Программное обеспечение ЛВС

Программное обеспечение (ПО) ЛВС имеет иерархическую структуру, соответствующую семиуровневой модели ВОС. Это существенно облегчает задачу стандартизации ПО в соответствии с общепринятыми протоколами. Известно, что основная задача ЛВС - обеспечение функционирования прикладных процессов, реализуемых АС сети. Выполнение прикладных процессов обеспечивается средствами прикладных программ сети (ППС), которые реализуют протоколы верхнего (прикладного) уровня модели ВОС и соответственно образуют верхний уровень программной структуры ЛВС. Выполнение процессов взаимодействия, с помощью которых осуществляется передача данных между прикладными процессами различных АС, производится средствами сетевых операционных систем (СОС), а также аппаратными средствами сети. Обычно программы СОС локальных сетей реализуют протоколы трех верхних уровней модели ВОС: прикладного уровня (вместе с ППС), представительного и сеансового. Протоколы нижних четырех уровней (транспортного, сетевого, канального и физического), как правило, реализуются аппаратурными средствами (сетевым адаптером), но в принципе процедуры этих уровней (кроме физического) могут быть реализованы программно средствами СОС.

Сетевые операционные системы. СОС - это система программных средств, управляющих процессами в сети и объединенных общей архитектурой, определенными коммуникационными протоколами и механизмами взаимодействия вычислительных процессов [24]. Она обеспечивает пользователям стандартный и удобный доступ к разнообразным сетевым ресурсам и обладает высоким уровнем прозрачности, т.е. изолирует от пользователя все различия, особенности и физические параметры привязки процессов к обрабатываемым ресурсам. Операционная система, управляющая работой ЛВС, является распределенной. Она распределяет все ресурсы сети между АС и организует обмен между ЭВМ АС. СОС локальных сетей либо создаются на базе готовой одномашинной ОС (например, в сетях Ethernet, Arcnet и Token Ring), либо разрабатываются заново как единое целое.

Возможны следующие варианты структур СОС ЛВС:

1. каждая ЭВМ сети реализует все функции СОС, т.е. хранит в своей ОП резидентную часть СОС и имеет доступ к любой нерезидентной части, хранящейся на внешних носителях;

2. каждая ЭВМ сети имеет копии программ только часто реализуемых функций СОС, копии программ редко реализуемых функций имеются в памяти только одной (или нескольких) ЭВМ;

3. каждая ЭВМ сети выполняет только определенный набор функций СОС, причем этот набор является либо индивидуальным, либо некоторые функции будут общими для нескольких ЭВМ.

Различия в структурах СОС обусловлены принятыми способами управления ЛВС (децентрализованное или централизованнее управление). Отличительной особенностью СОС ЛВС является наличие слоя операционных систем, обеспечивающего обмен информацией между ЭВМ сети.

В сетях с централизованным управлением сетевая операционная система, называемая также ОС сервера, обеспечивает выполнение базовых функций, таких, как поддержка файловой системы, планирование задач, управление памятью. Сетевая операционная система и ОС рабочей станции абонентской системы несовместимы, поэтому для обеспечения взаимодействия сервера и PC в рабочую станцию вводится специальная программа, называемая сетевой оболочкой. Оболочка загружается в оперативную память PC как резидентная программа. Она воспринимает прикладные запросы пользователей сети и определяет место их обработки -в локальной ОС станции или в СОС на сервере. Если запрос должен обрабатываться в сети, оболочка преобразует его в соответствии с принятым протоколом, обеспечивая тем самым передачу запроса по нужному адресу.

В персональных компьютерах (ПК), используемых в качестве PC, применяются ОС с разной архитектурой и возможностями. Ядро ОС обычно дополняется набором сервисных программ, с помощью которых осуществляются начальная разметка дисков, установка параметров внешних устройств, тестирование оперативной памяти, выдача информации на печать, стыковка, с большими ЭВМ и ЛВС и т.д. Получило широкое распространение и фактически стандартизировано несколько “семейств” операционных систем -СР/М, MSX, MS DOS, Windows, Unix, OS/2, ориентированных на определенные классы машин.

