Компьютерные сети. Классификация компьютерных сетей и их функции. Компьютерные сети
 Скачать 213.12 Kb.
|
|
Компьютерные сети Первые компьютерные сети появились в конце 60-х гг., они были выполнены американскими фирмами IBM и DEC. Одна из самых успешных среди первых компьютерных сетей – Arpanet – была разработкой военного министерства США. Она связала научные центры США с военными учреждениями. В то время в качестве среды передачи данных использовались телефонные и телеграфные каналы. В рамках этого проекта впервые были разработаны протоколы семейства TCP/IP, которое позволило обеспечить передачу данных в глобальных и локальных сетях. В дальнейшем семейство протоколов TCP/IP было положено в основу сетевых взаимодействий операционных систем Unix. Существует множество классификаций компьютерных сетей. Например, по типу топологии сети. Топология – это способ размещения узлов в сети и структура соединений между ними. К базовым сетевым топологиям относят: 1. Произвольную 2. Иерархическую 3. Звездообразную 4. Кольцевую 5. Шинную 6. Сотовую 7. смешанную Классификация компьютерных сетей и их функции Один из принципов классификации компьютерных сетей – территориальное распределение. На основе этого принципа выделяют следующие типы сетей: Шинная сетевая топология Топология «звезда» Local-area network (локальные компьютерные сети). Они охватывают отдельные помещения или несколько расположенных рядом зданий, которые находятся на территории, не превышающей в радиусе 10 км; Wide-area network (распределенные компьютерные сети) – это сети масштаба студенческого городка или крупной компании (campus-area network), крупного города (metropolitan-area network), нескольких стран или континентов (global- area network). Компьютерные сети выполняют множество важных функций. В частности, объединение компьютеров в сеть позволяет: 1. Осуществлять быструю и надежную передачу данных для немедленного использования информации; 2. Совместно использовать аппаратные и программные ресурсы компьютеров, что позволяет добиться экономии материальных и технических средств; 3. Организовать доступ к ресурсам всех компьютеров в сети при одновременном обеспечении программных и информационных средств сетей; 4. Получить доступ к удаленным базам данных. Любая локальная вычислительная сеть обеспечивается аппаратным и программным сопровождением. К аппаратному обеспечению компьютерных сетей относят сетевые адаптеры, коммуникационное оборудование (это так называемая среда передачи данных) и сами персональные компьютеры. Сетевые адаптеры представляют собой специальные устройства, предназначенные для подключения компьютеров к среде передачи данных. Сетевые адаптеры, как правило, устанавливают на материнскую плату, размещенную в системном блоке компьютера. Выбор сетевого адаптера зависти от типа компьютера, требуемой скорости передачи данных и от характеристик коммуникационного оборудования. Среда передачи данных – это специальный кабель, к которому можно подключить компьютеры через специальные коннекторы. Одним из способов организации простейшей компьютерной сети является использование концентратора, или «хаба», в виде простой витой пары. Концентратор имеет порты, к которым через специальные кабели подключают компьютеры. В качестве сред передачи данных могут использоваться: коаксиальный кабель, обычные провода в виде витой пары, оптоволоконный кабель, а также беспроводные среды. К беспроводным средам передачи данных относят радиоэфир, микроволны, инфракрасное и лазерное излучение. При наличии аппаратных средств поддержки компьютерных систем необходимо устанавливать также специальные программные драйверы, которые обеспечивают передачу данных через сетевые адаптеры. К программному обеспечению компьютерных систем относят сетевые операционные системы, которые позволяют управлять работой сети по одному из двух принципов: Централизованное управление Децентрализованное управление В соответствии с этими принципами компьютерные сети делят на: Одноранговые С выделенным сервером Одноранговые сети – это сети с невыделенным сервером, то есть сети, у которых осуществляется взаимодействие между отдельными компьютерами, входящими в состав компьютерной сети. Все компьютеры таких сетей одновременно исполняют роль и клиента и сервера. В сетях с выделенным сервером один из компьютеров сети предназначен для обработки запросов, формирования ответов отдельным клиентам компьютерных сетей. В качестве сервера, как правило, используют мощный компьютер, который характеризуется высокой производительностью, большим объемом дисковой памяти, повышенной надежностью. К достоинствам одноранговых сетей относятся относительно простая структура и непосредственный доступ компьютеров сети к ресурсам друг друга. К их недостаткам относятся невозможность централизованной настройки параметров сети, незначительное количество