Файл: Распределенные системы обработки информации (анализ сетевых ОС и стек протокола TCP/IP).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Сетевое программное обеспечение предназначено для организации совместной работы группы пользователей на разных компьютерах. Позволяет организовать общую файловую структуру, общие базы данных, доступные каждому члену группы. Обеспечивает возможность передачи сообщений и работы над общими проектами, возможность разделения ресурсов.

В настоящее время компьютерные сети являются одним из наиболее распространенных видов технических систем. В зависимости от способов организации и управления, охвата территории, круга потребителей, скорости передачи и ряда других признаков различают следующие виды компьютерных сетей: локальная вычислительная сеть (ЛВС, Local Area Network, LAN), распределенная компьютерная сеть (Wide Area Network, WAN), городская или корпоративная компьютерная сеть (Metropolitan Area Network, MAN) и глобальная сеть (Интернет, Internet), объединяющая множество LAN, WAN и MAN.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) - самый распространенный вид компью­терных сетей, представляющий собой информационно-коммуникационную систему, позволяющую группе компактно размещенных пользователей совместно использовать прин­еры, дисковые накопители, приводы CD-ROM, базы данных, серверы, каналы Интернет, модемы, персональные компьютеры и др.

Независимо от особенностей реализации, в каждой ЛВС можно выделить следую­щие функциональные блоки, относящиеся к разным уровням эталонной модели взаимо­действия открытых систем ISO/OSI: а) телекоммуникационная инфраструктура, б) средства доступа в другие сети и Интернет (уровень 3), в) сетевые информационные ресурсы, г) рабочие места пользователей. Каждый из этих блоков отличается применяемыми технологиями и оборудованием, а также способами эксплуатации.

В курсовой работе выполнен анализ сетевых ОС и стек протокола TCP/IP.

1 Функции и характеристики сетевых операционных систем

(Network Operating System – NOS) – это комплекс программ, обеспечивающих обработку, хранение и передачу данных в сети.

Сетевая операционная система выполняет функции прикладной платформы, предоставляет разнообразные виды сетевых служб и поддерживает работу прикладных процессов, выполняемых в абонентских системах. Сетевые операционные системы используют клиент-серверную, либо одноранговую архитектуру. Компоненты NOS располагаются на всех рабочих станциях, включенных в сеть.

---

NOS определяет взаимосвязанную группу протоколов верхних уровней, обеспечивающих выполнение основных функций сети. К ним, в первую очередь, относятся:

1.  адресация объектов сети;
2. функционирование сетевых служб;
3. обеспечение безопасности данных;
4. управление сетью.

При выборе NOS необходимо рассматривать множество факторов. Среди них:

• набор сетевых служб, которые предоставляет сеть;
• возможность наращивания имен, определяющих хранимые данные и прикладные программы;
• механизм рассредоточения ресурсов по сети;
• способ модификации сети и сетевых служб;
• надежность функционирования и быстродействие сети;
• используемые или выбираемые физические средства соединения;
• типы компьютеров, объединяемых в сеть, их операционные системы;
• предлагаемые системы, обеспечивающие управление сетью;
• используемые средства защиты данных;
• совместимость с уже созданными прикладными процессами;
• число серверов, которое может работать в сети;
• перечень ретрансляционных систем, обеспечивающих сопряжение локальных сетей с различными территориальными сетями;
• способ документирования работы сети, организация подсказок и поддержек.

Различают ОС со встроенными сетевыми функциями и оболочки над локальными ОС. По другому признаку классификации различают сетевые ОС одноранговые и функционально несимметричные (для систем “клиент/сервер”).

Основные функции сетевой ОС:

1. управление каталогами и файлами;
2. управление ресурсами;
3. коммуникационные функции;
4. защита от несанкционированного доступа;
5. обеспечение отказоустойчивости;
6. управление сетью.

Управление каталогами и файлами в сетях заключается в обеспечении доступа к данным, физически расположенным в других узлах сети. Управление осуществляется с помощью специальной сетевой файловой системы. Файловая система позволяет обращаться к файлам путем применения привычных для локальной работы языковых средств. При обмене файлами должен быть обеспечен необходимый уровень конфиденциальности обмена (секретности данных).

Управление ресурсами включает обслуживание запросов на предоставление ресурсов, доступных по сети.

Коммуникационные функции обеспечивают адресацию, буферизацию, выбор на-правления для движения данных в разветвленной сети (маршрутизацию), управление потоками данных и др. Защита от несанкционированного доступа — важная функция, способствующая поддержанию целостности данных и их конфиденциальности. Средства защиты могут раз-решать доступ к определенным данным только с некоторых терминалов, в оговоренное время, определенное число раз и т.п. У каждого пользователя в корпоративной сети могут быть свои права доступа с ограничением совокупности доступных директорий или списка возможных действий, например, может быть запрещено изменение содержимого некоторых файлов.

---

Отказоустойчивость характеризуется сохранением работоспособности системы при воздействии дестабилизирующих факторов. Отказоустойчивость обеспечивается применением для серверов автономных источников питания, отображением или дублированием информации в дисковых накопителях. Под отображением обычно понимают наличие в системе двух копий данных с их расположением на разных дисках, но подключенных к одному контроллеру. Дублирование отличается тем, что для каждого из дисков с копиями используются разные контроллеры. Очевидно, что дублирование более надежно. Дальнейшее повышение отказоустойчивости связано с дублированием серверов, что однако требует дополнительных затрат на приобретение оборудования.