В качестве сетевой оболочки ОС рабочей станции ЛВС используются более широко следующие:

• сетевая оболочка NetWare для взаимодействия с СОС NetWare фирмы Novell. Она тесно связана с другими сервисными программами ОС PC, в совокупности с которыми образуется более крупная оболочка, обеспечивающая взаимодействие с сетью;
• MS Windows фирмы Microsoft. За годы разработки и совершенствования среда Windows превратилась в удобный интерфейс для пользователей. Выпущено много версий Windows с различным назначением: для работы в качестве сетевой оболочки, в качестве программного обеспечения сетевого сервера, для конечных пользователей;
• Х Window - обеспечивает среду, которая представляет собой набор инструментальных средств, управляющих обменом информацией с графическим дисплеем. Она ориентирована на работу в сетях и имеет в своей основе модель клиент - сервер, характерную для ЛВС с централизованным управлением;
• Х Tree Net - для совместной работы с многопользовательской СОС с разделением времени NetWare LAN фирмы Novell. В этой оболочке имеется встроенный текстовый редактор, полностью совместимый с редактором Word Star;
• программа Norton Commander - отличается простотой в эксплуатации и надежностью, в нее включены все основные функции управления файлами и каталогами (копирование, перемещение, удаление, сравнение содержимого двух каталогов и др.). Из оболочки Norton Commander можно автоматически запускать прикладные программы, а ее функции по поддержке коммуникаций достаточно просты.

Наиболее распространенными для ЛВС типа клиент — сервер являются четыре зарубежные СОС [23]: NetWare фирмы Novell (65% рынка СОС на 1992 год), LAN Server фирмы IBM (14%), LAN Manager фирмы Microsoft (3%), Vines фирмы Banyan (2%), выполненная на базе Unix. В последние годы широко используется СОС Windows NT. Эти СОС отличаются между собой по таким параметрам, как надежность, удобство и разнообразие административных средств для управления сетью и работой пользователей, использование разделяемых ресурсов, наличие защиты информации от несанкционированного доступа, объем резидентной части, занимаемой сетевой оболочкой на PC, зависимость производительности от количества PC в сети, возможность использования нескольких серверов в сети.

Одной из наиболее популярных является СОС Novell NetWare 386 версии 3.11, которая представляет собой 32-разрядную многозадачную СОС реального времени, работающую в защищенном режиме процессора 80386 или 8Q486. Эта система работает на одном или нескольких компьютерах, используемых в качестве файл-серверов. Остальные компьютеры сети функционируют в качестве PC, и на них загружается сетевая оболочка - специальный компонент NetWare для PC. К одному серверу подключаются до 250 PC. Все пользователи сети системным администратором могут быть разделены на группы, управление которыми осуществляют администраторы групп.

Выпущенная фирмой новейшая СОС Novell NetWare версии 4.0 предназначена для создания крупных многосегментных сетей, содержащих множество серверов и обслуживающих до 1000 пользователей. В новой версии предусмотрено централизованное управление серверами, т.е. системный администратор может управлять всеми серверами и вести единый список пользователей на всех серверах. Следовательно, пользователь, подключившись к сети, получает доступ одновременно ко всемее ресурсам.

Кроме указанных СОС, в ЛВС типа клиент-сервер применяются и другие операционные системы, например СОС Windows NT, Windows NT Advanced Server (фирма Microsoft, 1993 г.)

В сетях с децентрализованным управлением, или одноранговых сетях, объединяются компьютеры, каждый из которых может быть и сервером, и клиентом. В такой сети любой компьютер работает под управлением обычной дисковой ОС, а для выполнения сетевых функций в его оперативную память загружаются программы одноранговой СОС.

