Основные топологии локальных сетей. Типы локальных сетей и их устройство

Локальной сетью обычно называют компьютерную сеть в одном или нескольких соседних зданиях. В небольших организациях часто используют одноранговые сети (на 10-15 компьютеров), в которых все компьютеры равноправны: каждый может выступать как в роли клиента, так и в роли сервера.

Пользователь может открыть общий доступ к некоторым ресурсам своего компьютера (папкам на диске, принтерам), так что ими могут пользоваться другие. Каждому пользователю можно дать свои права для работы с ресурсом, например разрешить только читать данные, но не изменять их.

Одноранговые сети недороги, просты в настройке и обслуживании, не требуют сложного программного обеспечения. Все компьютеры независимы друг от друга, отключение одного из них не нарушает работу остальных в сети.

В одноранговой сети нет единого центра управления, поэтому на каждом компьютере приходится создавать учётные записи всех пользователей сети и настраивать права доступа. Это усложняет обслуживание сети и защиту данных. Чем больше компьютеров в сети, тем сложнее ею управлять.

В крупных организациях используют сети с выделенными серверами, в которых один или несколько мощных компьютеров играют роль серверов (пользователи на них не работают), а остальные (клиенты, рабочие станции) используют их ресурсы.

В таких сетях основная обработка данных выполняется на серверах, а на рабочие станции передаются готовые результаты. Это уменьшает поток данных в сети. На компьютерах-клиентах можно использовать самое разное оборудование и операционные системы; главное, чтобы они смогли обращаться к серверу по нужному протоколу. Повышается уровень безопасности данных, потому что права на доступ устанавливаются только на серверах, где хранятся данные. Рабочие станции не должны быть очень мощными, для ускорения работы всей сети нужно усилить только серверы.

В то же время серверное оборудование стоит достаточно дорого, для настройки и обслуживания серверов нужны грамотные специалисты.

На серверах обычно используют специальные серверные операционные системы (Windows Server; Linux, FreeBSD). В таких ОС основное внимание уделяется стабильной и надёжной работе с большим количеством клиентов, а не пользовательскому интерфейсу. Они обеспечивают работу пользователей, веб-узла, электронной почты, систем управления базами данных и т. п.

Важная возможность серверных ОС — терминальный доступ, при котором пользователь со своей рабочей станции запускает программу на сервере и получает на своем экране результаты её работы.

Используя текст параграфа, запишите в таблицу достоинства и недостатки одноранговых сетей и сетей с выделенными серверами.

Беспроводные сети

Беспроводные сети используются там, где создание кабельной сети невозможно или невыгодно, например за пределами зданий, в исторических помещениях и т. п. Через них мобильные компьютеры (ноутбуки, планшетные компьютеры, смартфоны) могут легко подключаться к сети и получать доступ к Интернету. Обмен данными происходит с помощью радиоволн сверхвысокой частоты.

Стандарт Bluetooth для беспроводных персональных сетей позволяет обмениваться данными восьми устройствам. Это могут быть настольный и планшетный компьютеры, мобильный телефон, ноутбук, принтер, цифровой фотоаппарат, мышь, клавиатура, наушники.

Радиус действия сети Bluetooth обычно не более 20 м, он зависит от мощности передатчиков, а также от преград и помех. Максимальная скорость1* обмена данными может достигать 24 Мбит/с. В будущем с помощью Bluetooth можно будет связывать любые электронные устройства, включая холодильники и стиральные машины. Для обеспечения защиты данных от перехвата приёмник и передатчик 1600 раз в секунду одновременно меняют частоту сигнала.

Скорость передачи данных по сети Bluetooth равна 3 Мбит/с. Оцените время передачи видеофайла объёмом 25 Мбайт.

В локальных беспроводных сетях применяют стандарт Wi-Fi (от англ. Wireless Fidelity — беспроводная точность). Компьютеры подключаются к беспроводной сети через специальное устройство — точку доступа (рис. 1.6). Одна точка доступа обычно обслуживает не более 15 компьютеров (при увеличении этого количества падает скорость передачи данных). Часто главная задача точки доступа — обеспечить мобильным компьютерам доступ к кабельной сети и выход в Интернет.

