Компьютерные сети

1. Компьютерные сети как средство разделения ресурсов

Развитие отрасли информационных технологий создало ряд предпосылок для создания и использования вычислительных сетей:

• повсеместное распространение персональных компьютеров – относительно недорогой и высокопроизводительной техники, с помощью которой решаются задачи различной сложности;
• потребность пользователей обмениваться информацией, совместно используя общие информационные, аппаратные и программные ресурсы;
• появление широкого спектра аппаратных и программных коммуникационных средств, позволяющих легко объединять отдельные персональные компьютеры в сети.

Компьютерная (вычислительная) сеть (Computer NetWork²) – это совокупность компьютеров и различных устройств, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, которая обеспечивает разделение ресурсов и обмен информацией между компьютерами.

Объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети, называются абонентами сети. Информация в сети передается в виде электрических сигналов или электромагнитных волн. Линии связи или пространство, в котором распространяются сигналы и волны, а также аппаратура передачи данных называется физической передающей средой. Устройство, непосредственно подключенное к передающей среде, называется узлом. На базе физической передающей среды строится коммуникационная сеть, которая обеспечивает передачу информации между абонентами сети.

Наличие компьютерной сети предоставляет пользователям ряд преимуществ:
• разделение данных – дает пользователям, нуждающимся в информации, возможность доступа к базам данных и управления ими со своих рабочих мест;
• разделение технических ресурсов - позволяет более экономно использовать относительно дорогие ресурсы, например, печатать на цветном лазерном или крупноформатном принтере;
• разделение программных ресурсов – позволяет одновременно использовать централизованно установленные программные средства;
• разделение вычислительных ресурсов – позволяет использовать существующие вычислительные мощности для обработки больших объемов данных другими системами, входящими в сеть

Перечислим основные требования, которые предъявляются к современным компьютерным сетям:
• производительность – определяется такими показателями, как время реакции системы (время, которое затрачивается с момента формирования запроса до момента получения ответа на него) и пропускная скорость сети (количество информации, переданной через сеть в единицу времени, определяется в битах в секунду);
• надежность – определяется надежностью работы всех компонентов сети, а также обеспечением сохранности информации;
• Управляемость. При работе компьютерной сети, которая объединяет отдельные компьютеры в единое целое, необходимы средства не только для наблюдения за работой сети, сбора разнообразной информации о функционировании сети, но и средства управления сетью. В общем случае система управления сетью должна предоставлять возможность воздействовать на работу любого элемента сети. Должна быть обеспечена возможность осуществлять мероприятия по управлению с любого элемента сети. Управлением сетью занимается администратор сети или пользователь, которому поручены эти функции. Обычный пользователь, как правило, не имеет административных прав. Другими характеристиками управляемости являются возможность определения проблем в работе компьютерной сети или отдельных ее сегментов, выработка управленческих действий для решения выявленных проблем и возможность автоматизации этих процессов при решении похожих проблем в будущем;
• Расширяемость и масштабируемость – означает возможность подключения дополнительных ЭВМ, линий связи и т.д. без изменения технических и программных средств существующей сети;
• интегрируемость – означает возможность подключения к сети разнообразного и разнотипного оборудования, программного обеспечения от разных производителей;
• гибкость – означает сохранение работоспособности сети при изменении ее структуры либо при выходе из строя ЭВМ или линии связи;
• прозрачность – предполагает скрытие особенностей сети от конечных пользователей, возможность распараллеливания работы между разными элементами сети;
• эффективность – означает обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.

2. Классификация компьютерных сетей

Современные сети можно классифицировать по различным признакам: по охватываемой ими территории (или по удаленности компьютеров), топологии, назначению, перечню предоставляемых услуг, принципам управления, методам коммуникации, видам среды передачи и т.д. Рассмотрим некоторые из них.

По охватываемой территории

Вычислительные сети в зависимости от территориального расположения входящих в них ЭВМ можно разделить на три основные класса:
• Локальные сети (Local Area Network – LAN). Зона охвата сетей невелика (зарубежные источники дают оценку — около шести миль (10 км) в радиусе). Они обеспечивают передачу данных в одном помещении, здании или комплексе зданий. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешён только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью.
• Региональные сети (Metropolitan Area Network – MAN). Занимают промежуточное положение между глобальными и локальными, используются для передачи данных на средние расстояния, масштаба города, района, региона.
• Глобальные сети (Global Area Network – GAN или Wide Area Network - WAN). Покрывают огромные географические пространства. Объединяют абонентов, расположенных в разных странах, на различных континентах. Для них могут требоваться права на пересечение чужой территории. Взаимодействие между абонентами осуществляется на базе телефонных и кабельных линий, систем спутниковой и радиосвязи. Такие сети позволяют решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многоуровневые иерархии, которые могут быть использованы для обработки информации. Самым большим объединением компьютерных сетей в настоящее время является «сеть сетей» — Интернет.

По типу среды для передачи данных

Сети делятся на проводные (коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно и т.д.) и беспроводные (радиоканалы, передача данных в инфракрасном диапазоне и т.д.).

