Вычислительная сеть, сеть передачи данных - система связи компьютеров и/или компьютерного оборудования (серверы, маршрутизаторы и другое оборудование). Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило - различные виды электрических сигналов или электромагнитного излучения.

Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации.

Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков:

территориальная распространенность;

Ведомственная принадлежность;

Скорость передачи информации;

Тип среды передачи.

По принадлежности различают ведомственные и государственные сети. Ведомственные принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Государственные сети используются в государственных структурах..

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся па низко-, средне- и высокоскоростные

По типу среды передачи разделяются на сети коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные, с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне.

Компьютеры могут соединяться кабелями, образуя paj-личную топологию сети (звездная, шинная, кольцевая и др.).

    Глобальная информационная сеть Internet . Краткая хар-ка основных инф. ресурсов

Internet (сокр. от Inter connected Net works - объединённые сети)- глобальная телекоммуникационная сеть информационных и вычислительных ресурсов. Служит физической основой для Всемирной паутины. Интернет состоит из многих тысяч корпоративных, научных, правительственных и домашних компьютерных сетей. Объединение сетей разной архитектуры и топологии стало возможно благодаря протоколу IP (англ. Internet Protocol ) и принципу маршрутизации пакетов данных.Любой пользователь имеет свой IP адрес(формируется из 4-х групп) 1)ххх.ххх.ххх.ххх.(в IP сходит страна, персональные данные провайдера и др.)

2)Метод связи имен и IP номеров называется сервером имени домена (Domain Name Server, DNS).

Com коммерческие сайты

Gov правительственные

Mil военные

Edu образовательные

Ru(ua, uk и др) страна

Осн. Ресурсы инт. :

1) электронная почта

2) поисковые машины

3) архивные файлы-ftp

4) базы данных: Gopher, WWW, WAIS

5) телеконференции: Telnet

6) интернет телефония: VoIP(Skype…)

7) инф. ресурсы(службы):TRICKLE

8) справочная служба:WHOIS

9) соц. службы(контакт и др.)

Сущ. многоуровневая система доставки инф. пользователю.Основными явл. протоколы TCP / IP

В основу организации доступа к ресурсам интернета и построения адреса заложены принципы и понятия:

1) расширяемость(новые адреса должны легко вписываться в URI(Uniform Resource Identifier ))

2) полнота3) читаемость

  1. Способы передачи данных. Физические носители информации. (проводные и беспроводные)

Цифровые данные по проводнику передаются путем смены текущего напряжения: нет напряжения - "0", есть напряжение – "1". Существуют два способа передачи информации по физической передающей среде: цифровой и аналоговый.

При цифровом или узкополосном способе передачи данные передаются в их естественном виде на единой частоте. Узкополосный способ позволяет передавать только цифровую информацию, обеспечивает в каждый данный момент времени возможность использования передающей среды только двумя пользователями и допускает нормальную работу только на ограниченном расстоянии (длина линии связи не более 1000 м). В то же время узкополосный способ передачи обеспечивает высокую скорость обмена данными – до 10 Мбит/с и позволяет создавать легко конфигурируемые вычислительные сети. Подавляющее число локальных вычислительных сетей использует узкополосную передачу.

Аналоговый способ передачи цифровых данных обеспечивает широкополосную передачу за счет использования в одном канале сигналов различных несущих частот.

При аналоговом способе передачи происходит управление параметрами сигнала несущей частоты для передачи по каналу связи цифровых данных.

Сигнал несущей частоты представляет собой гармоническое колебание, описываемое уравнением:

В сетях высокого уровня иерархии – глобальных и региональных используется также и ш up окополосная передача, которая предусматривает работу для каждого абонента на своей частоте в пределах одного канала. Это обеспечивает взаимодействие большого количества абонентов при высокой скорости передачи данных.

Широкополосная передача позволяет совмещать в одном канале передачу цифровых данных, изображения и звука, что является необходимым требованием современных систем мультимедиа.

Физические носители данных

Стриммер - запоминающее устройство на магнитной ленте, по принципу действия - обычный магнитофон. Дискета - магнитныйноситель информации, используемый для многократной записи и храненияданных.Жёсткий диск - информация записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря тонкой прослойке воздуха, образуемой при быстром вращении дисков. Магнитооптический диск сочетает свойства оптическихимагнитныхнакопителей. Технические детали/Диск изготовлен с использованиемферромагнетиков.Компакт-диск - оптический носитель информациив видедискас отверстием в центре,информацияс которого считывается с помощьюлазера.D VD - носитель информациив виде диска, внешне схожий скомпакт-диском, однако имеющий возможность хранить бо́льший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт дисков.HD-DVD - технология записи на DVD от Toshiba. Позволяет записывать цифровую информацию объёмом до 45 гигабайт. Этого достаточно для записи 12 часов видео с высоким разрешением на один носитель. Такой диск состоит из трех слоев толщиной 0,6 мм, каждый из которых позволяет записать 15 ГБ данных. Перфокарта - носитель информации, предназначенный для использования системами автоматической обработки данных. Сделанная из тонкого картона, перфокарта представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты. Перфолента - устаревший носитель информации в виде бумажной ленты с отверстиями. Флэш-память - разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Blu-ray Disc (BD) - это следующие поколение формата оптических дисков - используемый для хранения видео высокой чёткости (разрешением 1920×1080 точек) и данные повышенной плотности.

    Локальные вычислительные сети. Программное обеспечение.

Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга (в пределах 10-15 км). Информационные системы, построенные на базе локальных вычислительных сетей, обеспечивают решение следующих задач: хранение данных; обработка данных; организация доступа пользователей к данным; передача данных и результатов их обработки пользователям. Подобная модель вычислительной сети получила название архитектуры клиент - сервер. По признаку распределения функций локальные компьютерные сети делятся на одноранговые и двухранговые. В одноранговой сети компьютеры равноправны по отношению друг к другу. Двухранговая сеть организуется на основе сервера, на котором регистрируются пользователи сети. Для современных компьютерных сетей типичной является смешанная сеть, объединяющая рабочие станции и серверы, причем часть рабочих станций образует одноранговые сети, а другая часть принадлежит двухранговым сетям. Шина . Канал связи, объединяющий узлы в сеть, образует ломаную линию - шину. Любой узел может принимать информацию в любое время, а передавать - только тогда, когда шина свободна. Данные (сигналы) передаются компьютером на шину. Кольцо . Узлы объединены в сеть замкнутой кривой. Передача данных осуществляется только в одном нийравлении. Каждый узел помимо всего прочего реализует функции ретранслятора. Он принимает и передает сообщения, а воспринимает только обращенные к нему. Звезда . Узлы сети объединены с центром лучами. Вся информация передается через центр, что позволяет относительно просто выполнять поиск неисправностей и добавлять новые узлы без прерывания работы сети.Для объединения локальных вычислительных сетей применяются следующие устройства. 1. Повторитель - устройство, обеспечивающее усиление и фильтрацию сигнала без изменения его информативности. 2. Мост - устройство, выполняющее функции повторителя для тех сигналов (сообщений), адреса которых удовлетворяют заранее наложенным ограничениям. Мосты бывают локальные и удаленные. 3. Маршрутизатор - это устройство, соединяющее сети разного типа, но использующие одну операционную систему. Это, по сути, тот же мост, но имеющий свой сетевой адрес. 4. Шлюз - специальный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для обеспечения совместимости между сетями, использующими различные протоколы взаимодействия. Программа - это запись алгоритма решения задачи в виде последовательности команд или операторов языком, который понимает компьютер. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами. Междупрограммный интерфейс - это распределение программного обеспечения на несколько связанных между собою уровней. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамиду, где каждый высший уровень базируется на программном обеспечении предшествующих уровней. Базовый уровень Отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Системный уровень Системный уровень - является переходным. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие других программ компьютера с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. Служебный уровень Программы этого уровня взаимодействуют как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Назначение служебных программ (утилит) состоит в автоматизации работ по проверке и настройки компьютерной системы, а также для улучшения функций системных программ. Классификация служебных программных средств 1. Диспетчеры копирование, перемещение, переименование файлов и т.д.. 2. Средства сжатия данных (архиваторы). 3. Средства диагностики . 4. Программы инсталляции (установки). 5. Средства коммуникации . 6. Средства просмотра и воспроизведения . 7. Средства компьютерной безопасности .. Прикладной уровень комплекс прикладных программ, с помощью которых выполняются конкретные задачи (производственных, творческих, развлекательных и учебных).

    T ехнология WWW . Разр в 1989г.в инст физики элементарных частиц. World Wide Web или всемирная паутина - система, предоставляющая доступ к связанным между собой документам, расположенным на различных компьютерах, подключенных к Интернету. Всемирную паутину образуют миллионы web-серверов. В основном ресурсы всемирной паутины представляет собой гипертекст. Гипертекстовые документы, размещаемые во всемирной паутине, называются web-страницами. Несколько web-страниц, объединенных общей темой, дизайном, а также связанных между собой ссылками и обычно находящихся на одном и том же web-сервере, называются web-сайтом. Для загрузки и просмотра web-страниц используются специальные программы - браузеры.

Структуры построения сайта: Линейная, Иерархическая, полносвязная

html (Hyper Text Markup Language) – спец язык для разраб сайтов. суть языка: язык инструкций, содержит команды(теги) которые размечают страницу по определенным правилам.

Структура html док-та: 1) строка, содержащая информацию о версии HTML 2) заголовочная часть(определяется тегом ) 3) Тело, которое включает содержание док-та(сайта)

    Электронная почта. (англ. email, e-mail , от англ. electronic mail ) - технология и предоставляемые ею услуги по пересылке и получению электронных сообщений (называемых «письма» или «электронные письма») по распределённой (в том числе глобальной) компьютерной сети. Основным отличием от прочих систем передачи сообщений является возможность отложенной доставки и развитая система взаимодействия между независимыми почтовыми серверами . Протокол передачи письма SMPT(Simple mail transfer protocol ) –современный, (UUCP)-устаревший.

VVPupkin @ mail .ru

персональный служба государство

адрес передачи адреса

Формат почтового сообщения регламентируется документом RPC-822

25) Методы прикладной математики. Прогресс в вычислительной информатике определяется успехами интеграции программистских, математических и специальных дисциплин. В рамках этой науки успешно развиваются направления вычислительной геометрии и вычислительного эксперимента. А созданием и использованием методов численного решения математических задач занимается третье направление – вычислительная, или прикладная, математика. В ней выделяются два раздела: численный анализ функций и вычислительные методы решения уравнений. Первый посвящен исследованию математических объектов или методов безотносительно к их происхождению и прикладной области. Сюда относятся исследование приближенных алгоритмов математического анализа, методы линейной алгебры, аппроксимация функций, численное дифференцирование и интегрирование, решение нелинейных уравнений. Во втором разделе исследуются математические модели и решаются задачи математической физики, называемые также задачами решения уравнений в частных производных, для конкретных прикладных областей знаний. Здесь рассматриваются численные методы решения дифференциальных, интегральных, интегро-дифференциальных уравнений, а также методы математического, методы оптимизации и оптимального управления. Наиболее сложные из со временных задач математической физики описываются нелинейными системами дифференциальных и интегральных уравнений. Решение математической задачи на ЭВМ состоит из ряда этапов: аппроксимации задачи, ее интерполяции, дискретизации, формирования и решения системы алгебраических уравнений, анализа погрешностей.В инженерной практике нашли применение три типа математических пакетов: библиотеки программ для математических расчетов; специализированные пакеты для решения конкретных математических задач; математические системы программирования. Математический пакет МathCad сочетает в себе возможности проведения расчетов и подготовки форматированных научных и технических документов.

