Сетевые компоненты систем. Логическая структура сети

Архитектура открытых информационных систем . Современная тенденция развития информационных систем, в составе которых или ресурсы которых могут использовать системы управления, состоит по сути в том, что структура системы должна удовлетворять следующим требованиям, обеспечивающим ее живучесть, способность к развитию и совершенствованию:

Система должна обладать открытой архитектурой;

Система должна быть распределённой.

Только с развитием микропроцессорной техники и сетевых технологий стало возможно и экономически оправданно строить системы автоматики, действительно удовлетворяющие этим требованиям. Стало целœесообразным выделять в общей структуре системы отдельные локальные задачи, решение которых поручать локальным контроллерам. Сеть же позволяет контроллерам в качестве аргументов для вычисления управляющего вектора использовать переменные других контроллеров, обеспечивая связанность системы управления в целом. Такая архитектура существенно увеличивает производительность, надежность и масштабируемость систем. Международная организация по стандартизации (ISO) в 1984 ᴦ. сформулировала модель взаимодействия открытых систем (OSI), выделив семь уровней такого взаимодействия.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем декларирует не только взаимодействие, но и архитектуру таких систем. Всякая открытая система является иерархически построенной, и внутренняя архитектура системы подобна глобальной архитектуре, в которую входит множество подсистем. Это означает, что программное обеспечение для систем любого уровня создаётся на общих принципах и является достаточно универсальным. Предполагается, что непосредственная связь между физически различными системами или подсистемами осуществляется на физическом уровне. В идеальном случае каждый из уровней должен взаимодействовать непосредственно лишь с двумя прилежащими к нему уровнями.

Уровни модели взаимодействия открытых систем (снизу вверх) означают следующее:

1. Физический уровень (нижний). Отвечает за физическую среду передачи: кабели, разъемы, согласование линий связи, электрическое преобразование сигналов.

2. Канальный уровень. Основная задача - логическое управление линией передачи, управление доступом к сети, обнаружение ошибок передачи и их исправления.

3. Сетевой уровень. Отвечает за адресацию пакетов данных, связывает физические сетевые адреса и логические имена, осуществляет выбор маршрута доставки данных.

4. Транспортный уровень. Здесь осуществляется создание пакетов данных и доставка этих пакетов. При крайне важно сти используются процедуры восстановления потерянных данных.

5. Сеансовый уровень. Сеанс связи означает, что между абонентами сети установлено логическое соединœение, определœены логические имена, контролируются права доступа.

6. Представительский уровень. На этом уровне происходит преобразование рабочей информации в логическую и физическую форму, пригодную для передачи в сети (сжатие, шифрование, преобразование форматов данных и пр.).

7. Прикладной уровень (уровень приложений). Уровень программ пользователя. Верхний уровень, непосредственно взаимодействующий с пользователœем.

Структура уровней такова, что замена аппаратной части сказывается лишь на уровнях 1 и 2, вышестоящие уровни этой замены не должны заметить.

Локальные управляющие вычислительные сети . Для передачи информации в системах автоматики всё шире используются не традиционные каналы связи (многожильные кабели, телœефонные каналы и т.п.), а локальные сети. Существенная разница при этом заключается не столько в виде физической среды передачи информации, сколько в гораздо более сложных и эффективных способах кодирования и сжатия информации. К сожалению, современные решения для построения локальных и глобальных информационных сетей не всœегда оказываются приемлемыми в силу негарантированного времени доставки информации, что малопригодно для систем реального времени, и сложности аппаратных решений, особенно для скоростных сетей.

В системах автоматики часто используют сегменты обычных локальных и глобальных сетей. Большинство локальных сетей имеет выход в глобальную сеть, но характер передаваемой информации, принципы организации обмена, режимы доступа к ресурсам внутри локальной сети, как правило, сильно отличаются от тех, что приняты в глобальной сети. По локальной сети может передаваться самая разная цифровая информация: данные, изображения, телœефонные разговоры, электронные письма и т.д. Задача передачи полноцветных динамических изображений предъявляет самые высокие требования к быстродействию сети. Чаще всœего локальные сети используются для совместного использования таких ресурсов, как дисковое пространство, принтеры и выход в глобальную сеть, но это лишь часть возможностей локальных сетей. К примеру, они позволяют осуществлять обмен информацией между компьютерами разных типов. Абонентами (узлами) сети бывают не только компьютеры, но и другие устройства (принтеры, плоттеры, сканеры). Локальные сети дают возможность организовать систему параллельных вычислений на всœех компьютерах сети, что позволяет многократно ускорить решение сложных математических задач. С их помощью можно также управлять работой сложной технологической системы или исследовательской установки с нескольких компьютеров одновременно.