По скорости передачи данных

По скорости передачи информации сети можно разделить на низко- (до 10 Мбит/с), средне- (до 100 Мбит/с) и высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с).

По способу передачи данных

По способу передачи данных можно выделить:

• сети коммутации каналов;
• сети коммутации пакетов.

В сетях коммутации каналов предполагается, что между источником и приемником существует выделенный маршрут, типичным примером является телефонная сеть. Такая сеть является неэффективной, так как канал резервируется на все время соединения, достоинством этой технологии служит ее прозрачность, так как канал устанавливается на все время соединения.

В сетях коммутации пакетов длинные сообщения разбиваются на короткие пакеты. Каждый пакет перемещается от отправителя к получателю через промежуточные узлы сети. Основным преимуществом является гибкость, совместное использование одних каналов связи, возможность менять приоритет передаваемой информации, недостатком — невозможность гарантировать своевременную доставку пакетов.

3. Классификация локальных вычислительных сетей

Локальная вычислительная сеть – это два или большее число компьютеров (серверов, рабочих станций, терминалов), которые, будучи совместно подключенными к единому каналу передачи данных, могут связываться друг с другом для обмена информацией. Обычно такая сеть объединяет компьютеры, компактно расположенные в одном или нескольких зданиях (размер локальной сети не превышает нескольких километров).

Интранет (корпоративная сеть) – это локальная сеть компании, функционирование которой основано на семействе протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internetwork Protocol – протокол управления передачей данных/межсетевой протокол), используемых в сети Интернет. Большинство таких сетей размещается внутри одного офисного здания и основано на модели «клиент-сервер», в которой используется центральный специализированный сервер, принимающий и обслуживающий запросы всех клиентов.

В мире построено огромное количество локальных сетей, что обусловлено рядом особенностей их функционирования:
• Наличие единого для всех абонентов сети высокоскоростного канала связи, способного передавать самую разнообразную информацию;
• Отсутствие значительных помех, а поэтому достаточно большая достоверность передаваемой информации;
• Возможность включения в состав сети разнообразных и независимых устройств;
• Достаточно простая возможность изменения конфигурации сети и среды передачи.

Огромное количество построенных локальных сетей привело к необходимости их классификации, которая может быть проведена по различным признакам. По назначению:

• Сети обработки информации;
• Информационно-поисковые сети;
• Сети, управляющие различными процессами (административными, технологическими и др.);
• Информационно-расчетные сети.

По типам используемых в сети ЭВМ:

• Однородные сети, включающие однотипное оборудование и абонентские средства;
• Неоднородные сети, содержащие различные классы и модели устройств.

По способу организации управления:

• Однородные сети с централизованным управлением, которые имеют центральную ЭВМ, управляющую их работой, и характеризуются простотой обеспечения взаимодействия между абонентами сети. Их применение целесообразно при небольшом числе абонентских систем;
• Однородные с децентрализованным (распределенным) управлением, в которых функции управления распределены между ЭВМ сети. Их применение целесообразно при большом числе абонентских систем.

По организации передачи данных:

• Сети с маршрутизацией информации, в которых абонентские системы могут взаимодействовать по различным маршрутам передачи блоков данных;
• Сети с селекцией информации, в которых взаимодействие абонентов сети производится выбором (селекцией) адресованных им данных.

По используемой топологии:

• сети на базе «шины»;
• сети на базе звезды»;
• сети на базе «кольца»;
• смешанные.

По используемой технологии:

• сети на базе Ethernet;
• сети на базе Token Ring.

4. Функциональные элементы компьютерных сетей

Все устройства, подключаемые к сети, можно разделить на следующие функциональные группы с точки зрения их отношения к ресурсам сети:

Сервер (server)
Это специально выделенный высокопроизводительный компьютер, управляющий работой сети и/или предоставляющий другим компьютерам сети свои ресурсы (программное обеспечение, сервисы, файлы, устройства) и отвечающий на запросы клиентов. Различают:

• Файловые серверы (file server) – компьютеры с большой емкостью памяти, предназначенные для хранения данных пользователей сети и обеспечения доступа к ним;
• Серверы баз данных (database server) – компьютеры со специальным программным обеспечением (СУБД), предназначенные для хранения и обработки огромных массивов данных;
• Сервер прикладных программ (application server) - обеспечивает выполнение прикладных программ для пользователей, работающих на своих рабочих станциях;
• Сервер резервного копирования данных (backup server) - обеспечивает создание, хранение и восстановление копий данных, расположенных на файловых серверах и рабочих станциях;
• Серверы печати (print server) – компьютеры со специальным программным обеспечением, предназначенные для организации процесса печати);
• и др.

Надо заметить, что все перечисленные типы серверов могут функционировать на одном выделенном для этих целей компьютере.

Рабочая станция (клиентский компьютер, клиент)
Это компьютер рядового пользователя сети, получающий доступ к ресурсам сервера (серверов). Каждая рабочая станция обрабатывает свои локальные файлы и использует свою операционную систему.

Терминал
Устройство не предназначено для работы в автономном режиме (не имеет процессора для обработки команд), но выполняет операции по вводу команд пользователя, их передаче другому компьютеру и выдаче готового результата.

