КОМПЬЮТЕРНЫЙ ВОДОПРОВОД
С. КОНДРАТЬЕВ, инженер-программист.
Что такое локальные вычислительные сети (ЛВС) и для чего они нужны? Локальная сеть - это, попросту говоря, средство объединения компьютеров, расположенных недалеко, в пределах нескольких сотен метров друг от друга. Потребность в такой сети возникает, когда какая-то работа выполняется на нескольких компьютерах и нужно как минимум обеспечить обмен данными между ними. Конечно, для переноса информации с одного персонального компьютера (ПК) на другой можно пользоваться дискетами, однако файлы данных сейчас порой такие, что на одной дискетке их не уместить, и копирование дискет превращается в долгую утомительную процедуру. Образно говоря, переносить данные с помощью дискет - это то же самое, что носить воду ведрами: медленно, неудобно да и расплескать можно, гораздо приятнее пользоваться водопроводом. Роль такого водопровода как раз и играют локальные вычислительные сети.
Самая простая сеть
В простейшем случае два ПК можно соединить через так называемые последовательные порты (см. "Наука и жизнь" № 2, 1998 г.) с помощью специального кабеля, который иногда можно заменить тремя обычными проводами. Затем на обоих компьютерах следует запустить специальные коммуникационные программы, например, входящие в состав общеизвестного Norton Commander'а. В этом случае один из компьютеров становится ведущим (master, дословно - хозяин), а другой - ведомым (slave, дословно - невольник). Ведущий компьютер посылает по одному из проводов кабеля серию электрических импульсов, которая представляет собой команду, запрос - какую именно информацию с диска slave-компьютера желает получить master-компьютер. Получив и обработав эту команду, slave-компьютер извлекает требуемые данные со своего жесткого диска и отсылает их по другому проводу того же кабеля. Оператор, работающий на master-компьютере, этот сложный процесс совершенно не замечает: для него все выглядит так, словно на его ПК появился еще один жесткий диск, который как будто переставили с одной машины на другую. Оператор получает возможность манипулировать обоими дисками - создавать, удалять и редактировать файлы и свободно переносить их с диска на диск, а значит, с компьютера на компьютер.
Сеть начинается с кабеля
Рассмотренный выше пример представляет собой простейшую локальную сеть, имеющую, к сожалению, множество недостатков. В их числе и низкая скорость передачи данных, и ограниченное расстояние между компьютерами - всего несколько метров. Хуже того, описанная схема не предусматривает соединения в сеть более двух ПК. Для повышения скорости и дальности передачи необходимо прежде всего заменить соединительный кабель. Хороший кабель может передавать как минимум несколько мегабит информации в секунду на расстояние в десятки метров. Мегабит в секунду можно считать эквивалентом переменного тока с частотой в один мегагерц. Если пустить столь высокочастотный ток по обычным проводам, то их индуктивность и емкость могут заметно исказить сигнал. К тому же открытый провод подобно приемной антенне будет улавливать помехи и тем самым искажать информацию.
Одно решение проблемы напрашивается само собой: использовать для передачи сигнала от одного ПК к другому экранированный (коаксиальный) кабель. Это наиболее дешевый и распространенный вариант, обеспечивающий скорость передачи до 10 мегабит в секунду (что в десятки раз выше, чем скорость записи на дискету) на расстояние в несколько сотен метров. Другой способ повысить помехоустойчивость пары проводов - свить их. Получится кабель, который так и называется - витая пара, обычно он содержит две или четыре пары взаимно перевитых проводов. По внешнему виду и по разъемам он аналогичен телефонному кабелю европейского стандарта. Качество (категория) витой пары определяется числом витков на единицу длины. Иногда для дополнительной защиты от помех витую пару еще и экранируют. Сети на витой паре часто используют при построении стомегабитных сетей - со скоростью передачи в сотни мегабит в секунду.
