Знакомство с сетями

Знакомство с сетями


Задачи и их решения по информатике и математике
Основы алгоритмизации и программирования -->> Подключение сетевых компонентов

Знакомство с сетями

Фундаментальные концепции, компоненты и функции сетей

Сеть – это совокупность объектов, образуемых устройствами передачи и обработки данных. Международная организация по стандартизации определила вычислительную сеть как последовательную бит-ориентированную передачу информации между связанными друг с другом независимыми устройствами. 

Сети обычно находится в частном ведении пользователя и занимают некоторую территорию и по территориальному признаку разделяются на:

-       Локальные вычислительные сети (ЛВС) или Local Area Network (LAN), расположенные в одном или нескольких близко расположенных зданиях. ЛВС обычно размещаются в рамках какой-либо организации (корпорации, учреждения), поэтому их называют корпоративными.

-       Распределенные компьютерные сети, глобальные или Wide Area Network (WAN), расположенные в разных зданиях, городах и странах, которые бывают территориальными, смешанными и глобальными. В зависимости от этого глобальные сети бывают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные. В качестве примеров распределенных сетей очень большого масштаба можно назвать: Internet, EUNET, Relcom, FIDO.

В состав сети в общем случае включается следующие элементы:

-       сетевые компьютеры (оснащенные сетевым адаптером);

-       каналы связи (кабельные, спутниковые, телефонные, цифровые, волоконно-оптические, радиоканалы и др.);

-       различного рода преобразователи сигналов;

-       сетевое оборудование.

Информационные и коммуникационные сети 

Коммуникационная сеть предназначена для передачи данных, также она выполняет задачи, связанные с преобразованием данных. Коммуникационные сети различаются по типу используемых физических средств соединения.

Информационная сеть предназначена для хранения информации и состоит из информационных систем. На базе коммуникационной сети может быть построена группа информационных сетей:

Под информационной системой следует понимать систему, которая является поставщиком или потребителем информации.

 Компьютерная сеть состоит из информационных систем и каналов связи.

данных.  

В дальнейшем информационная система, предназначенная для решения задач пользователя, будет называться – рабочая станция (client). Рабочая станция в сети отличается от обычного персонального компьютера (ПК) наличием сетевой карты (сетевого адаптера), канала для передачи данных и сетевого программного обеспечения.

Под каналом связи следует понимать путь или средство, по которому передаются сигналы. Средство передачи сигналов называют абонентским, или физическим, каналом.

Каналы связи (data link) создаются по линиям связи при помощи сетевого оборудования и физических средств связи. Физические средства связи построены на основе витых пар, коаксиальных кабелей, оптических каналов или эфира. Между взаимодействующими информационными системами через физические каналы коммуникационной сети и узлы коммутации устанавливаются логические каналы.

Логический канал – это путь для передачи данных от одной системы к другой. Логический канал прокладывается по маршруту в одном или нескольких физических каналах. Логический канал можно охарактеризовать, как маршрут, проложенный через физические каналы и узлы коммутации.

Информация в сети передается блоками данных по процедурам обмена между объектами. Эти процедуры называют протоколами передачи данных.

Протокол – это совокупность правил, устанавливающих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами.

Загрузка сети характеризуется параметром, называемым трафиком. Трафик (traffic) – это поток сообщений в сети передачи данных. Под ним понимают количественное измерение в выбранных точках сети числа проходящих блоков данных и их длины, выраженное в битах в секунду.

Современные сети можно классифицировать по различным признакам: по удаленности компьютеров, топологии, назначению, перечню предоставляемых услуг, принципам управления (централизованные и децентрализованные), методам коммутации, методам доступа, видам среды передачи, скоростям передачи данных и т. д. Все эти понятия будут рассмотрены более подробно при дальнейшем изучении курса.
 
Понятие о компьютерной сети 
Компьютерная сеть (Computer Network) – это множество компьютеров, соединенных линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения. 

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств, и физической среды, обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику. В реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители, обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети. На основе линий связи строятся каналы связи. 