Тема. Сетевые информационные технологии

Лекция 1 Компьютерные сети

Классификация компьютерных сетей.

Программное обеспечение компьютерных сетей.

Общие сведения о сетях, принципы построения компьютерных сетей.

В настоящее время наиболее важным применением компьютеров является использование сетей, обеспечивающих единое информационное пространство для многих пользователей. Особенно наглядно этот процесс проявляется на примере всемирной компьютерной сети Internet.

Децентрализация процессов обработки данных реализовывалась по двум направлениям:

1. путем подключения к отдельным ЭВМ (или комплексу ЭВМ, объединенных в рамках вычислительного центра (ВЦ)) множества абонентских пунктов пользователей, т.е. создания систем телеобработки данных

2. путем создания вычислительных сетей, в которых осуществлялось объединение между собой множества территориально удаленных друг от друга ЭВМ или ВЦ.

Компьютерной сетью называется совокупность взаимосвязанных через каналы передачи данных компьютеров, обеспечивающих пользователей средствами обмена информацией и коллективного использования ресурсов сети: аппаратных, программных и информационных.

Объединение компьютеров в сеть позволяет совместно использовать дорогостоящее оборудование - диски большой емкости, принтеры, основную память, иметь общие программные средства и данные.

Основным назначением сети является обеспечение простого, удобного и надежного доступа пользователя к распределенным общесетевым ресурсам и организация их коллективного использования при надежной защите от несанкционированного доступа, а также обеспечение удобных и надежных средств передачи данных между пользователями сети.

Кроме того, компьютерные сети позволяют автоматизировать управление производством, транспортом, материально-техническим снабжением в масштабе отдельных регионов и страны в целом.

Возможность концентрации в сетях больших объемов данных, общедоступность этих данных, а также программных и аппаратных средств обработки и высокая надежность их функционирования позволяет улучшить информационное обслуживание пользователей и резко повысить эффективность применения вычислительной техники.

В условиях компьютерной сети предусмотрена возможность:

· организовать параллельную обработку данных многими компьютерами;

· создавать распределенные базы данных, размещаемые в памяти различных компьютеров;

· специализировать отдельные компьютеры (их группы) для эффективного решения определенных классов задач;

· автоматизировать обмен информацией и программами между отдельными компьютерами и пользователя сети;

· резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных на случай выхода из строя отдельных из них с целью быстрого восстановления нормальной работы сети;

· перераспределять вычислительные мощности между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;

· стабилизировать и повышать уровень загрузки компьютеров и дорогостоящего периферийного оборудования;

· сочетать работу в широком диапазоне режимов: диалоговом, пакетном, режимах «запрос-ответ», а также сбора, передачи и обмена информацией.

Как показывает практика, за счет расширения возможностей обработки данных, лучшей загрузки ресурсов и повышения надежности функционирования системы в целом стоимость обработки данных в вычислительных компьютерных сетях не менее чем в полтора раза ниже по сравнению с обработкой аналогичных данных на автономных ЭВМ.


В общем случае, в сеть могут объединяться компьютеры разных модификаций, а каналы связи - иметь разные характеристики. Поэтому важными являются: 1) разработка единых правил обмена информацией в сети (протоколов) и 2) стандартизация оборудования. Приоритет в области стандартизации связи принадлежит Международному комитету по телеграфии и телефонии (МКТТ). Он. Действуя совместно с комитетом 802 Института инженеров по электротехнике и электронике США (IEEE), принял эталонную логическую модель сети, которая предусматривает выделение семи уровней со строго определенными задачами:

Рис.– Базовая модель взаимодействия открытых систем OSI
(Open System Interconnection)

Логическая модель передачи информации в сети

УРОВЕНЬ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ (ПРИКЛАДНОЙ) Программы пользователя; обслуживание бесперебойной работы
УРОВЕНЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ Преобразование информации; настройка задач на операционную среду
УРОВЕНЬ ОБМЕНА (СЕАНСОВЫЙ) Организация и синхронизация диалога; процесс обмена информацией
УРОВЕНЬ ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ (ТРАНСПОРТНЫЙ) Обеспечение надежности обмена информацией между конечными пользователями
СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ Конфигурация носителей информации при соединении участков сети
УРОВЕНЬ КАНАЛА СВЯЗИ (КАНАЛЬНЫЙ) Обеспечение надежности передачи на участке сети
ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ Передача цифровых данных через физический носитель

Физический и канальный уровни образуют нижнюю группу и непосредственно связаны с каналом передачи данных: физический осуществляет сопряжение с каналом, а канальный – управление передачей информации по каналу. Сетевой и транспортный уровни «прокладывают» путь информации между системой-отправителем и системой-получателем и управляют процессом передачи по этому пути. Сеансовый , прикладной и уровень представления данных непосредственно связаны с организацией взаимодействия прикладных программ пользователей, а также с вводом, хранением, обработкой данных и выдачей результатов. Каждый из уровней выполняет указания уровня, расположенного над ним.

Сетевой протокол - набор правил и соглашений, используемых при передаче данных между компьютерами в сети. Протокольный стек – комплект протоколов нескольких смежных уровней (пример: TCP/IP).

Прикладной уровень – высший уровень модели, обеспечивающий прикладной программе пользователя доступ к сетевым ресурсам.

Примеры протоколов:

FTP (File Transfer Protocol) – пересылка файлов;

X.400 – передача сообщений электронной почты;

Telnet – эмуляция удаленного терминала.

Уровень представления данных обеспечивает преобразование кодов (например, из KOI8-P в Windows 1251), форматов файлов, сжатие и распаковку, шифрование и дешифрование.

Пример протокола: SSL (Secure Socket Layer) – обеспечивает конфиденциальность передачи данных в стеке TCP/IP.

Сеансовый уровень – обеспечивает инициализацию и завершение сеанса-диалога между устройствами, надежность соединения до конца сеанса, обработку ошибок, повторную передачу.

Пример протокола: NetBIOS (Network Basic Input/Output System).

Транспортный уровень – отвечает за передачу данных от источника к получателю. Здесь:

‒ данные разбиваются на несколько нумерованных пакетов;

‒ определяются пути передачи;

‒ на приемной стороне данные собираются и в нужном порядке передаются на сеансовый уровень

Примеры протоколов:

‒ TCP (Transmission Control Protocol) – протокол передачи данных с установлением соединения;

‒ UDP (User Datagram Protocol) - протокол передачи данных без установления соединения.

Сетевой уровень – отвечает за:

‒ адресацию;

‒ поиск пути от источника к получателю;

‒ установление и обслуживание логической связи между узлами.

Примеры протоколов:

‒ ARP (Address Resolution Protocol) – взаимное преобразование аппаратных и сетевых адресов;

‒ IP (Internet Protocol) - протокол доставки дейтаграмм, основа стека TCP/IP.

Канальный уровень – обеспечивает:

‒ формирование кадров, передаваемых через физический уровень;

‒ контроль ошибок;

‒ управление потоком данных.

Физический уровень – нижний уровень, обеспечивающий физическое кодирование бит кадра в электрические сигналы и передачу их по линиям связи. Определяет тип кабелей и разъемов,назначение контактов и формат физических сигналов.

Примеры протоколов:

IEEE 802.5 – Tokeng Ring;

IEEE 802.3 - Ethernet.

Задача всех семи уровней – обеспечить надежное взаимодействие прикладных (информационных) процессов. При этом каждый уровень выполняет возложенную на него задачу. Однако уровни работают так, чтобы в нужных случаях можно было проверить работу других уровней. Так, если канальный уровень случайно пропустит ошибку, появившуюся при передаче информации, то ее определит и исправит транспортный уровень.

Некоторое представление о различиях логических уровней сети можно получить при рассмотрении следующего примера. Представьте себе, что два человека (президенты разных стран) захотят обменяться своими мыслями и жизненным опытом, причем один из них живет в нашей стране, а другой - в США. Перед нашими героями возникнут две проблемы: язык общения и техническое обеспечение связи. Техническая сторона проблемы решается установлением связи, например, по проводной линии передач. Для решения проблемы языка придется прибегнуть к помощи двух переводчиков. В результате - на уровне президентов безразлично, какой язык общения выбрали для себя переводчики и как они об этом договорились, главное, что каждый президент общается со своим переводчиком на родном языке.

Для переводчиков безразлично то, как установлена связь: через спутник или через кабельную линию, главное, что они слышат друг друга. С точки зрения линии связи абсолютно не важно кто и что говорит, главное - обеспечить хорошую слышимость. Таким образом, у каждого уровня свои строго определенные функции, и каждый вышестоящий опирается на возможности нижестоящего.

Основная функция систем передачи данных в условиях функционирования компьютерных сетей заключается в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также в сокращении затрат на передачу данных. Последнее особенно важно, так как за прошедшее время произошло увеличение доли затрат на передачу данных в общей структуре затрат на организацию сетевой обработки информации. Это объясняется главным образом тем, что затраты на техническое обеспечение компьютерных сетей сократились за этот период примерно в десять раз, тогда как затраты на организацию и эксплуатацию каналов связи сократились только в два раза.

Аппаратные компоненты компьютерной сети:

– Рабочая станция – подключенный к сети компьютер, на котором пользователь выполняет свою работу. Каждая РС использует свою ОС.

– Сервер сети – мощный постоянно подключенный к сети компьютер, предоставляющий пользователям сети определенные услуги (хранение общих данных, печать заданий и т. д.)

Серверы сети.

Файловый сервер – компьютер, хранящий общие данные и обеспечивающий одновременный согласованный доступ пользователей к этим данным.

Сервер прикладных программ – компьютер, который используется для выполнения прикладных программ пользователей.

Сервер баз данных выполняет функции: хранение БД, поддержку их целостности, полноты, актуальности; прием, обработку запросов к БД и отправку результатов пользователям; обеспечение авторизованного доступа к БД, разграничение доступа; согласование изменений данных, вносимых разными пользователями; поддержку распределенных БД.

Коммуникационный сервер – компьютер, который предоставляет пользователям прозрачный доступ к своим последовательным портам ввода-вывода.

Сервер доступа – компьютер, позволяющий проводить удаленную обработку заданий.

Факс-сервер – компьютер, который осуществляет рассылку факсов.

Сервер резервного копирования данных – компьютер, который решает задачи создания, хранения и восстановления копий данных, расположенных на файловых серверах и рабочих станциях.

Коммуникационные узлы:

– повторитель – repeater (концентратор - hub) – устройство, усиливающее или регенерирующее пришедший сигнал;

– коммутатор – switch, (мост - bridge) – в отличие от повторителя, выполняет развязку присоединенных сегментов;

– маршрутизатор – router – соединяет сети с одинаковыми протоколами обмена данными. Анализируя адрес назначения, он выбирает оптимальный маршрут;

– шлюз – gateway – соединяет сети с разными протоколами обмена данными.

