Архитектура сетевых ос

Сетевая операционная система и архитектура сетей

При разработке сетей ЭВМ возникают задачи согласования взаимодействия ЭВМ клиентов, серверов, линий связи и других устройств. Они решаются путем установления определенных процедур, называемых протоколами. Реализацию протоколов совместно с реализацией управления серверами называют сетевой операционной системой (ОС). Часть протоколов реализуется программно, часть – аппаратно. Для стандартизации протоколов была создана международная организация протоколов ISO (MOC). Она ввела понятие архитектуры открытых систем, что означает возможность взаимодействия систем по определенным правилам, хотя сами системы могут быть созданы на различных технических средствах. Основой архитектуры открытых систем является понятие уровня. Система разбивается на ряд уровней (подсистем), каждый из которых выполняет свои функции.

ISO установила следующие уровни сетей:

1. Физический – определяет некоторые физические характеристики канала. Это требования к характеристикам кабелей, разъемов (RS, ЕIA, X.21) и электрическим характеристикам сигнала. Единицей обмена является бит.

2. Канальный – управляет передачей данных между двумя узлами сети. Он обеспечивает контроль корректности передачи сблокированной информации посредством проверки контрольной суммы блока. Для повышения скорости обмена осуществляется сжатие данных. При получении сообщение разворачивается. Длина передаваемого блока может меняться в зависимости от качества канала. Единицей обмена является кадр, или пакет, на который пока отсутствует стандарт. На рынке в последнее время конкурируют технологии передачи данных SMDS, Frame Realy и АТМ-коммутаторов.

3. Сетевой – обеспечивает управление маршрутизацией пакетов. Он распространяется на соглашения о блокировании данных и их адресации. По одному каналу может передаваться информация с нескольких модемов для увеличения его загрузки. К этому уровню относятся протоколы Х.25 и Х.75 (космический). Единицей обмена является пакет, оформленный по стандарту.

Для объединения неоднородных сетей различных технологий используются протоколы IP, TCP/IP и др. IP-технология (протокол TCP/IP) обеспечивает работу с почтовыми серверами, с сетевыми интерактивными приложениями.

4. Транспортный – отвечает за стандартизацию обмена данными между портами разных ЭВМ сети. Используются протоколы ТРО, ТР1. Единицей обмена является сеансовое сообщение.

5. Сеансовый – определяет правила диалога прикладных программ, рестарта, проверки прав доступа к сетевым ресурсам. Единицей обмена этого и следующих уровней является пользовательское сообщение.

6. Представления – определяет форматы данных, алфавиты, коды представления специальных и графических символов (ASCII, EBCDIC, ASN.1, Х.500, Х.409). Здесь же определяется стандарт на форму передаваемых документов. В банковской системе распространен стандарт Swift. Он определяет расположение и назначение полей документа. Принципиальным моментом при использовании этого и других компьютерных стандартов на документацию является официальное признание (де-юре) документа, передаваемого по каналам связи, юридически полноценным.

7. Прикладной – управляет выполнением прикладной программы.

Каждый уровень решает свои задачи и обеспечивает сервисом расположенный над ним уровень. Правила взаимодействия разных систем одного уровня называютпротоколом, правила взаимодействия соседних уровней в одной системе –интерфейсом. Каждый протокол должен быть прозрачным для соседних уровней.Прозрачность – свойство передачи информации, закодированной любым способом, понятным взаимодействующим уровням.

Локальные сети делятся на централизованные и одноранговые.

Централизованные используют файл-сервер. Рабочие станции не контактируют друг с другом. Число пользователей более десяти. В одноранговых сетях сетевое управление таково, что каждый узел может выступать и как рабочая станция, и как файл-сервер. Рабочие станции можно объединить и совместно использовать базы на файл-сервере. Такие сети недорогие, но число пользователей невелико. К наиболее распространенным локальным сетевым ОС относят Unix для создания средних и больших сетей с сотнями пользователей, NetWare 3.11 для создания средних сетей – от 20 до 100 пользователей в пределах одного здания, Vines для создания больших распределенных ЛВС, LAN Manager для средних и больших сетей с числом пользователей от 25 до 200 и др.