Очень интересное высокоскоростное средство передачи информации - оптоволокно, оно превосходит электрокабели и по скорости передачи, и по дальности. Обходится оптоволоконный кабель заметно дороже, так как требует дополнительного оборудования, ведь электрический сигнал, с которым работают компьютеры, приходится преобразовывать в оптический, а затем - при приеме - обратно. Иногда для передачи информации в локальных сетях (например, там, где компьютеры часто перемещаются с места на место) используют инфракрасные и радио средства связи, не требующие вообще никаких кабелей.
Сетевая плата - приемник и передатчик
Прежде, чем передавать последовательность битов информации по электрокабелю (или другим способом), ее надо преобразовать в пригодный для передачи электрический сигнал. В простейшей сети из двух компьютеров эту работу выполнял последовательный (COM) порт ПК - специальный узел компьютера, предназначенный для связи (communication, отсюда и сокращение - COM) с внешними устройствами. Обычно компьютер оснащают двумя такими портами, которые используются для подключения мыши, модема, других устройств, обмен данными с которыми не требует большой скорости. Однако с большими объемами данных, циркулирующими в локальных сетях, COM-порт справиться не в состоянии, для этого существуют специальные сетевые платы (адаптеры). Они берут данные из памяти компьютера, быстро и надежно преобразуют их в электрический сигнал и посылают его по кабелю. Если же на сетевую плату приходит сигнал с другого ПК, она его декодирует, сообщает об этом центральному процессору и передает принятые данные в оперативную память ПК.
Впрочем, последнее действие выполняется только если сетевая плата обнаружит, что принимаемые данные предназначены именно тому компьютеру, на котором она установлена. Ведь в локальной сети могут быть десятки, сотни компьютеров, и, когда два из них обмениваются информацией, всем остальным совершенно не нужно тратить время на ее получение и обработку. Поэтому каждая порция (пакет) данных, распространяемая в сети, содержит в своем заголовке адрес - код компьютера-получателя. Этот код определяется по уникальному номеру, жестко "зашитому" в каждой сетевой плате фирмой-изготовителем. Состоит код из двух частей - кода фирмы, который присваивается в соответствии с международными соглашениями, и кода платы, уникальность которого гарантируется фирмой. Таким образом, во всем мире не существует двух сетевых плат с одинаковым номером.
Протокол "беседы"
Два радиопередатчика не могут работать на одной частоте. Чтобы в эфире не звучала "каша", они должны "разойтись" по разным частотам. Два (или несколько) ПК "разойтись" в диапазоне не могут, поэтому они передают данные в сеть по очереди, небольшими порциями (пакетами) в десятки-сотни байт. Пересылка одного пакета занимает сотые, тысячные доли секунды, после чего право передачи переходит к другому ПК, затем к следующему и так далее. При этом ни один пользователь не почувствует заметной задержки доступа к сети. Но ее пропускная способность, конечно же, делится на всех: чем больше компьютеров желает послать данные, тем меньшая доля времени достанется каждому из них. Для соблюдения порядка в ЛВС существуют строгие правила - сетевые протоколы. Они не только определяют порядок передачи пакетов, но и вообще устанавливают все параметры системы: напряжение электрического сигнала в сети, частоту, вид модуляции, размер пакета, способ адресации, метод выявления ошибок передачи и т. д.
Вернемся к определению последовательности доступа к сети. Здесь прямо-таки напрашивается аналогия из повседневной жизни: сидят, скажем, за столом люди и рассказывают анекдоты. При этом возможен следующий протокол ведения беседы: один человек начинает, рассказывает свою историю и затем передает слово соседу, тот, после завершения рассказа, следующему и так далее - по кругу. Если кому-то нечего рассказать, он просто пропускает свою очередь - на следующем круге у него снова будет возможность выступить. В ЛВС, например в сети Token Ring фирмы IBM, часто используется такой же способ определения очередности - он называется эстафетным (маркерным) методом доступа. Все компьютеры подключены к замкнутому в кольцо кабелю, по которому перемещается так называемый маркер - специальный сигнал, дающий право вести передачу.
