Erhalten Sie Zugang zu diesem und mehr als 300000 Büchern ab EUR 5,99 monatlich.
- Herausgeber: Питер
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Russisch
Это издание в некотором смысле особенное — прошло ровно 20 лет с момента выхода книги в свет. 20 лет — это не маленький срок, за это время дети наших первых читателей подросли и, возможно, стали интересоваться компьютерными сетями. И, возможно, у них в руках окажется 6-е издание книги «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы». Эта книга значительно отличается от той, которую читали их родители. Многое из того, что интересовало читателей конца 90-х годов — например, правило 4-х хабов, согласование сетей IP и IPX или сравнение технологий 100VG-AnyLAN и FDDI — совсем не упоминается в последних изданиях. За 20 лет немало технологий прошли полный цикл от модного термина и всеобщего признания к практически полному забвению. Каждое новое издание книги в той или иной мере отражало изменения ландшафта сетевых технологий. Не является исключением и данное издание — оно значительно переработано, около трети материала представляет собой или совсем новую информацию, или существенно переработанное изложение тем. Например, в книге появилась новая часть «Беспроводные сети», полностью переработана часть, посвященная технологиям первичных сетей SDH, OTN и DWDM. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки. Издание предназначено для студентов, аспирантов и технических специалистов, которые хотели бы получить базовые знания о принципах построения компьютерных сетей, понять особенности традиционных и перспективных технологий локальных и глобальных сетей, изучить способы создания крупных составных сетей и управления такими сетями. Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника» и по специальностям «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Автоматизированные машины, комплексы, системы и сети», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».
Sie lesen das E-Book in den Legimi-Apps auf:
Seitenzahl: 1508
Veröffentlichungsjahr: 2024
Das E-Book (TTS) können Sie hören im Abo „Legimi Premium” in Legimi-Apps auf:
Ähnliche
Виктор Олифер, Наталья Олифер
Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Юбилейное издание. — СПб.: Питер, 2024.
ISBN 978-5-4461-1426-9
© ООО Издательство "Питер", 2024
Оглавление
Посвящаем нашим дорогим
Анне, Майклу, Дане, Полине, Ване и Кате
От авторов
Эта книга является результатом многолетнего опыта преподавания авторами курсов сетевой тематики в аудиториях государственных вузов и различных учебных центров, а также участия в научно-технических разработках, таких как проект Janet, связанный с созданием объединяющей сети кампусов университетов и исследовательских центров Великобритании, и панъевропейские проекты GEANT2, GEANT3 и GEANT4.
Основу книги составили материалы курсов «Проблемы построения корпоративных сетей», «Основы сетевых технологий», «Организация удаленного доступа», «Сети TCP/IP», «Стратегическое планирование сетей масштаба предприятия» и ряда других. Эти материалы прошли успешную проверку в бескомпромиссной и сложной аудитории, состоящей из слушателей с весьма различным уровнем подготовки и кругом профессиональных интересов. Среди них — студенты и аспиранты вузов, сетевые администраторы и интеграторы, начальники отделов автоматизации и преподаватели. Учитывая специфику аудитории, курсы лекций строились так, чтобы начинающий получил основу для дальнейшего изучения, а специалист смог систематизировать и актуализировать имеющиеся знания. В соответствии с такими же принципами написана и эта книга — она является фундаментальным курсом по компьютерным сетям, сочетающим широту охвата основных областей, проблем и технологий этой быстроразвивающейся области знаний с основательным рассмотрением деталей каждой технологии.
Для кого эта книга
Книга предназначена для студентов, аспирантов и технических специалистов, которые хотят получить базовые знания о принципах построения компьютерных сетей, понять особенности традиционных и перспективных технологий локальных и глобальных сетей, изучить способы создания крупных составных сетей и управления такими сетями.
Книга будет полезна начинающим специалистам в области сетевых технологий, имеющим только общие представления о работе сетей из опыта общения с персональными компьютерами и Интернетом, но стремящимся получить фундаментальные знания, позволяющие продолжить изучение сетей самостоятельно.
Сложившимся сетевым специалистам книга может помочь в знакомстве с теми технологиями, с которыми им не приходилось сталкиваться в практической работе, систематизировать имеющиеся знания, стать справочником, позволяющим найти описание конкретного протокола, формата кадра и т.п. Кроме того, книга дает необходимую теоретическую основу для подготовки к сертификационным экзаменам таких компаний, как Cisco и Juniper.
Студенты организаций высшего профессионального образования, обучающиеся по направлению «220000. Информатика и вычислительная техника» и по специальностям «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Автоматизированные машины, комплексы, системы и сети», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», могут использовать книгу в качестве рекомендованного Министерством образования Российской Федерации учебного пособия.