Устройства для подключения компьютеров к линиям связи:

– Сетевая карта (адаптер) – устройство для физического подключения компьютера к локальной сети. Имеет уникальный номер.

– Модем – устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами по каналам связи (выполняет преобразование компьютерных данных в звуковой аналоговый сигнал для передачи по телефонной линии (модуляция), а также обратное преобразование (демодуляция))

Линии связи:

– Кабели (коаксиальный, витая пара);

– Телефонные линии;

– Оптоволоконные линии;

– Радиосвязь, спутниковая связь.

Характеристики линий связи :

– амплитудно-частотная характеристика

– полоса пропускания

– затухание

– помехоустойчивость

– перекрестные наводки на ближнем конце линии

– пропускная способность

– достоверность передачи данных

– удельная стоимость.

Основная характеристика: пропускная способность – Бит/с (кБит/с, МБит/с).

Важнейшая характеристика сетей передачи данных - время доставки информации - зависит от структуры сети передачи даны, пропускной способности линий связи, а также от способа соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети и способа передачи данных по этим каналам. В настоящее время различают системы передачи данных: 1) с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и 2) с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

1) При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема-передачи абонентских пунктов и компьютеры постоянно соединены между собой, т.е. находятся в режиме «on-line». В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линии связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.

2) При коммутации абонентских пунктов и компьютеров только на время передачи информации (т.е. нормальным режимом, для которых является режим «off-line») принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: каналов, сообщений и пакетов

Коммутация каналов . Способ коммутации каналов заключается в установлении физического канала связи для передачи данных непосредственно между абонентами сети. При использовании коммутируемых каналов тракт (путь) передачи данных образуется из самих каналов связи и устройств коммутации, расположенных в узлах связи

Установление соединения заключается в том, что абонент посылает в канал связи заданный набор символов, прохождение которых по сети через соответствующие узлы коммутации вызывает установку нужного соединения с вызываемым абонентом. Этот транзитный канал образуется в начале сеанса связи, остается фиксированным на период передачи всей информации и разрывается только после завершения передачи информации.

Такой способ соединения используется в основном в сетях, где требуется обеспечить непрерывность передачи сообщений (например, при использовании телефонных каналов связи и абонентского телеграфа). В этом случае связь абонентов возможна только при условии использования ими однотипной аппаратуры, одинаковых каналов связи, а также единых кодов.

К достоинствам данного способа организации соединения абонентов сети следует отнести:

· гибкость системы соединения в зависимости от изменения потребностей;

· высокую экономичность использования каналов, достигаемую за счет их эксплуатации только в течение времени установления связи и непосредственно передачи данных;

· невысокие расходы на эксплуатацию каналов связи (на порядок.меньше, чем при эксплуатации некоммутируемых линий связи).

Способ коммутации каналов более оперативный, так как позволяет вести непрерывный двусторонний обмен информацией между двумя абонентами.

Недостатками коммутируемых каналов связи является необходимость использования специальных и коммутирующих устройств, которые снижают скорость передачи данных и достоверность передаваемой информации. Использование специальных методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности передачи информации в сети, влечет за собой снижение скорости передачи данных за счет:

· увеличения объема передаваемой информации, вызванного необходимостью введения избыточных знаков;

· потерь времени на кодирование информации в узле-передатчике и декодирование, логический контроль и другие преобразования - в узле-приемнике.

Наконец, сокращение потоков информации ниже пропускной способности аппаратной части и каналов связи ведет к недогрузке канала, а в период пиковой нагрузки может вызвать определенные потери вызовов.

Коммутация сообщений . При коммутации сообщений поступающая на узел связи информация передается в память узла связи, после чего анализируется адрес получателя. В зависимости от занятости требуемого канала сообщение либо передается в память соседнего узла, либо становится в очередь для последующей передачи. Таким образом, способ коммутации сообщений обеспечивает поэтапный характер передачи информации, В этом случае сообщения содержат адресный признак (заголовок), в соответствии с которым осуществляется автоматическая передача информации в сети от абонента-передатчика к абоненту-приемнику. Все функции согласования работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей сообщений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) коммутации сообщений. Основное функциональное назначение центра коммутации сообщений - обеспечить автоматическую передачу информации от абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и требованиями к качеству и надежности связи.

Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (которая в этом случае может достигать 80 - 90% от максимального значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется одновременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.

Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования возможно совместное применение перечисленных методов коммутации, основой которого служат следующие условия:

· использование в одном и том же узле связи аппаратуры для коммутации каналов и для коммутации сообщений (того или иного способа коммутации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);

· организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уровней иерархии и коммутации сообщений для нижних уровней.

Коммутация пакетов . Еще один способ коммутации абонентов сети - так называемая коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ методов коммутации каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В этом отношении указанный метод близок методу коммутации каналов.

При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, т.е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при методе коммутации сообщений.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов:

· в системах первого типа устройство коммутации анализирует адрес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необходимый для передачи информации;

· в системах второго типа пакеты рассылаются по всем каналам и терминалам, каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализировав адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным, осуществляет прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.

Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип применим для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.

Сопряжение компьютеров и устройств в сетях. Существенное влияние на организацию систем обработки данных оказывают технические возможности средств, используемых для сопряжения (комплексирования) компьютеров и других устройств. Основным элементом сопряжения является интерфейс, определяющий число линий, используемых для передачи сигналов и данных, а также способ (алгоритм) передачи информации по линиям связи.

Все интерфейсы, используемые в ВТ и сетях, разделяются на три вида: параллельные, последовательные, связные.

Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий, по которым передача данных осуществляется в параллельном коде (обычно в виде 8-128 разрядных слов). Параллельный интерфейс обладает большой пропускной способностью: порядка 10 4 -10 5 бод (бит/с). Столь большие скорости передачи данных обеспечиваются за счет ограниченной длины интерфейса (обычно от нескольких метров до десятков (очень редко до сотни) метров).

Последовательный интерфейс состоит, как правило, из одной линии, данные по которой передаются в последовательном коде. Пропускная способность последовательного интерфейса составляет 10 3 - 10 4 бит/с при длине линии интерфейса от десятков метров до километра.

Связные интерфейсы содержат каналы связи, работа которых обеспечивается аппаратурой передачи данных, повышающей (в основном с помощью специальных физических методов) достоверность передачи данных. Связные интерфейсы обеспечивают передачу данных на любые расстояния, однако с небольшой скоростью (в пределах 10 2 -10 3 бит/с). Применение связных интерфейсов экономически целесообразно на расстоянии не менее километра.


Похожая информация.


Само по себе понятие локальной сети означает объединение нескольких компьютеров или компьютерных устройств в единую систему для обмена информацией между ними, а так же совместного использования их вычислительных ресурсов и периферийного оборудования. Таким образом, локальные сети позволяют:

Обмениваться данными (фильмами, музыкой, программами, играми и прочим) между членами сети. При этом для просмотра фильмов или прослушивания музыки совершенно не обязательно записывать их к себе на жесткий диск. Скорости современных сетей позволяют это делать прямо с удаленного компьютера или мультимедийного устройства.

Подключать одновременно сразу несколько устройств к глобальной сети Интернет через один канал доступа. Наверное, это одна из самых востребованных функций локальных сетей, ведь в наши дни список оборудования, в котором может использоваться соединение с всемирной паутиной, очень велик. Помимо всевозможной компьютерной техники и мобильных устройств, теперь полноправными участниками сети стали телевизоры, DVD/Blu-Ray проигрыватели, мультимедиа плееры и даже всевозможная бытовая техника, начиная от холодильников и заканчивая кофеварками.

Совместно использовать компьютерное периферийное оборудование, такое как принтеры, МФУ, сканеры и сетевые хранилища данных (NAS).

Совместно использовать вычислительные мощности компьютеров участников сети.При работе с программами, требующих сложных вычислений, например как 3D-визуализация, для увеличения производительности и ускорения обработки данных, можно задействовать свободные ресурсы других компьютеров состоящих в сети. Таким образом, имея несколько слабых машин объединённых в локальную сеть, можно использовать их суммарную производительность для выполнения ресурсоемких задач.

Как видите, создание локальной сети даже в рамках одной квартиры, может принести немало пользы. Тем боле, что наличие дома сразу нескольких устройств, требующих подключения к интернету, уже давно не редкость и объединение их в общую сеть, является актуальной задачей для большинства пользователей.

Основные принципы построения локальной сети

Чаще всего в локальных сетях используются два основных типа передачи данных между компьютерами – по проводам, такие сети называются кабельными и используют технологию Ethernet, а так же с помощью радиосигнала по беспроводным сетям, построенных на базе стандарта IEEE 802.11, который более известен пользователям под названием Wi-Fi.

На сегодняшний день проводные сети до сих пор обеспечивают самую высокую пропускную способность, позволяя пользователям обмениваться информацией со скоростью до 100 Мбит/c (12 Мб/c) или до 1 Гбит/с (128 Мб/с) в зависимости от используемого оборудования (Fast Ethernet или Gigabit Ethernet). И хотя современные беспроводные технологии чисто теоретически тоже могут обеспечить передачу данных до 1.3 Гбит/c (стандарт Wi-Fi 802.11ac), на практике эта цифра выглядит гораздо скромнее и в большинстве случаев не превышает величину 150 – 300 Мбит/с. Виной тому служит дороговизна высокоскоростного Wi-Fi оборудования и низкий уровень его использования в нынешних мобильных устройствах.

Как правило, все современные сети устроены по одному принципу: компьютеры пользователей (рабочие станции), оборудованные сетевыми адаптерами, соединяются между собой через специальные коммутационные устройства, в качестве которых могут выступать: маршрутизаторы (роутеры), коммутаторы (хабы или свитчи), точки доступа или модемы. Более подробно об их отличиях и назначениях мы поговорим ниже, а сейчас просто знайте, что без этих электронных коробочек, объединить сразу несколько компьютеров в одну систему не получится. Максимум чего можно добиться, это создать мини-сеть из двух ПК, соединив их, друг с другом.

Не нужно забывать, что локальная сеть — это «изделие» с индивидуальными решениями для каждого конкретного случая, которое не терпит непродуманного подхода. Именно поэтому, как любое качественное изделие, локальная сеть должна строиться профессионалами . Давайте далее рассмотрим, что нам нужно знать для проведения качественного монтажа.

В самом начале необходимо определить основные требования к вашей будущей сети и ее масштаб. Ведь от количества устройств, их физического размещения и возможных способов подключения, напрямую будет зависеть выбор необходимого оборудования. Чаще всего домашняя локальная сеть является комбинированной и в ее состав может входить сразу несколько типов коммутационных устройств. Например, стационарные компьютеры могут быть подключены к сети с помощью проводов, а различные мобильные устройства (ноутбуки, планшеты, смартфоны) – через Wi-Fi.

Для примера рассмотрим схему одного из возможных вариантов домашней локальной сети. В нем будут участвовать электронные устройства, предназначенные для различных целей и задач, а так же использующих разный тип подключения.

Как видно из рисунка, в единую сеть могут объединяться сразу несколько настольных компьютеров, ноутбуков, смартфонов, телевизионных приставок (IPTV), планшетов и медиаплееров и прочих устройств. Теперь давайте разбираться, какое же оборудование вам понадобится, для построения собственной сети.

