Компьютерные сеты. Основные понятия

Введение

Целью моей работы является раскрытие темы эволюции и указание типов компьютерных сетей. Компьютерные сети - это многокомпонентные механизмы, они делятся на глобальные и локальные сети. Практически все оборудование, присущее глобальным сетям, встречается в локальных сетях, меньших по размеру, отсюда следует, что технологии такого объекта, как локальная вычислительная сеть, рассмотрение ее аппаратных и программных средств организации будут основой данной работы. На сегодняшний день сложно представить себе организацию, которая обходится без взаимодействия компьютеров, принадлежащих ей. Данное взаимодействие возможно при наличии такой системы, как локальная вычислительная сеть, объединяющая вычислительные ресурсы предприятия в одну общую систему. Локальная вычислительная сеть – это важный сегмент деятельности любого предприятия, без ее помощи невозможна автоматизация документооборота, ведение баз данных, управление технологическими процессами, а также множество других необходимых моментов, которые крайне важны для оперативности работы сотрудников, задействованных в процессе выполнения служебных задач. Если, например, упустить автоматизацию такого процесса, как документооборот, можно говорить об утрате конкурентоспособности предприятием, так как время, затраченное для обмена внутренними документами, документами с заказчиками продукции и поставщиками сырья, многократно возрастет. Отсюда следует, что упадет рентабельность предприятия. Тоже можно сказать и о любых процессах, которые могут быть реализованы на базе локальной вычислительной сети.
Для надежного функционирования локальной вычислительной сети необходимо разработать надежную транспортную среду и выбрать правила взаимодействия ее элементов. Данные моменты выполняются на этапе проектирования и построения локальной сети.
Необходимо понимать, что построение локальной вычислительной сети нельзя производить без анализа ряда вопросов, непосредственно касающихся конкретной задачи. Следует привести данные вопросы:
Необходимо определиться, какой вид технологии будет применим и актуален для проектирования локальной вычислительной сети;
Необходимо определить топологию сети, наиболее подходящую для данных условий проектирования;
Необходимо указать на каком участке и какую среду передачи данных необходимо использовать при проектировании;
Необходимо описать все достоинства и недостатки выбранных проектных решений.
При проектировании локальной вычислительной сети дополнительным условием является то, что для каждого отдельного случая предъявляются различные требования к быстродействию. Данные требования можно реализовать, исходя из соображений бюджета. Сегодня большое количество компаний по всему Миру разрабатывает оборудование, необходимое для построения локальной сети. Например, при небольшом бюджете можно обойтись покупкой неуправляемых коммутаторов, простых в эксплуатации, но не имеющих возможности гибких настроек. При наличии неограниченного бюджета можно приобрести коммутаторы, разработанные по последнему слову техники, имеющие возможность настройки приоретизации трафика, сегментирования сети на виртуальные локальные сети а также передачи данных с использованием волоконно – оптических линий. Локальная вычислительная сеть – это обязательный механизм, без которого не представляется возможность конкурентоспособной работы компании. Она должна быть построена с учетом последних технологических новшеств, даже если бюджет ограничен.
Понятие вычислительной сети