Изменения в шестом издании
Это издание в некотором смысле особенное — прошло ровно 20 лет с момента выхода книги в свет. Двадцать лет — это немаленький срок, за это время дети наших первых читателей подросли и, возможно, стали интересоваться компьютерными сетями. И, возможно, у них в руках окажется 6-е издание книги «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы». Эта книга значительно отличается от той книги, которую читали их родители. Многое из того, что так интересовало читателей конца 90-х годов — например, правило четырех хабов, согласование сетей IP и IPX или сравнение технологий 100VG-AnyLAN и FDDI — совсем не упоминается в последних изданиях. За 20 лет немало технологий прошли полный цикл от модного термина и всеобщего признания к практически полному забвению. Каждое новое издание книги в той или иной мере отражало изменения ландшафта сетевых технологий.
Не является исключением и данное издание — оно значительно переработано, около трети материала представляет собой или совсем новую информацию, или существенно переработанное изложение тем, содержащихся в предыдущем, 5-м издании.
Что же нового мы приготовили для читателей?
Прежде всего, в книге появилась новая часть «Беспроводные сети». Она состоит из трех глав.
В первой из них рассматриваются особенности физического уровня беспроводных линий связи, к которым относится специфика передающей среды, диапазон и характер распространения электромагнитных волн, виды искажений и методы борьбы с ними. Поскольку ни один из узлов беспроводной сети не может обойтись без антенны, устройствам данного типа в этой главе уделено значительное внимание — в частности, методам передачи с использованием нескольких антенн на передающей и принимающей сторонах, так называемым технологиям MIMO. В данной главе рассматриваются технологии кодирования расширенного спектра FHSS, DSSS, CDMA и OFDM, которые были разработаны специально для беспроводной передачи.
Содержание второй главы сфокусировано на беспроводных локальных сетях Wi-Fi (IEEE 802.11), которые в секторе фиксированного беспроводного доступа к Интернету заняли такую же доминирующую позицию, что и сети Ethernet в локальных сетях. Глава, завершающая эту часть, посвящена мобильным сотовым сетям. Эта тема не изучалась в предыдущих изданиях из-за того, что мобильные сети были преимущественно телефонными. Полный переход мобильных сетей LTE (4G) на протоколы стека TCP/IP, которые стали использоваться и для установления телефонных звонков, и для доступа в Интернет, изменил эту ситуацию. В главе рассматриваются эволюция технологий мобильных сетей различных поколений, мобильные версии протоколов IPv4 и IPv6, основные принципы построения сетей LTE; дан обзор архитектуры сетей 5G, которые намерены вобрать в себя самые последние достижения компьютерных сетей и стать основным типом сетей доступа для интернета вещей.
Описание протокола IPv6 значительно переработано и расширено — теперь этому протоколу посвящена отдельная глава. Распространение IPv6 неуклонно растет, и более глубокое понимание этого протокола стало важным для современного сетевого специалиста.
За последние годы утвердилась концепция программируемых компьютерных сетей, поэтому в книгу добавлены разделы, описывающие технологии программно определяемых сетей SDN и виртуализации сетевых функций NFV.
Полностью переработана часть, посвященная технологиям первичных сетей SDH, OTN и DWDM.
И наконец, значительно увеличилось количество вопросов и задач. Для сохранения приемлемого объема книги авторы применили тот же прием, что и при подготовке предыдущего издания: некоторые разделы вынесены на веб-сайт поддержки данной книги www.olifer.co.uk. Для ссылки на материалы, помещенные на сайт, используется значок (S) в соответствующих местах книги.
Мы с благодарностью примем ваши отзывы по адресу [email protected] и [email protected].
Благодарности
Мы благодарим наших читателей за их многочисленные пожелания, вопросы и замечания. Мы признательны также всем сотрудникам издательства «Питер», которые принимали участие в создании этой книги. Особая благодарность президенту издательства «Питер» Вадиму Усманову, руководителю редакции Юлии Сергиенко и литературному редактору Михаилу Рогожину.
Виктор Олифер
Наталья Олифер
От издательства
Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу электронной почты [email protected] (издательство «Питер», компьютерная редакция).
Мы будем рады узнать ваше мнение!
На веб-сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.