Но бывает, беседа за столом протекает по-другому: после очередного рассказа сразу несколько человек, желающих выступить, начинают говорить, и один из них, наконец, завладевает всеобщим вниманием, а остальные замолкают и слушают. Как ни странно, в ЛВС такой же способ "ведения разговора" реализован в сетях Ethernet и официально называется "множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий". Он не так эффективен, как маркерный - существенная доля драгоценного времени уходит не на передачу данных, а на борьбу за право передачи. Однако в силу исторических причин, а также благодаря своей простоте сети Ethernet получили широчайшее распространение.
"Кольцо", "шина" и "звезда"
Способ соединения компьютеров друг с другом в локальной сети называется топологией. Одна из основных топологий - "кольцо", а если его разомкнуть, подсоединив к концам заглушки (терминаторы), получится так называемая "шина". Третья стандартная топология - "звезда", здесь кабели, идущие от каждого из сетевых компьютеров, соединяются в специальном устройстве - концентраторе. "Шина" - самая дешевая топология, она не требует дорогостоящего концентратора, а расход кабеля для нее обычно меньше, чем для "кольца" или "звезды". Однако надежность шины невысока: обрыв любого участка кабеля, а иногда и неисправность одной из сетевых плат нарушают работу всей сети. Кроме того, подключение к сети нового компьютера, и даже его перемещение, требует временного разрыва "шины", а следовательно, остановки всей ЛВС. Неисправность любого из лучей "звезды", напротив, отключает только один ПК, и работа остальной сети не нарушается. Добавление в "звезду" новых компьютеров также не требует прекращения работы. На практике большие и средние ЛВС обычно имеют более сложную конфигурацию, так как состоят из нескольких частей (сегментов), каждая из которых является простейшей сетью ("кольцом", "шиной" или "звездой"). При этом в одной сети могут объединяться сегменты не только с разной топологией, но и с различными типами кабелей, скоростями и протоколами передачи. Стыковка этих отдельных "кирпичиков" в единую ЛВС осуществляется с помощью специальных компьютеров - коммутаторов или мостов.
Сеть - это обмен файлами. Но не только...
Представьте себе, что у вас на работе появилась небольшая сеть: несколько уже имевшихся ПК оснастили сетевыми платами, связали кабелем и произвели соответствующие настройки в операционных системах (скажем, Windows 95) этих компьютеров. Какие новые возможности вы получите на своем рабочем месте? Во-первых, вы можете разрешить своим коллегам работать с файлами на жестком диске вашего компьютера. Для этого вам просто надо указать, какие именно директории на диске (или весь диск) вы выделяете для общего пользования и какие действия в ней разрешены посторонним - только чтение или чтение и запись. Чтобы защитить свой диск от доступа нежелательных лиц, вы можете задать пароль, без знания которого доступ к вашим данным через сеть станет невозможным. Пользователи сети, знающие ваш пароль, могут обращаться к вашему диску, как к своему собственному. Во-вторых, и вы тоже можете обращаться к чужим дискам, выделенным в общее пользование, если, конечно, вам сообщили необходимые пароли.
Доступ к данным по сети бывает полезен в разных ситуациях. Прежде всего, для обмена файлами в процессе совместной работы над ними. Например, вы написали статью (начертили схему, составили смету) и затем переносите соответствующий файл на компьютер своего коллеги для редактирования. Он внесет свои изменения и вернет файл вам обратно или же направит другому сотруднику.
Во многих западных учреждениях весь документооборот и управление: перемещения документов, наложение резолюций и виз, распоряжения подчиненным и их отчеты о проделанной работе - все осуществляется без бумаг и даже без личного общения, а путем пересылки файлов по локальной сети. Естественно, для организации подобной системы требуется специальное программное обеспечение. Однако некоторые его элементы являются стандартными для сетевых операционных систем. Прежде всего, это рассылка в ЛВС электронной почты, по аналогии с Интернетом, или мгновенная передача коротких сообщений на другой компьютер.