Рис. 1.6

При указании скорости передачи данных используются десятичные приставки (а не двоичные, как при измерении количества информации), например 1 Мбит/с = 106 бит/с.

Скорость передачи данных в сетях Wi-Fi может достигать 600 Мбит/с. Радиус действия сети в помещениях не превышает 45 м, а вне зданий — 450 м.

Скорость передачи данных по сети Wi-Fi равна 50 Мбит/с. Оцените время передачи видеофайла объёмом 25 Мбайт.

Технология Wi-Fi широко используется как в офисах, так и в домашних сетях. Бесплатный выход в Интернет через Wi-Fi предоставляют многие библиотеки, университеты, кафе (для привлечения посетителей), гостиницы. Такие зоны доступа называют «хот-спот». В некоторых гостиницах и аэропортах эта услуга платная.

Используя дополнительные источники, выясните, от каких иностранных слов произошло выражение «хот-спот» и как переводятся эти слова.

Сети Wi-Fi работают в радиоэфире, так что любое приёмное устройство, настроенное на нужную частоту, может перехватить сигнал. Поэтому в беспроводных сетях важно обеспечить защиту данных. Для этого используют специальные алгоритмы кодирования сигналов и шифрование.

Используя текст параграфа, заполните в тетради таблицу характеристик беспроводных сетей.

Оборудование для локальных сетей

В современных локальных сетях используется технология пакетной передачи данных, которая называется Ethernet. Для связи компьютеров могут применяться электрические кабели или оптоволокно. Существующий стандарт определяет скорости передачи данных до 100 Гбит/с.

Используя дополнительные источники, выясните, от какого слова произошло название Ethernet.

Для того чтобы подключить компьютер к кабельной сети, он должен иметь сетевую карту (сетевой адаптер, англ. network interface card) — рис. 1.7. В современных материнских платах настольных компьютеров и в ноутбуках обычно уже есть встроенная сетевая карта, поддерживающая стандарт Ethernet со скоростью до 1 Гбит/с.

В большинстве кабельных локальных сетей данные передаются со скоростью 100 Мбит/с. Для соединения компьютеров используется восьмижильный кабель «витая пара», который представляет собой четыре пары скрученных проводов. Восьмиконтактный разъём с защёлкой часто называют RJ-45 (см. рис. 1.7).

Рис. 1.7

На большие расстояния данные передают по оптоволоконным кабелям, в которых информацию переносит луч света. Свет идёт внутри кабеля, отражаясь от стенок стеклянного или пластикового цилиндра-световода.

Компьютеры объединяются в единую сеть по схеме «звезда» с помощью коммутаторов («свитчей») — рис. 1.8.

Рис. 1.8

Компьютер соединяют с коммутатором отрезком кабеля с двумя разъёмами RJ-45, который называется «патч-корд».

Используя дополнительные источники, выясните, от каких иностранных слов произошло название «патч-корд». Что оно означает?

Обычно все компьютеры, входящие в локальную сеть, получают доступ к Интернету через один канал связи. Для связи локальной сети с другими сетями необходим маршрутизатор. Задача маршрутизатора — определить дальнейший маршрут движения пакета и направить его на нужный выход (порт). Роль маршрутизатора в локальной сети может выполнять обычный компьютер с несколькими сетевыми картами.

Используя дополнительные источники, выясните, как иначе называют маршрутизатор. От какого слова образован этот термин?

Для подключения к беспроводным сетям компьютер должен иметь адаптер Wi-Fi, который есть во всех современных переносных устройствах — ноутбуках, планшетных компьютерах, смартфонах. Если встроенного адаптера нет, можно использовать дополнительный адаптер, который подключается к USB-порту. Устройство подключается к беспроводной сети и получает доступ в Интернет через точки доступа или беспроводные маршрутизаторы (рис. 1.9).

Рис. 1.9

Выводы

• Одноранговые сети — это сети, в которых все компьютеры равноправны. Они используются при небольшом количестве компьютеров.

• В сетях с выделенными серверами один или несколько компьютеров выполняют роль серверов, пользователи на них не работают.