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи, обеспечивающую передачу информации между абонентами. Соотношение между понятиями "канал" и "линия" описывается следующим образом: канал связи может включать в себя несколько разнородных линий связи, а одна линия связи может использоваться несколькими каналами
Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям возможности доступа к различным информационным ресурсам (например, документам, программам, базам данных и т.д.), распределенным по этим компьютерам и их совместного использования.

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории, которую она охватывает. Широта охвата определятся взаимной удаленностью компьютеров, составляющих сеть и, следовательно, влияет на технологические решения, выбираемые при построении сети. Классически выделяют два типа сетей: локальные сети и глобальные сети.
 
Два типа сетей
Компьютерные сети бывают двух типов – одноранговые и сети на основе сервера.

Одноранговая сеть больше подходит тем людям, которые не имеют возможности организовать крупную сеть, но желают проверить, как все-таки она работает и какую пользу приносит. Что касается сети на основе сервера, то она обычно используется для контроля всех рабочих мест. 

На самом деле эти два типа компьютерных сетей практически не отличаются основами функционирования, а это дает возможность достаточно легко и быстро осуществлять переходы от одноранговой сети к сети на основе сервера. 
Одноранговая сеть

Создание одноранговой сети – это достаточно простой процесс, и основной характеристикой такой сети является то, что все компьютеры, находящиеся в ней, функционируют самостоятельно. 

Одноранговая сеть фактически представляет собой несколько компьютеров, которые соединены между собой посредством одного из распространенных типов связи. Именно по причине отсутствия сервера в данном типе сети, она считается более простой и доступной. Но также следует заметить, что в одноранговой сети компьютеры должны быть максимально мощными, так как им придется самостоятельно справляться не только с основной работой, но и с различными неполадками . 

В такой сети нет компьютера, который играет роль сервера, а потому любой из рабочих компьютеров может быть таковым. За ним обычно следит сам пользователь, и в этом кроется главный недостаток одноранговой сети: пользователь должен не только осуществлять работу на компьютере, но и выполнять функции администратора. Также он должен отвечать за устранение неполадок в работе компьютера, обеспечивать максимальную защиту компьютера от вирусных атак. 

Одноранговая сеть поддерживает любую операционную систему, поэтому это может быть и Windows 95, к примеру. 

Обычно одноранговая сеть строится для объединения небольшого количества компьютеров (до 10) посредством кабеля и в тех случаях, когда нет необходимости в строгой защите данных. И все же один некомпетентный пользователь сети может поставить под угрозу не только ее работоспособность, но и существование! 
Сеть на основе сервера

Сеть основе сервера – это самый распространенный тип сети. 

В ней может использоваться один или более серверов, которые контролируют рабочие места. Сервер отличает мощность и быстродействие, он очень быстро обрабатывает запросы пользователей и за его работой следит обычно один человек, называемый системным администратором. Системный администратор следит за обновлением антивирусных баз, устраняет неполадки в сети, а также обрабатывает общие ресурсы.

Что касается количества рабочих мест в такой сети, то оно неограниченно. Лишь для сохранения нормальной работы сети по необходимости устанавливаются дополнительные серверы. 
 
  • Серверы отличаются в зависимости от вида выполняемой ими работы. 
  • Файл – сервер используется для хранения различной информации в файлах и папках. Такой сервер управляется любой ОС по типу Windows NT 4.0. 
  • Принт-сервер занимается обслуживанием сетевых принтеров и обеспечивает доступ к ним. 
  • Сервер базы данных обеспечивает максимальную скорость поиска и записи необходимых данных в базу данных. 
  • Сервер приложений выполняет запросы, которые требуют высокой производительности. 
  • Существуют также и другие серверы: почтовые, коммуникационные и т.д. 
    Сеть на основе сервера предоставляет намного больше возможностей и услуг, чем одноранговая, она отличается высокой производительностью и надежностью. 
Компоновка  сети

Топологии локальных сетей можно описывать как с физической, так и с логической точки зрения. Физическая топология описывает геометрическое упорядочение компонентов локальной сети. Топологию нельзя рассматривать как обычную схему сети. Это теоретическая конструкция, которая графически передает форму и структуру локальной сети.