Часть I. Основы сетей передачи данных
• Глава 1. Эволюция компьютерных сетей
• Глава 2. Общие принципы построения сетей
• Глава 3. Коммутация каналов и пакетов
• Глава 4. Стандартизация и классификация сетей
• Глава 5. Сетевые характеристики и качество обслуживания
Процесс познания всегда развивается по спирали. Мы не можем сразу понять и осознать сложное явление, мы должны рассматривать его с разных точек зрения, в целом и по частям, изолированно и во взаимодействии с другими явлениями, накапливая знания постепенно, время от времени возвращаясь к уже, казалось бы, понятому и с каждым новым витком все больше проникая в суть явления. Хорошим подходом является первоначальное изучение общих принципов некоторой области знаний с последующим детальным рассмотрением реализации этих принципов в конкретных методах, технологиях или конструкциях. Первая часть книги и является таким «первым витком» изучения компьютерных сетей.
Изучение общих принципов построения компьютерных сетей поможет вам в дальнейшем быстрее разбираться с любой конкретной сетевой технологией. Однако известное высказывание «Знание нескольких принципов освобождает от запоминания множества фактов» не стоит воспринимать буквально — хороший специалист, конечно же, должен знать множество деталей и фактов. Знание принципов позволяет систематизировать эти частные сведения, связать их друг с другом в стройную систему и тем самым использовать более осознанно и эффективно. Конечно, изучение принципов перед изучением конкретных технологий — задача непростая, особенно для читателей с практическим складом ума. Кроме того, всегда есть опасность неверного понимания какого-нибудь общего утверждения без проверки его в практической реализации. Поэтому мы просим читателей поверить нам пока на слово, что игра стоит свеч, а также последовать совету: в ходе изучения материала последующих глав книги время от времени возвращайтесь к теоретическим вопросам и проверяйте себя, так ли вы понимали те или иные механизмы, когда изучали их впервые.
Часть, а вместе с ней и книга, открывается главой об эволюции компьютерных сетей. История любой отрасли науки и техники позволяет не только удовлетворить естественное любопытство, но и глубже понять сущность основных достижений в этой отрасли, осознать существующие тенденции и оценить перспективность тех или иных направлений развития.
В следующих двух главах рассматриваются фундаментальные концепции компьютерных сетей — коммутация, маршрутизация, мультиплексирование, адресация. Изучаются методы продвижения пакетов — дейтаграммная передача, передача с установлением логического соединения и техника виртуальных каналов.
Важной темой данной части книги является рассматриваемая в четвертой главе стандартизация архитектуры компьютерной сети, идеологической основой которой служит модель взаимодействия открытых систем (OSI).
Последняя глава этой части книги посвящена сетевым характеристикам и проблемам качества обслуживания. Новая роль компьютерных сетей как основы для создания следующего поколения публичных сетей, предоставляющих все виды информационных услуг и переносящих данные, а также аудио- и видеотрафик, привела к проникновению методов обеспечения качества обслуживания практически во все коммуникационные технологии. Таким образом, концепции качества обслуживания, которые достаточно долго рассматривались как вспомогательное направление сетевой отрасли, вошли в число базовых принципов построения компьютерных сетей.
Глава 2. Общие принципы построения сетей
Простейшая сеть из двух компьютеров
Совместное использование ресурсов
Исторически главной целью объединения компьютеров в сеть было разделение ресурсов: пользователи компьютеров, подключенных к сети, или приложения, выполняемые на этих компьютерах, получают возможность автоматического доступа к разнообразным ресурсам остальных компьютеров сети, к числу которых относятся:
• периферийные устройства, такие как диски, принтеры, плоттеры, сканеры и др.;
• данные, хранящиеся в оперативной памяти или на внешних запоминающих устройствах;
• вычислительная мощность (за счет удаленного запуска «своих» программ на «чужих» компьютерах).
Чтобы обеспечить пользователей разных компьютеров возможностью совместного использования ресурсов сети, компьютеры необходимо оснастить некими дополнительными сетевыми средствами.
Рассмотрим простейшую сеть, состоящую из двух компьютеров, к одному из которых подключен принтер (рис. 2.1). Какие дополнительные средства должны быть предусмотрены в обоих компьютерах, чтобы с принтером мог работать не только пользователь компьютера В, к которому этот принтер непосредственно подключен, но и пользователь компьютера А?
Рис. 2.1. Простейшая сеть
Сетевые интерфейсы
Для связи устройств в них прежде всего должны быть предусмотрены внешние интерфейсы.
Интерфейс — в широком смысле — формально определенная логическая и/или физическая граница между отдельными объектами, которые обмениваются информацией. Интерфейс задает параметры, процедуры и характеристики взаимодействия объектов.
ПРИМЕЧАНИЕ
Наряду с внешними электронные устройства могут использовать внутренние интерфейсы, определяющие логические и физические границы между входящими в их состав модулями: оперативной памятью, процессором и др.
Разделяют физический и логический интерфейсы.