Упомянем о таких важнейших понятиях теории сетей, как сервер и клиент. Сервером принято называть абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует ресурсы других абонентов. Серверов в сети должна быть несколько, и не обязательно сервер - самый мощный компьютер.
Размещено на реф.рф
Выделœенный сервер - это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделœенный сервер может заниматься помимо обслуживания сети и другими задачами. Клиентом (рабочей станцией) принято называть абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает. В принципе, каждый компьютер должна быть одновременно как клиентом, так и сервером. Под сервером и клиентом часто понимают не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения.

Топологии локальных сетей . Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети принято понимать физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ их соединœения линиями связи. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. На разных уровнях сетевой архитектуры различают также:

Физическую топологию, схему расположения компьютеров и прокладки кабелœей.

Логическую топологию, структуру логических связей и способов передачи сигналов.

Информационную топологию, пути распространения информации по сети.

Существует три базовых топологии сети:

‣‣‣ шина (bus), при которой всœе компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно передается всœем остальным компьютерам.

‣‣‣ звезда (star), при которой к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует свою отдельную линию связи.

‣‣‣ кольцо (ring), при которой каждый компьютер передает информацию всœегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера, и эта цепочка замкнута в ʼʼкольцоʼʼ.

На практике используют и любые комбинации базовых топологий, но большинство сетей ориентированы именно на эти три.

Топология ʼʼшинаʼʼ (или ʼʼобщая шинаʼʼ) предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров и равноправие всœех абонентов. При таком соединœении линия связи единственная и в шинœе реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена в обоих направлениях, но по очереди. Какой-либо центральный абонент, через которого передается вся информация, отсутствует, что увеличивает ее надежность (при отказе центра перестает функционировать вся система).

Так как разрешение возможных конфликтов в данном случае ложится на сетевое оборудование каждого абонента͵ аппаратура сетевого адаптера получается сложнее, чем при других топологиях. Шинœе не страшны отказы отдельных компьютеров. На концах шины крайне важно предусматривать включение согласующих устройств - терминаторов, для исключения отражений от концов линии. Отказ сетевого оборудования в шинœе трудно локализовать, так как всœе адаптеры включены параллельно. При прохождении по ʼʼшинœеʼʼ информационные сигналы ослабляются, что накладывает ограничения на суммарную длину линий связи. Каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня исходя из расстояния до передающего абонента. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования. Для увеличения длины сети используют сегментирование шины, с соединœением сегментов через специальные восстановители сигналов - репитеры.

Топология ʼʼзвездаʼʼ - это топология с явно выделœенным центром, к которому подключаются всœе остальные абоненты. Обмен информацией идет через центральный компьютер, как правило, самый мощный в сети. Никакие конфликты в сети в принципе невозможны. Выход из строя периферийного компьютера не отражается на функционировании сети, но любой отказ центрального компьютера делает сеть неработоспособной.

В звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. К каждому периферийному абоненту может подходить как один кабель (передача в обоих направлениях), так и два кабеля (с передачей в одном направлении). Проблема затухания сигналов в линии связи решается проще, каждый приемник получает сигнал одного уровня.

Недостаток топологии ʼʼзвездаʼʼ - ограничение количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8-16 периферийных абонентов. Иногда в звезде предусматривается возможность подключения вместо периферийного абонента еще одного центрального абонента͵ в результате получается топология из нескольких соединœенных между собой звезд.

Большое достоинство звезды состоит в том, что всœе точки подключения собраны в одном месте, что позволяет легко контролировать работу сети, а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения.

Существует топология, называемая пассивной звездой, которая только внешне похожа на звезду. В центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а концентратор (hub), выполняющий ту же функцию, что и репитер.
Размещено на реф.рф
Он восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их в другие линии связи. Фактически мы имеем дело с шинной топологией, так как информация от каждого компьютера одновременно передается ко всœем остальным компьютерам, а центрального абонента не существует.

Топология ʼʼкольцоʼʼ - это топология, в которой каждый компьютер соединœен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера. Четко выделœенного центра в сети нет, однако часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Наличие управляющего абонента снижает надежность сети.

Максимальное количество абонентов в кольце должна быть до тысячи и больше. Кольцевая топология обычно является самой устойчивой к перегрузкам, она обеспечивает уверенную работу с самыми большими потоками передаваемой по сети информации. В ней, как правило, нет конфликтов. Так как сигнал в кольце проходит через всœе компьютеры, выход из строя хотя бы одного из них или его сетевого оборудования нарушает работу всœей сети. В этой топологии обычно предусматривают прокладку двух (или более) параллельных линий связи, одна из которых находится в резерве. В то же время крупное преимущество кольца состоит в том, что ретрансляция сигналов каждым абонентом позволяет существенно увеличить размеры всœей сети в целом (порой до нескольких десятков километров).

Иногда топология ʼʼкольцоʼʼ выполняется на базе двух кольцевых линий связи, передающих информацию в противоположных направлениях, что позволяет увеличить скорость передачи информации, а при повреждении одного из кабелœей работать с одним кабелœем.

литература

1. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линœейные системы: Учебное пособие для вузов. - СПб.: Питер, 2005. - 336 с.