Логическая топология описывает возможные способы соединения между парами взаимодействующих конечных точек. В помощью логической топологии удобно определять наборы конечных точек, которые в состоянии взаимодействовать друг с другом, а также пары конечных точек, взаимодействующие с помощью непосредственного физического соединения. В этой главе внимание сосредоточено исключительно на физических топологиях.

Описание трех основных топологий сетей

Существует три основные физические топологии: шинная (bus), кольцевая (ring) и звездообразная (star). Каждая топология продиктована определенной технологией кадров локальной сети. Например, сети Ethernet (по определению) исторически используют звездообразные топологии. Использование коммутации на уровне кадров изменило положение вещей. Все локальные сети, применяющие упомянутый тип коммутации, вне зависимости от типа кадров или метода доступа к среде передачи построены на основе одной и той же топологии. С недавнего времени коммутируемую топологию можно считать полноправным членом привычного трио основных топологий локальных сетей.

Шинная топология

Шинная топология соответствует соединению всех сетевых узлов в одноранговую сеть с помощью единственного открытого (open-ended) кабеля. Кабель должен оканчиваться резистивной нагрузкой – так называемыми оконечными резисторами (terminating resistors).Единственный кабель в состоянии поддерживать только один канал. В данной топологии кабель называют шиной (bus).

шинная топология

Типичная шинная топология предполагает использование единственного кабеля без дополнительных внешних электронных устройств с целью объединения узлов в одноранговую сеть. Все подключенные уст­ройства прослушивают трафик шины и принимают только те пакеты, которые адресованы им. Отсутствие необходимости использования сложных внешних устройств (например, повторителей) в значительной сте­пени упрощает процедуру развертывания шинной локальной сети. Затраты на развертывание также будут незначительными. К недостаткам данной топологии можно отнести ограниченные функциональные возможности, а также недостаточные расстояния передачи данных и расширяемость.

Данную топологию целесообразно применять только в небольших локальных сетях. Поэтому использующие шинную топологию современные коммерческие продукты ориентированы на развертывание недорогой одноранговой сети с ограниченными функциональными возможностями. Такие продукты предназначены для домашних сетей и сетей небольших офисов.

Единственным исключением являлась локальная сеть Token Bus, соответствующая спецификации IEEE 802.4. Эта технология была достаточно здравой и детерминистической, во многом напоминая стандарт Token Ring. Тем не менее сети стандарта Token Bus использовали не кольцевую, а шинную топологию.

Стандарт Token Bus не пользовался популярностью на рынке. Для его реализации приходилось использовать специальную проводку. Технологические усовершенствования других стандартов и топологий локальных сетей сделали эту сложную шинную топологию устаревшей.

Кольцевая топология

Кольцевая топология впервые была реализована в простых одноранговых локальных сетях. Каждая рабочая станция соединялась с двумя ближайшими соседями. Общая схема соединения напо­минала замкнутое кольцо. Данные передавались только в одном направлении. Каждая рабочая станция работала как ретранслятор, принимая и отвечая на адресованные ей пакеты и передавая остальные пакеты следующей рабочей станции, расположенной "ниже по течению".

В первоначальном варианте кольцевой топологии локальных сетей использовалось одноранговое соеди­нение между рабочими станциями. Поскольку соединения такого типа имели форму кольца, они называ­лись замкнутыми (closed). Преимуществом локальных сетей этого типа является предсказуемое время передачи пакета адресату. Чем больше устройств подключено к кольцу, тем дольше интервал задержки. Недостаток кольцевой топологии в том, что при выходе из строя одной рабочей станции прекращает функционировать вся сеть.