• Физический интерфейс (называемый также портом) определяется набором электрических связей и характеристиками сигналов. Обычно он представляет собой разъем с набором контактов, каждый из которых имеет определенное назначение, например, это может быть группа контактов для передачи данных, контакт синхронизации данных и т.п. Пара разъемов соединяется кабелем, состоящим из набора проводов, каждый из которых соединяет соответствующие контакты. В таких случаях говорят о создании линии, или канала, связимежду двумя устройствами.
• Логический интерфейс (называемый также протоколом) — это набор информационных сообщений определенного формата, которыми обмениваются два устройства или две программы, а также набор правил, определяющих логику обмена этими сообщениями.
На рис. 2.2 мы видим интерфейсы двух типов: компьютер — компьютер и компьютер — периферийное устройство.
• Интерфейс компьютер — компьютер позволяет двум компьютерам обмениваться информацией. С каждой стороны он реализуется парой:
• аппаратным модулем, называемым сетевым адаптером или сетевой интерфейсной картой (ИК), или (в англоязычном варианте) Network Interface Card, NIC;
• драйвером сетевой интерфейсной карты — специальной программой, управляющей работой сетевой интерфейсной карты.
• Интерфейс компьютер — периферийное устройство (в данном случае интерфейс компьютер — принтер) позволяет компьютеру управлять работой периферийного устройства (ПУ). Этот интерфейс реализуется:
• со стороны компьютера — интерфейсной картой и драйвером ПУ (принтера), подобным сетевой интерфейсной карте и ее драйверу;
• со стороны ПУ — контроллером ПУ (принтера), обычно представляющим собой аппаратное устройство1, принимающее от компьютера как данные, например, байты информации, которую нужно распечатать на бумаге, так и команды, которые он отрабатывает, управляя электромеханическими частями периферийного устройства, например, выталкивая лист бумаги из принтера или перемещая магнитную головку диска.
Рис. 2.2. Совместное использование принтера в компьютерной сети
Связь компьютера с периферийным устройством
Для понимания того, как решить задачу организации доступа приложения, выполняемого на компьютере A, к ПУ через сеть, давайте прежде всего посмотрим, как управляет этим устройством приложение, выполняемое на компьютере B, к которому данное ПУ подключено непосредственно (см. рис. 2.2).
1. Пусть приложению B в какой-то момент потребовалось вывести на печать некоторые данные. Для этого приложение обращается с запросом на выполнение операции ввода-вывода к операционной системе (как правило, драйвер не может быть запущен на выполнение непосредственно приложением). В запросе указываются адрес данных, которые необходимо напечатать (адрес буфера ОП), и информация о том, на каком периферийном устройстве эту операцию требуется выполнить.
2. Получив запрос, операционная система запускает программу — драйвер принтера. С этого момента все дальнейшие действия по выполнению операции ввода-вывода со стороны компьютера реализуются только драйвером принтера и работающим под его управлением аппаратным модулем — интерфейсной картой принтера без участия приложения и операционной системы.
3. Драйвер принтера оперирует командами, понятными контроллеру принтера, такими, например, как «Печать символа», «Перевод строки», «Возврат каретки». Драйвер в определенной последовательности загружает коды этих команд, а также данные, взятые из буфера ОП, в буфер интерфейсной карты принтера, которая побайтно передает их по сети контроллеру принтера.
4. Интерфейсная карта выполняет низкоуровневую работу, не вдаваясь в детали, касающиеся логики управления устройством, смысла данных и команд, передаваемых ей драйвером, считая их однородным потоком байтов. После получения от драйвера очередного байта интерфейсная карта просто последовательно передает биты в линию связи, представляя каждый бит электрическим сигналом. Чтобы контроллеру принтера стало понятно, что начинается передача байта, перед передачей первого бита информационная карта формирует стартовый сигнал специфической формы, а после передачи последнего информационного бита — стоповый сигнал. Эти сигналы синхронизируют передачу байта. Контроллер, опознав стартовый бит, начинает принимать информационные биты, формируя из них байт в своем приемном буфере. Помимо информационных битов карта может передавать бит контроля четности для повышения достоверности обмена. При корректно выполненной передаче в буфере принтера устанавливается соответствующий признак.
5. Получив очередной байт, контроллер интерпретирует его и запускает заданную операцию принтера. Закончив работу по печати всех символов документа, драйвер принтера сообщает операционной системе о выполнении запроса, а та, в свою очередь, сигнализирует об этом событии приложению.