Другая типичная ситуация, когда доступ к чужим дискам крайне полезен, - это просмотр справочной информации, которую гораздо удобнее хранить в общем компьютере, имеющем доступ для всех. Уже существуют в "цифровом виде" готовые информационные материалы, причем самые разнообразные - от полного сборника российских законодательных актов до каталога картин Третьяковской галереи. Если вам и вашим коллегам для работы требуется несколько таких систем, то их можно "разбросать" по разным компьютерам, не очень загружая при этом жесткий диск каждого из них, "справочный массив" станет общедоступным через локальную сеть.
Бывают ситуации, когда один файл одновременно должны изменять несколько человек, работающих на разных компьютерах. Например, в системе продажи железнодорожных билетов требуется, чтобы билет на определенное место, проданный одним оператором со своего компьютера, остальными не мог бы быть повторно продан через несколько минут. Другая ситуация: деньги, принятые в банке одним клерком и занесенные им на свой ПК, сразу же должны быть видны всем остальным. Решением подобных задач занимается отдельная область компьютерной науки - теория управления базами данных.
Но вернемся, однако, к нашей не очень сложной локальной сети. Вы можете предоставить в общее пользование не только жесткий диск. Вместо того, чтобы оснащать принтером каждое рабочее место, вы покупаете один хороший, мощный принтер, подключаете его к одному из ПК и разрешаете к нему сетевой доступ. Тогда с любого другого компьютера можно будет по сети выходить на этот принтер и печатать на нем так же, как будто он подключен к компьютеру напрямую. Если сразу несколько человек попытаются печатать одновременно, их задания просто выстроятся в очередь и исполнятся одно за другим. Человек, сидящий за компьютером, к которому присоединен принтер, в это время может выполнять любую работу, правда, его ПК, занятый печатью с других машин, будет работать чуть медленнее. Естественно, в сети могут быть и несколько различных принтеров - скажем, цветной, широкоформатный и т. д., - и с любого рабочего места можно будет печатать на любом из них.
Кроме того, если у вас есть факс-модем, его тоже, как и принтер, можно предоставить в общее пользование, например, для отправки документов и писем по факсу. Упрощается и доступ к Интернету: нет необходимости покупать модем на каждую машину - лучше установить один, но хороший, и, используя специальную программу, настроить систему так, чтобы обеспечить работу с Интернетом всем компьютерам, входящим в вашу сеть.
В заключение хочу заметить, что мы рассказали о принципах работы простейшей, то есть малой сети - с числом компьютеров не более, скажем, десяти. Но есть ЛВС, объединяющие сотни компьютеров, а подразделения фирмы могут быть расположены в десятках километров друг от друга. Например, компьютерная сеть компании "Юганскнефтегаз" охватывает территорию в восемьсот квадратных километров. В таких ЛВС принципы работы уже иные. Компьютеры в них делятся на две группы: серверы (от английского to serve - обслуживать) и собственно рабочие станции. Серверы порой не имеют ни монитора, ни клавиатуры, все общение с внешним миром они осуществляют через сетевые платы. Их задача - обслуживать рабочие станции, хранить и обрабатывать данные, повышать скорость обработки информации и т. д.
Создают архитектуру подобных сетей, обслуживают их высококвалифицированные специалисты - системные администраторы. Среди "компьютерных" профессий системные администраторы - это элитная группа, как, скажем, летчики среди авиаторов вообще. Понятно, что со временем потребность в этих специалистах будет возрастать.
ПРОВОДА И ПЛАТЫ
Начиная размышлять о будущей своей локальной сети, хорошо бы прежде всего подумать о том, какая вам нужна (и, конечно, по средствам) скорость ее работы: достаточно ли вам обычной пропускной способности 10 Мбит/с, предпочтете ли вы более современную ЛВС на 100 Мбит/с или же вам непременно требуется последнее достижение - гигабитная сеть?
Второй предмет для размышлений: какой тип сети предпочесть - Ethernet, TokenRing, 100VG AnyLAN и т. д.? Здесь выбор в основном зависит от уже имеющегося оборудования, навыков персонала, вашего доверия к той или иной фирме и прочих субъективных факторов. Лучше всего размышлять об этом вместе с человеком, имеющим уже богатый "сетевой опыт".