10. Туманов М.П. Технические средства автоматизации и управления: Учебное пособие. – М.: МГИЭМ, 2005, 71 с. URL: http://rs16tl.rapidshare.com/files/21651582/2889232/ Tehnicheskie_sredstva_avtomatizatsii_i_upravleniya.rar

11. Михайлов В.С. Теория управления. – К.: Выща школа, 1988.

12. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. – К.: Выща школа, 1989.

О замеченных опечатках, ошибках и предложениях по дополнению: [email protected].

4) Среды передачи данных

Наиболее распространенной средой передачи данных между компьютерами являются три основные группы кабелей:

коаксиальный кабель;

витая пара (неэкранированная и экранированная);

оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель – недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и простой в установке. Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий (спецификация 10 Base2) и толстый (спецификация 10 Base5). Тонкий – гибкий, диаметр 0,64 см (0,25"). Прост в применении и подходит практически для любого типа сети.

Витая пара – это два перевитых изолированных медных провода. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защитную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними проводами и другими внешними источниками. Преимущества витой пары – дешевизна, простота при подключении. Недостатки – нельзя использовать при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде световых импульсов. Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные. Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях. Расстояние - многие километры. Существенным недостатком этой технологии является дороговизна и сложность в установке и подключении.

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии – немодулированную и модулированную передачу.

Немодулированные системы передают данные в виде цифровых сигналов, которые представляют собой дискретные электрические или световые импульсы.

Модулированные системы передают данные в виде аналогового сигнала (электрического или светового), занимающего некоторую полосу частот.

Беспроводная среда не означает полное отсутствие проводов в сети. Беспроводная среда обеспечивает временное подключение к существующей кабельной сети, гарантирует определенный уровень мобильности и уменьшает ограничения на протяженность сети.

Существуют следующие типы беспроводных сетей: ЛВС, расширенные ЛВС и мобильные сети (переносные компьютеры). Основные различия между ними – параметры передачи.

Работа беспроводных ЛВС основана на четырех способах передачи данных: инфракрасном излучении, лазере, радиопередаче в узком диапазоне (одночастотной передаче), радиопередаче в рассеянном спектре.

5) Платы сетевого адаптера

Платы сетевого адаптера (СА) выступают в качестве физического интерфейса или соединителя между компьютером и сетевым кабелем.

Плата СА выполняет:

подготовку данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;

передачу данных другому компьютеру;

управление потоком данных между компьютером и кабельной системой;

прием данных из кабеля и перевод их в форму, понятную компьютеру.

Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе можно выделить следующие задачи:

распознавание данных;

разбиение данных на управляемые блоки;

добавление информации к каждому блоку о местонахождении данных и получателе;

добавление информации для синхронизации и проверки ошибок;

перемещение данных в сеть и отправка их по заданному адресу.

Последовательность этих задач строго регламентирована, чтобы передавать данные между сетевыми адаптерами разных производителей, при их выполнении строго выполняются определенные правила – протоколы. Существует два главных набора стандартных протоколов: эталонная модель OSI и ее модификация Project 802.

6) Сетевое оборудование

Кроме минимально необходимого оборудования: среды передачи и плат сетевого адаптера, при построении сетей может использоваться дополнительно оборудование, состав которого определяется конкретной топологией сети.

Терминаторы – это резисторы номиналом 50 Ом, которые производят затухание сигнала на концах сегмента сети.

Концентраторы (Hub) – это центральные устройства кабельной системы или сети физической топологии «звезда», которые при получении пакета на один из своих портов пересылает его на все остальные.

Повторители (Repeater) - устройства сети, усиливает и заново формирует форму входящего аналогового сигнала сети на расстояние другого сегмента.

Коммутаторы (Switch) - управляемые программным обеспечением центральные устройства кабельной системы, сокращающие сетевой трафик за счет того, что пришедший пакет анализируется для выяснения адреса его получателя и соответственно передается только ему.

Маршрутизаторы (Router) – стандартные устройства сети, работающие на сетевом уровне и позволяющее переадресовывать и маршрутизировать пакеты из одной сети в другую, а также фильтровать широковещательные сообщения.

Мосты (Bridge) – устройства сети, которое соединяют два отдельных сегмента, ограниченных своей физической длиной, и передают трафик между ними.

Шлюзы (Gateway) – программно-аппаратные комплексы, соединяющие разнородные сети или сетевые устройства. Шлюзы позволяет различать протоколы или системы адресации.

Мультиплексоры – это устройства центрального офиса, которое поддерживают несколько сотен цифровых абонентских линий.

Межсетевые экраны (firewall, брандмауэры) – это сетевые устройства, реализующие контроль за поступающей в сеть и выходящей из нее информацией и обеспечивающие защиту локальной сети посредством фильтрации информации.

Недокументированные и малоизвестные возможности Windows XP Клименко Роман Александрович

Сеть и сетевые компоненты

Сеть и сетевые компоненты