Курсовая работа (т): Прогресс в сетевых технологиях

Прогресс в сетевых технологиях

Введение

Данный проект посвящен описанию и анализу наиболее распространённых технологий существующих на сегодняшний день для построения сетей, оборудования и сетевых операционных систем. Актуальность этой темы связана с распространением электронно-вычислительных машин и ростом в потребности передачи данных. На данный момент в мире существует более 150 миллионов компьютеров и более 80% из них объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet.

В производственной практике ЛВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместное оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему, которая имеет свои особенные преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде внутрипроизводственной вычислительной сети:

.        Разделение ресурсов - позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающие устройства, со всех присоединенных рабочих станций.

.        Разделение данных - предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.

.        Разделение программных средств - предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств.

.        Разделение ресурсов процессора - возможность использования вычислительных мощностей для обработки данных другими системами входящими в сеть. Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы распределяются через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции.

.        Многопользовательский режим - многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных и управляемых, например, если пользователь системы работает с другим заданием, то текущая выполняемая работа отодвигается на задний план.

Промышленность производства локальных сетей развивалась с большой скоростью за последние несколько лет. Внедрение локальных сетей мотивируется повышением эффективности и производительности персонала. Эта цель провозглашается фирмами-поставщиками локальных сетей, руководством учреждений и разработчиками локальных сетей.

1. Теоретический раздел

Ethernet - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были раздавлены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:

·        возможность работы в дуплексном режиме;

·        низкая стоимость кабеля «витой пары»;

·        более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле (соединение точка-точка: обрыв кабеля лишает связи два узла. В коаксиале используется топология «шина», обрыв кабеля лишает связи весь сегмент);

·        минимально допустимый радиус изгиба меньше;

·        большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;

·        возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

·        гальваническая развязка трансформаторного типа. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

Рисунок 1. Классическая топология сети Ethernet

Быстродействие сети Fast Ethernet (100Мбит/c) и других сетей, работающих на скорости в 100 Мбит/с, в настоящее время удовлетворяет требованиям большинства задач, но в ряде случаев даже его оказывается недостаточно. Особенно в тех ситуациях, когда необходимо подключать к сети современные высокопроизводительные серверы или строить сети с большим количеством абонентов, требующих высокой интенсивности обмена. Например, все более широко применяется сетевая обработка трехмерных динамических изображений. Скорость компьютеров непрерывно растет, они обеспечивают все более высокие темпы обмена с внешними устройствами. В результате сеть может оказаться наиболее слабым местом системы, и ее пропускная способность будет основным сдерживающим фактором в увеличении быстродействия.

Сеть Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) - это естественный, эволюционный путь развития концепции, заложенной в стандартной сети Ethernet. Безусловно, она наследует и все недостатки своих прямых предшественников, например, негарантированное время доступа к сети. Однако огромная пропускная способность приводит к тому, что загрузить сеть до тех уровней, когда этот фактор становится определяющим, довольно трудно. Зато сохранение преемственности позволяет достаточно просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в сеть, и, самое главное, переходить к новым скоростям постепенно, вводя гигабитные сегменты только на самых напряженных участках сети. (К тому же далеко не везде такая высокая пропускная способность действительно необходима.) Если же говорить о конкурирующих гигабитных сетях, то их применение может потребовать полной замены сетевой аппаратуры, что сразу же приведет к большим затратам средств.

В сети Gigabit Ethernet сохраняется все тот же хорошо зарекомендовавший себя в предыдущих версиях метод доступа CSMA/CD, используются те же форматы пакетов (кадров) и те же их размеры. Не требуется никакого преобразования протоколов в местах соединения с сегментами Ethernet и Fast Ethernet. Единственно, что нужно, - это согласование скоростей обмена, поэтому главной областью применения Gigabit Ethernet станет в первую очередь соединение концентраторов Ethernet и Fast Ethernet между собой.

С появлением сверхбыстродействующих серверов и распространением наиболее совершенных персональных компьютеров класса "high-end" преимущества Gigabit Ethernet становятся все более явными. Так, 64-разрядная системная магистраль PCI, уже фактический стандарт, вполне достигает требуемой для такой сети скорости передачи данных.

-гигабитный и 100-гигабитный Ethernet. Согласно наблюдениям Группы 802.3ba, требования к полосе пропускания для вычислительных задач и приложений ядра сети растут с разными скоростями, что определяет необходимость двух соответствующих стандартов для следующих поколений Ethernet - 40 Gigabit Ethernet (или 40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (или 100GbE). В настоящее время серверы, высокопроизводительные вычислительные кластеры, блэйд-системы, SAN и NAS используют технологии 1GbE и 10GbE, при этом в 2007 и 2008 гг. был отмечен значительный рост последней.