Обмен данными между двумя компьютерами
Механизмы взаимодействия компьютеров в сети многое позаимствовали у схемы взаимодействия компьютера с периферийными устройствами. В самом простом случае связь компьютеров может быть реализована с помощью тех же самых средств, которые используются для связи компьютера с периферией, с той разницей, что в этом случае активную роль играют обе взаимодействующие стороны.
Приложения А и В (см. рис. 2.2) управляют процессом передачи данных путем обмена сообщениями. Чтобы приложения могли «понимать» получаемую друг от друга информацию, программисты, разрабатывавшие эти приложения, должны строго оговорить форматы и последовательность сообщений, которыми приложения будут обмениваться во время выполнения этой операции. Например, они могут договориться о том, что любая операция обмена данными начинается с передачи сообщения, запрашивающего информацию о готовности приложения В; что в следующем сообщении идут идентификаторы компьютера и пользователя, сделавшего запрос; что признаком срочного завершения операции обмена данными является определенная кодовая комбинация, и т.п. Тем самым определяется протоколвзаимодействия приложений для выполнения операции данного типа.
Аналогично тому, как при выводе данных на печать необходимо передавать принтеру дополнительно некоторый объем служебной информации — в виде команд управления принтером, так и здесь для передачи данных из одного компьютера в другой необходимо сопровождать эти данные дополнительной информацией в виде протокольных сообщений, которыми обмениваются приложения.
Заметим, что для реализации протокола нужно, чтобы к моменту возникновения потребности в обмене данными были активны оба приложения: как приложение А, которое посылает инициирующее сообщение, так и приложение В, которое должно быть готово принять это сообщение и выработать реакцию на него.
Передача любых данных (как сообщений протокола приложений, так и собственно данных, составляющих цель операции обмена) происходит в соответствии с одной и той же процедурой.
На стороне компьютераА приложение, следуя логике протокола, размещает в буфере ОП либо собственное очередное сообщение, либо данные и обращается к ОС с запросом на выполнение операции межкомпьютерного обмена данными. ОС запускает соответствующий драйвер сетевой карты, который загружает байт из буфера ОП в буфер интерфейсной карты, после чего инициирует ее работу. Сетевая интерфейсная карта последовательно передает биты в линию связи, дополняя каждый новый байт стартовым и стоповым битами.
На стороне компьютераВ сетевая интерфейсная карта принимает биты, поступающие со стороны внешнего интерфейса, и помещает их в собственный буфер. После того как получен стоповый бит, интерфейсная карта устанавливает признак завершения приема байта и выполняет проверку корректности приема, например, путем контроля бита четности. Факт корректного приема байта фиксируется драйвером сетевой интерфейсной карты компьютера B. Драйвер переписывает принятый байт из буфера интерфейсной карты в заранее зарезервированный буфер ОП компьютера В. Приложение B извлекает данные из буфера и интерпретирует их в соответствии со своим протоколом либо как сообщение, либо как данные. Если согласно протоколу приложение B должно передать ответ приложению A, то выполняется симметричная процедура.
Таким образом, связав электрически и информационно два автономно работающих компьютера, мы получили простейшую компьютерную сеть.
Доступ к периферийным устройствам через сеть
Итак, мы имеем в своем распоряжении механизм, который позволяет приложениям, выполняющимся на разных компьютерах, обмениваться данными. И хотя приложение А (см. рис. 2.2) по-прежнему не может управлять принтером, подключенным к компьютеру В, оно может теперь воспользоваться средствами межкомпьютерного обмена данными, чтобы передать приложению В «просьбу» выполнить для него требуемую операцию. Приложение А должно «объяснить» приложению В, какую операцию необходимо выполнить, с какими данными, на каком из имеющихся в его распоряжении устройств, в каком виде должен быть распечатан текст, и т.п. В ходе печати могут возникнуть ситуации, о которых приложение В должно оповестить приложение А, например, об отсутствии бумаги в принтере. То есть для решения поставленной задачи — доступа к принтеру по сети — должен быть разработан специальный протокол взаимодействия приложений A и B.
А теперь посмотрим, как работают вместе все элементы этой простейшей компьютерной сети при решении задачи совместного использования принтера.
1. В соответствии с принятым протоколом приложение А формирует сообщение-запрос к приложению В, помещает его в буфер ОП компьютера А и обращается к ОС, снабжая ее необходимой информацией.
2. ОС запускает драйвер сетевой интерфейсной карты, сообщая ему адрес буфера ОП, где хранится сообщение.
3. Драйвер и сетевая интерфейсная карта компьютера A, взаимодействуя с драйвером и интерфейсной картой компьютера B, передают сообщение байт за байтом в буфер ОП компьютера B.