• Для персональных беспроводных сетей используется технология Bluetooth, для локальных — Wi-Fi. Главная проблема беспроводных сетей — обеспечение защиты данных.

Нарисуйте в тетради интеллект-карту этого параграфа.

Вопросы и задания

Как вы думаете, можно ли использовать технологию «клиент-сервер» в одноранговых сетях?

2. Почему существует две беспроводные технологии: Bluetooth и Wi-Fi?

3. Можно ли сказать, что в беспроводных сетях используется структура «общая шина»? Обоснуйте свой ответ.

4. Как защищается информация в беспроводных сетях?

5. Выясните, какая сеть используется в вашей школе — одноранговая или с выделенным сервером. Почему было принято такое решение?

6. Выясните, какое оборудование используется для локальной сети вашей школы. С какой скоростью передаются данные в сети?

7. Выполните по указанию учителя задания в рабочей тетради.

Подготовьте сообщение

а) «Серверные операционные системы»
б) «Что такое терминальный сервер?»

Факторы, которые следует учесть при выборе топологии

До того как окончательно определиться с выбором топологии, необходимо учесть несколько особенностей, влияющих на работоспособность сети. Опираясь на них, можно подобрать наиболее подходящую топологию, анализируя достоинства и недостатки каждой из них и соотнеся эти данные с имеющимися для монтажа условиями.

• Работоспособность и исправность каждой из рабочих станций, подсоединенных к ЛВС. Некоторые виды топологии локальной сети целиком зависят от этого.
• Исправность оборудования (маршрутизаторов, адаптеров и т. д.). Поломка сетевого оборудования может как полностью нарушить работу ЛВС, так и остановить обмен информацией с одним компьютером.
• Надежность используемого кабеля. Повреждение его нарушает передачу и прием данных по всей ЛВС или же по одному ее сегменту.
• Ограничение длины кабеля. Этот фактор также важен при выборе топологии. Если кабеля в наличии немного, можно выбрать такой способ расположения, при котором его потребуется меньше.

Локальные компьютерные сети

Локальные компьютерные сети (LAN — Local Area Network) сейчас распространены повсеместно. Ими пользуются дома, на работе, в магазинах, в офисных и торговых центрах. Даже если вы далеки от IT, вам стоит иметь представление о том, что это такое и как это можно настроить.

Основные характеристики локальных сетей

Локальная сеть подходит для использования на ограниченной территории — например, в квартире, офисе или целом здании, но не более. Она обеспечивает быструю (до 100 Мбит/с) передачу данных между узлами сети. Это позволяет пользователю локалки, например, использовать удалённый диск со скоростью, сравнимой с использованием HDD на своём компьютере.

В локальных сетях используются высококачественные линии связи. Наиболее распространены сейчас медные витые пары и оптоволоконные кабели. Это даёт возможность отказаться от подтверждения получения пакета, модуляции и некоторых других методов, которые снижают скорость передачи и усложняют использование сети.

Локальная сеть предполагает совместное использование каналов. Это означает, что одним и тем же каналом связи могут пользоваться разные узлы сети. Более подробно на последовательности передачи данных мы остановимся в разделе, посвящённом топологии сети.

Вообще каналы передачи данных предполагают наличие как минимум двух каналов связи — один работает на приём, другой — на отправку. Раньше это осуществлялось подключением двух физических проводов. Но с приходом витых медных пар и оптоволокна, которые способны как отдавать, так и принимать сигнал, такой подход стал менее популярен.

Всё вышеперечисленное даёт локальной сети ряд преимуществ:

• быструю передачу данных;
• относительную простоту настройки;
• низкая сложность методов передачи;
• возможность использования дорогой сетевой среды.

Но у локальной сети есть и минус — слабая масштабируемость. Вместе с увеличением количества узлов и протяжённости линий резко снижается скорость передачи данных.

Таблица: отличия локальных сетей от глобальных

• модуляция,
• асинхронные методы,
• сложные методы контрольного суммирования,
• квитирование,
• повторные передачи искажённых кадров.

Виды локальных сетей

Локальные сети обычно делят на две большие категории — одноранговые и иерархические (то есть созданные на базе серверов).