Для одноранговых ЛВС наиболее популярными СОС являются NetWare Lite фирмы Novell и LANtastic фирмы Artisoft. Большинство этих систем, как и СОС для ЛВС с централизованным управлением, базируется на ОС ПЭВМ типа MS DOS, OS/2, Unix и Windows.

Система NetWare Lite довольно удобна для управления работой небольших одноранговых сетей любой топологии: Ethernet, Arcnet, Token Ring. Kpo-ме того, ее работа согласуется с Novell NetWare 3.11, что позволяет комбинировать возможности сетей с централизованным управлением на базе NetWare 3.11 с удобным разделением ресурсов отдельных PC.

В сети с системой NetWare Lite управление сетью сравнительно простое, оно включает распределение ресурсов между пользователями, управление доступом к сети и другие задачи. Здесь также может быть введен:

администратор, однако, как правило, каждый пользователь сам решает, какие ресурсы своей АС он выделяет в общее распоряжение. Система NetWare:

Lite работает в среде MS DOS, поэтому ее возможности, предоставляемые прикладным программам, не отличаются от возможностей DОS (например, режим “клиент-сервер” здесь невозможен).

Система LANtastic (выпущена фирмой Artisoft в 1987 г.) является одной из первых одноранговых СОС. Она очень удобна для пользователей одноранговых сетей, работающих в упрощенном режиме, когда основные операции в сети сводятся к передаче небольших сообщений между компьютерами и использованию в режиме разделения времени общих файлов или устройств. Фирма Artisoft готовит усовершенствованные версии этой СОС, обеспечивающие, в частности, повышенную производительность операций ввода-вывода для эффективной многопользовательской работы с базами данных.

В одноранговых ЛВС применяются также СОС Windows for Workgrups, Personal NetWare, POWERLan.

Сетевые операционные системы обеспечивают выполнение лишь общих функций ЛВС (поддержка файл-сервера, обеспечение многопользовательской работы, безопасности и секретности данных и т.д.), но они не могут самостоятельно реализовывать многочисленные прикладные процессы. Например, не все СОС имеют собственные средства программирования электрон- ной почты (ЭП) - одного из основных приложений ЛВС. Поэтому важным требованием к большинству современных пакетов прикладных программ (ППП) является их способность работать в условиях локальных сетей, т.е. выполнять функции прикладных программ сети (ППС).

В состав наиболее известных ППС входят:

• текстовые процессоры нового поколения (Word 5.0, Word 6.0, Word 7.0);

• пакеты электронных таблиц, или табличных процессоров (SuperCalc-5, Lotus 1-2-3 версии 2.01 и 3.0, Quatro Pro версия 3.0, Exel 7.0);

• СУБД (Access, dBASE-4;5, CLIPPER-5.0, Paradox 5.0 и др.);

• пакеты группового обеспечения (Notes, Offis Vision);

• пакеты электронной почты (Microsoft Mail);

• интегрированные пакеты (Sumphony, FrameWork);

пакеты телесвязи для обеспечения передачи файлов между ПК (CROSSTALK, SMARTTERM, SMARTCOM П, KERMIT). Эти ППС должны обеспечивать возможность функционирования в сети определенного типа. В настоящее время 90 % рынка объединились вокруг сетей Ethernet, ARCnet и Token Ring. Именно к этим типам сетей приспосабливается большинство разработчиков сетевых программных средств.

Функционирование ЛВС

На эффективность функционирования ЛВС оказывают влияние следующие основные факторы:

• уровень квалификации пользователей сети. ЛВС - человеко-машинная система (СЧМ), поэтому выходной эффект ее функционирования определяется характеристиками всех трех групп элементов - эргатических, неэргатических и производственной среды;

• качество и возможности СОС, особенно такие, как разнообразие и удобство административных средств для управления сетью и работы пользователей, использование общесетевых ресурсов, зависимость производительности от количества РС в сети;

• топология сети и используемые в ней протоколы передачи данных;

• количество и возможности аппаратного обеспечения сети (в том числе возможности передающей среды по пропускной способности) и ППС;

• количество АС в сети, степень их активности, технология работы пользователей, время на удовлетворение запросов пользователей;

• объем и технология использования информационного обеспечения (баз данных и баз знаний);

• перечень предоставляемых услуг и их интеллектуальный уровень;

• средства и методы защиты информации в сети;

• средства и методы обеспечения отказоустойчивости ЛВС;

• используемые методы планирования распределенного вычислительного процесса;

• используемые режимы функционирования сети.

• Сетевое программное обеспечение, осуществляющее управление одновременной обработкой информации в различных узлах сети, с точки зрения

пользователей является распределенной операционной средой (системой) [23], принципиальное отличие которой от традиционных централизованных ОС заключается в необходимости применения средств передачи сообщений между одновременно реализуемыми процессами и средств синхронизации этих процессов. Параллельные вычислительные процессы могут возникать между процессами: внутри одной задачи, принадлежащими разным задачам, задачами пользователя и распределенной операционной системы (РОС), самой РОС.

Взаимодействие асинхронных параллельных процессов в сети, обеспечиваемое РОС, включает три элемента: инициацию, завершение и синхронизацию. Процесс инициируется (завершается) путем посылки сообщения локальной операционной системе, находящейся в другом узле сети. Процессы и сообщения дополняют друг друга: сообщения инициируют выполнение процессов, а процессы вызывают посылку сообщений. Для синхронизации процессов используется механизм событий. Синхронизация считается выполненной корректно, если результат параллельных вычислений совпадает с результатом последовательных вычислений.

Организация вычислительных процессов в ЛВС сопровождается планированием использования выделяемых ресурсов. Методы планирования отличаются большим многообразием, что объясняется многообразием структуры, режимов работы и методов управления ЛВС. В частности, выбор метода планирования тесно связан с режимом функционирования ЛВС. Выделяются следующие режимы:

• однопрограммная (однозадачная) пакетная обработка;

• многопрограммная (многозадачная) пакетная обработка;

• однопрограммная мультипроцессорная обработка (т.е. параллельная обработка одной программы на нескольких компьютерах сети);

• однопрограммная обработка в режиме разделения времени (многопользовательские системы);

• многопрограммная обработка в режиме разделения времени;

• многопрограммная мультипроцессорная обработка (универсальный режим работы сети).

Основными критериями оптимальности плана использования вычислительных ресурсов ЛВС для ее терминированных параллельных программ могут быть: минимизация времени выполнения программ (требуется минимизировать максимальное время выполнения программ при заданном количестве доступных процессов); минимизация количества требуемых PC (минимизируется количество процессов, обеспечивающих выполнение программ за время, не превышающее заданное); минимизация среднего времени окончания выполнения заданий (ориентирован на наиболее быстрое в среднем освобождение занимаемых ресурсов сети); максимизация загрузки PC сети;

минимизация времени простоев PC . Последние два критерия направлены на более полное использование процессорного времени.

Эффективность функционирования ЛВС в значительной степени определяется способами создания и ведения баз данных. В локальных сетях для создания БД реализованы две архитектуры: файл-сервер и клиент-сервер.

В случае использования архитектуры файл-сервер файлы базы данных располагаются на дисках файл-сервера (в качестве файл-сервера применяется мощный ПК на процессоре Pentium или 80486), и все рабочие станции получают к нему доступ, т.е. на PC устанавливаются сетевые версии широко распространенных СУБД персональных компьютеров. Основной недостаток такой архитектуры заключается в необходимости пересылки по линиям связи сети фрагментов файлов базы данных значительных объемов, что приводит к быстрому насыщению сетевого графика и возрастанию времени реакции информационной системы, следовательно, не обеспечивается достаточная производительность сети (особенно при большом количестве PC).

В архитектуре клиент-сервер этот недостаток устранен, в связи с чем обеспечивается совместная работа многих пользователей с большими БД в реальном масштабе времени. Помимо файл-сервера к сети подключается еще один мощный компьютер (СУБД-сервер, или сервер БД) исключительно для работы с БД. Сама база данных может располагаться на дисках СУБД-сервера или файл-сервера. Принимая запросы от PC на поиск данных в БД, СУБД-сервер сам осуществляет поиск и его результаты отсылает через сеть в запросившую их PC. Следовательно, по сети передаются только запрос и найденные данные. СУБД-сервер обычно работает в среде многозадачной ОС (Unix, OS/2, Novell NetWare 386 и др.), которая сама занимается распределением ресурсов при поступлении одновременно нескольких запросов от PC.

В качестве СУБД рабочих станций ЛВС в настоящее время чаще других применяются:

• СУБД dBase V фирмы Ashton-Tate Corporation, работающая в локальном режиме в среде MS DOS версии 2.1 и выше и в сетевом режиме в среде MS DOS версии не ниже 3.1, и IBM PC NetWork или Novell Advanced NetWare/86 LAN;

• СУБД dBase IV, созданная в 1988 г. на основе предыдущей системы dBaseIII, в которую внесены значительные усовершенствования;

• система Clipper 5.0 фирмы Nantucket Corporation, являющаяся развитием системы Clipper '87;

• система FoxPro фирмы Fox Software Inc (1990 г.), включающая все лучшие функциональные возможности своей предшественницы - системы FoxBase+;

• СУБД Data Ease компании Data Ease, в которой используются простые вопросы и ответы при создании приложений или формировании запросов;

• СУБД Alfa Four, позволяющая быстро создать простые приложения;

• система Paradox 3.0 фирмы Borland Int., предоставляющая пользователю ряд новых возможностей по сравнению с версией 2.0;

• система Open Access Ш, являющаяся интегрированной системой, включает в свой состав СУБД, текстовый процессор, средства работы с электронными таблицами, графические средства и может работать как в автономном, так и в сетевом режиме.

В качестве серверов БД нашли применение пакеты: IBM Extended Services, Ingres Server for OS/2, Microsoft SQL Server, NetWare SQL, Oracle Server for NetWare и др.

Фирма Novell для создания баз данных и работы с ними поставляет ряд программных продуктов: СУБД Btrieve (входит в состав СОС Novell NetWare) и дополнительные пакеты программ (Novell NetWare Xtrieve, Novell NetWare SQL, Novell NetWare XQL), облегчающие работу пользователя с СУБД Btrieve.

Важным фактором в обеспечении высокой эффективности функционирования ЛВС является организация распределенной базы данных (РБД), представляющей собой логически единую базу данных, отдельные физические части которой размещены на нескольких ЭВМ сети. Основная особенность РБД - ее “прозрачность”, означающая независимость пользователей и прикладных программ от способа размещения информации на ЭВМ сети. Локализация данных, декомпозиция запросов и композиция результатов должны выполняться системой без участия пользователей. В процессе работы пользователи не должны учитывать, что их запросы будут обрабатываться в сети, возможно, на нескольких ЭВМ. Администрирование и доступ пользователей к РБД осуществляются с помощью системы управления распределенной базой Данных (СУРБД). Основные функции СУРБД: планирование обработки запросов пользователей к РБД; определение ЭВМ, в которой хранятся запрашиваемые данные; декомпозиция распределенных запросов на частные подзапросы к БД отдельных ЭВМ; передача частных подзапросов и их выполнение на удаленных ЭВМ; прием результатов выполнения частных подзапросов и композиция общего результата; управление параллельным доступом к РБД многих пользователей; обеспечение целостности РБД.