Управление сетью связано с применением соответствующих протоколов управления. Программное обеспечение управления сетью обычно состоит из менеджеров и агентов. Менеджером называется программа, вырабатывающая сетевые команды. Агенты представляют собой программы, расположенные в различных узлах сети. Они выполняют команды менеджеров, следят за состоянием узлов, собирают информацию о параметрах их функционирования, сигнализируют о происходящих событиях, фиксируют аномалии, следят за трафиком, осуществляют защиту от вирусов. Агенты с достаточной степенью интеллектуальности могут участвовать в восстановлении информации после сбоев, в корректировке параметров управления и т.п.

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети 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.

1. Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС.
2. Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование – серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, 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. 
3. Средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам – клиентская часть ОС (редиректор). Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложе-ния выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.
4. Коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сооб-щениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор мар-шрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., т. е. является средством транспортировки сообщений.

---

2. Стек протоколов TCP/IP

В основе функционирования ЛВС лежат две сетевые модели: программная модель распределенной обработки данных «клиент - сервер» и модель сетевого взаимодействия открытых систем. На рисунке 1 показано взаимоотношение моделей при решении прикладных задач с использованием сети.

Рисунок - Модели функционирования ЛВС

В соответствии с этими моделями, все устройства, подключенные к ЛВС, условно могут быть разделены на два класса:

1. Клиент - программно-аппаратный комплекс, инициирующий сеанс информаци­онного обмена. Обычно реализуется как рабочее место пользователя ЛВС на основе ПЭВМ, ноутбука, нетбука, лэптопа^[1], мобильного телефона, смартфона и т.д.
2. Сервер - программно-аппаратный комплекс, предоставляющий технические ресурсы и информационные сервисы по запросу клиента: принт-сервер, файл-сервер, web- сервер, датчики и др. Обычно, функциональность сервера определяется программным обеспечением, а производительность - аппаратной платформой.

С точки зрения построения кабельной инфраструктуры ЛВС и «клиент», и «сервер» являются абонентскими узлами или хостами сети, а способы их подключения не различаются. Сервер ЛВС, как правило, не несет коммуникационных функций и не является центром построения кабельной инфраструктуры. При использовании многозадачных вычислительных систем каждое устройство может одновременно выполнять функции «клиента» для одной задачи и функции «сервера» для другой.

Функционально взаимодействие «клиента» и «сервера» выполняется в соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO/OSI или моделью DoD (TCP/IP)^[2], которые разделяют процесс формирования и передачи пакета на стандартизированные операции (уровни) и указывают, какие функции должен выполнять каждый уровень. Разработанная международной организацией по стандартам ISO модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), или модель ISO/OSI, определяет семь уровней взаимодействия: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический. При организации реальных сетей обычно применяются адаптированные модели взаимодействия - например, передача данных в Интернет организована с использованием модели TCP/IP, выделяющей в процессе сетевого взаимодействия четыре уровня: приложений, транспортный, межсетевой и уровень доступа к сети.

---

Между узлами ЛВС данные передаются в виде кадров (frames) - пакетов канального уровня. В зависимости от способа передачи кадра, каждая ЛВС строится на основе определенной аппаратной технологии (архитектуры) - совокупности следующих элементов физического и канального уровней эталонной модели взаимодействия ISO/OSI (рис. 2-3)

Рисунок 2 Архитектура протокола

Рисунок 3 Сопоставление модели

1. Среда передачи данных - проводная (медный и оптический кабель) или беспроводная (радиоволна, оптическое излучение, инфракрасное излучение).
2. Техническая реализация среды передачи данных - исполнение кабеля (одножильный, многожильный, категория витой пары, тип оптического волокна, экранирование и др.), размеры и форма разъемов, характеристики беспроводной среды (диапазон, мощность).
3. Характеристики кадров - формат, размер, способ кодирования, скорость передачи.
4. Физическая и логическая топология подключения узлов сети и передачи кадров - «звезда», «кольцо», «шина», «ячейка».
5. Алгоритм доступа к среде передачи данных - CSMA/CD, CSMA/CA, маркер (token).
6. Адресация физического и канального уровня - интерфейс (порт), МАС-адрес.
7. Тип сетевого оборудования - коммутаторы, мосты, повторители, конвертеры.

Примерами распространенных архитектур ЛВС являются базовые семейства:

Ethernet, ATM^[3], TokenRing^[4], FDDI^[5], Wi-Fi^[6], Bluetooth^[7], LTE^[8], GSM^[9], 3G^[10], WiMAX^[11] и т.д. В рамках каждого базового вида существует несколько реализаций архитектур, различающихся по одному или нескольким из перечисленных элементов (например: Ethernet 10Base-2 - скорость передачи 10 Мб/с, среда передачи - «тонкий» коаксиальный кабель, Ethernet 1000Base-T - скорость передачи 1 Гб/с, среда передачи - кабель «витая пара», Ethernet 1000Base-LX - скорость передачи 1 Гб/с, среда передачи - одномодовый оптоволоконный кабель). Тип архитектуры ЛВС должен быть определен при проектировании сети и ему должны соответствовать все технические компоненты ЛВС.

В настоящее время для построения стационарных ЛВС архитектура Ethernet фактически является международным стандартом, поддержанным крупнейшими международными организациями: комитетом 802 IEEE^[12] и ЕСМА^[13].

---