Основы функционирования операционных систем локальных вычислительных сетей

Место операционной системы рабочей станции в локальной вычислительной сети и ее структура.

ЛВС (локальная вычислительная сеть) — это совокупность компьютеров, каналов связи, сетевых адаптеров, работающих под управлением сетевой операционной системы и сетевого программного обеспечения. Основной особенностью ЛВС является низкая территориальная распределенность ЭВМ (в пределах знания, предприятия и т. д.). Чаще всего ЛВС являются элементами более крупномасштабных образований.

В ЛВС каждый ПК называется рабочей станцией, за исключением одного или нескольких компьютеров, которые предназначены для выполнения функций сервера. Каждая рабочая станция и сервер оснащены сетевыми картами (адаптерами), которые посредством физических каналов соединяются между собой. В дополнение к локальной ОС на каждой рабочей станции активизируется сетевое ПО (сетевые службы), позволяющее организовывать ее взаимодействие с другими станциями и сервером. Аналогичным образом, на сервере активизируется сетевое ПО, позволяющее ему взаимодействовать с рабочими станциями и другими серверами.

В компьютерной сети можно выделить три основных аппаратных компонента и два программных. Для корректной и согласованной работы устройств в сети они должны быть правильно инсталлированы и настроены. Основными аппаратными компонентами сети (Приложение А) являются:

• 1. абонентские системы: компьютеры (рабочие станции или клиенты и серверы); принтеры; сканеры и др.
• 2. сетевое оборудование: сетевые адаптеры; концентраторы (хабы); мосты; маршрутизаторы и др.
• 3. коммуникационные каналы: кабели; разъемы; устройства передачи и приема данных в беспроводных технологиях.

Основными программными компонентами сети являются:

• 1. сетевые ОС, например, Microsoft Windows NT; Novell NetWare; Unix; Linux и т. д.
• 2. сетевое ПО (Сетевые службы): клиент сети; протокол; служба удаленного доступа, драйвер сетевого адаптера и др.

Рабочая станция (workstation) — это абонентская система, специализированная для решения определенных задач пользователя и использующая сетевые ресурсы. К сетевому программному обеспечению рабочей станции относятся следующие службы: клиент для сетей; служба доступа к файлам и принтерам; сетевые протоколы для данного типа сетей; драйвер сетевого адаптера; контроллер удаленного доступа.

В отличие от автономного ПК рабочая станция:

• ? оснащается сетевым адаптером и каналом связи;
• ? перед началом работы на рабочей станции необходимо выполнить процедуру входа в сеть;
• ? после подключения рабочей станции к ЛВС появляются дополнительные сетевые дисковые накопители и появляется возможность использования удаленного оборудования.

Сервер — это компьютер, предоставляющий свои ресурсы (диски, принтеры, каталоги, файлы и т. п.) другим пользователям сети. Кроме своей первичной функции (предоставление ресурсов), сервер может выполнять ряд дополнительных функций: функции маршрутизации, аутентификации и контроля доступа пользователей и т. д.

По мере усложнения возлагаемых на серверы функций и увеличения числа обслуживаемых ими клиентов происходит все большая специализация серверов. Существует множество типов серверов:

• ? первичный контроллер домена, сервер, на котором хранится база бюджетов пользователей и поддерживается политика защиты;
• ? вторичный контроллер домена, сервер, на котором хранится резервная копия базы бюджетов пользователей и политики защиты;
• ? универсальный сервер, предназначенный для выполнения несложного набора различных задач обработки данных в локальной сети;
• ? сервер базы данных, выполняющий обработку запросов, направляемых базе данных;
• ? proxy-сервер, необходимый для организации доступа пользователей ЛВС в Internet;
• ? web-сервер, предназначенный для предоставления гипертекстовой информации;
• ? почтовый сервер, предоставляющий сервис электронной почты и т. д.

Если для построения локальных связей между компьютерами используются различные виды кабельных систем, сетевые адаптеры, концентраторы и повторители, то для связей между сегментами ЛВС используются концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы, а для подключения ЛВС к глобальным сетям могут используются:

• ? специальные выходы (WAN-порты) мостов и маршрутизаторов;
• ? аппаратура передачи данных по длинным линиям — модемы;
• ? устройства подключения к цифровым каналам (TA — терминальные адаптеры сетей ISDN, устройства обслуживания цифровых выделенных каналов типа CSU/DSU и т. п.).

В приложении Б приведен фрагмент вычислительной сети.

Сетевая операционная система (Network Operating System — NOS) — это операционная система со встроенными или надстроенными сетевыми функциями, обеспечивающая доступ рабочей станции в информационную сеть.

Сетевая операционная система необходима для управления потоками сообщений между рабочими станциями и серверами. Она является прикладной платформой, предоставляет разнообразные виды сетевых служб и поддерживает работу прикладных процессов, реализуемых в сетях.

Сетевая ОС определяет группу протоколов, обеспечивающих основные функции сети. К ним относятся:

• ? адресация объектов сети;
• ? функционирование сетевых служб;
• ? обеспечение безопасности данных;
• ? управление сетью.

Сетевые операционные системы (Network Operating SystemNOS) — это комплекс программ, обеспечивающих обработку, хранение и передачу данных в сети.

Сетевая ОС составляет основу любой вычислительной сети. Под сетевой ОС в широком смысле понимается совокупность ОС 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.

На практике сложилось несколько подходов к построению сетевых ОС (приложение В).