компьютеров в сети (не более 20), слабая защита компьютеров, так как отдельные пользователи могут влиять на распределение компьютеров в сети. Сети с выделенным сервером имеют следующие преимущества: хорошая защита данных, возможность создания больших сетей (сотни и даже тысячи компьютеров), высокая пропускная способность сети. К недостаткам таких сетей относятся высокая стоимость сетевых операционных систем и компьютеров-серверов, а также то, что компьютеры- серверы не являются рабочими местами для пользователей, тем самым усложняется конфигурация сетей. Итак, под сетью ЭВМ понимается взаимосвязанный набор конечного оборудования данных (data terminal equipment), генерирующего и потребляющего информацию в сети передачи данных, которая обеспечивает обмен информацией между отдельными абонентами сети. Аппаратура канала данных обеспечивает преобразование информации в форму, которую используют для передачи данных в сети. Сеть передачи данных обеспечивает физическую связь удаленных абонентов. Виды каналов передачи данных Существуют выделенные и коммутируемые каналы. Если между двумя абонентами установлена постоянная связь, то канал называют выделенным, или постоянным. Такой канал может быть собственным или абонируемым. Если соединение между абонентами устанавливают каждый раз при передаче данных, то такой канал называют коммутируемым. Для таких каналов существуют три этапа передачи данных: 1. Установка соединения; 2. Собственно передачи данных; 3. Разрыв соединения после окончания передачи данных. К достоинствам выделенного канала относятся высокая скорость передачи данных, высокое качество сигналов, отсутствие блокировок, малое время, требуемое для установки соединения между абонентами сети. К недостаткам же такого канала относят высокую стоимость передачи информации и отсутствие гибкости. Коммутируемый канал также имеет ряд достоинств, среди них: гибкость и невысокая стоимость передачи данных. А недостатки таких каналов в том, что возможны блокировки, качество передачи невысокое, а стоимость передачи информации в случае ее большого объема, напротив, высока. Каналы передачи данных классифицируются по направлению передачи информации на следующие виды: Симплексные каналы – это каналы, у которых передача данных осуществляется в одном направлении (примеры: радио- и телеканалы); Полудуплексные каналы – это каналы, у которых передача информации осуществляется в двух направлениях, но по очереди (пример: передача по шине в компьютерной сети); Дуплексные каналы – это каналы, передача по которым осуществляется в двух направлениях одновременно. Это достигается либо использованием проводной связи (телефон), либо использованием различных частот. По виду передаваемых сигналов каналы делятся на аналоговые и цифровые. По аналоговым каналам связи данные передаются в виде синусоидальных гармонических колебаний. Передача информации по таким каналам осуществляется за счет методов модуляции. Кодирование данных при аналоговой передаче проводят, используя следующие виды модуляции: амплитудную, частотную, фазовую. Современные протоколы передачи данных по аналоговым каналам используют также совмещенные виды модуляции. Цифровые каналы передачи информации осуществляют в импульсном виде. При таком способе нет необходимости в преобразовании сигналов в аналоговые и обратно. При цифровой передаче данных используют разные способы кодирования. Методы кодирования должны отвечать следующим требованиям: простота, самосинхронизация, использование одного уровня напряжения, максимальное использование полосы пропускания данных. Модель взаимодействия открытых систем В рамках международной организации по синхронизации была разработана модель взаимодействия открытых систем – Open System of Interconnection (OSI). Эта модель представляет собой рекомендации по структурной организации сетевых подсистем. Эти рекомендации обеспечивают взаимодействие систем с разной архитектурой и разным программным сопровождением. Эту модель часто называют семиуровневой моделью, так как она обеспечивает 7 основных уровней взаимодействия. Самый нижний уровень взаимодействия – физический. Он определяет взаимодействие с физической средой, задает механические, электрические и функциональные стандарты взаимодействия. На физическом уровне осуществляется установление соединения между абонентами, его поддержание и разрыв. Второй уровень – канальный. Этот уровень, непосредственно взаимодействующий с физическим, отвечает за передачу отдельных кадров или фреймов в рамках одного звена данных. Канальный уровень добавляет к пакету, пришедшему от сетевого уровня преамбулу, а именно физические адреса источника и приемника информации. На этом уровне осуществляется проверка контрольного кода. Канальный уровень также отвечает за разделение среды передачи данных, то есть он определяет дисциплину захвата физического канала. Третий