Дать понятие локальной вычислительной сети можно следующим образом: локальной вычислительной сетью (ЛВС) – называется группа расположенных в пределах определенной территории узлов, оконечных пользовательских терминалов, связанных друг с другом с помощью соответствующих сетевых интерфейсов и устройств, подключенных к соединительным линиям, образующих собой среду передачи. Узлы осуществляют совместное использование программных и аппаратных ресурсов. Локальная сеть обычно предназначается для сбора, хранения, передачи и обработки информации в пределах одного предприятия или организации. Локальные сети часто называют корпоративными сетями или локальными сегментами. Локальная сеть может быть ориентирована на выполнение определённых функций в соответствии с профилем деятельности предприятия.
Локальные сети являются основой для реализации таких пользовательских функций, как: передача и прием файлов, организация сервиса электронной почты, организация доступа к серверным частям систем управления базами данных, передача и прием цифрового голоса с потокового видео.
Локальные сети объединяют электронно – вычислительные машины (ЭВМ), терминалы видеоконференцсвязи, устройства хранения информации, шлюзы, то есть узлы для подключения к сетям, выполненным по другой технологии а также имеющим другую адресацию, специальные IP-телефоны и прочие устройства. Локальные сети на сегодняшний день являются одним из перспективных, широко используемых и развивающихся телекоммуникационных участков. Локальная сеть имеет следующие характеристиками:
Узлы и линии связи между узлами обычно располагаются в пределах организации. Исключением являются узлы, соединенные линиями спутниковой связи;
Линии связи характеризуются высокой скоростью соединения;
Расстояние между рабочими станциями, подключаемыми к локальной сети, обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч метров. В локальной сети могут использоваться технологии, позволяющие увеличить длину соединительной линии для передачи данных, например такие, как проводная технология xDSL или беспроводная технология WiMAX;
Локальная сеть позволяет осуществлять передачу данных между узлами в зависимости от используемого аппаратного или программного обеспечения, например, может осуществляться передача потокового видео или файла;
Пропускная способность локальной сети, как правило, имеет высокие показатели, данный факт вызван тем, что в рамках локальной сети можно прогнозировать тонкие участки в случае грамотного проектирования и эксплуатации;
Линии связи локальной сети обычно находится в собственности организации, работу которой обслуживает данная локальная сеть;
Локальные сети в большинстве своем масштабируемы, применимо к локальной сети справедливо понятие реконфигурации и развития путем подключения новых терминалов либо отключения не использующихся;
Наличие локальной сети позволяет упростить и удешевить персональные ЭВМ, поскольку они коллективно используют в режиме разделения времени наиболее дорогие ресурсы: дисковую память и печатающие устройства, путем организации файловых серверов и серверов печати. Без локальной вычислительной сети организация взаимодействия подобного рода была бы невозможной.
Компьютерная сеть - объединение нескольких ЭВМ для совместного решения информационных, вычислительных, учебных и других задач.
Все компьютерные сети без исключения имеют одно назначение-обеспечение совместного доступа к общим ресурсам. Слово ресурс очень удобное. Ресурсы бывают трех видов: аппаратные, программные, информационные.
Аппаратные ресурсы – это, когда все участники компьютерной сети пользуются одним аппаратом, например, принтером или используют один компьютер с увеличенной емкостью жесткого диска (файловый сервер), на котором хранят свои архивы и результаты работы.
Компьютерные сети позволяют совместно использовать программные ресурсы. Так, например, для выполнения сложных и продолжительных расчетов можно подключиться к удаленной большой ЭВМ и отправить вычислительное задание на нее, по окончании расчетов получить результат обратно.
Данные, хранящиеся на удаленных компьютерах, образуют информационный ресурс, например, Интернет.
По способу организации сети подразделяются на реальные и искусственные.
Искусственные сети (псевдосети) позволяют связывать компьютеры вместе через последовательные или параллельные порты и не нуждаются в дополнительных устройствах.
Реальные сети позволяют связывать компьютеры с помощью специальных устройств коммутации и физической среда передачи данных.
По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, региональными и городскими.
По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко-, средне- и высокоскоростные.
низкоскоростные (до 10 Мбит/с),
среднескоростные (до 100 Мбит/с),
высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с).
Городская сеть (MAN - Metropolitan Area NetWork) - сеть, которая обслуживает информационные потребности большого города.
Региональные - расположенные на территории города или области.
Сети, в пределах одного здания, объединяющие от 2 до 300 компьютеров, которые принадлежат обычно одной организации (или одной семье), называются локальными вычислительными сетями.
Глобальные сети - WAN (Worldwide Area Network) объединяют сотни, тысячи узлов во многих странах мира.