И, наконец, третье, самое, видимо, простое: нужно определиться с топологией будущей сети и типом кабеля. Поразмышляв, поспорив и сделав окончательный выбор, можно подбирать сетевые платы.
Рассмотрим типичное сегодня решение - десятимегабитная Ethernet. Она существует в нескольких вариантах: "звезда" на витой паре (стандарт 10Base-T), "шина" на оптоволокне (стандарт 10Base-FL) и "шина" на коаксиальном кабеле, который бывает двух видов - "тонкий" (10Base2) и "толстый" (10Base5). Самый дешевый вариант - тонкий коаксиал, его основное ограничение - длина сегмента (шины) не более 185 метров. Основное неудобство (общее для всех локальных сетей с топологией "шина") в том, что любое повреждение кабеля прекращает работу всей сети. Впрочем, с обеими неприятностями можно бороться одним средством - созданием в одной сети нескольких сегментов. В простейшем случае вместо одной шины используются две, связанные друг с другом не напрямую (тогда это была бы одна шина), а за счет подключения к разным сетевым платам одного компьютера, обычно сервера. При этом каждый сегмент может иметь длину до 185 метров, а авария на одном сегменте не влияет на работу другого. Более того, если деление сети на сегменты соответствует распределению рабочих станций по группам, где они взаимодействуют в основном между собой и сервером, то скорость работы в сети также увеличится.
Другие типы кабелей для сети Ethernet топологии "шина" - толстый коаксиал и оптоволокно - дороже, чем тонкий коаксиальный кабель, но зато обеспечивают большую длину сегмента - 500 и 2000 метров соответственно. Естественно, для них также применяется сегментация, как, впрочем, и для сетей типа "звезда" на витой паре. Длина одного кабеля, луча "звезды" - не более 100 метров. Лучи "звезды" сходятся в концентратор (английский термин hub) - довольно дорогое устройство, обеспечивающее защиту сети от обрыва любого из ее лучей и даже некоторую диагностику ее работы. Каждый концентратор рассчитан на подключение определенного числа компьютеров - 8, 16, 24, в зависимости от модели. Поэтому, приобретая концентратор, желательно знать максимальное число компьютеров в данном сегменте сети. В случае необходимости, если в концентраторе уже нет свободного разъема для нового компьютера, можно вместо одного из "рядовых" компьютеров включить еще один концентратор и уже к нему подсоединять новые компьютеры.
Несколько слов о выборе плат. Во-первых, необходимо, чтобы они поддерживали выбранные тип сети и скорость передачи. Во-вторых, платы должны иметь необходимые разъемы для подключения к сети. И, наконец, сетевые платы должны подойти к вашим компьютерам. Наиболее универсальный вариант - плата с разъемом ISA, она будет работать практически на любом персональном компьютере. Однако стандарт ISA обеспечивает невысокую скорость передачи данных между платой и компьютером, и даже в сетях на 10 Мбит/с несколько замедляет работу. Если же у вас более быстрая сеть, использование ISA-плат крайне нежелательно - нужно что-то побыстрее. Для 486-й машины скорее всего подойдет плата с интерфейсом Local Bus, для Pentium'a - PCI; бывают также EISA - платы - их можно ставить лишь в ПК с соответствующей архитектурой - обычно это дорогие компьютеры, например серверы.
Кроме того, при выборе сетевой платы не следует забывать, что она использует различные ресурсы компьютера - так называемые порты ввода-вывода, аппаратные прерывания и т. д. Эти же ресурсы требуются и другим устройствам: модему, аудио- и видеоплатам, дисковым контроллерам - так что при неудачном сочетании устройств этих ресурсов на всех может и не хватить. Наконец, сетевая плата должна быть совместима с используемой вами операционной системой. В общем, создание сети - дело не очень сложное, но требующее квалифицированных специалистов. А данная заметка - лишь краткое введение в эту область.
Читайте в любое время