В последнее время большой популярностью стали пользоваться виртуальные локальные сети VLAN. Их отличие от обычных ЛВС заключается в том, что они не имеют физических ограничений. Виртуальные ЛВС определяют, какие рабочие станции включаются в конкретные физические группы на основе протокольной адресации, что позволяет располагать их в любом месте сети.

Виртуальные сети предоставляют пользователям большие преимущества, но порождают ряд проблем, решениями которых заняты ведущие фирмы.

Объединение нескольких ЛВС на основе протоколов TCP/IP и HTTP в пределах одного или нескольких зданий одной корпорации получило название интрасети. На принципе интрасети формируются корпоративные сети, подсоединяемые к глобальным сетям. Особое распространение интрасети получили в сети Internet, обеспечивающей так называемую технологию intranet/internet.

Всю сеть передачи данных можно разделить на несколько сетевых «островов», или функциональных классов, каждый из которых имеет собственные характеристики надежности и функционирования. Это личный офис, рабочая группа, учреждение (здание или группа зданий, район), удаленный офис, крупномасштабная сеть WAN (региональная или территориальная).

Разнообразные сетевые «острова» коррелируют с большинством крупных банковских, финансовых и других учреждений. Совместная работа этих «островов» должна быть незаметной для пользователя.

Особое внимание уделяется switch-технологии – одному из самых современных методов построения высокоскоростных сетей. Под switch-технологией подразумевается коммутация пакетов данных с созданием виртуальных каналов (КВК). Среди высокоскоростных сетей можно назвать FDDI, Fast Ethernet (100-Basex), Switched Ethernet, ATM, Fibre Cannel.

FDDI и Fast Ethernet используются для построения сетей протяженностью до 200 км.

Switched Ethernet позволяет связывать коммутационные узлы (host-серверы) виртуальными каналами с гарантированной пропускной способностью, которая предоставляется «по требованию» вне зависимости от нагрузки сети. Построение подобных систем не требует модификации кабельной проводки, соевых адаптеров и позволяет подключать серверы, рабочие станции. Каждый switch-порт локальной сети поддерживает группу пользователей и обеспечивает скорость до 10 Мбит/с.

Данные сети не обеспечивают протоколов TCP/IP, DecNet, IPX и т.д., что не позволяет объединять сети с разными стандартами.

Решением является появление АТМ-технологии, которая вскоре может стать всемирным стандартом для высокоскоростных телекоммуникаций, позволяющим как подключать отдельных пользователей, так и создавать глобальные высокоскоростные магистральные линии.

К современным сетям, передающим большие объемы видео-, аудио- и других видов информации, предъявляются следующие требования: большая пропускная способность (до 15 Мбит/с), предсказуемость и малые задержки, так как видеоизображение резко ухудшается при задержках даже в несколько миллисекунд, масштабируемость передачи данных, иначе требуются скорости передачи до 100 Мбит/с.

Всем этим требованиям удовлетворяет АТМ-технология.

Технология Fibre Channel разработана комитетом ANSI X3T9.3. Она осуществляет пять скоростей передачи данных в диапазоне от 266 Мбит/с до 4 Гбит/с, что обеспечивает малую задержку ответа, надежное управление потоками информации, отсутствие потерь даже при перегрузках и обеспечивает переменный размер кадра. Кроме того, она работает на расстоянии до 10 км по оптоволоконным кабелям. Сегодня Fibre Channel представляет собой единственный гигабитовый стандарт. Однако в нем не предусматривается связь с территориальными сетями.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Архитектура сетевых ос

NetWare версий 3.х и 4.х построены с использованием одинаковых принципов.

Во введении отмечалось, что NetWare относится к классу операционных систем с выделенным сервером. Поэтому на рабочих станциях (WS) и файловом сервере (FS) используются различные операционные системы. Взаимосвязь этих ОС осуществляется посредством кадров, которые передаются по шине, соединяющей станции. Рассмотрим процесс передачи данных или команд от рабочей станции к файловому серверу.

С точки зрения организации взаимосвязи с файловым сервером все прикладные программы и утилиты рабочей станции условно можно разделить на два класса: «клиент-файл» и «клиент-сервер».

К первому классу («клиент-файл») относятся программы, выполняющие операции (открытие, ввод/вывод, закрытие) с файлами, которые хранятся на файловом сервере. В DOS при выполнении операций с файлами вырабатывается прерывание 21Н, которое перехватывается оболочкой (запросчиком) рабочей станции (рисунок 2.1).