4. Приложение В извлекает сообщение из буфера, интерпретирует его в соответствии с протоколом и выполняет необходимые действия. В число таких действий входит, в том числе, обращение к ОС с запросом на выполнение тех или иных операций с локальным принтером.
5. ОС запускает драйвер принтера, который в кооперации с интерфейсной картой и контроллером принтера выполняет требуемую операцию печати.
Уже на этом начальном этапе, рассматривая связь компьютера с периферийным устройством, мы столкнулись с важнейшими «сетевыми» понятиями: интерфейсом и протоколом, драйвером и интерфейсной картой, а также с проблемами, характерными для компьютерных сетей: согласованием интерфейсов, синхронизацией асинхронных процессов, обеспечением достоверности передачи данных.
Сетевое программное обеспечение
Мы только что рассмотрели случай совместного использования принтера в простейшей сети, состоящей только из двух компьютеров. Однако даже на этом начальном этапе мы уже можем сделать некоторые выводы относительно строения сетевого программного обеспечения: сетевых служб, сетевой операционной системы и сетевых приложений.
Сетевые службы и сервисы
Потребность в доступе к удаленному принтеру может возникать у пользователей самых разных приложений: текстового редактора, графического редактора, системы управления базой данных (СУБД). Очевидно, что дублирование в каждом из приложений общих для всех них функций по организации удаленной печати является избыточным.
Более эффективным представляется подход, при котором эти функции исключаются из приложений и оформляются в виде пары специализированных программных модулей — клиента и сервера печати (рис. 2.3), функции которых ранее выполнялись соответственно, приложениями А и В. Теперь эта пара клиент-сервер может быть использована любым приложением, выполняемым на компьютере А.
Рис. 2.3. Совместное использование принтера в компьютерной сети с помощью сетевой службы печати
Обобщая такой подход применительно к другим типам разделяемых ресурсов, дадим следующие определения2:
Клиент — это модуль, предназначенный для формирования и передачи сообщений-запросов к ресурсам удаленного компьютера от разных приложений с последующим приемом результатов из сети и передачей их соответствующим приложениям.
Сервер — это модуль, который постоянно ожидает прихода из сети запросов от клиентов и, приняв запрос, пытается его обслужить, как правило, с участием локальной ОС; один сервер может обслуживать запросы сразу нескольких клиентов (поочередно или одновременно).
Пара клиент-сервер, предоставляющая доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, образует сетевую службу.
Каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов. Так, на рис. 2.3 модули клиента и сервера, реализующие удаленный доступ к принтеру, образуют сетевую службу печати.
Среди сетевых служб можно выделить такие, которые ориентированы не на простого пользователя, как, например, файловая служба или служба печати, а на администратора. Такие службы направлены на организацию работы сети. Например, справочная служба или служба каталогов предназначена для ведения базы данных о пользователях сети, обо всех ее программных и аппаратных компонентах.
Услуги, предоставляемые службой, называются сервисом.
Служба может предоставлять сервис одного или нескольких типов. Так, к числу услуг, оказываемых справочной службой, помимо учета ресурсов, относятся сервисы аудита, аутентификации, авторизации и др.
Для поиска и просмотра информации в Интернете используется веб-служба, состоящая из веб-сервера и клиентской программы, называемой веб-браузером (web browser). Разделяемым ресурсом в данном случае является веб-сайт — определенным образом организованный набор файлов, содержащих связанную в смысловом отношении информацию и хранящихся на внешнем накопителе веб-сервера.
На схеме веб-службы, показанной на рис. 2.4, два компьютера связаны не непосредственно, как это было во всех предыдущих примерах, а через множество промежуточных компьютеров и других сетевых устройств, входящих в состав Интернета. Чтобы отразить этот факт графически, мы поместили между двумя компьютерами так называемое коммуникационное облако, позволяющее абстрагироваться от всех деталей среды передачи сообщений. Обмен сообщениями между клиентской и серверной частями веб-службы выполняется по стандартному протоколу HTTP и никак не зависит от того, передаются ли эти сообщения «из рук в руки» (от интерфейса одного компьютера к интерфейсу другого) или через большое число посредников — транзитных коммуникационных устройств. Вместе с тем усложнение среды передачи сообщений приводит к возникновению новых дополнительных задач, на решение которых не был рассчитан упоминавшийся ранее простейший драйвер сетевой интерфейсной карты. Вместо него на взаимодействующих компьютерах должны быть установлены более развитые программные транспортные средства.
Рис. 2.4. Веб-служба
Сетевая операционная система
Операционную систему компьютера часто определяют как взаимосвязанный набор системных программ, который обеспечивает эффективное управление ресурсами компьютера (памятью, процессором, внешними устройствами, файлами и др.), а также предоставляет пользователю удобный интерфейс для работы с аппаратурой компьютера и разработки приложений.