Рисунок 2. Использование сети Gigabit Ethernet для соединения групп компьютеров

Перспективы: о Terabit Ethernet (так упрощенно называют технологию Ethernet со скоростью передачи 1 ТБит/с) стало известно в 2008 году из заявления создателя Ethernet Боба Меткалфа на конференции OFC который предположил, что технология будет разработана к 2015 году, правда, не выразив при этом какой-либо уверенности, ведь для этого придется решить немало проблем. Однако, по его мнению, ключевой технологией, которая может обслужить дальнейший рост трафика, станет одна из разработанных в предыдущем десятилетии - DWDM.

Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое, - сказал Меткалф. - Неясно также, какая сетевая архитектура потребуется для её поддержки. Возможно, оптические сети будущего должны будут использовать волокно с вакуумной сердцевиной или углеродные волокна вместо кварцевых. Операторы должны будут внедрять больше полностью оптических устройств и оптику в свободном пространстве (безволоконную). Боб Меткалф».(Asynchronous Transfer Mode). Данная технология используется как в локальных, так и в глобальных сетях. Основная идея - передача цифровых, голосовых и мультимедийных данных по одним и тем же каналам. Строго говоря, жесткого стандарта на аппаратуру ATM не предполагает.

Первоначально была выбрана скорость передачи 155 Мбит/с (для настольных систем - 25 Мбит/с), затем - 662 Мбит/с, а сейчас ведутся работы по повышению скорости до 2488 Мбит/с. По скорости ATM успешно конкурирует с Gigabit Ethernet. Кстати, появилась ATM раньше, чем Gigabit Ethernet. В качестве среды передачи информации в локальной сети технология ATM предполагает использование оптоволоконного кабеля и неэкранированной витой пары. Используемые коды - 4В/5В и 8В/10В.

Принципиальное отличие ATM от остальных сетей состоит в отказе от привычных пакетов с полями адресации, управления и данных. Вся передаваемая информация упакована в микропакеты (ячейки, cells) длиной 53 байта. Каждая ячейка имеет 5-байтовый заголовок, который позволяет интеллектуальным распределительным устройствам сортировать ячейки и следить за тем, чтобы они передавались в нужной последовательности. Каждая ячейка имеет 48 байт информации. Их минимальный размер позволяет осуществлять коррекцию ошибок и маршрутизацию на аппаратном уровне. Он же обеспечивает равномерность всех информационных потоков сети и минимальное время ожидания доступа к сети.

Заголовок включает в себя идентификаторы пути, канала доставки, типа информации, указатель приоритета доставки, а также контрольную сумму заголовка, позволяющую определить наличие ошибок передачи.

Главный недостаток сетей с технологией ATM состоит в их полной несовместимости ни с одной из имеющихся сетей. Плавный переход на АТМ в принципе невозможен, нужно менять сразу все оборудование, а стоимость его пока что очень высока. Правда, работы по обеспечению совместимости ведутся, снижается и стоимость оборудования. Тем более что задач по передаче изображений по компьютерным сетям становится все больше и больше.

Технология АТМ еще в недалеком прошлом считалась перспективной и универсальной, способной потеснить привычные локальные сети. Однако в настоящий момент вследствие успешного развития традиционных локальных сетей применение АТМ ограничено только глобальными и магистральными сетями.

. Практический раздел

Сетевые операционные системы.

Операционная система - часть системного программного обеспечения.

Системное программное обеспечение (ПО) - совокупность программ, управляющих ресурсами компьютера, обеспечивающих запуск прикладных программ и взаимодействие пользователя с компьютером. Системное ПО включает в себя операционную систему (ОС), специализированные сетевые программные средства и сервисные программы (утилиты) для решения конкретных системных задач.

Сетевая ОС составляет основу любой вычислительной сети. Под сетевой ОС 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 - операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями используемых методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Современные ОС являются многозадачными и многопользовательскими.

Многозадачность означает, что в системе одновременно могут выполняться несколько задач, совместно использующих ресурсы компьютера. Следовательно, многозадачные ОС должны включать средства управления совместно используемыми ресурсами, такими как оперативная память, файлы и внешние устройства.

В зависимости от использованного при разработке критерия эффективности многозадачность может быть реализована системами следующих трех типов:

·        системы пакетной обработки (например, ОС ЕС). Предназначались в основном для задач вычислительного характера. Главным критерием эффективности являлось решение максимального числа задач в единицу времени. Для этого формируется пакет задач, причем для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие разные требования к ресурсам, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств компьютера; так, например, желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом/выводом.

·        системы разделения времени (например, UNIX). Каждой задаче выделяется только часть процессорного времени, то есть происходит поочередное выполнение всех запущенных задач. Общая производительность при этом ниже, чем в случае пакетной обработки, так как задачи выполняются в том порядке, который определяется пользователем, а не в том, который "выгоден" системе. Зато время выполнения для всех задач оказывается приемлемым для пользователя.