Если файл располагается на локальном диске, то оболочка переадресовывает это прерывание операционной системе рабочей станции. Если файл располагается на файловом сервере, то оболочка открывает так называемое гнездо, используемое в дальнейшем для приема пакетов с файлового сервера. Затем запросчик формирует пакет для передачи его на сервер. Одно из полей этого пакета содержит номер гнезда, совпадающий с номером гнезда нити (задачи) сервера, которая будет обрабатывать этот пакет. Далее оболочка с помощью специальной функции протокола направляет пакет в сеть. При прохождении через драйвер сетевого адаптера (СА) пакет превращается в кадр, т.е. к нему добавляется заголовок и концевик кадра. Именно кадр передаётся по шине сети. Таким образом, оболочка реализует прозрачный доступ прикладной программы к файлу, который хранится на сервере. Т. е. программист может использовать обычные функции ввода/вывода языка С или Ассемблера, не вникая в детали API-интерфейса рабочей станции с файловым сервером.

При выполнении операций с файлом в программе, функционирующей под управлением OS/2, реализуются аналогичные действия. Только здесь соответствующее прерывание сначала перехватывается ОС, которая переадресовывает его оболочке.

Ко второму классу («клиент-сервер») относятся программы рабочей станции, непосредственно взаимодействующие с NLM-модулями файлового сервера. Перед передачей пакета NLM-модулю прикладная программа рабочей станции должна открыть гнездо, используемое в дальнейшем для приема пакетов, передаваемых с файлового сервера NLM-модулем. Далее прикладная программа формирует пакет для передачи по сети. Одно из полей этого пакета должно содержать номер гнезда нити, с которой связан соответствующий NLM-модуль. Затем прикладная программа рабочей станции направляет пакет в сеть с помощью специальной функции протокола. При прохождении через драйвер СА пакет превращается в кадр. Таким образом, если программист создал свой NLM-модуль и желает осуществить к нему доступ со стороны рабочей станции, то он должен создать и соответствующую прикладную программу типа «клиент-сервер». При этом программист должен знать детали API-интерфейса.

Рис. 2.1. Схема взаимодействия рабочей станции и файлового сервера

Заголовок кадра, передаваемого по сети, содержит адрес станции получателя и адрес станции отправителя. Если адрес станции получателя совпадает с адресом, на который настроен сетевой адаптер файлового сервера, то кадр принимается и обрабатывается драйвером СА сервера. При этом пакет выделяется из кадра, анализируется соответствующим протоколом и посылается на обработку нити, открывшей гнездо, номер которого совпадает с номером гнезда в пакете. Нить — это внутренняя задача NetWare или задача, связанная с каким-либо NLM-модулем. Далее результаты обработки пересылаются прикладной программе, выполняемой на рабочей станции, в виде одного или нескольких пакетов.

Сетевые архитектуры

Архитектура сети определяет основные элементы сети, характеризует ее общую логическую организацию, техническое обеспечение, программное обеспечение, описывает методы кодирования. Архитектура также определяет принципы функционирования и интерфейс пользователя.

В данном курсе будет рассмотрено три вида архитектур:

1. архитектура терминал – главный компьютер;

2. одноранговая архитектура;

3. архитектура клиент – сервер.

Архитектура терминал – главный компьютер

Архитектуратерминал – главный компьютер (terminal – host computer architecture) – это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров.
Рассматриваемая архитектура предполагает два типа оборудования:

1. Главный компьютер, где осуществляется управление сетью, хранение и обработка данных;

2. Терминалы, предназначенные для передачи главному компьютеру команд на организацию сеансов и выполнения заданий, ввода данных для выполнения заданий и получения результатов.

Главный компьютер через мультиплексоры передачи данных (МПД) взаимодействуют с терминалами. Классический пример архитектуры сети с главными компьютерами – системная сетевая архитектура (System Network Architecture – SNA).

Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) – это концепция информационной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. Данная архитектура характеризуется тем, что в ней все системы равноправны.