уровень – сетевой. Он отвечает за пересылку пакетов информации между сетями. Сетевой уровень организуется путем создания логического канала для передачи пакетов от сети-источника в сеть-приемник. Основная функция этого уровня – маршрутизация пакетов, то есть выбор оптимального маршрута передачи информации. Существуют разные алгоритмы маршрутизации, которые учитывают загруженность каналов, их пропускную способность и другие факторы. Четвертый уровень – транспортный. Он организует доставку сообщения от источника к приемнику. В сетях с пакетной коммутацией на этом уровне обеспечивается разбиение сообщения на пакеты и сборка пакетов в узле-приемнике. Пятый уровень – сеансовый. Он управляет сеансом связи: обеспечивает установление, поддержание и разрыв при завершении связи. Сеанс может быть односторонним (симплексным), полудуплексным и дуплексным в соответствии с тем какой тип каналов используется для связи. В ходе сеанса связи фиксируются контрольные точки. При аварийном разрыве связи именно этот уровень обеспечивает ее восстановление и продолжение от ближайшей контрольной точки. На этом уровне также решаются вопросы контроля доступа, оплаты ресурсов за сервер и другие. Шестой уровень – представительный. Он отвечает за форму представления данных, например, за перекодировку данных из одной систему в другую. Часто встречающийся на практике пример необходимости такой перекодировки – это обмен информацией между крупными ЭВМ и ПК. На этих двух типах вычислительных машин одни и те же символы представлены разными кодами, именно поэтому при обмене данными их приходится перекодировать. Седьмой (высший) уровень – прикладной. Это уровень прикладных подсистем компьютерной сети. Под прикладными сетевыми подсистемами понимают группу подсистем, которая упрощает доступ к ресурсам и взаимодействие в сети. Сетевой протокол и интерфейс Сетевой протокол – это совокупность правил, обеспечивающая взаимодействие сетевых подсистем одного уровня. Он определяет форматы пакетов, последовательность их передачи, время ожидания ответов и т.д. Сетевой интерфейс – это совокупность правил, определяющая взаимодействие смежных уровней в одной системе. При передаче данных от верхних уровней к нижним к этим данным добавляются заголовки, а при движении обратно заголовки убираются. В заголовках размещают блоки информации, управляющие взаимодействием в рамках протоколов соответствующих уровней. Данные, передаваемые на 5, 6, 7 уровнях называются сообщениями; данные, передаваемые на 4 уровне, называются сегментами; данные, передаваемые на 3 уровне, называются дайтограммами; данные, передаваемые на 2 уровне, называются кадрами, или фреймами; данные, передаваемые на 1 уровне, называются блоками битов. Адресация в Интернете Для того, чтобы в процессе обмена информацией компьютеры могли «найти друг другу», в сети Internet существует единая система адресации, основанная на использовании IP-адреса. Каждый компьютер, подключенный к Internet, имеет свой уникальный 32-битный (в двоичной системе) IP-адрес. Система IP-адресации учитывает структуру Интернета, то есть то, что Интернет является сетью сетей, а не объединением отдельных компьютеров. IP- адрес содержит адрес сети и адрес компьютера в данной сети. Для обеспечения максимальной гибкости в процессе распределения IP-адресов, в зависимости от количества компьютеров в сети, адреса разделяются на три класса А, В, С. Первые биты адреса отводятся для идентификации класса, а остальные разделяются на адрес сети и адрес компьютера (см. табл.): Таблица. IP-адресация в сетях различных классов Класс А 0 Адрес сети (7 битов) Адрес компьютера (24 бита) Класс В 1 0 Адрес сети (14 битов) Адрес компьютера (16 битов) Класс С 1 1 0 Адрес сети (21 бит) Адрес компьютера (8 битов) Например, адрес сети класса А имеет только 7 битов для адреса сети и 24 бита для адреса компьютера, то есть может существовать лишь 2 7 =128 сетей этого класса, зато в каждой сети может содержаться 2 24 =16 777 216 компьютеров. В десятичной записи IP-адрес состоит из 4 чисел, разделенных точками, каждое из которых лежит в диапазоне от 0 до 255. например, IP-адрес может иметь такой вид: 195.34.32.11. Достаточно просто определить по первому числу IP-адреса компьютера его принадлежность к сети того или иного класса: Адреса класса А – число от 0 до 127; Адреса класса В – число от 128 до 191; Адреса класса С – число от 192 до 223. Провайдеры часто представляют пользователям доступ в Интернет не с пос- тоянным, а с динамическим IP-адресом, который может меняться при каждом подключении к сети. В процессе сеанса работы в Интернете можно определить свой текущий IP-адрес. Доменная система имен. Компьютеры легко могут найти друг друга по числовому IP-адресу, однако человеку запомнить числовой адрес нелегко, и для удобства была введена Доменная Система Имен (DNS – Domain Name System). Доменные имена и IP-адреса распределяются международным координационным центром доменных имен и IP- адресов (ICANN), в который входят по 5 представителей от каждого континента. Доменная система имен имеет иерархическую структуру: домены верхнего уровня - домены второго уровня и так далее. Домены верхнего уровня бывают двух типов: географические (двухбуквенные – каждой стране соответствует двухбуквенный код) и административные (трехбуквенные). Таблица. Некоторые имена доменов верхнего уровня. Административные Тип организации Географические Страна com Коммерческая ca Канада edu Образовательная de Германия gov Правительственная США jp Япония int Международная ru Россия mil Военная США su Бывший СССР net Компьютерная сеть uk Англия /Ирландия org Некоммерческая us США России принадлежит географический домен Ru. Интересно, что давно су- ществующие серверы могут относиться к домену su (СССР). Обозначение ад- министративного домена позволяет определить профиль организации, владельца домена. Протокол передачи данных TCP / IP Сеть Интернет, являющаяся сетью сетей и объединяющая громадное количество различных локальных, региональных и корпоративных сетей, функционирует и развивается благодаря использованию единого протокола передачи данных TCP/IP. Этот термин включает название двух протоколов: - Transmission Control Protocol (TCP)- транспортный протокол; - Internet Protocol (IP) – протокол маршрутизации. Определение маршрута прохождения информации. «География» Интернета существенно отличается от привычной нам географии. Скорость получения информации зависит не от удаленности Web- сервера, а от количества промежуточных серверов и качества линий связи (их пропускной способности), по которым передается информация от узла к узлу. С маршрутом прохождения информации в Интернете можно познакомиться достаточно просто. Специальная программа tracert.exe, которая входит в состав Windows, позволяет проследить, через какие серверы и с какой задержкой передается информация с выбранного сервера Интернет на ваш компьютер. Transmission Control Protocol (TCP), то есть транспортный протокол, обеспечивает разбиение файлов на IP-пакеты в процессе передачи и сборку файлов в процессе получения. Интересно, что для IP-протокола, ответственного за маршрутизацию, пакеты совершенно никак не связанны между собой. Поэтому последний и IP-пакет вполне может по пути обогнать первый IР-пакет. Может сложиться так, что даже маршруты доставки этих пакетов окажутся совершенно разными. Однако протокол TCP дождется IP-пакета и соберет исходный файл в правильной последовательности. Определение времени обмена IP-пакетами. Время обмена IP-пакетами между локальным компьютером и сервером Интернета можно определить с помощью утилиты ping, которая входит в состав операционной системы Windows. Утилита посылает четыре IP- пакета по указанному адресу и показывает суммарное время передачи и приема для каждого пакета. Специальное коммуникационное оборудование В состав компьютерных сетей обычно входят серверы, рабочие станции и специальное коммуникационное оборудование. К специальному коммуникационному оборудованию относят репиторы (повторители), концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Репитор – это устройство, предназначенное для увеличения длины сети и количества подключаемых компьютеров. Репиторы бывают пассивными и активными. Пассивные репиторы служат для разветвления кабельной системы, а активные репиторы позволяют усиливать сигналы в сети. Репиторы работают на первом уровне модели взаимодействия открытых систем. Концентратор – это многопортовый репитор. Концентраторы используют в качестве коммутационного устройства корпоративных и локальных компьютерных систем. Существуют модульные и наращиваемые концентраторы. Мосты – это устройства, работающие на втором уровне модели взаимодействия открытых систем. Мосты обеспечивают выполнение всех функций репитора и повышают пропускную способность сети за счет разделения потока запросов по сегментам. Мосты бывают: Самообучающиеся С маршрутизацией от источника Коммутаторы (переключатели) – это многопортовые мосты. Они осуществляют быструю коммутацию портов. Каждый порт обычно имеет свой буфер. Маршрутизатор выполняет все функции репитора и моста, работает н третьем уровне взаимодействия открытых систем. Основная функция маршрутизаторов – соединение различных компьютерных сетей. Маршрутизаторы могут быть автономными устройствами, а могут быть выполнены в виде компьютеров, на которых устанавливаются модули маршрутизаторов. Маршрутизатор содержит таблицу, в которой содержится адресная информация о сетях назначения, а также о выходных портах, ведущих к этим сетям. Шлюзы – это устройства, которые работают на 4-ом и более высоких уровнях модели взаимодействия открытых систем. Шлюзы используются для объединения сетей с разной архитектурой. |