В настоящее время нашли применение СУРБД Informix OnLine, Ingres Intelligent DataBase, Oracle 7, Sybase System 10. Сведения о них имеются в [24].

До сих пор рассматривались процессы функционирования локальной сети с фиксированной кабельной системой, направленные на удовлетворение запросов “местных” пользователей, работающих в составе АС сети. Однако пользователями ЛВС могут быть лица, удаленные от сети на значительные расстояния и связанные с ней обычным телефонным кабелем. Таким удаленным абонентам, в распоряжении которых имеется свой компьютер, должна быть предоставлена возможность использования ресурсов сети наравне с “местными” абонентами.

Существуют два способа установления и обеспечения взаимосвязи ЛВС - удаленный абонент, отличающиеся используемыми для их реализации программно-аппаратными средствами и степенью удобства для абонента.

Первый способ, называемый “удаленный клиент” или “удаленный вход в систему” (remote login), реализуется путем подключения удаленного персонального компьютера (УПК) к сети через мост, построенный на базе персонального компьютера. Связь между УПК и мостом осуществляется обычно по телефонному кабелю, а для преобразования сигналов используются модемы. Вход в ЛВС происходит так, как будто УПК физически присоединен к сети. Он воспринимает модем как медленный сетевой интерфейсный адаптер и направляет весь информационный поток, связанный с выполнением сетевых функций, через последовательный порт.

Кроме сравнительной простоты в реализации, преимуществом этого способа является предоставление УПК полного комплекта переадресуемых дисководов. Следовательно, прикладные программы могут использовать стандартные пути доступа к файлам программ и данных. Основной и существенный недостаток способа - его инерционность, большое время реакции на запрос удаленного абонента из-за малой скорости передачи данных по телефонной линии. Это особенно заметно, когда при реализации этого способа приходится перемещать большие файлы и прикладные программы. Такой способ целесообразно использовать, если основная масса прикладных программ выполняется локально на УПК, а к сети обращение происходит только с целью передачи небольших файлов.

Второй способ, называемый “передача экрана” (screen transfer), реализуется путем подключения УПК к так называемому серверу доступа, который непосредственно подсоединен к сети. Связь между УПК и сервером доступа осуществляется также по телефонному кабелю с применением модемов. УПК осуществляет контроль над сервером доступа: по командам набранным на своей клавиатуре, он посылает запросы к серверу доступа и принимает на экране дисплея ответные сообщения.

Серверы доступа обеспечивают удаленным абонентам дистанционный доступ к общесетевым ресурсам. Они выполняют эту шлюзовую функцию помощью программных средств дистанционного управления модемом. Будучи подключенным к ЛВС, сервер доступа по запросу УПК может извлекать. нужную прикладную программу с жесткого диска сетевого сервера и выполнять ее с помощью своих собственных процессорных плат. Дисплеи взаимосвязанных УПК и сервера доступа работают параллельно, позволяя нажатием клавиш на клавиатуре УПК управлять сервером доступа и обеспечивать вызов на экран УПК той информации, которая отображается на экране сервера доступа. Посылая вызов серверу доступа, удаленные абоненты могут пользоваться услугами электронной почты, передавать файлы, выводить данные на печатающее устройство сети, получать доступ к серверу телефаксов для отправки факсимильной информации. Серверы доступа являются хорошим средством для использования баз данных в режиме “клиент-сервер”.

Такой способ присоединения УПК к ЛВС отличается малой инерционностью, так как прикладные программы выполняются на подключенном к сети компьютере, где они получают доступ к быстродействующим сетевым связям и ресурсам. Его целесообразно использовать, когда прикладные программы удаленных абонентов хранятся в сети. Удаленное выполнение этих программ уменьшает количество потоков данных, которые должны передаваться по медленно действующим телефонным линиям. Передаются только команды и изображения экранов с помощью программы передачи экрана.

В современных сетях серверы доступа могут, как правило, обрабатывать запросы от нескольких одновременно работающих УПК.