К одноранговым сетям относятся малые сети, где любая рабочая станция может выполнять одновременно функции файлового сервера и рабочей станции. В одноранговых ЛВС дисковое пространство и файлы на любом компьютере могут быть общими. Чтобы ресурс стал общим, его необходимо отдать в общее пользование, используя службы удаленного доступа сетевых одноранговых операционных систем. В зависимости от того, как будет установлена защита данных, другие пользователи смогут пользоваться файлами сразу же после их создания. Одноранговые ЛВС достаточно хороши только для небольших рабочих групп.
Одноранговые ЛВС являются наиболее легким и дешевым типом сетей для установки. Они на компьютере требуют, кроме сетевой карты и сетевого носителя, только операционной системы Windows 95 или Windows for Workgroups. При соединении компьютеров, пользователи могут предоставлять ресурсы и информацию в совместное пользование.

Одноранговые сети имеют следующие преимущества:

• они легки в установке и настройке;
• отдельные ПК не зависят от выделенного сервера;
• пользователи в состоянии контролировать свои ресурсы;
• малая стоимость и легкая эксплуатация;
• минимум оборудования и программного обеспечения;
• нет необходимости в администраторе;
• хорошо подходят для сетей с количеством пользователей, не превышающим десяти.

Проблемой одноранговой архитектуры является ситуация, когда компьютеры отключаются от сети. В этих случаях из сети исчезают виды сервиса, которые они предоставляли. Сетевую безопасность одновременно можно применить только к одному ресурсу, и пользователь должен помнить столько паролей, сколько сетевых ресурсов. При получении доступа к разделяемому ресурсу ощущается падение производительности компьютера. Существенным недостатком одноранговых сетей является отсутствие централизованного администрирования.

Использование одноранговой архитектуры не исключает применения в той же сети также архитектуры «терминал – главный компьютер» или архитектуры «клиент – сервер».

Архитектура клиент – сервер

Архитектура клиент – сервер (client-server architecture) – это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов. Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов: серверы и клиенты.

Сервер — это объект, предоставляющий сервис другим объектам сети по их запросам. Сервис- это процесс обслуживания клиентов.

Сервер работает по заданиям клиентов и управляет выполнением их заданий. После выполнения каждого задания сервер посылает полученные результаты клиенту, пославшему это задание.

Сервисная функция в архитектуре клиент – сервер описывается комплексом прикладных программ, в соответствии с которым выполняются разнообразные прикладные процессы.
Процесс, который вызывает сервисную функцию с помощью определенных операций, называется клиентом. Им может быть программа или пользователь.

Клиенты – это рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя. Интерфейсы пользователя это процедуры взаимодействия пользователя с системой или сетью. Клиент является инициатором и использует электронную почту или другие сервисы сервера. В этом процессе клиент запрашивает вид обслуживания, устанавливает сеанс, получает нужные ему результаты и сообщает об окончании работы.

В сетях с выделенным файловым сервером на выделенном автономном ПК устанавливается серверная сетевая операционная система. Этот ПК становится сервером. Программное обеспечение (ПО), установленное на рабочей станции, позволяет ей обмениваться данными с сервером.

Наиболее распространенные сетевые операционная системы:

• NetWare фирмы Novel;
• Windows NT фирмы Microsoft;
• UNIX фирмы AT&T;
• Linux.

Помимо сетевой операционной системы необходимы сетевые прикладные программы, реализующие преимущества, предоставляемые сетью.

Сети на базе серверов имеют лучшие характеристики и повышенную надежность. Сервер владеет главными ресурсами сети, к которым обращаются остальные рабочие станции.

В современной клиент – серверной архитектуре выделяется четыре группы объектов: клиенты, серверы, данные и сетевые службы. Клиенты располагаются в системах на рабочих местах пользователей. Данные в основном хранятся в серверах. Сетевые службы являются совместно используемыми серверами и данными. Кроме того службы управляют процедурами обработки данных.

Сети клиент – серверной архитектуры имеют следующие преимущества:

• позволяют организовывать сети с большим количеством рабочих станций;
• обеспечивают централизованное управление учетными записями пользователей, безопасностью и доступом, что упрощает сетевое администрирование;
• эффективный доступ к сетевым ресурсам;
• пользователю нужен один пароль для входа в сеть и для получения доступа ко всем ресурсам, на которые распространяются права пользователя.