Одноранговая локалка подразумевает «равноправие» всех оконечных узлов. Это означает, что пользователь каждого компьютера, подключённого к сети, может получать доступ ко всем открытым файлам и папкам и самостоятельно решать, какие файлы и папки открывать на своём компьютере. В домашних условиях одноранговая система — самая предпочтительная. Её недостаток — низкий уровень безопасности, поэтому в офисах её лучше не использовать.

Иерархическая локальная сеть обязательно имеет в своей структуре сервер, который занимается:

• администрированием сети;
• подключением периферийных устройств (например, сетевых принтеров);
• хранением основной информации сети;
• разработкой маршрутов передачи данных внутри сети.

В иерархической сети администратор определяет, какие файлы и папки «расшарить», кто из клиентов будет иметь к ним доступ и так далее. В корпоративных условиях локалка на базе сервера — оптимальный вариант.

Топология локальных сетей

Топология — это то, как и в каком порядке устройства сети связываются между собой и передают данные. Рассмотрим возможные виды физической топологии, указав плюсы и минусы каждого:

шинная. Эта физическая топология появилась раньше всех. Она работает по следующему принципу — к одному длинному кабелю с помощью трансиверов подсоединяются все устройства сети. На его концах устанавливают терминаторы с сопротивлением 50 Ом, чтобы сигнал не отражался в кабеле. Любой сигнал или пакет данных, отправленный одним из компьютеров сети, направляется на все остальные. Только после приёма пакета элемент сети проверяет, ему ли адресовано «сообщение». Если да, то продолжает обработку. А если нет — отбрасывает и заканчивает работу с этим пакетом. Сейчас такую топологию почти не применяют из-за низкой отказоустойчивости. Любое повреждение основного кабеля приводило к полной неисправности всей сети;

До сих пор широко известна шутка про уборщицу, которая одной шваброй может положить всю сеть — это именно про шинную локалку

Обычно компьютеры в кольцевой сети соединяли сразу двумя кабелями — один был основным, а другой — резервным

Такой тип сети настраивается проще всего, а потому часто используется в качестве домашней локалки

Полносвязная сеть — самая надёжная, но и самая дорогая

Смешанная топология использует уже рассмотренные методы соединения

Элементы локальной сети

Теперь рассмотрим наиболее распространённые элементы, которые можно подключить к локальной сети:

• ПК. В сетевой терминологии подключённый компьютер называют рабочей станцией. Он может быть:
  • сервером, то есть руководить обслуживанием сети. Стоит иметь в виду, что фактически сервер — это программное обеспечение установленное на компьютере. Однако для удобства так стали называть и сами ПК, на которых стоят серверные программы. В крупных локалках рекомендуется выделять отдельные ПК под серверы баз данных и файловые серверы, поскольку скорость передачи данных ограничивается вычислительной мощностью компьютера-сервера. По этой же причине сервер оснащают как можно большим объёмом дисковой и оперативной памяти. Этот ПК, как правило, работает безостановочно, чтобы у клиентов был доступ к информации и сети в любое время. Сервер обычно имеет статичный адрес в сети;
  • клиентом, то есть пользоваться услугами сети, но не иметь доступа к её администрированию. Эти ПК часто имеют динамические адреса, хотя могут обладать и прописанными статическими, как и серверы. Клиенты обращаются к серверу для получения файлов и «общения» с другими компьютерами;

  Все рассмотренные выше элементы — оконечные. Не будем забывать и о промежуточных узлах. Ими могут быть:

  • концентраторы. Эти элементы получают информацию от оконечных узлов сети, а затем передают её всем остальным ПК. При этом концентратор «не знает», какому клиенту адресован запрос, а потому направляет пакет данных сразу всем. Компьютеры уже при получении данных определяют, обрабатывать пакет или нет. Концентраторы лучше не использовать в больших локальных сетях, отдавая предпочтение свитчам;
  • свитчи (коммутаторы). Такой элемент способен определить, кому перенаправить пакет данных, а потому способны сэкономить много трафика, направляя запрос прицельно его адресату;
  • репитеры (повторители). Эти элементы нужны для больших площадей — они позволяют восстановить ослабившийся сигнал и продолжить его передачу с новой силой;
  • хабы. Это те же репитеры, только позволяющие обслуживать сразу несколько компьютеров сети;
  • маршрутизаторы наиболее часто используются в домашних локальных сетях. Эти устройства занимаются «прокладкой маршрута» для пакетов данных — они находят получателя среди узлов и переправляют пакет ему. Их ещё часто называют роутерами.