Сетевая карта

Сетевая плата является устройством, позволяющим компьютерам связываться друг с другом и обмениваться данными в сети. Все сетевые адаптеры по типу можно разделить на две большие группы – проводные и беспроводные.

Проводные сетевые платы позволяют подключать электронные устройства к сети с использованием технологии Ethernet при помощи кабеля, а в беспроводных сетевых адаптерах используется радио технология Wi-Fi.

Как правило, все современные настольные компьютеры уже оснащены встроенными в материнскую плату сетевыми картами Ethernet, а все мобильные устройства (смартфоны, планшеты) — сетевыми адаптерами Wi-Fi. При этом ноутбуки и ультрабуки в большинстве своем оснащаются обоими сетевыми интерфейсами сразу.

Несмотря на то, что в подавляющем большинстве случаев, компьютерные устройства имеют встроенные сетевые интерфейсы, иногда возникает необходимость в приобретении дополнительных плат, например, для оснащения системного блока беспроводным модулем связи Wi-Fi.

По своей конструктивной реализации отдельные сетевые карты делятся на две группы – внутренние и внешние. Внутренние карты предназначены для установки в настольные компьютеры с помощью интерфейсов и соответствующих им разъемов PCI и PCIe. Внешние платы подключаются через разъемы USB или устаревающие PCMCIA (только ноутбуки).

Маршрутизатор (Роутер)

Основным и самым главным компонентом домашней локальной сети является роутер или маршрутизатор – специальная коробочка, которая позволяет объединять несколько электронных устройств в единую сеть и подключать их к Интернету через один единственный канал, предоставляемый вам провайдером.

Роутер – это многофункциональное устройство или даже миникомпьютер со своей встроенной операционной системой, имеющий не менее двух сетевых интерфейсов. Первый из них — LAN (Local Area Network) или ЛВС (Локальная Вычислительная Сеть) служит для создания внутренней (домашней) сети, которая состоит из ваших компьютерных устройств. Второй – WAN (Wide Area Network) или ГВС (Глобальная Вычислительная Сеть) служит для подключения локальной сети (LAN) к другим сетям и всемирной глобальной паутине — Интернету.

Основным назначением устройств подобного типа является определение путей следования (составление маршрутов) пакетов с данными, которые пользователь посылает в другие, более крупные сети или запрашивает из них. Именно с помощью маршрутизаторов, огромные сети разбиваются на множество логических сегментов (подсети), одним из которых является домашняя локальная сеть. Таким образом, в домашних условиях основной функцией роутера можно назвать организацию перехода информации из локальной сети в глобальную, и обратно.

Еще одна важная задача маршрутизатора – ограничить доступ к вашей домашней сети из всемирной паутины. Наверняка вы вряд будете довольны, если любой желающий сможет подключаться к вашим компьютерам и брать или удалять из них все что ему заблагорассудится.

Что бы этого не происходило, поток данных, предназначенный для устройств, относящихся к определенной подсети, не должен выходить за ее пределы. Поэтому, маршрутизатор из общего внутреннего трафика, создаваемого участниками локальной сети, выделяет и направляет в глобальную сеть только ту информацию, которая предназначена для других внешних подсетей. Таким образом, обеспечивается безопасность внутренних данных и сберегается общая пропускная способность сети.

Главный механизм, который позволяет роутеру ограничить или предотвратить обращение из общей сети (снаружи) к устройствам в вашей локальной сети получил название NAT (Network Address Translation). Он же обеспечивает всем пользователям домашней сети доступ к Интернету, благодаря преобразованию несколько внутренних адресов устройств в один публичный внешний адрес, который предоставляет вам поставщик услуг интернета. Все это дает возможность компьютерам домашней сети спокойно обмениваться информацией между собой и получать ее из других сетей. В то же время, данные хранящиеся в них остаются недоступными для внешних пользователей, хотя в любой момент доступ к ним может быть предоставлен по вашему желанию.

В общем, маршрутизаторы можно разделить на две большие группы — проводные и беспроводные. Уже по названиям видно, что к первым все устройства подключаются только с помощью кабелей, а ко вторым, как с помощью проводов, так и без них с использованием технологии Wi-Fi. Поэтому, в домашних условиях, чаще всего используются именно беспроводные маршрутизаторы, позволяющие обеспечивать интернетом и объединять в сеть компьютерное оборудование, использующее различные технологии связи.

Для подключения компьютерных устройств с помощью кабелей, роутер имеет специальные гнезда, называемые портами. В большинстве случаев на маршрутизаторе имеется четыре порта LAN для подсоединения ваших устройств и один WAN-порт для подключения кабеля провайдера.

Во многих случаях, роутер может оказаться единственным компонентом, необходимым для построения собственной локальной сети, так как в остальных попросту не будет нужды. Как мы уже говорили, даже самый простой маршрутизатор позволяет при помощи проводов подключить до четырех компьютерных устройств. Ну а количество оборудования, получающего одновременный доступ к сети с помощью технологии Wi-Fi, может и вовсе исчисляться десятками, а то и сотнями.

Если все же в какой-то момент количества LAN-портов роутера перестанет хватать, то для расширения кабельной сети к маршрутизатору можно подсоединить один или несколько коммутаторов (речь о них пойдет ниже), выполняющих функции разветвителей.

Модем

В современных компьютерных сетях модемом называют устройство обеспечивающее выход в интернет или доступ к другим сетям через обычные проводные телефонные линии (класс xDSL) или с помощью беспроводных мобильных технологий (класс 3G).

Условно модемы можно разделить на две группы. К первой относятся те, которые соединяются с компьютером через интерфейс USB и обеспечивают выходом в сеть только один конкретный ПК, к которому непосредственно происходит подключение модема. Во второй группе для соединения с компьютером используется уже знакомые нам LAN и/или Wi-Fi интерфейсы. Их наличие говорит о том, что модем имеет встроенный маршрутизатор. Такие устройства часто называют комбинированными, и именно их следует использовать для построения локальной сети.

При выборе DSL-оборудования пользователи могут столкнуться с определенными трудностями, вызванными путаницей в его названиях. Дело в том, что зачастую в ассортименте компьютерных магазинов, соседствуют сразу два очень похожих класса устройств: модемы со встроенными роутерами и роутеры со встроенными модемами. В чем же у них разница?

Каких-либо ключевых отличий эти две группы устройств практически не имеют. Сами производители позиционируют маршрутизатор со встроенным модемом как более продвинутый вариант, наделенный большим количеством дополнительных функций и обладающий улучшенной производительностью. Но если вас интересуют только базовые возможности, например, такие как, подключение к интернету всех компьютеров домашней сети, то особой разницы между модемами-маршрутизаторами и маршрутизаторами где, в качестве внешнего сетевого интерфейса используется DSL-модем, нет.

Итак, подытожим, современный модем, с помощью которого можно построить локальную сеть – это, по сути, маршрутизатор, у которого в качестве внешнего сетевого интерфейса выступает xDSL или 3G-модем.

Коммутатор

Коммутатор или свитч (switch) служит для соединения между собой различных узлов компьютерной сети и обмена данными между ними по кабелям.

В роли этих узлов могут выступать как отдельные устройства, например настольный ПК, так уже и объединенные в самостоятельный сегмент сети целые группы устройств. В отличие от роутера, коммутатор имеет только один сетевой интерфейс – LAN и используется в домашних условиях в качестве вспомогательного устройства преимущественно для масштабирования локальных сетей.

Для подключения компьютеров с помощью проводов, как и маршрутизаторы, коммутаторы так же имеют специальные гнезда-порты. В моделях, ориентированных на домашнее использование, обычно их количество равняется пяти или восьми. Если в какой-то момент для подключения всех устройств количества портов коммутатора перестанет хватать, к нему можно подсоединить еще один свитч. Таким образом, можно расширять домашнюю сеть сколько угодно.

Коммутаторы разделяют на две группы: управляемые и неуправляемые. Первые, что следует из названия, могут управляться из сети с помощью специального программного обеспечения. Имея продвинутые функциональные возможности, они дороги и не используются в домашних условиях. Неуправляемые свитчи распределяют трафик и регулируют скорость обмена данными между всеми клиентами сети в автоматическом режиме. Именно эти устройства являются идеальными решениями для построения малых и средних локальных сетей, где количество участников обмена информацией невелико.

В зависимости от модели, коммутаторы могут обеспечить максимальную скорость передачи данных равную либо 100 Мбит/с (Fast Ethernet), либо 1000 Мбит/c (Gigabit Ethernet). Гигабитные свитчи лучше использовать для построения домашних сетей, в которых планируется часто передавать файлы большого размера между локальными устройствами.

Беспроводная точка доступа

Для обеспечения беспроводного доступа к интернету или ресурсам локальной сети, помимо беспроводного маршрутизатора можно использовать и другое устройство, называемое беспроводной точкой доступа.

В отличие от роутера, данная станция не имеет внешнего сетевого интерфейса WAN и оснащается в большинстве случаев только одним портом LAN для подключения к роутеру или коммутатору. Таким образом, точка доступа вам понадобится в том случае, если в вашей локальной сети используется обычный маршрутизатор или модем без поддержки Wi-Fi.

Использование же дополнительных точек доступа в сети с беспроводным маршрутизатором может быть оправдано в тех случаях, когда требуется большая зона покрытия Wi-Fi. Например, мощности сигнала одного лишь беспроводного роутера может не хватить, что бы покрыть полностью всю площадь в крупном офисе или многоэтажном загородном доме.

Так же точки доступа можно использовать для организации беспроводных мостов, позволяющих соединять между собой с помощью радиосигнала отдельные устройства, сегменты сети или целые сети в тех местах, где прокладка кабелей нежелательна или затруднительна.

Сетевой кабель, коннекторы, розетки

Несмотря на бурное развитие беспроводных технологий, до сих пор многие локальные сети строятся с помощью проводов. Такие системы имеют высокую надежность, отличную пропускную способность и сводят к минимуму возможность несанкционированного подключения к вашей сети извне.

Для создания проводной локальной сети в домашних и офисных условиях используется технология Ethernet, где сигнал передается по так называемой «витой паре» (TP- Twisted Pair) – кабелю, состоящему из четырех медных свитых друг с другом (для уменьшения помех) пар проводов.

При построении компьютерных сетей используется преимущественно неэкранированный кабель категории CAT5, а чаще его усовершенствованная версия CAT5e. Кабели подобной категории позволяют передавать сигнал со скоростью 100 Мбит/c при использовании только двух пар (половины) проводов, и 1000 Мбит/с при использовании всех четырех пар.

Для подключения к устройствам (маршрутизаторам, коммутаторам, сетевым картам и так далее) на концах витой пары используются 8-контактные модульные коннекторы, повсеместно называемые RJ-45 (хотя их правильное название — 8P8C).

В зависимости от вашего желания, вы можете, либо купить в любом компьютерном магазине уже готовые (с обжатыми разъемами) сетевые кабели определённой длинны, называемые «патч-кордами», либо по отдельности приобрести витую пару и разъемы, а затем самостоятельно изготовить кабели необходимого размера в нужном количестве.

Используя кабели для объединения компьютеров в сеть, конечно можно подключать их напрямую от коммутаторов или маршрутизаторов к разъемам на сетевых картах ПК, но существует и другой вариант – использование сетевых розеток.