Наряду с преимуществами сети клиент – серверной архитектуры имеют и ряд недостатков:

• неисправность сервера может сделать сеть неработоспособной, как минимум потерю сетевых ресурсов;
• требуют квалифицированного персонала для администрирования;
• имеют более высокую стоимость сетей и сетевого оборудования.

Выбор архитектуры сети

Выбор архитектуры сети зависит от назначения сети, количества рабочих станций и от выполняемых на ней действий.

Следует выбрать одноранговую сеть, если:

• количество пользователей не превышает десяти;
• все машины находятся близко друг от друга;
• имеют место небольшие финансовые возможности;
• нет необходимости в специализированном сервере, таком как сервер БД, факс-сервер или какой-либо другой;
• нет возможности или необходимости в централизованном администрировании.

Следует выбрать клиент серверную сеть, если:

• количество пользователей превышает десяти;
• требуется централизованное управление, безопасность, управление ресурсами или резервное копирование;
• необходим специализированный сервер;
• нужен доступ к глобальной сети;
• требуется разделять ресурсы на уровне пользователей.

Сетевая операционная система и архитектура сети.

Тема 6. Компьютерные сети и телекоммуникации. Глобальная сеть Интернет и Интернет-технологии.

1. Сетевая операционная система.

2. Архитектура сети.

3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.

4. Распределенная обработка данных.

5. Маркетинг в Интернет.

6. Понятие компьютерной информационной гиперсреды, ее возможности.

Сетевая операционная система и архитектура сети.

Вычислительная сеть(ВС) – это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих аппаратных и программных компонентов. Аппаратными компонентами локальной сети являются компьютеры и различное коммуникационное оборудование (кабельные системы, концентраторы и т. д.). Программными компонентами ВС являются операционные системы (ОС) и сетевые приложения.

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой в широком смысле понимается совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам — протоколам. В узком смысле сетевая ОС — это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей (рисунок 1.1):

· Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами в мультипроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС.

· Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование— серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам.

· Средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования — клиентская часть ОС (редиректор). Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.

· Коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений.

Рис. 1.1. Структура сетевой ОС

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может отсутствовать либо клиентская, либо серверная части.

На практике сложилось несколько подходов к построению сетевых операционных систем (рисунок 1.2).

Рис. 1.2. Варианты построения сетевых ОС

Первые сетевые ОС представляли собой совокупность существующей локальной ОС и надстроенной над ней сетевой оболочки. При этом в локальную ОС встраивался минимум сетевых функций, необходимых для работы сетевой оболочки, которая выполняла основные сетевые функции. Примером такого подхода является использование на каждой машине сети операционной системы MS DOS. Принцип построения сетевых ОС в виде сетевой оболочки над локальной ОС используется и в современных ОС, таких, например, как LANtastic или Personal Ware.

Однако более эффективным представляется путь разработки операционных систем, изначально предназначенных для работы в сети. Сетевые функции у ОС такого типа глубоко встроены в основные модули системы, что обеспечивает их логическую стройность, простоту эксплуатации и модификации, а также высокую производительность. Примером такой ОС является система Windows NT фирмы Microsoft.

Архитектура сети.

Архитектура сети отличается от проекта тем, что она, например, не определяет точную принципиальную схему сети и не регламентирует размещение сетевых компонентов, не содержит конкретные указания и оценки параметров (например, требующаяся пропускная способность, точное расположение каналов связи и т.п.).

В архитектуре сети выделяют три аспекта: принципы построения, сетевые шаблоны, технические позиции.

Принципы построения — набор простых инструкций, которые описывают все вопросы построения и эксплуатации развертываемой сети в течение длительного времени.

Сетевые шаблоны — это набор моделей сетевых структур, отражающих связь между компонентами сети. Основные сетевые шаблоны — для глобальной сети, для городской, для центрального офиса, для крупного отделения организации, для отделения организации.

В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, сетевые операционные системы, а следовательно, и сети делятся на два класса (рисунок 1.3):

Последние чаще называют сетями с выделенными серверами.

Сеть может быть построена по одной из трех схем:

· сеть на основе одноранговых узлов – одноранговая сеть;

· сеть на основе клиентов и серверов – сеть с выделенными серверами;

· сеть, включающая узлы всех типов – гибридная сеть.

Рис. 1.3. (а) — Одноранговая сеть, (б) — Двухранговая сеть