  Сетевую среду же образуют кабели и беспроводное соединение (радиоволны). Первые обычно представлены медными витыми парами. Они позволяют добиться неплохой скорости, и к тому же недороги. Нередко можно встретить и оптоволокно — оно позволяет добиться максимальной скорости соединения благодаря световым импульсам.

  

  Медная витая пара — самый популярный способ проводного соединения

  Типы локальных сетей

  Существует две модели локальных вычислительных сетей:

  • Одноранговая сеть.
  • Сеть типа клиент-сервер.

  Начнем с пояснения первого термина.

  В одноранговой вся информация распределена между устройствами. Любой пользователь может изменить права доступа к файлам. Рабочими станциями служат сами компьютеры.

  Предоставляется полный доступ любому пользователю сети к любым ресурсам и файлам устройств.

  • Этот тип легок в реализации и доступен при небольшом бюджете.
  • Подключение до 20 устройств (возможно больше).
  • Много устройств – малая производительность (наблюдается при старом аппаратном и программном обеспечении).
  • Отсутствие единой информационной базы.
  • Низкая безопасность.
  • Зависимость информации от состояния компьютера, т. е. если устройство выключено, то и информация будет недоступна.

  Сети типа клиент-сервер имеют только один главный компьютер – сервер. Он хранит информацию и обрабатывает ее.

  • Универсальный сервер – для несложных задач, обработка данных в локальной сети.
  • Сервер базы данных – обработка запросов, направляемых базе данных.
  • Proxy сервер – подключающий локальную сеть к сети Internet (VPN).
  • Файловый сервер – распределение ресурсов и доступ к файлам.
  • Сервер приложений – выполнение прикладных процессов.
  • Почтовый сервер – ответы на запросы, присланные по электронной почте.
  • хорошая производительность;
  • единая база информации;
  • продвинутая система безопасности.
  • стоимость;
  • нужен квалифицированный персонал для обслуживания.

  Принципы построения и схема локальной сети

  Главным элементом локальной сети являются компьютер. Также участие принимают:

  • принтеры;
  • сетевое оборудование;
  • серверы;
  • хранилища;
  • телевизоры;
  • телефоны и др.

  Эти устройства относятся к категории оконечных узлов.

  В сети присутствуют и промежуточные элементы, такие как:

  • маршрутизаторы;
  • роутеры;
  • модемы;
  • коммутаторы;
  • точки беспроводного доступа.

  Обе группы связаны между собой сетевой средой, которая взаимодействует со структурой через оптоволоконные кабели и радиоволны Wi-Fi. Благодаря этой среде происходит взаимодействие между элементами.

  Локальные сети обладают рядом преимуществ:

  1. Разделение ресурсов, которые позволяют экономно использовать ресурсы в информационной среде.
  2. Разделение данных способствует доступу к одному файлу с разных компьютеров.
  3. Разделение программных средств позволяют работать в одном приложении с разных устройств.

  Существует два основных направления при создании такой схемы:

  1. Проводная схема. При создании проводной системы используются специальные коаксиальные кабели или витые пары (технология Ethernet-соединение). Коаксиальные кабели используются реже, чем витые пары. Это объясняется тем, что скорость передачи и масштаб охвата территории у второго выше. Максимальная скорость передачи данных коаксиальных кабелей составляет 10 Мбит/с., а в витых парах — может достигать 1024 Мбит/с.
  2. Беспроводная схема построена на основе передачи данных посредством радиоволн, которые распределяются между всеми устройствами, девайсами, в качестве которых выступают маршрутизаторы (роутеры и модемы), точки доступа (компьютер, телефон), коммутационные устройства, повторители сигнала. При такой организации сети используются оптоволоконные кабели, которые подключаются к основному источнику сети. Беспроводные сети позволяют разносить сигнал до 2 км., а частота достигает 2,4 и 5,1 МГц.