Первые сетевые ОС представляли собой совокупность существующей локальной ОС и надстроенной над ней сетевой оболочки. При этом в локальную ОС встраивался минимум сетевых функций, необходимых для работы сетевой оболочки, которая выполняла основные сетевые функции. Принцип построения сетевых ОС в виде сетевой оболочки над локальной ОС используется и в современных ОС.

Наиболее эффективным представляется путь разработки операционных систем, изначально предназначенных для работы в сети. Сетевые функции у ОС такого типа глубоко встроены в основные модули системы, что обеспечивает их логическую стройность, простоту эксплуатации и модификации, а также высокую производительность.

Общая структура сетевой ОС приведена на рис. 1.

Рисунок 1 — Структура сетевой ОС В соответствии со структурой, приведенной на рис. 1, в сетевой операционной системе отдельной ЭВМ 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 локальными ресурсами;
• 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. 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 приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо;
• 4. коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т. п., т. е. является средством транспортировки сообщений. В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может отсутствовать либо клиентская, либо серверная части.

На рисунке в приложении Г, 1 компьютер 1 выполняет функции клиента, а компьютер 2 — функции сервера, соответственно на первой ЭВМ отсутствует серверная часть, а на второй — клиентская.

В случае возникновения запроса к ресурсу данного компьютера, он переадресовывается локальной ОС. Если же это запрос к удаленному ресурсу, то он направляется в клиентскую часть, где преобразуется из локальной формы в сетевой формат, и передается коммуникационным средствам. Серверная часть ОС компьютера 2 принимает запрос, преобразует его в локальную форму и передает для выполнения своей локальной ОС. После того, как результат получен, сервер обращается к транспортной подсистеме и направляет ответ клиенту, выдавшему запрос. Клиентская часть преобразует результат в соответствующий формат и адресует его тому приложению, которое выдало запрос.

В клиентской части ОС можно выделить три основных компонента: редиректоры (redirector), распределители (designator) и имена UNC (UNC pathnames).

Редиректор — сетевое программное обеспечение, которое принимает запросы ввода/вывода для удаленных файлов, именованных каналов или почтовых слотов и затем переназначает их сетевым сервисам другого компьютера.

Редиректоры функционируют на представительском уровне модели OSI.

Когда клиент делает запрос к сетевому приложению или службе, редиректор перехватывает этот запрос и проверяет, является ли ресурс локальным (находящимся на запрашивающем компьютере) или удаленным (в сети). Если редиректор определяет, что это локальный запрос, он направляет запрос центральному процессору для немедленной обработки. Если запрос предназначен для сети, редиректор направляет запрос по сети к соответствующему серверу.

Распределитель (designator) представляет собой часть программного обеспечения, управляющую присвоением букв накопителя (drive letter) как локальным, так и удаленным сетевым ресурсам или разделяемым дисководам, что помогает во взаимодействии с сетевыми ресурсами. Когда между сетевым ресурсом и буквой локального накопителя создана ассоциация, известная также как отображение дисковода (mapping a drive), распределитель отслеживает присвоение такой буквы дисковода сетевому ресурсу. Затем, когда пользователь или приложение получат доступ к диску, распределитель заменит букву дисковода на сетевой адрес ресурса, прежде чем запрос будет послан редиректору.

Редиректор и распределитель являются не единственными методами, используемыми для доступа к сетевым ресурсам. Большинство современных сетевых операционных систем, распознают имена UNC (Universal Naming Convention — Универсальное соглашение по наименованию). UNC представляют собой стандартный способ именования сетевых ресурсов. Эти имена имеют форму Имя_сервераимя_ресурса. Способные работать с UNC приложения и утилиты командной строки используют имена UNC вместо отображения сетевых дисков.

В зависимости от того как распределены функции между компьютерами сети, сетевые операционные системы, а следовательно, и сети делятся на два класса: одноранговые и сети с выделенными серверами.

Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим пользователям сети, то он играет роль сервера. При этом компьютер, обращающийся к ресурсам другой машины, является клиентом. Компьютер, работающий в сети, может выполнять функции либо клиента, либо сервера, либо совмещать обе эти функции. На рис. 2,3 приведены примеры структур одноранговых сетей и сетей с выделенными серверами.

Рисунок 2 — Одноранговая сеть В одноранговых сетях все компьютеры равноправны. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его эксплуатировать. В таких сетях в качестве сетевой ОС можно использовать, например, Microsoft Windows 9x, Microsoft Windows for Workgroup, Microsoft Windows NT Workstation. Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации. Но они применяются в основном для объединения небольших групп пользователей, не предъявляющих больших требований к объемам хранимой информации, ее защищенности от несанкционированного доступа и к скорости доступа.

Рисунок 3 — Сеть с выделенным сервером При повышенных требованиях к этим характеристикам более подходящими являются сети с выделенными серверами.

Если выполнение каких-либо серверных функций является основным назначением ЭВМ, то такая ЭВМ называется выделенным сервером. В зависимости от того, какой ресурс сервера является разделяемым, он называется файл-сервером, факс-сервером, принт-сервером и т. д. На выделенных серверах устанавливается ОС специально оптимизированные для выполнения тех или иных серверных функций. Выделенный сервер не принято использовать в качестве компьютера для выполнения текущих задач, не связанных с его основным назначением, так как это снижает его производительность как сервера.

Сети с выделенными серверами могут быть построены на базе операционных систем NetWare или Microsoft Windows NT Server (для выделенного сервера) и Windows NT Workstation (для рабочей станции).