Говоря о сетевой ОС, мы, очевидно, должны расширить границы управляемых ресурсов за пределы одного компьютера.
Сетевой операционной системой называют операционную систему компьютера, которая, помимо управления локальными ресурсами, предоставляет пользователям и приложениям возможность эффективного и удобного доступа к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров сети.
Сегодня практически все операционные системы являются сетевыми.
Из примеров, рассмотренных в предыдущих разделах (см. рис. 2.3 и 2.4), мы видим, что удаленный доступ к сетевым ресурсам обеспечивается:
• сетевыми службами;
• средствами транспортировки сообщений по сети (в простейшем случае — сетевыми интерфейсными картами и их драйверами).
Следовательно, именно эти функциональные модули должны быть добавлены к ОС, чтобы она могла называться сетевой (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Функциональные компоненты сетевой ОС
От того, насколько богатый набор сетевых служб и услуг предлагает операционная система конечным пользователям, приложениям и администраторам сети, зависит ее позиция в общем ряду сетевых ОС.
Помимо сетевых служб сетевая ОС включает программные коммуникационные (транспортные) средства, обеспечивающие совместно с аппаратными коммуникационными средствами передачу сообщений, которыми обмениваются клиентские и серверные части сетевых служб. Задачу коммуникации между компьютерами сети решают драйверы и протокольные модули. Они выполняют такие функции, как формирование сообщений, разбиение сообщения на части (пакеты, кадры), преобразование имен компьютеров в числовые адреса, дублирование сообщений в случае их потери, определение маршрута в сложной сети и т.д.
И сетевые службы, и транспортные средства могут являться неотъемлемыми (встроенными) компонентами ОС или существовать в виде отдельных программных продуктов. Например, сетевая файловая служба обычно встраивается в ОС, а вот веб-браузер чаще всего является отдельным приложением. Типичная сетевая ОС имеет в своем составе широкий набор драйверов и протокольных модулей, однако у пользователя, как правило, есть возможность дополнить этот стандартный набор необходимыми ему программами. Решение о способе реализации клиентов и серверов сетевой службы, а также драйверов и протокольных модулей принимается разработчиками с учетом самых разных соображений: технических, коммерческих и даже юридических. Так, например, именно на основании антимонопольного закона США компании Microsoft было запрещено включать ее браузер Internet Explorer в состав ОС этой компании.
Сетевая служба может быть представлена в ОС либо обеими (клиентской и серверной) частями, либо только одной из них.
В первом случае операционная система, называемая одноранговой, не только позволяет обращаться к ресурсам других компьютеров, но и предоставляет собственные ресурсы в распоряжение пользователей других компьютеров. Например, если на всех компьютерах сети установлены и клиенты, и серверы файловой службы, то все пользователи сети могут совместно использовать файлы друг друга. Компьютеры, совмещающие функции клиента и сервера, называют одноранговыми узлами.
Операционная система, которая содержит преимущественно клиентские части сетевых служб, называется клиентской. Клиентские ОС устанавливаются на компьютеры, обращающиеся с запросами к ресурсам других компьютеров сети. За такими компьютерами, также называемыми клиентскими, работают рядовые пользователи. Обычно клиентские компьютеры относятся к классу относительно простых устройств.
К другому типу операционных систем относится серверная ОС — она ориентирована на обработку запросов из сети к ресурсам своего компьютера и включает в себя в основном серверные части сетевых служб. Компьютер с установленной на нем серверной ОС, занимающийся исключительно обслуживанием запросов других компьютеров, называют выделенным сервером сети. За выделенным сервером, как правило, обычные пользователи не работают.
ПРИМЕЧАНИЕ
Подробнее о сетевых операционных системах и встроенных в них сетевых службах вы можете прочитать в специальной литературе, а также в учебнике авторов «Сетевые операционные системы». Наиболее популярные сетевые службы Интернета, такие как электронная почта, веб-служба, IP-телефония и др., рассматриваются далее в части VII этой книги.
Сетевые приложения
На компьютере, подключенном к сети, могут запускаться приложения нескольких типов:
• Локальное приложение целиком выполняется на данном компьютере и использует только локальные ресурсы (рис. 2.6, а). Для такого приложения не требуется никаких сетевых средств, оно может быть выполнено на автономно работающем компьютере.
а
б
в
Рис. 2.6. Типы приложений, выполняющихся в сети
• Централизованное сетевое приложение целиком выполняется на данном компьютере, но обращается в процессе своей работы к ресурсам других компьютеров сети. В примере на рис. 2.6, б приложение, которое выполняется на клиентском компьютере, обрабатывает данные из файла, хранящегося на файл-сервере, а затем распечатывает результаты на принтере, подключенном к серверу печати. Очевидно, что работа такого типа приложений невозможна без участия сетевых служб и средств транспортировки сообщений.
• Распределенное (сетевое) приложение состоит из нескольких взаимодействующих частей, каждая из которых выполняет какую-то определенную законченную работу по решению прикладной задачи, причем каждая часть может выполняться и, как правило, выполняется на отдельном компьютере сети (рис. 2.6, в). Части распределенного приложения взаимодействуют друг с другом, используя сетевые службы и транспортные средства ОС. Распределенное приложение в общем случае имеет доступ ко всем ресурсам компьютерной сети.
Очевидным преимуществом распределенных приложений является возможность распараллеливания вычислений, а также специализация компьютеров. Так, в приложении, предназначенном, скажем, для анализа климатических изменений, можно выделить три достаточно самостоятельные части (см. рис. 2.6, в), допускающие распараллеливание. Первая часть приложения, выполняющаяся на сравнительно маломощном персональном компьютере, могла бы поддерживать специализированный графический пользовательский интерфейс, вторая — заниматься статистической обработкой данных на высокопроизводительном мейнфрейме, третья — генерировать отчеты на сервере с установленной стандартной СУБД. В общем случае каждая из частей распределенного приложения может быть представлена несколькими копиями, работающими на разных компьютерах. Скажем, в данном примере первую часть, ответственную за поддержку специализированного пользовательского интерфейса, можно было бы запустить на нескольких персональных компьютерах, что позволило бы работать с этим приложением нескольким пользователям одновременно.
Однако чтобы добиться всех тех преимуществ, которые сулят распределенные приложения, разработчикам этих приложений приходится решать множество проблем, например: на сколько частей следует разбить приложение, какие функции возложить на каждую часть, как организовать взаимодействие этих частей, чтобы в случае сбоев и отказов оставшиеся части корректно завершали работу, и т.д. и т.п.
Заметим, что все сетевые службы, включая файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа, интернет-телефонию и др., по определению относятся к классу распределенных приложений. Действительно, любая сетевая служба включает в себя клиентскую и серверную части, которые могут выполняться и обычно выполняются на разных компьютерах.
На рис. 2.7, иллюстрирующем распределенный характер веб-службы, мы видим различные виды клиентских устройств — персональные компьютеры, ноутбуки и мобильные телефоны — с установленными на них веб-браузерами, которые взаимодействуют по сети с веб-сервером. Таким образом, с одним и тем же веб-сайтом может одновременно работать множество — сотни и тысячи — сетевых пользователей.
Многочисленные примеры распределенных приложений можно встретить и в такой области, как обработка данных научных экспериментов. Это не удивительно, так как многие эксперименты порождают такие большие объемы данных, генерируемых в реальном масштабе времени, которые просто невозможно обработать на одном, даже очень мощном
Рис. 2.7. Веб-служба как распределенное приложение
суперкомпьютере. Кроме того, алгоритмы обработки экспериментальных данных часто легко распараллеливаются, что также важно для успешного применения взаимосвязанных компьютеров с целью решения какой-либо общей задачи. Одним из известных примеров распределенного научного приложения является программное обеспечение обработки данных большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC), запущенного 10 сентября 2008 года в CERN, — это приложение работает более чем на 30 тысячах компьютеров, объединенных в сеть.
Физическая передача данных по линиям связи
Даже при рассмотрении простейшей сети, состоящей всего из двух машин, можно выявить многие проблемы, связанные с физической передачей сигналов по линиям связи.
Кодирование
В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код. Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы.
Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием.
Существуют различные способы кодирования двоичных цифр, например, потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю — другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной полярности.
Аналогичные подходы применимы для кодирования данных и при передаче их между двумя компьютерами по линиям связи. Однако эти линии связи отличаются по своим характеристикам от линий внутри компьютера. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к существенно большим искажениям прямоугольных импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования. Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой емкостной нагрузки линии требует, чтобы импульсы передавались с меньшей скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались, и импульс успел «дорасти» до требуемого уровня).
В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных, а также специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, — модуляцию (рис. 2.8). При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.
Рис. 2.8. Примеры представления дискретной информации
Потенциальное и импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Например, модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.
На способ передачи сигналов влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами. Для снижения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого передают все биты одного байта или даже нескольких байтов не параллельно, как это делается внутри компьютера, а последовательно (побитно), для чего достаточно всего одной пары проводов.
Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации
