Локални компютърни мрежи

Локална компютърна мрежа (LAN – LOCAL AREA NETWORK) образуват два или повече компютъра, които са свързани помежду си с помощта на някакво физическо средство (коаксиален кабел, кабел с усукани двойки проводници и др.). Свързаните по този начин компютри могат да обменят своите данни и да използват общи периферни устройства, като скоростта на преноса на данни е обикновенно висока, поне 1 MB/сек. Свързаните компютри са разположени върху ограничена площ, например в рамките на един етаж.

За локална компютърна мрежа засега ще смятаме такова свързване на компютри (става дума за IBM PC съвместими компютри), което им позволява да комуникират помежду си. Това е един специфичен вид комуникация, която има за цел да осигури такъв достъп до отдалечени устройства (дискове,принтери и т.н.), физически свързани към други включени в мрежата компютри, така че ние да използуваме по същият начин, както ако те са част от нашия собствен компютър. Тук не говорим за обикновено пренасяне на данни от един твърд диск на друг, а става дума за възможността в случай на нужда да “добавим” диск (или друго отдалечено устройство) с помощта на мрежата “директно” към нашия компютър. При това става свързване на компютри, физически отдалечени до няколко стотици метра, в изключителни случаи до няколко километра. Високата скорост на пренасяне на данни е необходимо условие, за да могат физически отдалечените устройства да бъдат “локални” за нас.

Свързаните в мрежа компютри (ще ги наричаме също така и мрежови възли или мрежови станции) можем да разделим на две групи според тяхната локална мрежа: работни станции (workstation) и облужващи станции за които се използува английското наименование сървър (server).

Работните станции са свързаните в мрежата компютри, на които  работи обикновеният потребител, т.е. компютрите на които се извършва обработка на данните  по начин, който на пръв поглед не се различава от начина, по който се работи с персонален компютър. Разликата между работната станция и несвързания в мрежата персонален компютър е в това, че работната станция използува различни услуги, предлагани и от локалната мрежа, в които е включена. От казаното дотук се разбира, че ще се използуват други услуги, т.е. услуги предлагани от друг вид станции в мрежата – сървеърите.

Сърверът е компютър, който предлага на другите включени в мрежата компютри някои свои услуги и периферни устройства, като по този начин се осигурява функционирането на мрежата като такава. Наличието и дейността на сървърите е абсолютно необходимо условие за работата на мрежата. Сървърите могат да бъдат специализирани в извършването на отделни дейности и услуги. В една мрежа освен така наречените file servers (файлови сървъри), които предлагат на останалите станции от мрежата свои твърди дискове (бързи и с голям капацитет), може да има и:

Print servers (печатни сървъри), които предлагат свързаните към тях принтери - обикновено висококачедствени, скъпи и с голямо бързодействие;

mail servers (пощенски сървъри), служещи за посредници на електроннта поща;

data base  servers (сървъри за база данни), които позволяват на потребителите достъп до общи бази данни и се грижат за поддържането на тези бази данни.

Следователно, от казаното дотук разделяме локалните компютърни мрежи на две групи: мрежи от тип client – server и мрежи от тип peer – to – peer.

В случаи на мрежи от типа клиент – сервер един от компютрите се използва за сървер, а останалите включени в локалнита мрежа компютри работят като работни станции. Типичен представител на този тип мрежи е мрежовата система NetWare на фирмата Novell.

Мрежите от типа  peer – to – peer (в превод равен с равен) са характерни с това, че всички свързани в мрежата компютри са “равностойни” или казано по друг начин могат да работят едновременно и като работни станции и като сървери. Представител на този тип мрежова система е LANtastic.

Посочените типове мрежи имат своите предимства и недостатъци. Например случая с мрежата клиент – сървър, предимството е опростеното управление на мрежовите данни. В този случай по-голямата част от тях са съсредоточени на едно място – в компютъра, който служи за сървер. Системата на защита на данните и на цялата мрежа като такава е също опростена. Недостатък е това, че каквато и повреда да се случи в сървъра, моментално е застрашена дейността на цялата мрежа.

Основното предимство при изграждане на мрежите от типа peer – to – peer  е, че при тях практически може да се използват всички компютри, които досега са работили самостоятелно. Първата инвестиция в такъв тип мрежа обикновено е по-ниска, отколкото в мрежа клиент - сървер, където възможностите на закупените по -рано компютри се използуват много ограничено. Допълнителна изгода са и по-ниските изисквания към техническото осигуряване на сървъра що се отнася до паметта, големината и скоростта на твърдите дискове (това се отразява върху скоростта на цялата система, която обикновено при системите peer – to – peer е по-ниска ).

В случай, че локалната мрежа е малка, това може да се постигне чрез споразумение между потребителите, но по-добър вариант е, ако мрежовата операционна система поддържа възможността за избор на специализиран сървър и дава възможност за заключване на клавиатурата (чрез парола на избрания компютър).

Върху какво се основава изграждането на малка локална мрежа?

Първо трябва да оборудваме компютрите, които искаме да включим в нея с необходимото мрежово техническо оборудване (хардуер) и след това да инсталираме на тези компютри необходимото мрежово програно осигуряване (софтуер).

Под техническо оборудване разбираме платки на мрежови адаптери, мрежови кабели  и друго оборудване (разклонители, конектори,терминатори  и др.).

Мрежовият адаптер представлява обикновено платка за персонален компютър, която се инсталира към свободен слот на дънната платка. Към външните конектори на адаптера се свързват мрежовите кабели, чрез които компютърът се свързва с останалите в мрежата компютри. Съвременните мрежови адаптери са “универсиални” в този смосъл, че могат да различават в какъв слот са включени и автоматично избират подходящия режим на работа. Мрежовите адаптери могат да използуват различни методи за пренос на информация (различно кодиране, различни техники). Тези начини могат да бъдат взаимно несъвместими. Ето защо при избор на адаптери трябва да се внимава те да бъдат от един и същи тип. Най-често използувани са Ethernet, ARCnet и  Token Ring. Мрежовите адаптери Ethernet постепенно се превръщат в световен промишлен стандарт.

Всеки край на мрежовия кабел трябва да бъде снабден с конектор, който отговаря на използувания кабел и чрез който става свързването на каабела към платката на мрежовия адаптер. BNC конекторът е стандартен при свързване на тънък коаксиален кабел. За свързване на каабели с усукани двойки проводници се използува модулен щепсел RG-45 (modular plug), подобно на използувания в САЩ телефонен щепсел. Свързването на оптичния кабел е сравнително по-сложно, тъй като са необходими устройства, които да трансформират електрияеските сигнали е светлинни и обратно (например светлинни диоди). Оптичното свързване на тези устройства трябва да бъде много прецизно, за да не се получава загуба на светлинни сигнали в мястото на свързване. Това би довело до намаляване на разстоянията, на които компютрите могат да се свържат с оптичните кабели.

Краищата на кабелите при някои локални компютърни мрежи (например шинна топология с коаксиален кабел и мрежови адаптери Ethernet или ARCnet) трябва да завършват със специално изработени конектори – терминатори. Предназначението им е да предпазват от отразяване на сигнала в края на кабела.

Програмните средства включват мрежови операционни системи, мрежови приложни програми  и мрежови системни програми /utility/.

Мрежовите програмни средства обединяват мрежовата операционна система, мрежовите приложни програми и мрежовите системни програми (utility). Програмното осигуряване е това, по което компютърът, работещ като работна станция, се различава от работещият като сървер в една локална мрежа. Що се отнася до техническото осигуряване, т.е мрежовите адаптери и кабелната сиситема, те и в двата случая са еднакви.

Архитектура (топология) на локална мрежа

Топология тип звезда

Една от най-старите типове топологии е конфигурацията звезда, при която подходът за изпращане и получаване на съобщения е аналогичен на този при телефонните системи. Точно както телефонните повиквания от един абонат (работна станция) до друг се извършват чрез централна превключваща станция, така всички съобщения в ЛМ с топология звезда трябва да минават през централен компютър, управляващ потока на информацията. ЛМ STARLAN на AT&T е пример за използуването на посочения подход. Тази архитектура улеснява добавянето на нови работни станции в ЛМ като необходимо е само кабел от централния компютър до мрежовата интерфейсна платка на новата станция.

При топология звезда всяка станция е съединена за централния комуникационен възел чрез две еднопосочни линии- една за предаване и една за приемане. Комуникационният възел може да бъде пасивен (да разпределя влизащите в комуникационния възел сигнали към излизащите от него линии) или активен (цифрова логика приема входните сигнали и след това ги препредава към изходните линии).

Друго предимство на топологията звезда е, че администраторът на мрежата може да даде по-висок приоритет на някои възли в сравнение с останалите. В този случай централният компютър ще проверява предварително дали има сигнали от станциите с по-висок приоритет преди да приеме заявките от останалите възли. Тази възможност може да бъде особено полезна в мрежи, в които някои потребители трябва да получават незабавен отговор на запитванията си.

И накрая, топологията тип звезда улеснява централизираната диагностика на всички мрежови функции. Тъй като всички съобщения минават през централния компютър, не е трудно да се анализират съобщенията от отделните станции и да се изготви справка за файловете, използвани от всеки възел. Тази справка може да се окаже ценна за гарантиране на защитата на информацията в мрежата.

Топологията от тип звезда позволява да се добавят лесно нови работни станции и осигурява възможност за подробен анализ на действието на мрежата. Повреда в централния компютър води до неизправност на цялата мрежа. Основният недостатък на топологията тип звезда е, че при повреда на централния компютър цялата мрежа се разпада. Този недостатък е присъщ и на многопотребителските миникомпютърни системи, които се обслужват от централен процесор.

Топология тип свързани звезди

Свързаните звезди са разновидност на топологията тип звезда. Няколко звезди могат да се свържат в обща конфигурация. При топологията тип свързани звезди няколко звезди са включени в обща конфигурация. Повредата на един от централните компютри не води до разпадане на цялата мрежа, въпреки че станциите от неизправната звезда не могат да използват услугите на мрежата.

Шинна топология

Шинната топология представлява магистрала за данни. Тя улеснява включването на нови работни станции в мрежата, но защитата на информацията в нея се осигурява трудно. В сравнение с другите топологии при тази конфигурация общата дължина на кабелите е най-малка.

Друга често използвана мрежова топология е шинната. Тя представлява магистрала за данни, свързваща множество работни станции. В тази мрежа станциите проверяват предварително дали се предават данни от шината преди да изпратят своите съобщения. Тъй като възлите са свързани към обща шина, съобщенията минават през всеки от тях по пътя към своите местоназначения. Всяка работна станция проверява дали адресът на съобщението съвпада със собствения и адрес. Тя записва предназначените за нея съобщения в памет RAM на мрежовата и интрефейсна платка и след това обработва информацията.

За разлика от конфигурацията звезда, при която десетките кабели създават известни затруднения при свързването им към центрания компютър, инсталирането на кабелната система при шинната топология е просто. При тази конфигурация общата дължина на кабелите е най-малка в сравнение с другите топологии на ЛМ. Друго предимство на шинната топология е, че при неизправност в една от работните станции действието на останалата част от мрежата не се нарушава. ЛМ EtherNet е пример за мрежа с шинна топология.

Шинната типология е най-простата. При нея всички станции са свързани чрез мрежови адаптери към общата шина (комуникационна среда). Само една станция може да предава пакети в даден момент от време. Поради това трябва да има управление и контрол на начина на достъп до средата. Предаването на всяка станция се разпространява по цялата шина в двете посоки и може да се приеме от всички станции. Данните се предават в пакети , които съдържат адреса на станцията получател, адреса на станцията, която предава пакета, както и други служебна (контролна) информация. Съществуват две основни метода за предаване на шина- директен (baseband) и широколентова (broadband).

Директното предаване използва цялата честотна лента - сигналите са цифрови импулси, най-често кодирани с Манчестерски или диференциален Манчестерски код. Предадените пакети се разпространяват по терминиращите съпротивления в краищата на шината. Поради затихването на сигналите, шините ЛМ с директно предаване покриват разстояния до 1000 метра.

Широколентовото предаване позволява използването на повече от една честотна лента, като станциите предават аналогови сигнали (които пренасят цифровите данни) на различни честоти. Тъй като аналоговите сигнали имат по-малко затихване, широколентовото предаване покрива по-големи разстояния- до десетина километра. Ползването на повече от един честотен сигнал, прави излишни двупосочните усилватели- при широколентовото предаване се ползват еднопосочни усилватели. Всички станции предават в една посока на шината- към т.нар. устройство “начало- край” (headend). Посоката, в  която се извършва предаването  се нарича “влизаща” (inbound path). Устройството “начало- край” е по същество честотен преобразувател, който конвертира “влизащата” и “излизащата” (outbound) честота, на която станциите приемат пакетите. Съществуват и мрежи с широколентово предаване, които използват два отделни кабела (dual cable broadband)- по един съответно за предаване и за приемане, като между тези кабели има пасивен конектор (свързващ елемент). В този случай станциите предават и приемат на една и съща честота.

Недостатък на шинната топология е, че между отклоненията за работните станции трябва да се спазва определено минимално разстояние с цел да се предотвратят евентуални взаимни смущения между сигналите. Освен това администраторът на мрежата не може лесно да диагностицира цялата система. И накрая, шинната топология не осигурява възможностите за защита информацията в мрежата, присъщи на конфигурацията тип звезда; тъй като всички съобщения се предават по обща магистрала за данни, защитата на информацията може да бъде нарушена от потребител на мрежата, който не притежава необходимите права за достъп.

Кръгова топология

Кръговата топология обединява предимствата на конфигурациите звезда и шина. Една работна станция се определя като контролен възел за всички мрежови функции. Неизправността на дадена станция не води до разпадане на цялата мрежа.

При кръговата топология възлите (работните станции) са свързани в кръг. Съобщенията се предават от една станция към друга само в едната посока. (При някои ЛМ с кръгова конфигурация обменът може да се извършва и в двете посоки, но в даден момент предаването също е еднопосочно). В ЛМ с кръгова топология се проверява дали изпратените съобщения са получени. Когато даден възел приеме адресирано до него съобщение, той го записва и го изпраща обратно към подателя с флаг, потвърждаващ получаването.

При локалните мрежи с кръгово топология станциите са свързани чрез повторители (repeaters) в кръг. Връзките между повторителите са еднопосочни. Всеки пакет, предаден от дадена станция се изпраща към следващата в кръга. Когато пакетът достигне станцията, за която е предназначен (станцията получател), той се копира в локалния буфер и продължава по кръга. Пакетът се отстранява от кръга от станцията, която го е предала (т.е.пакетът прави пълен кръг). Ясно е, че и при ЛМ с кръгова топология има нужда от спазване на определен ред на достъп до средата.

Един от ключовите проблеми при кръговата топология е да се осигурят еднакви възможности за достъп до мрежата за всички работни станции. В ЛМ с кръгова топология и управляващ маркер предаващата станция изпраща по мрежата определен пакет от данни, наречен управляващ маркер. Маркерът съдържа адреса на подателя и адреса на възела, който трябва да получи съобщението. След като приемащата станция получи и запише в паметта си изпратеното и съобщение, тя връща обратно маркера на подателя, който го изпраща на следващата работна станция от кръга. Ако тази следваща станция няма съобщение за предаване, маркерът преминава по-нататък.

За да осигурят функциите, свързани с управлението на мрежата, една от работните станции се определя като контролен възел. Чрез него се извършва и диагностицирането на сиктемата. Кръговата топология има редица предимства. Ако контролният възел се повреди, действието на мрежата не се нарушава, тъй като е възможно друга работна станция да поеме неговите функции. При наличието на подховящ софтуер мрежата остава работоспособна дори при неизправности в няколко работни станции, които в този случай се изключват от кръга. Няколко ЛМ с кръгова топология могат да се свържат в обща мрежа чрез мостове, които превключват данните от един кръг в друг.

Към първоначално създадената локална мрежа с кръгова топология е изключително трудно да се включват нови работни станции. За да се добави нов възел и се свържат необходимите кабели, работата в мрежата трябва да се прекрати. Все пак има и просто решение. Сега много ЛМ с кръгова топология се инсталират с кабелни центрове, наречени релейни блокове. Те позволяват на администратора на мрежата да добавя и премахва работни станции от кръга чрез включването (или изключването) им към релейните блокове; създазената преди това инсталация се запазва, а работата на мрежата не се нарушава.

Кабелна система на ЛМ. Видове кабели

За ЛМ трябва да се осигури кабелна система, която да свързва индивидуалните работни станции с файловия сървър и периферните устройства на мрежата. Ако имаше само един вид кабели, решението би било просто. За нещастие съществуват различни видове кабели, всеки със своите предимства. Тъй като разнообразието в цените и в характеристиките им е голямо, въпросът няма тривиално решение.

Кабелите с усукани двойки проводници са най-евтината съобщителна среда за локалните мрежи. Те се състоят от двойки изолирани  и взаимно усукани проводници, така че във всеки проводник  попадат еднакви по интензивност външни смущения. Този внесен шум става част от предавания сигнал. Усукването на проводниците намалява, но не елиминира шума. Съществуват кабели с различен брой двойки проводници и с различни дебелини. Те се означават с номер, свързан с диаметъра им съгласно Американския стандарт за проводници (AWG); например кабелът AWG- 26 е с диаметър 0.01594 инча. В локалните мрежи най-често използваните кабели с усукани двойки проводници са AWG- 22 и AWG- 24.

За разлика от кабелите за директно предаване, по коаксиалните кабели за радиочестотно предаване могат да се разпространяват едновременно няколко сигнала с различни честоти. Този подход е приет от компаниите за кабелна телевизия, при която се използва радиочестотен коаксиален кабел с характеристичен импеданс 75 Ohm. Абонатите правят избора си между няколко различни станции, всяка от които предава на определената й честота. Всички системи за радиочестотно предаване са изградени с единичен кабел и двупосочни усилватели, или имат двукабелна конфигурация. И в двата случая носещите сигнали се изпращат до една централна точка, наречена главен възел, от където те се предават обратно до всички точки на мрежата.

През последните години една от най-вълнуващите стъпки напред в областта на съобщителните среди е използването на влакнестата оптика в ЛМ. Тази нова технология за предаване на информация има редица предимства в сравнение с възможностите на усуканите двойки проводници и коаксиалните кабели. Освен че осигурява много по-висока скорост на предаване, влакнесто оптичните кабели са защитени от електромагнитни и радиочестотни смущения и могат да пренасят сигнали без загуби на разстояние няколко мили. При тях неравномерното приемане е почти невъзможно.

В някои случаи инсталирането на кабелна система е много трудно. Например в служби, където персоналът се премества често, не е удобно да се използват традиционните мрежови кабелни системи. Едно от решенията в случая е “безжичната” мрежа. В микрокомпютрите се инсталират платки с малки микровълнови предаватели. Тези устройства изпращат мрежовите си сигнали за другите работни станции (които също имат микровълнова апаратура) по въздуха. Популярността на безжичните ЛМ Token Ring и EthetNet нараства, но високата цена пречи на разпространението им, сравнено с това на обикновените кабелни мрежи.