кольцо

После появления архитектуры Token Ring, разработанной корпорацией IBM и стандартизированной впоследствии в спецификации IEEE802.5, первые примитивные версии кольцевой архитектуры были признаны несостоятельными. Архитектура Token Ring отступила от одноранговой схемы соединений в пользу ретранслирующего концентратора. Отказ от топологии однорангового кольца в значительной степени по­высил устойчивость всей сети к отказам отдельных рабочих станций. Сети архитектуры Token Ring, несмотря на свое название, реализуют топологию звезды и циклический метод доступа .

виртуальное кольцо

Реализующие звездообразную топологию локальные сети в состоянии поддерживать цикличный метод доступа. Проиллюстрированная на этом рисунке сеть Token Ring представляет собой виртуальное кольцо, образованное методом доступа по алгоритму циклического обслуживания (round-robin access method). Сплошные линии соответствуют физическим соединениям, а штриховые обозначают направление логического потока данных.

Если рассматривать функциональное устройство, достаточно сказать, что маркер доступа циклически передается между конечными сетевыми устройствами. В результате большинство людей совершенно искренне относят архитектуру Token Ring к кольцевой топологии, хотя на самом деле эта архитектура близка к звездообразной топологии.

Топология типа "звезда"

Локальные сети звездообразной топологии объединяют устройства, которые как бы расходятся из общей точки – концентратора. Если мысленно представить концентратор в качестве звезды, соединения с устройствами будут напоминать ее лучи – отсюда и название топологии. В отличие от кольцевых топологий, физических или виртуальных каждому сетевому устройству предоставлено право независимого доступа к среде передачи. Такие устройства вынуждены совместно использовать доступную полосу пропус­кания концентратора. Примером локальной сети звездообразной топологии является Ethernet.

звезда

Небольшие локальные сети, реализующие звездообразную топологию, в обязательном порядке используют концентратор. Любое устройство в состоянии обратиться с запросом на доступ к среде передачи независимо от других устройств.

Звездообразные топологии широко используются в современных локальных сетях. Причиной такой популяр­ности является гибкость, возможность расширения и относительно низкая стоимость развертывания по сравнению с более сложными топологиями локальных сетей со строгими методами доступа к среде передачи данных. Рассматриваемая архитектура не только сделала шинные и кольцевые топологии принципиально устаревшими, но и сформировала базис для создания следующей топологии локальных сетей – коммутируемой.

Коммутируемая топология

Коммутатор (switch) является многопортовым устройством канального уровня (второй уровень справочной модели OSI). Коммутатор "изучает" МАС-адреса и накапливает данные о них во внутренней таблице. Между автором кадра и предполагаемым получателем коммутатор создает временное соединение, по которому и передается кадр.

В стандартной локальной сети, реализующей коммутируемую топологию, все соединения устанавлива­ются через коммутирующий концентратор (switching hub). Каждому порту, а, следовательно, и подключенному к порту устройству, выделена собственная полоса пропускания. Первоначально принцип действия коммутаторов основывался на передаче кадров в соответствии с МАС-адресами, однако технологический прогресс внес свои коррективы. Современные устройства в состоянии коммутировать ячейки (пакеты кадров, имеющие фиксированную длину и соответствующие второму уровню структуры передачи данных). Кроме того, коммутаторы поддерживают протоколы третьего уровня, а также распознают IP-адреса и физические порты коммутатора-концентратора.

коммутируемая топология

Коммутаторы повышают производительность локальной сети двумя способами. Первый способ заключается в расширении полосы пропускания, доступной сетевым устройствам. Например, коммутатор-кон­центратор Ethernet с восемью портами обладает таким же количеством отдельных доменов по 10 Мбит/с каждый, обеспечивая суммарную пропускную способность 80 Мбит/с.

Второй способ повышения производительности локальной сети сводится к уменьшению количества устройств, которые вынуждены использовать все сегменты полосы пропускания. В каждом выделенном коммутатором домене находятся только два устройства: собственно сетевое устройство и порт коммутатора-концентратора, к которому оно подключено. Вся полоса пропускания 10 Мбит/с принадлежит двум устройствам сегмента. В сетях, которые не поддерживают конкурирующие методы доступа к среде передачи, например, в Token Ring или FDDI, область циркуляции маркера будет ограничена меньшим количе­ством сетевых устройств.