Коммуникационное оборудование
Технические средства компьютерных сетей включают в себя различные функциональные группы оборудования:

• средства линий передачи данных (кабель "витая пара", оптоволоконный и пр.) - реализуют собственно перенос сигнала;
• средства соединения линий передачи с сетевым оборудованием узлов (сетевые платы) - реализуют ввод-вывод данных с оконечного оборудования в сеть;
• средства увеличения дистанции передачи данных – репитеры (или повторители, repeater), модемы и пр. - осуществляют усиление сигналов или преобразования в форму, удобную для дальнейшей передачи;
• средства повышения емкости линий передачи (мультиплексирования) - позволяют реализовывать несколько логических каналов в рамках одного физического соединения путем разделения частот передачи, чередования пакетов во времени и т.д.;
• средства управления информационными потоками в сети (коммутации каналов, коммутации пакетов, разветвления линий передачи) - осуществляют адресацию сообщений. Например, концентраторы (hub), коммутаторы (switch), мосты (bridge), маршрутизаторы (router), шлюзы (gateway).

5. Топология вычислительной сети

Способ соединения друг с другом сетевых устройств и кабельной инфраструктуры называется топологией сети. Распространенными базовыми сетевыми топологиями являются: шина, звезда и кольцо.

Топология «шина» (Bus)

Среда передачи данных представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, подключенных к нему. Каждая из них может вступать в контакт с любой рабочей станцией сети.

Если компьютеры расположены близко друг к другу, то организация сети с шинной топологией недорога и проста. Для ее создания надо проложить кабель от одного компьютера к другому, а затем установить на обоих концах оконечные нагрузки (терминаторы). Достоинства топологии «шина»:

• Простая и дешевая технология;
• Сеть легко можно развивать, добавляя новые разветвления;
• Функционирование сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции, поэтому рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей сети, могут быть отключены или подключены к ней.

Недостатки:
• При разрыве центрального кабеля вся сеть теряет свою работоспособность;
• Ограничение на число компьютеров, подключаемых к сети, так как при продвижении по кабелю сигнал ослабляется (для предотвращения этого используется специальное сетевое оборудование, усиливающее сигнал на определенных участках шины)
• в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров.

Если передачу одновременно начинают два или больше компьютеров, то возникают коллизии, ведущие к тому, что данные приходится передавать вновь. Производительность такой сети при большом объеме передаваемой информации и числе компьютеров снижается.

Топология «звезда» (Star)

Между компьютерами нет прямых соединений. Вместо этого они все объединены друг с другом через концентратор (или хаб), каждый – с помощью своего кабеля.

Концентратор (англ. Hub) - разветвлительное устройство, служащее центральным звеном в локальных сетях, имеющих топологию "звезда". Концентратор имеет несколько портов для подключения отдельных компьютеров и для соединения с другими хабами.

Пакеты данных передаются от каждого узла концентратору, который в свою очередь пересылает пакеты адресату. Концентратор обычно обеспечивает соединение от 5 до 48 входов, что определяет число компьютеров, которые можно к нему подключить. В зависимости от числа соединяемых компьютеров может потребоваться несколько концентраторов.

Достоинства:
• наиболее быстродействующая из всех топологий, поскольку передача данных между рабочими станциями происходит через центральный узел по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями;
• нарушение соединения между любым компьютером и концентратором не влияет на остальные узлы сети, так как каждый из них имеет собственное соединение с концентратором;
• функционирование сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции, поэтому РС в любое время, без прерывания работы всей сети, могут быть отключены или подключены к ней.

Недостатки:
• высокие затраты на прокладку кабелей (расходуется больше кабеля, чем при шинной топологии), особенно когда концентратор географически расположен не в центре. Концентратор также представляет собой дополнительную статью расходов;
• в случае выхода из строя концентратора нарушается работа всей сети.

Топология «кольцо» (Ring)

Рабочие станции связаны последовательно одна с другой, образуя замкнутый контур (кольцо). Информация по кольцу передается от узла к узлу в одном направлении. Каждый узел принимает сигнал данных, анализирует информацию и, если сообщение адресовано другому узлу, передает его по кольцу следующему узлу.

Достоинства:
• легко локализуются неисправности в кабельных соединениях;
• можно присоединить к сети большое количество узлов, чем при использовании других топологий, так как при просмотре данных каждым узлом происходит усиление сигнала, а затем отправка следующему компьютеру. В этом случае потери сигнала меньше, чем при других топологиях;
• не существует ограничений на протяженность сети, поэтому кольцо используется для создания сетей, охватывающих большое географическое пространство;
• Из-за отсутствия коллизий сети обладает устойчивостью к перегрузкам.

Недостатки:
• Прокладка кабелей может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географическое расположение рабочих станций далеко от формы кольца (например, в линию);
• Последовательная дисциплина обслуживания узлов сети снижает ее быстродействие;
• выход из строя одного из узлов или разрыв кабеля нарушает целостность кольца и требует специальных мер для сохранения тракта передачи данных (для предотвращения этого иногда используется резервный кабель);
• Подключение новой РС требует выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто.

Для сравнения достоинства и недостатки рассмотренных технологий объединены в таблице ниже