Топология вычислительных сетей

Все устройства в локальной сети соединены линиями связи. Топология сети – это геометрическое взаиморасположение в пространстве соединительных линий относительно оконечного оборудования – узлов сети и оборудования коммутации. В зависимости от топологии сети различаются, как сети с шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной топологией.
Стоит отметить, что имеют различие физическая и логическая топологии сети, они взаимно независимы. Физической топологией является геометрическое построение сети, а логической топологией является пути и направления данных, циркулирующих в сети между ее узлами.
Сегодня в технологиях построения локальных сетей и применяются физические топологии, описанные ниже:
физическая «шина»;
физическая «звезда»;
физическое «кольцо»;
физическая «звезда» и логическое «кольцо».

Топология «Шина»
Сети, имеющие такую топологию, строятся на основе линейного моноканала, в качестве соединительной линии для которого выступает обычно коаксиальный кабель. Для ограничения передачи данных на концах кабеля устанавливаются оконечные устройства сопротивления, также называемые терминаторами. Все оконечные устройства подключаются к коаксиальному кабелю. Данные, исходящие из узла – передатчика, двигаются по шине в две стороны и отражаются от терминаторов. Данные устройства осуществляют предотвращение отражения сигналов, их необходимо использовать для уничтожения сигналов, достигающих концов кабеля, по которому происходит передача данных.
Так информация доставляется на все узлы, но прием информации осуществляется одним узлом, которому информация предназначается. В топологии такого характера среда передачи данных используются одновременно всеми узлами сети, а сигнальная информация от узлов распространяется сразу по всем направлениям в среде передачи. С учетом факта широковещательной передачи сигналов при использовании топологии «физическая шина», логической топологией для такой локальной сети является топология «логическая шина»

. На рисунке 1 изображена топология типа «Шина».


Рисунок 2.1. Топология типа «Шина».


Топология «Звезда»
В сети, которая построена с использованием топологии «звезда», все рабочее станции подсоединяется по кабелю к концентратору или коммутатору локальных сетей. Концентраторы обеспечивают параллельное соединение узлов сети и, на основании чего все узлы, которые подключены к сети, имеют возможность обмениваться информацией.
На рисунке 2 изображена топология типа «Звезда».

Рисунок 2.2. Топология типа «Звезда».

Информация от станции - передатчика сети проходит через коммутатор по всем соединительным линиям на все узлы. Информация приходит на все множество рабочих станций, но прием ее осуществляется станциями, которые являются адресатом. Передача данных в сети с топологией «физическая звезда» имеет широковещательный тип, соответственно данные от узла – источника передаются одновременно по всем направлениям. Из этого следует, что логическая топология такой локальной сети будет являться логической шиной.
Топология такого плана находит применение в локальных сетях, построенных по архитектуре 10Base-T Ethernet.
Преимущества сетей подобной топологии:
К сети просто подключается новые узлы;
Топология дает возможность централизованного администрирования и управления;
Подобная топология имеет высокую устойчивость к выходу из строя узлов;
Недостатки сетей топологии звезда:
При отказе коммутационного устройства происходит влияние на работу сети в целом;

Топология «Кольцо»
В сети с такой топологией каждый узел соединен линиями в физическое кольцо, по данному кольцу осуществляется передача данных. Выход одного узла соединен со входом следующего узла. В начале движения из одной точки, данные, пройдя полный круг, попадают в начало снова. Данные в кольце постоянно двигаются в одном и том же направлении.
Рабочая станция – приемник осуществляет распознавание и получение только адресованного ей сообщения. В сети с топологией типа «физическое кольцо» принято использовать доступ по маркеру, который предоставляет узлу право на захват среды для передачи информации в определенном порядке. Логической топологией данной сети является «логическое кольцо». Сеть такого порядка легко создать и настроить.
К основному недостатку сетей топологии кольцо относится тот факт, что повреждение соединительной линии на одном участке или отказ узла приведет к отсутствию работоспособности всей сети.
В классическом представлении топология «кольцо» не находит применения в связи с ненадёжностью, но на практике применяются различные модификации кольцевой топологии.
На рисунке 3. Изображена топология типа «Кольцо».


Рисунок 2.3. Топология типа «Кольцо»

Ячеистая топология
Ячеистая топология сети — это топология, при которой каждая рабочая станция соединяется со всеми другими рабочими станциями этой же сети. При данной топологии имеет место избыточность соединений. Каждый узел имеет множество возможных путей соединения с другими компьютерами. Поэтому обрыв кабеля не приведет к потере соединения даже между двумя компьютерами. Эта топология характерна, как правило, для крупных либо узкоспециализированных сетей с высокими требованиями надежности. На рисунке 4 изображена ячеистая топология.

Рисунок 2.4. Ячеистая топология.

Смешанная топология
При смешанной топологии применяются сразу несколько видов соединения компьютеров между собой. Встречается она редко в рамках реализации особых проектов.
От выбора топологии сети зависит состав оборудования и программного обеспечения. Топологию выбирают, исходя из потребностей предприятия. Кроме того, знание топологии сети позволяет оценивать ее слабые места, а также зависимость стабильности ее работы от отдельных составляющих, тщательнее планировать последующие подключения нового сетевого оборудования и узлов. В случае сбоя, отсутствия связи с каким-либо компьютером сети, на карте всегда можно посмотреть, где данное устройство располагается, на каком этаже, в каком офисе или помещении, на что, прежде всего, нужно обратить внимание и куда идти в первую очередь для устранения неисправности.

Эволюция сетей передачи данных. Технологии построения вычислительных сетей

Затрагивая вопрос технологии построения вычислительной сети, можно сказать, что на настоящий момент используются следующие технологии построения вычислительных сетей:
— Arcnet;
— Token Ring;
— Ethernet.
В рамках настоящей работы каждая из них будет рассмотрена подробно, в части, касающейся эволюции и развития.

Технология Arcnet
Arcnet — это недорогая, несложная и надежная технология построения локальной сети. Технологию представила компания Datapoint в 1977 году. Сегодня основной разработчик и производитель оборудования для сетей Arcnet — фирма SMC.
Для технологии Arcnet соединительные линии между узлами – это медный кабель типа «витая пара», коаксиальный кабель или волоконно - оптические линии связи. Скорость передачи данных — 2,5 Мб/с.
При создании сетей по технологии Arcnet используются топологические структуры «звезда» и «шина». Для управления передачей данных в данной технологи применяется специальная шина с маркером (Token Bus).
Маркер, заверяющий право на передачу сообщений транслируется по очереди на все станции сети, после окончания предыдущей станцией передачи информации.
В таких сетях есть принципы, обязательные для выполнения:
— все узлы сети могут передавать данные, если только они получили разрешение на передачу в виде маркера;
— во все моменты времени только один узел или рабочая станция обладает маркером, подтверждающим право передачи;
— сообщения, которые циркулируют в сети, доступны всем узлам сети.
В настоящее время данная технология используется крайне редко.

Технология Token Ring
Token Ring — технология построения локальных сетей, разработанная фирмой IBM.
Линии связи данной технологии зачастую представляют собой кабель типа «витая пара» или волоконно – оптическцю линию. Скорость передачи данных — 4 Мб/с или 16 Мб/с.
Сети Token Ring строятся по топологии «кольцо».
Для управления правом передачи информации используется маркерное кольцо (Token Ring).
Маркер передается по циклу так, что в определенный промежуток времени правом передачи обладает определенный узел сети. В каждый момент времени такое право может быть только у одного узла сети.
Стандарт на технологию построения сетей Ethernet был разработан в конце 70-х годов компанией Xerox Corporation.
На рисунке 3.1 показано графическое представление технологии Token Ring. Данная технология в настоящее время практически не используется.

Рисунок 3.1. Графическое представление технологии Token Ring.


Технология Ethernet
Сети, которые построены по технологии Ethernet, имеют топологию «звезда». Скорость передачи данных технологии — 10 Мб/с. Существуют ее разновидности, такие как: FastEthernet со скоростью 100 Мб/с, а также GigabitEthernet со скоростью1000 Мб/с.
В сетях такого типа соблюдается ряд принципов:
— в любой из моментов времени любая из рабочих станций сети или любой из узлов сети могут начать передавать данные, в плане передачи данных ни один узел или станция не имеет приоритета;
— данные, которые передаются любым узлом или рабочей станцией, становятся доступными для всех остальных узлов при определенных настройках;
Все узлы сети имеют свой уникальный адрес — номер Ethernet-карты, который также называется аппаратный или MAC-адрес;
— передача информации в данной технологии осуществляется кадрами на втором, канальном уровне эталонной модели взаимодействия, речь о которой пойдет дальше в рамках данной работы;
— в кадрах, которые циркулируют в сети, указаны адрес отправителя и адрес получателя, это дает возможность всем узлам сети производить выбор из трафика, циркулирующего сети, только тот, который предназначен им.
В сети, построенной по технологии Ethernet, есть методика решения конфликтов, которые называются коллизии. Возникают они по причине попытки сразу двух рабочих станций передать информацию. Эти ситуации могут быть выявлены с помощью устройств обнаружения на Ethernet-карте. Кадры, которые вступили в конфликт, уничтожаются или фиксируются в памяти соответствующих карт. Такие карты ждут время, определенное случайным образом, и потом снова пытаются осуществить передачу кадра по сети.
Большинство сетей в России построено по технологии Ethernet. В качестве среды передачи для технологии Ethernet может выступать медный или коаксиальный кабель, волоконно – оптический кабель, а также беспроводные соединения, основанные на распространении радиоволн. На рисунке 5 представлена технология Ethernet.


Рисунок 3.2. Технология Ethernet.

Взаимодействие элементов современных вычислительных сетей

Эталонная модель OSI
Для того, чтобы понять, как осуществляется взаимодействие различных компонентов современной вычислительной сети, необходимо ответить на вопрос стандартизации правил данного взаимодействия. На него отвечает эталонная модель взаимодействия открытых систем. Данная модель появилась в связи с затянувшейся разработкой протоколов. В конце 70-х годов уже существовали в большом количестве фирменные стеки протоколов коммуникации, то есть правил общения аппаратного и программного обеспечения сетей. Такое разнообразие протоколов взаимодействия поставило в первую очередь проблему несовместимости тех устройств, которые используют несовместимые протоколы. Один из путей решения данной задачи в то время – это концептуально новый подход, заключающийся во всеобщем переходе на общий для всех систем стек протоколов, который будет создан с учетом анализа недостатков существующих в то время стеков. Жтот академический подход к созданию стека начался с разработки модели OSI и занял семь лет (с 1977 по 1984 год). Значение модели OSI заключается в представлении в общем виде средств взаимодействия по сетям. Модель разрабатывалась в качестве универсального алгоритма взаимодействия сетевых специалистов и протоколов, поэтому она носит название справочной модели. В этой модели средства взаимодействия разделены на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Все уровни имеют дело с определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Приложения могут реализовывать собственные протоколы взаимодействия, используя для этих целей многоуровневую совокупность системных средств.
Именно для этого в распоряжение программистов предоставляется прикладной программный интерфейс (Application Program Interface, API). В соответствии с идеальной схемой модели OSI приложение может обращаться с запросами только к самому верхнему уровню — прикладному, однако на практике многие стеки коммуникационных протоколов предоставляют возможность программистам напрямую обращаться к сервисам, или службам, расположенных ниже уровней