Открытым вопросом остается изоляция трафика в больших сетях. Приемлемая производительность под­держивается исключительно сегментацией конфликтных, но не передающих доменов. Чрезмерно насыщенный трафик в значительной степени снижает производительность локальной сети,

Четыре рассмотренные топологии можно считать элементарными блоками для построения локальных сетей. Их можно комбинировать всевозможными способами и расширять. При выборе топологии следует учитывать в первую очередь требования к производительности сети конкретных приложений-клиентов. Вполне вероятно, что идеальным вариантом окажется комбинация основных топологий.

мают некоторую территорию и по территориальному признаку разделяются на:

 

-       Локальные вычислительные сети (ЛВС) или Local Area Network (LAN), расположенные в одном или нескольких близко расположенных зданиях. ЛВС обычно размещаются в рамках какой-либо организации (корпорации, учреждения), поэтому их называют корпоративными.

-       Распределенные компьютерные сети, глобальные или Wide Area Network (WAN), расположенные в разных зданиях, городах и странах, которые бывают территориальными, смешанными и глобальными. В зависимости от этого глобальные сети бывают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные. В качестве примеров распределенных сетей очень большого масштаба можно назвать: Internet, EUNET, Relcom, FIDO.

В состав сети в общем случае включается следующие элементы:

-       сетевые компьютеры (оснащенные сетевым адаптером);

-       каналы связи (кабельные, спутниковые, телефонные, цифровые, волоконно-оптические, радиоканалы и др.);

-       различного рода преобразователи сигналов;

-       сетевое оборудование.

Информационные и коммуникационные сети 

Коммуникационная сеть предназначена для передачи данных, также она выполняет задачи, связанные с преобразованием данных. Коммуникационные сети различаются по типу используемых физических средств соединения.

Информационная сеть предназначена для хранения информации и состоит из информационных систем. На базе коммуникационной сети может быть построена группа информационных сетей:

Под информационной системой следует понимать систему, которая является поставщиком или потребителем информации.

 Компьютерная сеть состоит из информационных систем и каналов связи.

данных.  

В дальнейшем информационная система, предназначенная для решения задач пользователя, будет называться – рабочая станция (client). Рабочая станция в сети отличается от обычного персонального компьютера (ПК) наличием сетевой карты (сетевого адаптера), канала для передачи данных и сетевого программного обеспечения.

Под каналом связи следует понимать путь или средство, по которому передаются сигналы. Средство передачи сигналов называют абонентским, или физическим, каналом.

Каналы связи (data link) создаются по линиям связи при помощи сетевого оборудования и физических средств связи. Физические средства связи построены на основе витых пар, коаксиальных кабелей, оптических каналов или эфира. Между взаимодействующими информационными системами через физические каналы коммуникационной сети и узлы коммутации устанавливаются логические каналы.

Логический канал – это путь для передачи данных от одной системы к другой. Логический канал прокладывается по маршруту в одном или нескольких физических каналах. Логический канал можно охарактеризовать, как маршрут, проложенный через физические каналы и узлы коммутации.

Информация в сети передается блоками данных по процедурам обмена между объектами. Эти процедуры называют протоколами передачи данных.

Протокол – это совокупность правил, устанавливающих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами.

Загрузка сети характеризуется параметром, называемым трафиком. Трафик (traffic) – это поток сообщений в сети передачи данных. Под ним понимают количественное измерение в выбранных точках сети числа проходящих блоков данных и их длины, выраженное в битах в секунду.

Современные сети можно классифицировать по различным признакам: по удаленности компьютеров, топологии, назначению, перечню предоставляемых услуг, принципам управления (централизованные и децентрализованные), методам коммутации, методам доступа, видам среды передачи, скоростям передачи данных и т. д. Все эти понятия будут рассмотрены более подробно при дальнейшем изучении курса.