В этом случае, один конец кабеля соединяется с портом коммутатора, а другой с внутренними контактами розетки, во внешний разъем которой впоследствии можно уже подключать компьютерные или сетевые устройства.

Сетевые розетки могут быть как встраиваемыми в стену, так и монтируемыми снаружи. Применение розеток вместо торчащих концов кабелей придаст более эстетичный вид вашему рабочему месту. Так же розетки удобно использовать в качестве опорных точек различных сегментов сети. Например, можно установить коммутатор или маршрутизатор в коридоре квартиры, а затем от него капитально развести кабели к розеткам, размещенным во всех необходимых помещениях. Таким образом, вы получите несколько точек, расположенных в разных частях квартиры, к которым можно будет в любой момент подключать не только компьютеры, но и любые сетевые устройства, например, дополнительные коммутаторы для расширения вашей домашней или офисной сети.

Еще одной мелочью, которая вам может понадобиться при построении кабельной сети является удлинитель, который можно использовать для соединения двух витых пар с уже обжатыми разъемами RJ-45.

Помимо прямого назначения, удлинители удобно применять в тех случаях, когда конец кабеля заканчивается не одним разъемом, а двумя. Такой вариант возможен при построении сетей с пропускной способностью 100 Мбит/c, где для передачи сигнала достаточно использования только двух пар проводов.

Так же для подключения к одному кабелю сразу двух компьютеров без использования коммутатора можно использовать сетевой разветвитель. Но опять же стоит помнить, что в этом случае максимальная скорость обмена данными будет ограничена 100 Мбит/c.

Более подробно об обжимке витой пары, подключения розеток и характеристиках сетевых кабелей читайте в специальном материале.

Топология сети

Теперь, когда мы познакомились с основными компонентами локальной сети, пришло время поговорить о топологии. Если говорить простым языком, то сетевая топология – это схема, описывающая месторасположения и способы подключения сетевых устройств.

Существует три основных вида топологии сети: Шина, Кольцо и Звезда. При шинной топологии все компьютеры сети подключаются к одному общему кабелю. Для объединения ПК в единую сеть с помощью топологии «Кольцо», осуществляется их последовательное соединение между собой, при этом последний компьютер подключается к первому. При топологии «Звезда» каждое устройство подсоединяется к сети через специальный концентратор с помощью отдельного кабеля.

Наверное, внимательный читатель уже догадался, что для построения домашней или небольшой офисной сети преимущественно используется топология «Звезда», где в качестве устройств-концентраторов используются маршрутизаторы и коммутаторы.

Создание сети с применением топологии «Звезда» не требует глубоких технических знаний и больших финансовых вливаний. Например, с помощью коммутатора, стоимостью 250 рублей можно за несколько минут объединить в сеть 5 компьютеров, а при помощи маршрутизатора за пару тысяч рублей и вовсе построить домашнюю сеть, обеспечив несколько десятков устройств доступом к интернету и локальным ресурсам.

Еще одними несомненными преимуществами данной топологии являются хорошая расширяемость и простота модернизации. Так, ветвление и масштабирование сети достигается путем простого добавления дополнительных концентраторов с необходимыми функциональными возможностями. Так же в любой момент можно изменять физическое месторасположение сетевых устройств или менять их местами, чтобы добиться более практичного использования оборудования и уменьшить количество, а так же длину соединительных проводов.

Несмотря на то, что топология «Звезда» позволяет достаточно быстро изменять сетевую структуру, расположения маршрутизатора, коммутаторов и других необходимых элементов необходимо продумать заранее, сообразуясь с планировкой помещения, количеством объединяемых устройств и способами их подключения к сети. Это позволит минимизировать риски, связанные с покупкой неподходящего или избыточного оборудования и оптимизировать сумму ваших финансовых затрат.

Заключение

В этом материале мы рассмотрели общие принципы построения локальных сетей, основное оборудование, которое при этом используется и его назначение. Теперь вы знаете, что главный элементом практически любой домашней сети является маршрутизатор, который позволяет объединять в сеть множество устройств, использующих как проводные (Ethernet), так и беспроводные (Wi-Fi) технологии, при этом обеспечивая всем им подключение к интернету через один единственный канал.

В качестве вспомогательного оборудования для расширения точек подключения к локальной сети с помощью кабелей, используются коммутаторы, по сути, являющиеся разветвителями. Для организации же беспроводных соединений служат точки доступа, позволяющие с помощью технологии Wi-Fi не только подключать без проводов к сети всевозможные устройства, но и режиме «моста» соединять между собой целые сегменты локальной сети.

Что бы точно понимать, сколько и какого оборудования вам необходимо будет приобрести для создания будущей домашней сети, обязательно сначала составьте ее топологию. Нарисуйте схему расположения всех устройств-участников сети, которым потребуется кабельное подключение. В зависимости от этого выберите оптимальную точку размещения маршрутизатора и при необходимости, дополнительных коммутаторов. Каких-либо единых правил здесь нет, так как физическое расположение роутера и свитчей зависит от многих факторов: количества и типа устройств, а так же задач, которые на них будут возложены; планировки и размера помещения; требований к эстетичности вида коммутационных узлов; возможностей прокладки кабелей и прочих.

Итак, как только у вас появится подробный план вашей будущей сети, можно начинать переходить к подбору и покупке необходимого оборудования, его монтажу и настройке. Но на эти темы мы поговорим уже в наших следующих материалах.

Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации.

Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков:

  • · Территориальная распространенность;
  • · Ведомственная принадлежность;
  • · Скорость передачи информации;
  • · Тип среды передачи;

По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, и региональными. Локальные - это сети, перекрывающие территорию не более 10 м 2 , региональные - расположенные на территории города или области, глобальные - на территории государства или группы государств, например, всемирная сеть Internet.

По принадлежности различают ведомственные и государственные сети. Ведомственные принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Государственные сети - сети, используемые в государственных структурах. компьютерная сеть глобальный информация

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко-, средне- и высокоскоростные.

По типу среды передачи разделяются на сети коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные, с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне.

Компьютеры могут соединяться кабелями, образуя различную топологию сети (звездная, шинная, кольцевая и др.).

Следует различать компьютерные сети и сети терминалов (терминальные сети). Компьютерные сети связывают компьютеры, каждый из которых может работать и автономно. Терминальные сети обычно связывают мощные компьютеры (майнфреймы), а в отдельных случаях и ПК с устройствами (терминалами), которые могут быть достаточно сложны, но вне сети их работа или невозможна, или вообще теряет смысл. Например, сеть банкоматов или касс по продажи авиабилетов. Строятся они на совершенно иных, чем компьютерные сети, принципах и даже на другой вычислительной технике.

В классификации сетей существует два основных термина: LAN и WAN.

LAN (Local Area Network) - локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку - около шести миль (10 км) в радиусе; использование высокоскоростных каналов.

WAN (Wide AreaNetwork) - глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN - сети с коммутацией пакетов (Frame Relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети.

Термин «корпоративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.

Рассмотренные выше виды сетей являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью. Глобальные сети ориентированы на обслуживание любых пользователей. Информация предоставлена на рис. 1.

Рисунок 1. Способы коммутации компьютеров и виды сетей

Пожалуй, операционные системы в традиционно понимаемом смысле в настоящее время являются скорее предметом индустриальных разработок, чем исследований. Даже те работы, которые велись и ведутся в университетах США, все более приобретают характер полупромышленных разработок. По всей видимости, это связано, во-первых, с накоплением громадного запаса методов и алгоритмов, а во-вторых, с достаточно жесткой стандартизацией функций и интерфейсов операционных систем. Пожалуй, единственной областью, примыкающей к тематике операционных систем и подвергаемой интенсивным исследованиям, является область объектных операционных сред (основанных на специально разработанных или традиционных ОС).

В этом материале мы кратко рассмотрим три темы: современное состояние наиболее развитой на сегодняшний день и популярной в академических и научных кругах операционной системы UNIX, а также состояние дел в области стандартизации ОС; сравнительно новую и перспективную технологию организации операционных систем на основе микроядер.

1. ОС UNIX и стандарты Открытых Систем

Операционная система UNIX, являющаяся первой в истории мобильной ОС, обеспечивающей надежную среду разработки и использования мобильных прикладных систем, одновременно представляет собой практическую основу построения открытых программно-аппаратных систем и комплексов. Именно широкое внедрение в практику ОС UNIX позволило перейти от лозунга Открытых Систем к практической разработке этой концепции. Большой вклад в развитие направления Открытых Систем внесла деятельность по стандартизации интерфейсов ОС UNIX.

Тем не менее, до сих пор можно выделить несколько ветвей ОС UNIX, различающихся не только реализацией, но временами и интерфейсами и семантикой (хотя, по мере развития процесса стандартизации, эти различия становятся все менее значительными). В приводимом ниже кратком обзоре мы затрагиваем только некоторые варианты ОС UNIX, которые, по нашему мнению, наиболее существенны в настоящее время.

1.2 UNIX System V 4.x и опирающиеся на него операционные системы

Канонические исходные тексты ОС UNIX, как известно, были написаны сотрудниками телефонной компании AT&T, и долгое время авторские права, равно как и права на продажу лицензий на использование исходных текстов принадлежали этой компании. В дальнейшем, по причине технических сложностей с разработкой и сопровождением сложного программного продукта и некоторых юридических затруднений компания AT&T образовала дочернюю компанию USL (UNIX System Laboratories) с основной задачей развития и сопровождения исходных текстов ОС UNIX.

Именно USL выпустила вариант ОС UNIX System V 4.0, который стал фактическим стандартом операционной системы UNIX и явился основой многочисленных версий ОС UNIX, производимых поставщиками рабочих станций и серверов. Последним успехом USL как дочерней компании AT&T явился выпуска SVR 4.2. Помимо прочего, в этой ОС был впервые в истории UNIX реализован механизм легковесных процессов (threads), работающих на общей виртуальной памяти и позволяющих использовать аппаратные возможности так называемых "симметричных мультипроцессорных архитектур", в которых несколько процессоров имеют равноправный доступ к общей оперативной памяти.

В 1993 г. компания USL была поглощена компанией Novell, и в настоящее время фактически является подразделением этой компании. При этом владение торговой маркой UNIX было передано консорциуму X/Open. В 1994 г. USL в составе Novell была почти незаметна; видимо, сказывались необходимые структурные, организационные и маркетинговые преобразования. Однако в начале 1995 г. компания Novell объявила о выпуске нового варианта своей ОС UnixWare 2.0, основанного на System V 4.2, что свидельствует о завершении процесса внедрения USL в Novell.

1.2.1 UnixWare компании Novell

Компания Novell приобрела широкую известность и заработала основной капитал на рынке локальных сетей персональных ЭВМ. Распространенная "сетевая" ОС NetWare на самом деле всего лишь обеспечивает сетевой доступ персональных компьютеров, работающих под управлением MS-DOS, к ресурсам серверов (главным образом, файловых). Возрастающие возможности компьютеров, основанных на процессорах компании Intel, их фактический переход из класса персональных компьютеров в класс развитых рабочих станций, недостаточные возможности ОС типа MS-DOS для эффективного использования этих компьютеров заставили компанию Novell обратить внимание на операционную систему UNIX.

Первая версия системы под названием UnixWare целиком основывалась на SVR 4.0, но включала ряд расширений, специфичных для Novell. Следует отметить, что многие пользователи этой системы были не слишком ей довольны: она была не очень надежна и сложно администрировалась. В начале 1995 г. появился релиз UnixWare 2.0, основанный на SVR 4.2. По отзывам пользователей эта система гораздо более продвинута. В частности, обеспечивается полный графический интерфейс администратора, файловая система очень надежна, допускается доступ к файлам, хранимым на серверах NetWare и т.д. В конце 1995 г. компания Novell обещает выпустить новый продукт, который будет основываться на UNIX, но при этом будет поддерживать все функции NetWare.

1.2.2 Solaris компании Sun Microsystems

Известно, что в течении многих лет основой операционных систем (SunOS) компании Sun являлся UNIX BSD. Однако, начиная с SunOS 4.0, произошел полный переход на System V 4.0. Это связано, прежде всего, с тем, что SVR 4.0 включает функциональные возможности UNIX линии BSD.

Sun Microsystems внесла ряд существенных расширений в SVR 4.0. Прежде всего это касается обеспечения распараллеливания программ при использовании симметричных мультипроцессорных компьютеров (механизм потоков управления - threads). В SVR 4.0 этот механизм отсутствовал (он появился только в SVR 4.2), а компания Sun уже активно выпускала мультипроцессорные компьютеры. Поэтому в SunOS был реализован собственный механизм threads, что потребовало многочисленных переделок в ядре системы.

Solaris является внешней оболочкой SunOS и дополнительно включает средства графического пользовательского интерфейса и высокоуровневые средства сетевого взаимодействия (в частности, средства вызова удаленных процедур - RPC). Заметим, что хотя самая первая реализация механизма RPC принадлежит компании Xerox, именно реализация Sun стала фактическим стандартом и лицензирована многими компаниями.

1.2.3 HP/UX компании Hewlett-Parkard, DG/UX компании Data General, AIX компании IBM

HP/UX, DG/UX и AIX обладают многими отличиями. В частности, в этих версиях ОС UNIX поддерживаются разные средства генерации графических пользовательских интерфейсов (хотя все они основаны на использовании оконной системы X), по-разному реализованы threads и т.д.

Однако все эти системы объединяет тот факт, что в основе каждой из них находится SVR 4.x. Поэтому основной набор системных и библиотечных вызовов в этих реализациях совпадает.

Заметим, что в компании IBM существовал план разработки полностью самостоятельной реализации AIX на основе микроядра. Однако в последнее время IBM отказалась от этой идее, хотя собственное микроядро (новая реализация микроядра Mach) уже было создано.

1.3 Santa Cruz Operation и SCO UNIX

Варианты ОС UNIX, производимые компанией SCO и предназначенные исключительно для использования на Intel-платформах, до сих пор базируются на лицензированных исходных текстах System V 3.2. Однако SCO довела свои продукты до уровня полной совместимости со всеми основными стандартами (в тех позициях, для которых существуют стандарты).

Консерватизм компании объясняется прежде всего тем, что ее реализация ОС UNIX включает наибольшее количество драйверов внешних устройств и поэтому может быть установлена практически на любой Intel-платформе. Естественно, при переходе на другой вариант опорных исходных текстов ядра системы могла бы потребоваться массовая переделка драйверов.

Тем не менее, SCO имеет соглашение с французской компанией Chorus Systems о разработки новой версии SCO UNIX, базирующегося на микроядре Chorus и предназначенного для использования в системах реального времени.

1.4 Open Software Foundation и OSF-1

OSF была первой коммерческой компанией, решившейся на полную реализацию ОС UNIX на базе микроядра Mach. Результатом этой работы явилось создание ОС OSF-1. Как утверждают, OSF-1 на самом деле не является полностью лицензионно чистой системой: в ней используется часть исходных текстов SVR 4.0.

На сегодняшний день наиболее серьезным потребителем OSF-1 является компания Digital Equipment на своих платформах, основанных на микропроцессорах Alpha. В OSF-1 поддерживаются все основные стандарты ОС UNIX, хотя многие утверждают, что пока система работает не очень устойчиво.

1.5 Berkeley Standard Distribution, Free BSD, BSD Net и т.д.

Многие годы варианты ОС UNIX, разработанные в Калифорнийском университете г. Беркли, являлись реальной альтернативой AT&T UNIX. Например, ОС UNIX BSD 4.2 была бесплатно доступна в исходных текстах и достаточно широко использовалась даже в нашей стране на оригинальных и воспроизведенных машинах линии DEC. BSD 4.3 являлась основой популярной ОС Ultrix компании DEC. UNIX BSD использовался в SunOS. И т.д.

Группа BSD оказала огромное влияние на общее развитие ОС UNIX. До появления SVR 4.0 проблемой для пользователей являлась несовместимость наборов системных вызовов BSD и System V. Как мы отмечали выше, в SVR 4.0 был реализован общий набор системных вызовов.

Около 5 лет назад в Беркли была начата работа над микроядерной реализацией BSD 4.4. Работа была уже близка к завершению, когда компания USL, являвшаяся в то время владельцем исходных текстов System V, подала в суд на университет Беркли, мотивируя это тем, что в BSD 4.4 нелегально используются части исходных текстов SVR 4.0. Процесс продолжался около двух лет и закончился победой Беркли, хотя в то же время было выставлено условие произвести полную очистку текстов BSD от следов System V. Все это, естественно, затормозило выпуск BSD 4.4, полный вариант которой до сих пор недоступен.

Несколько лет назад группа BSD разделилась на коммерческую и некоммерческую части. Новая коммерческая компания получила название BSDI. Обе подгруппы выпустили варианты ОС UNIX для Intel-платформ под названиями 386BSD и BSD386, причем коммерческий вариант был гораздо более полным.

Сегодня популярен новый свободно распространяемый вариант ОС UNIX, называемый FreeBSD. Ведутся работы над более развитыми версиями BSDNet.

1.6 Torvald Linus и LINUX

LINUX - это оригинальная реализация ОС UNIX для Intel-платформ, выполненная молодым сотрудником университета Хельсинки Торвальдом Линусом. По непроверенным слухам совсем недавно появилась версия LINUX для PowerPC.

LINUX распространяется свободно, является очень экономичной ОС и весьма популярен среди молодежи. Практически каждую неделю появляется новый драйвер, работающий в LINUX. Этой ОС посвящена одна из самых активных телеконференций в Internet. Уже издается несколько регулярных журналов, связанных исключительно с тематикой LINUX.

1.7 POSIX, XPG и т.д.

До тех пор, пока господствовала узкая трактовка ОС UNIX (т.е. пока ОС UNIX не была коммерческим продуктом), не было потребности в стандартизации средств этой операционной системы. Немногочисленные высококвалифицированные пользователи ОС UNIX сами могли разобраться в особенностях и отличиях используемой версии системы и выбрать то подмножество ее средств, которое обеспечивало переносимость разрабатываемого приложения.

Однако с выходом ОС UNIX на коммерческий рынок, переходом к широкой трактовке системы и существенным увеличением числа пользователей различных ее вариантов стало необходимым ввести хотя бы возможность производства основанных на ОС UNIX операционных систем, которые были бы действительно совместимы. Для этого необходима стандартизация (интерфейсов) средств операционной системы на разных уровнях. Такая работа ведется уже около 10 лет, еще не завершена и вряд ли когда-либо будет завершена в виде окончательного набора стандартов де-юре. Тем не менее, даже полученные результаты позволяют производителям обеспечить пользователей разных аппаратных платформ операционными системами, достаточно удобными для использования и позволяющими разрабатывать мобильные прикладные системы, которые могут выполняться на компьютерах, оснащенных операционными системами с аналогичными свойствами.

Прежде чем перечислить наиболее важные официальные и фактические стандарты, принимаемые во внимание производителями систем, основанных на ОС UNIX, сформулируем, что же понимается под стандартом интерфейсов ОС. Стандарт интерфейсов ОС - это обычно сводка более или менее формальных синтаксических (интерфейсных) и семантических (поведенческих) свойств специфицируемых средств операционной системы.

1.7.1 System V Interface Definition (SVID)

Одним из наиболее ранних стандартов де-факто ОС UNIX явился изданный UNIX System Laboratories (USL) одновременно с выпуском версии ОС UNIX System V Release 4 документ System V Interface Definition (SVID). Если кратко напомнить историю, то владельцем оригинальных исходных текстов ОС UNIX являлась компания AT&T Bell Laboratories (именно работники этой компании Ричи, Томпсон и Керниган разработали в начале 1970-х самый первый мобильный вариант ОС UNIX). В 1980-е годы компания AT&T основала дочернюю компанию USL, которой были переданы права на исходные тексты и торговую марку ОС UNIX. USL выпустила системы с System V R.4.0 до System V R.4.2, после чего в конце 1993 г. была поглощена компанией Novell, которая теперь является владельцем исходных текстов ОС UNIX (под давлением общественности торговая марка "UNIX" была передана компании X/Open).

Несмотря на все эти пертурбации SVID продолжает существовать и пользоваться авторитетом у производителей. Как кажется, главным объяснением этому является тот факт, что большинство коммерческих вариантов ОС UNIX (в частности, четыре из пяти, рассматриваемых в этом разделе) основаны на лицензированных у AT&T-USL-Novell исходных текстах UNIX. Поэтому не очень сложно полностью удовлетворять этому фактическому стандарту. Естественно, SVID как документ, изданный одной компанией без его предварительного общественного обсуждения, никогда не будет принят в качестве официального стандарта.

1.7.2 Деятельность комитетов POSIX

Следует вспомнить, что наряду с версиями ОС UNIX, развивавшимися в компании AT&T (затем в USL, а теперь - в Novell), исторически существовало еще направление BSD (Berkeley Standard Distribution), успешно поддерживавшееся небольшой, но всемирно известной группой из университета г. Беркли (шт. Калифорния). В свое время (в конце 1970-х) университет получил из AT&T исходные тексты 16-разрядной ОС UNIX, на основе которых была произведена 32-разрядная система, которая сначала использовалась на компьютерах семейства VAX, а затем была перенесена на многие другие аппаратные платформы. В результате наборы системных вызовов UNIX AT&T и BSD стали значительно различаться.

Хотя большинство коммерческих реализаций UNIX основывалось на System V, UNIX BSD всегда был популярен в университетах, и общественность потребовала определения некоторого интерфейса, который являлся бы по сути объединением средств AT&T и BSD. Эта работа была начата Ассоциаций профессиональных программистов Открытых Систем UniForum, а затем продолжена в специально созданных рабочих группах POSIX (Portable Operating System Interface). В рабочих группах POSIX разрабатываются многие стандарты открытых систем, но наиболее известным и авторитетным является принятый ISO по представлению IEEE стандарт POSIX 1003.1, в котором определены минимальные требуемые средства операционной системы (по сути дела, UNIX).

1.7.3 Деятельность X/Open

Международная организация X/Open, которая выполняет многие работы, связанные с пропагандой и анализом использования открытых систем, кроме того, собирает и систематизирует де-юре и де-факто стандарты, имеющие промышленное значение, в так называемом X/Open Common Application Environment (CAE). Спецификаций интерфейсов средств, входящих в CAE, публикуются в многотомном документе X/Open Portability Guide (XPG).

1.7.4 Стандарт ANSI C

Очень важным в мире UNIX является принятый сначала ANSI, а потом и ISO международный стандарт языка программирования Си. Дело в том, что в этом стандарте специфицирован не только непосредственно язык Си, но и библиотеки, необходимые в каждой стандартной реализации. Поскольку с самого своего появления язык Си и соответствующие системы программирования были неразрывно связаны с ОС UNIX, то состав стандартных библиотек достаточно точно соответствует стандартной среде ОС UNIX.

Перечисленные четыре стандарта, только два из которых являются официально принятыми, наиболее авторитетны для производителей операционных систем, претендующих на совместимость с ОС UNIX. Особенностью этих стандартов является их полная машинная независимость.

Имеется другая разновидность стандартов де-факто, распространяемых на некоторый класс аппаратных архитектур. Примером такого стандарта может служить документ, принятый международной организацией SPARC International документ SPARC Complience Definition, содержащий машинно-зависимые уточнения к машинно-независимым спецификациям интерфейсов. Аналогичный документ разрабатывался организацией 88/Open, связанной с RISC-процессорами фирмы Motorola.

Среди других индустриальных де-факто стандартов для современных вариантов ОС UNIX наиболее важны фактический стандарт оконной системы, поддерживаемый X Cosortium, в основе которого находится лаборатория Массачусетского технологического института (MIT), являющаяся разработчиком системы X, а также спецификации интерфейсов инструментального средства разработки графических пользовательских интерфейсов OSF/Motif, разработанные в Open Software Foundation (OSF).

Заметим, что кроме того, в OSF разработан документ OSF Application Environment Specification (AES), содержащий спецификации интерфейсов ОС OSF/1, являющей собственной реализацией OSF ОС UNIX на базе новой микроядерной технологии (правда, до сих пор в этой реализации используются фрагменты исходного текста System V). AES является расширением SVID, POSIX 1003.1 и XPG.

2. Микроядерные операционные системы

Микроядро - это минимальная стержневая часть операционной системы, служащая основой модульных и переносимых расширений. По-видимому, большинство операционных систем следующего поколения будут обладать микроядрами. Однако имеется масса разных мнений по поводу того, как следует организовывать службы операционной системы по отношению к микроядру: как проектировать драйверы устройств, чтобы добиться наибольшей эффективности, но сохранить функции драйверов максимально независимыми от аппаратуры; следует ли выполнять операции, не относящиеся к ядру, в пространстве ядра или в пространстве пользователя; стоит ли сохранять программы имеющихся подсистем (например, Unix) или лучше отбросить все и начать с нуля.

В широкий обиход понятие микроядра ввела компания Next, в операционной системе которой использовалось микроядро Mach. Небольшое привилегированное ядро этой ОС, вокруг которого располагались подсистемы, выполняемые в режиме пользователя, теоретически должно было обеспечить небывалую гибкость и модульность системы. Но на практике это преимущество было несколько обесценено наличием монолитного сервера, реализующего операционную систему UNIX BSD 4.3, которую компания Next выбрала в качестве оболочки микроядра Mach. Однако опора на Mach дала возможность включить в систему средства передачи сообщений и ряд объектно-ориентированных сервисных функций, на основе которых удалось создать элегантный интерфейс конечного пользователя с графическими средствами конфигурирования сети, системного администрирования и разработки программного обеспечения.

Следующей микроядерной операционной системой была Windows NT компании Microsoft, в которой ключевым преимуществом использования микроядра должна была стать не только модульность, но и переносимость. (Заметим, что отсутствует единодушное мнение по поводу того, следует ли на самом деле относить NT к микроядерным ОС.) ОС NT была построена таким образом, чтобы ее можно было применять в одно- и мультипроцессорных системах, основанных на процессорах Intel, Mips и Alpha (и тех, которые придут вслед за ними). Поскольку в среде NT должны были выполняться программы, написанные для DOS, Windows, OS/2 и систем, совместимых со стандартами Posix, компания Microsoft использовала присущую микроядерному подходу модульность для создания общей структуры NT, не повторяющей ни одну из существующих операционных систем. Каждая операционная система эмулируется в виде отдельного модуля или подсистемы.

Позднее микроядерные архитектуры операционных систем были объявлены компаниями Novell/USL, Open Software Foundation (OSF), IBM, Apple и другими. Одним из основных конкурентов NT в области микроядерных ОС является Mach 3.0, система, созданная в университете Карнеги-Меллон, которую как IBM, так и OSF взялись довести до коммерческого вида. (Компания Next в качестве основы для NextStep пока использует Mach 2.5, но тоже внимательно присматривается к Mach 3.0.) Другим конкурентом является микроядро Chorus 3.0 компании Chorus Systems, выбранное USL в качестве основы новых реализаций ОС Unix. Некоторое микроядро будет использоваться в SpringOS фирмы Sun, объектно-ориентированном преемнике ОС Solaris. Очевидна тенденция к переходу от монолитных к микроядерным системам (хотя, как мы отмечали в предыдущем разделе, этот процесс не является прямолинейным: компания IBM сделала шаг назад и отказалась от перехода к микроядерной технологии). Кстати, это совсем не новость для компаний QNX Software Systems и Unisys, которые уже в течение нескольких лет выпускают пользующиеся успехом микроядерные операционные системы. ОС QNX пользуется спросом на рынке систем реального времени, а CTOS фирмы Unisys популярна в области банкового дела. В обеих системах успешно использована модульность, присущая микроядерным ОС.

2.1 Функции микроядра

Микроядро реализует базовые функции операционной системы, на которые опираются другие системные службы и приложения. Основной проблемой при конструировании микроядерной ОС является распознавание тех функций системы, которые могут быть вынесены из ядра. Такие важные компоненты ОС как файловые системы, системы управления окнами и службы безопасности становятся периферийными модулями, взаимодействующими с ядром и друг с другом.

Когда-то казалось, что многоуровневая архитектура ядра ОС UNIX является вершиной в области конструирования операционных систем. Основные функциональные компоненты операционной системы - файловая система, взаимодействие процессов (IPC - interprocess communications), ввод-вывод и управление устройствами - были разделены на уровни, каждый из которых мог взаимодействовать только с непосредственно примыкающим к нему уровнем.

Несмотря на неплохие практические результаты такая структура теперь все больше воспринимается монолитной, поскольку вся операционная система связана иерархией уровней. Множественность и нечеткость интерфейсов между уровнями затрудняет модификацию системы; для этого требуется хорошее знание операционной системы, масса времени и элемент везения.

В микроядерных архитектурах вертикальное распределение функций операционной системы заменяется на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, используют средства микроядра для обмена сообщениями, но взаимодействуют непосредственно. Микроядро лишь проверяет законность сообщений, пересылает их между компонентами и обеспечивает доступ к аппаратуре.

Это свойство микроядерных систем позволяет естественно использовать их в распределенных средах. При получении сообщения микроядро может его обработать или переслать другому процессу. Поскольку для микроядра безразлично, поступило ли сообщение от локального или удаленного процесса, подобная схема передачи сообщений является удобной основой удаленных вызовов процедур (RPC - remote procedure calls). Однако пересылка сообщений производится медленнее обычных вызовов функций; оптимизация пересылки сообщений является критическим фактором успеха микроядерной операционной системы. Например, в ОС Windows NT в некоторых случаях для оптимизации используется разделяемая память. Расходы на дополнительную фиксированную память микроядра оправдываются повышением эффективности передачи сообщений.

2.2 Переносимость, расширяемость и надежность

Поскольку вся машинно-зависимая часть ОС изолирована в микроядре, для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и эти изменения логически сгруппированы. При имеющемся разнообразии на рынке процессоров способность операционной системы работать на разных процессорах является единственной возможностью убедить пользователей покупать новые машины.

Расширяемость также является необходимым свойством современных операционных систем. В отличие от аппаратных средств, которые устаревают за несколько лет, операционные системы могут с пользой использоваться в течение десятилетий. В жизни каждой операционной системы настает момент, когда в нее требуется внести функции, не заложенные в исходную конструкцию. Микроядерная организация операционных систем позволяет добиться возможности управляемых и надежно работающих расширений на основе ограниченного набора четко определенных интерфейсов микроядра.

В действительности, правильнее говорить не только о расширяемости, но и о масштабируемости микроядерных ОС с возможностью получения варианта операционной системы, в наилучшей степени соответствующей особенностям аппаратной платформы и прикладной области. Микроядерная организация ОС позволяет легко добиться и этого качества.

Одной из проблем традиционно организованных операционных систем является наличие множества интерфейсов прикладного программирования (API - Application Programming Interface), не все из которых хорошо документированы. В результате невозможно гарантировать правильность программ, использующих несколько API, и даже правильность работы самой операционной системы.

Микроядро, обладающее небольшим набором API (микроядро OSF обеспечивает около 200 системных вызовов, а крохотное микроядро QNS - всего лишь 14), увеличивает шансы получения качественных программ. Конечно, этот компактный интерфейс облегчает жизнь только системных программистов; прикладной программист по прежнему должен бороться с сотнями вызовов.

2.3 Разделение функций

Основным принципом организации микроядерных ОС является включение в состав микроядра только тех функций, которым абсолютно необходимо выполнять в режиме супервизора и в защищенной памяти. Обычно в микроядро включаются машинно-зависимые программы (включая поддержку мультипроцессорной работы), некоторые функции управления процессами, обработка прерываний и поддержка пересылки сообщений.

Во многих случаях в микроядро включается функция планирования процессов, но в реализации Mach компании IBM планировщик процессов размещен вне микроядра, а микроядро используется только для непосредственного управления процессами. Конечно, при этом требуется тесное взаимодействие внешнего планировщика и входящего в состав ядра диспетчера.

В некоторых реализациях (например, в реализации OSF) в микроядро помещаются драйверы устройств. В реализациях IBM и Chorus драйверы размещаются вне микроядра, но для регулирования режимов разрешения и запрещения прерываний часть программы драйвера выполняется в пространстве ядра. В NT драйверы устройств и другие функции ввода-вывода выполняются в пространстве ядра, но реально используют ядро только для перехвата и передачи прерываний. Следует заметить, что оба подхода допускают динамическое подключение драйверов к системе и их отключение.

Однако имеются другие доводы в пользу выделения драйверов из состава микроядра. Например, поскольку во многих случаях драйверы могут не зависеть от особенностей аппаратуры, такой подход облегчает переносимость системы.

2.4 Mach и IBM

В разрабатывавшейся компанией IBM ОС Workplace (теперь она отказалась от завершения этой ОС) использовалось микроядро Mach 3.0, расширенное в кооперации с OSF средствами поддержки параллельной обработки и реального времени. Микроядро заведовало функциями взаимодействия процессов, управления виртуальной памятью, управления процессами и нитями (threads), управления процессорами (включая мультипроцессорные системы), а также управления вводом-выводом и обработки прерываний. Файловая система, планировщик процессов, сетевые службы и система безопасности вынесены из микроядра. В IBM эти компоненты называют PNS (personally neutral services), поскольку они используются во всех эмуляторах операционных систем.

Управление процессами и нитями в Workplace являлись функцией ядра. Но на самом деле в ядре был расположен только диспетчер процессов. Планировщик, ведающий приоритетами, определяющий порядок выполнения и заказывающий диспетчеризацию процессов и нитей, функционировал вне ядра.

