможность злонамеренной переустановки текущего времени от рабочей станции.

Сравнение трёх типов многопроцессорных систем приведено в таблице 1.1.

АРМ

АРМ

Таблица 1.1

Для анализа систем автоматизированного информационного взаимодействия (САИВ) выбираются характеристики, приведённые на рисунке 1.3.

Распределённые системы создаются поверх компьютерных сетей. Существуют два основныхтипа сетей:

Ø LAN (Local Area Network) – локальная сеть, покрывающая одно здание или учреждение – Ethernet;

Ø WAN (Wide Area Network) – глобальная сеть, которая может охватить город, страну или как Интернет – весь мир.

Ethernet –классическая сеть, описанная в стандарте IEEE Standard 802.3.

Она состоит из нескольких компьютеров присоединённых к коаксиальному кабелю. Чтобы послать пакет данных по сети Ethernet, компьютер сначала определяет незанятость кабеля, а потом передаёт пакет, состоящий из короткого заголовка, за которым следует от 0 до 1500 байт полезной нагрузки.

Если 2 компьютера начинают передачу одновременно, происходит конфликт, который обнаруживается обоими компьютерами. Они прекращают передачу и ожидают в течение случайного интервала времени от 0 до Т_мкс , после чего начинают сначала. Если опять конфликт, то интервал удваивается (от 0 до 2 Т_мкс) и так далее, пока не произойдёт нормальная передача. Такой алгоритм называется – двоичным экспоненциальным откатом.

Кабель называется Ethernet в честь светоносного эфира, по которому, как полагали до 1887 года, распространяются электромагнитные волны.

Интернет – появилась как развитие экспериментальной сети с коммутацией пакетов ARPANET, финансируемой управлением перспективного планирования НИР (ARPA, Advanced Research Projects Agency) при МО США. Часть сети Интернет изображена на рисунке 1.4.

Интернет состоит из компьютеров двух типов: хостов и маршрутизаторов.

Хостами являются персональные компьютеры, серверы, мэйнфреймы и другие компьютеры - собственностью компаний, желающих подключится к Интернету.

Маршрутизаторы – специализированные коммутирующие компьютеры, принимающие приходящие пакеты с одной или нескольких линий и отправляющие их дальше по одной или нескольким линиям.

В основе Интернета лежат 2 протокола:

· TCP – протокол транспортного уровня, который управляет передачей информации. Отправляемые данные формируются в пакеты, каждый из которых маркируется для их правильной сборки в компьютере получателя данных;

· IP – адресный протокол, согласно которому у каждого пользователя сети должен быть свой уникальный адрес (IP- адрес).

В общем смысле, работа Интернет является взаимодействие серверного оборудования и программного обеспечения с клиентским оборудованием и программным обеспечением. Чтобы воспользоваться какой-нибудь из служб Интернета, необходимо установить на компьютере программу, способную работать по протоколу этой службы.

Например, для работы с электронной почтой нужно соблюсти протоколы отправки и приёма сообщений. Для этого надо иметь программу (почтовый клиентский протокол) и установить связь с почтовым сервером.