Управление памятью также распределялось между микроядром и PNS. Ядро управляло аппаратурой страничной памяти. Подсистема управления страничной памятью, работающая вне ядра, определяла стратегию замещения страниц. Подобно планировщику эта подсистема являлась заменяемым компонентом.

На уровне PNS могут располагаться не только такие внутренние подсистемы как файловая система и драйверы устройств, но и сетевые службы и даже системы управления базами данных. По мнению IBM, размещение подобных служб в непосредственной близости от микроядра позволит повысить их эффективность за счет сокращения числа вызовов функций и возможно использовать собственные драйверы устройств.

2.5 Mach и OSF/1

ОС OSF/1 1.3 также основана на микроядре Mach. IBM является членом OSF, и эти компании обменивались технологиями организации микроядра. Однако по некоторым важным направлениям подходы IBM и OSF различаются. В версии 1.3 весь сервер OSF/1 работает в пользовательском пространстве и использует функции Mach.

Почему же OSF решилась на микроядерную реализацию монолитного сервера Unix? Как говорят специалисты OSF, OSF/1 является слишком хорошей и надежной системой, чтобы можно было ее бросить и начать все сначала. В OSF/1 1.3 используется более 90% кода предыдущих версий OSF/1. С другой стороны, чтобы улучшить возможности управления объектами, часть ядра Mach была переписана на Си++.

В результате OSF/1 1.3 получилась не такой модульной, как ОС Workplace. Но использовав значительную часть OSF/1, компания OSF смогла раньше IBM получить более или менее полную микроядерную реализацию систему.

OSF ориентируется на массивно параллельные аппаратные системы. Активно изучаются вопросы изменения поведения операционной системы при возрастании числа процессоров. В такой системе микроядро Mach будет работать на всех процессорах, а сервер OSF/1 потребуется только на некоторых из них.

Как планирует OSF, в будущих версиях OSF/1 на основе Mach будет поддерживаться возможность размещения сервера OSF/1 в пространстве ядра или в пользовательском пространстве в соответствии с выбором системного администратора при конфигурировании системы. Выполнение сервера OSF/1 в пространстве ядра позволит повысить производительность, так как вместо передачи сообщений будут использоваться вызовы процедур, и сервер всегда будет целиком располагаться в памяти. При выполнении сервера в пользовательском пространстве будет возможен его свопинга, что потенциально увеличит память, доступную для программ пользователя. Заметим, что примерно такой же подход используется USL в версиях Unix, основанных на микроядре Chorus. Системные функции будут разработаны и отлажены в пользовательском пространстве, а потом можно будет перенести в пространство ядра для достижения наилучшей производительности.

Основным назначением микроядра ОС Windows NT является упрощение переноса системы: все машинно-зависимые программы сконцентрированы внутри микроядра. Microsoft пока не пытается вычленить микроядро NT. В частности, поэтому многие полагают, что NT на самом деле не обладает микроядром ОС, подобным Mach и Chorus. Отмечается также, что в NT из пространства ядра должным образом не вынесены функции более высокого уровня (хотя аналогичные замечания применимы и к OSF/1 и Chorus/MiX) и что драйверы устройств в NT минимально взаимодействуют с ядром, а большей частью непосредственно работают с более низким уровнем абстракции аппаратуры (HAL - Hardware Abstraction layer).

Приложения Windows NT общаются с "подсистемами окружения", которые работают в режиме пользователя и аналогичны прикладным средам в ОС Workplace. Эти подсистемы поддерживаются исполнительной системой NT, которая работает в пространстве ядра и никогда не откачивается на диск. В состав исполнительной системы входят менеджер объектов, монитор безопасности, менеджер процессов и менеджер виртуальной памяти. Исполняющая система, в свою очередь, основывается на службах нижнего уровня, предоставляемых ядром (или, если угодно, микроядром) NT. Эти службы включают планирование процессов и нитей, обработку прерываний и исключительных ситуаций, синхронизацию процессоров и восстановление после сбоев системы. Ядро исполняется в привилегированном режиме и никогда не откачивается из оперативной памяти. Параллельные верви в ядре возникают только при обработке прерываний. Ядро основывается над уровнем HAL, в котором сконцентрирована большая часть аппаратно-зависимых программ.

Специалисты компании Microsoft говорят, что при создании NT преследовались задачи улучшения производительности и сетевых возможностей, а также поддержания определенного набора прикладных сред. Эти задачи отражено в результирующем разделении функций между ядерными и неядерными модулями. Например, для убыстрения работы файловой системы и передачи данных в сети в ядре производится буферизация небольших (от 16 до 32 Кб) порций считываемых и записываемых данных, которые типичны в приложениях, работающих в режиме клиент-сервер или распределенном режиме.

Многие другие решения принимались на основе подобных прагматических соображений. Например, для эмуляции Win32 традиционная иерархия процессов не требуется, но для других подсистем окружения (например, для OS/2 и Posix) это необходимо. Исполнительная система NT обеспечивает набор средств управления процессами, достаточный для текущего набора прикладных сред NT и для схожих с ними, которые пока не поддерживаются (например, VMS). Радикально отличающиеся случаи, для реализации которых может потребоваться модификация исполнительной системы, не предусматриваются.

Заметим, что хотя менеджеры ресурсов уровня исполнительной системы расположены в пространстве ядра, они взаимодействуют путем обмена сообщениями, так же, как и подсистемы пользовательского уровня. Поэтому исполнительную систему, видимо, не следует считать монолитом.

ОС Windows NT является объектной, хотя и не полностью объектно-ориентированной. Системные ресурсы, такие как процессы, нити и файлы, выделяются и управляются как объекты; каждый тип объектов обладает набором атрибутов и методов. Видимые пользователю ресурсы, включая окна, меню и файлы, также основаны на объектном подходе. Являясь объектами, эти ресурсы могут именоваться, защищаться и разделяться. В NT различаются объекты уровня ядра и уровня исполнительной системы. Объекты ядра владеют нитями, событиями, прерываниями и очередями. Объекты исполнительной системы, создаваемые и манипулируемые менеджером ресурсов, обрамляют базовые ресурсы ядра, добавляя к ним, например, имена и дескрипторы безопасности, и передают их, в свою очередь, подсистемам пользовательского режима.

Подобно другим микроядрам, ядро NT заведует обработкой прерываний и переключениями контекста. Прерывание обрабатывается ядром, а затем переправляется в подпрограмму обработки прерывания (ISR - interrupts service routine). Для связывания уровня прерывания с ISR в ядре используется объект прерывания; это позволяет концептуально отделить драйверы устройств от аппаратуры прерываний. В этом также различие подсистем ввода-вывода NT и большинства других микроядер. В Mach и Chorus драйверы устройств имеют доступ к аппаратуре только через средства ядра. Менеджер ввода-вывода в NT, который включает файловую систему, драйверы устройств и сетевую поддержку, обычно работает напрямую с уровнем HAL, лежащим ниже ядра. Поддержка ядра требуется для обработки прерываний, но в остальных отношениях драйверы работают автономно.

В Microsoft утверждают, что имелись существенные основания для подобной организации интерфейса драйверов устройств. Например, IBM не смогла реализовать все функции драйверов устройств за пределами ядра; пришлось находить способ, позволяющий части драйвера работать в пространстве ядра. Для обработки и пересылки прерываний в NT устанавливается объектная связь с драйвером устройства, а затем драйвер может работать непосредственно со связанным с ним устройством через HAL. Ничто не мешает писать специализированные драйверы устройств, но они должны быть отделены от прикладной программы и должны взаимодействовать с подсистемой ввода-вывода NT.

2.7 AT&T и Chorus

Микроядро Chorus во многих отношениях походит на реализации Mach, выполненные IBM и OSF. Chorus включает поддержку распределенных процессоров, нескольких распределенных серверов операционной системы (во многом похожую на комбинацию Mach-OSF/1), управления памятью и обработки прерываний. Поддерживается также прозрачное взаимодействие с другими экземплярами микроядра Chorus, что делает Chorus хорошей основой для сильно распределенных систем.

Существует несколько реализаций микроядра Chorus. Chorus/MiX, версия компании Chorus операционной системы с интерфейсами Unix, включает отдельные версии, совместимые с SVR3.2 и SVR4. USL собирается объявить Chorus/MiX V.4 микроядерной реализацией SVR4. USL и Chorus Systems планируют совместную работу по разработке Chorus/MiX V.4 в качестве будущего направления Unix. Специально для использования на персональных компьютерах компания Chorus поддерживает реализацию Chorus/MiX, совместимую с SCO.

Драйверы устройств не включаются в ядро. Аналогично подходу IBM, драйверы получают доступ к аппаратуре через ядро. Это дает возможность компоненту более высокого уровня - менеджеру устройств, отслеживать работу драйверов, функционирующих в разных узлах распределенной системы.

2.8 Новые микроядерные системы

Операционная системы SpringOS фирмы Sun, которая пока находится в стадии проектирования и разработки, основывается на микроядре и объектах. Вероятно, в SpringOS будет использоваться значительный объем существующих программ Solaris подобно тому, как в OSF/1 используется существующий сервер OSF/1. Компания Sun не объявляла об использовании какого-либо существующего микроядра и, по-видимому использует собственную разработку.

2.9 Зрелые микроядра

QNX и CTOS - это две зрелые микроядерные операционные системы, поставляемые на протяжении нескольких лет. 8-килобайтное микроядро QNX поддерживает только планирование и диспетчеризацию процессов, взаимодействие процессов, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Это микроядро обеспечивает всего лишь 14 системных вызовов. Микроядро QNX может быть целиком размещено во внутреннем кэше некоторых процессоров, таких как Intel 486.

Чтобы построить минимальную систему QNX, требуется добавить к микроядру менеджер процессов, который создает и управляет процессами и памятью процессов. Чтобы ОС QNX была применима не только во встроенных и бездисковых системах, нужно добавить файловую систему и менеджер устройств. Эти менеджеры исполняются вне пространства ядра, так что ядро остается небольшим. По утверждениям специалистов компании QNX Software заявляет, что подобная система, основанная на передаче сообщений, имеет производительность, по меньшей мере сравнимую с производительностью других традиционных операционных систем.

CTOS, появившаяся в 1980 году, была написана для рабочих станций фирмы Convergent Technologies - семейства машин на основе процессоров Intel для работы в "кластерных сетях", соединенных по обычным телефонным проводам. Продаваемые в настоящее время фирмой Unisys, эти основанные на CTOS машины продемонстрировали преимущества распределенных вычислений на основе передачи сообщений задолго до того, как этот термин стал модным. Крохотное 4-килобайтное микроядро CTOS взяло на себя только планирование и диспетчеризацию процессов и взаимодействие процессов на основе сообщений. Все другие системные службы взаимодействуют с ядром и друг с другом через четко определенные интерфейсы сообщений.

Сетевые средства входят в состав CTOS и являются действительно прозрачными для прикладных программ, которым не требуется знать, будет ли обработан запрос на обслуживание локально или удаленно. В любом случае сообщения передает одна и та же система взаимодействия процессов.

Сергей Кузнецов , Центр Информационных Технологий.
Оригинал статьи опубликован на сервере Центра Информационных Технологий по адресу: