Система компьютеров объединенных каналами передачи данных это

Локальные и глобальные компьютерные сети: что такое, как характеризуются

Единичные компьютеры работают автономно, практически все они подключены к сетям. Последние упрощают обмен информацией, её обработку, автоматизируют производственные и бизнес-процессы. Рассмотрим, что такое локальная и глобальная компьютерные сети. Назовём принципиальные отличия между ними. Расскажем о сферах применения.

Надобность в быстрой коммуникации, общем доступе к оборудованию (принтерам, накопителям) и совместной работе над проектами способствует стремительному подключению ПК к сети. Для объединения машин (узлов, клиентов) они должны работать с одинаковыми программами, протоколами передачи данных, обладать общими аппаратными ресурсами.

Компьютерная сеть (КС) – это ряд ПК и прочего оборудования, объединённого в единую систему. Для её построения нужны:

• Интерфейс для обмена информацией, организации совместного доступа к программным, техническим, аппаратным ресурсам.
• Сами ПК с сетевыми адаптерами для работы по выбранному интерфейсу (проводному – витая пара, оптоволокно, беспроводному – Wi-Fi).
• Оборудование – организует работу узлов структуры.
• Программная среда – обеспечивает взаимодействие оборудования (службы, приложения, протоколы).

Рассмотрим, какими бывают компьютерные сети, их топологии, особенности функционирования.

Локальные

Различают несколько способов объединения вычислительных машин. Наиболее распространённый – локальные компьютерные сети (ЛКС, ЛС, LAN), в информатике – это объединение ПК и оборудования, расположенного на географически ограниченном пространстве: офис, здание или несколько (банк, учебное заведение), город. Потенциал объединения порой ограничивается десятками километров. Главная цель создания – быстрый беспроблемный обмен информацией, доступ участников ЛВС к программным и аппаратным ресурсам.

Задачи и назначение «локалок»:

• Доступ к общим аппаратным ресурсам – принтерам и программным, например, сервисам компании.
• Распределение ресурсов и приложений – все участники имеют доступ к установленным на сервере программам, и хранящимся на нём базам данных.
• Обмен документами и сообщениями – коммуникация между работниками, геймерами.
• Совместная работа над проектами.
• Экономия на приобретении программного обеспечения при покупке групповой лицензии.

Корпоративная сеть (КС) – это ЛС, созданная для сотрудников организации, предприятия, независимо от географического места расположения её узлов. Подразделения одного банка, находящиеся в разных городах, объединяются в КС через интернет. Это закрытые структуры, доступ к которым есть у ограниченного числа пользователей, обычно – сотрудников фирмы, обслуживающих их IT-компаний.

Топология

ЛКС характеризуются конфигурацией построения, топологией – способом соединения входящих в них компьютеров. Различают три структуры организации сетей.

• Шинная – клиенты подключаются к общедоступному интерфейсу. Характеризуется низкой стоимостью, простотой организации и расширения, отсутствием централизованного управления.

• Кольцевая – ПК подключаются посредством однонаправленного интерфейса, который усложняет создание сети и управление ею. Если один узел выйдет из строя или отключится, произойдёт сбой в работе структуры.

• Звёздная – компьютеры объединяются посредством сервера – центральной, главной рабочей станции – мощного ПК. Взаимодействуют элементы структуры исключительно через сервер, который управляет функционированием LAN. Если он выйдет из строя, сеть «ляжет».

• Иерархическая или древовидная – расширенная звёздная топология, где компьютеры подключаются к серверам низкого уровня, а те – к центральным ПК, расположенным выше по иерархии. При отказе сервера работать перестанет одна ветвь структуры.

В зависимости от метода организации соединения различают два типа локальных сетей:

• Одноранговые – все машины равноправны, одна для другой выступают как серверы либо клиенты.
• С выделенным сервером – машины взаимодействуют через центральный или главный компьютер.

Краткая история развития компьютерных сетей

Компьютерные сети появились в результате развития телекоммуникационных технологий и компьютерной техники. То есть появились компьютеры. Они развивались. Были телекоммуникационные системы, телеграф, телефон, то есть связь. И вот люди думали, хорошо было бы если бы компьютеры могли обмениваться информацией между собой. Эта идея стала основополагающей идеей благодаря которой появились компьютерные сети.

50-е годы: мейнфреймы

В 50-х года 20-го века появились первые «компьютеры» — мейнфреймы. Это были большие вычислительные машины которые могли занимать по площади современный спортивный зал. Вычислительные мощности были не большие, но факт в том что вычисления уже производила машина.

Начало 60-х годов: многотерминальные системы

В дальнейшем к одному мейнфрейму стали подключать несколько устройств ввода-вывода, появился прообраз нынешних терминальных систем да и сетей в целом.

70-е годы: первые компьютерные сети

?0-е годы, время холодной войны. СССР и США сидели возле своих ракет и думали кто же атакует (или не атакует) первым. Центры управления ракетами США располагались в разных местах удаленных друг от друга. Если в одном центре производится запуск ракет, после которого в центр попадает ракета врага, то вся информация в этом центре — утеряна. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)) ставит перед учеными задачу — разработать технологию которая позволяла бы передавать информацию из одного стратегического центра в другой на случай его уничтожения.

В 1969 году появляется ARPANET (от англ. Advanced Research Projects Agency Network) — первая компьютерная сеть созданная на основе протокола IP который используется и по сей день. За 11 лет ARPANET развивается до сети способной обеспечить связь между стратегическими объектами вооруженных сил США.

Середина 70-х годов: большие интегральные схемы

На основе интегральных схем появляются «мини компьютеры». Они начинают выходить за пределы министерства обороны и постепенно внедряются в повседневную жизнь. За компьютерами начинают работать бухгалтера, менеджеры, компьютеры начинают управлять производством. Появляются первые локальные сети.

Локальная сеть (Local Area Network, LAN) – объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую
одной организации.

Сетевая технология – согласованный набор программных и аппаратных средств (драйверов, сетевых адаптеров, кабелей и разъемов), а также механизмов передачи данных по линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети.

В период с 80-х до начала 90-х годов появились и прочно вошли в нашу жизнь:

1. Ethernet.
2. Token Ring.
3. Arcnet.
4. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — волоконнооптический интерфейс передачи данных.
5. TCP/IP используется в ARPANET.
6. Ethernet становится лидером среди сетевых технологий.
7. В 1991 году появился интернет World Wide Web.

Интернет-провайдеры

Интернет-провайдеры концептуально организованы в три уровня или яруса. Провайдеры третьего уровня представляют собой небольшие региональные компании, которые продают подключение к интернету конечным пользователям. Обычно они не владеют оборудованием, необходимым для передачи данных, и покупают подключение у интернет-провайдеров второго уровня. Эти интернет-провайдеры крупнее, они владеют кабелями и другим сетевым оборудованием. Например, Comcast в США или Vodafone в Европе входят в число крупнейших интернет-провайдеров в мире. Обычно эти компании сотрудничают, чтобы перемещать данные. Этот процесс называется пирингом.

Однако интернет-провайдеры второго уровня не охватывают весь земной шар, поэтому они покупают услуги (транзит) у интернет-провайдеров первого уровня, которые владеют межконтинентальными кабелями (AT&T, Deutsche Telekom Global Carrier). Стоит отметить, что некоторые интернет-провайдеры второго уровня также могут продавать доступ в интернет напрямую клиентам.

Как правило, к услугам провайдеров первого уровня более мелкие компании прибегают тогда, когда им нужно наладить передачу данных на большие расстояния. Однако, если требуется соединить два близких города, то будет достаточно пиринга.

Быстрый пиринг возможен благодаря точкам обмена интернет-трафиком (IXP): это помещения и целые здания, заполненные компьютерами и маршрутизаторами, которые соединяют несколько интернет-провайдеров вместе и помогают сократить пути для интернет-трафика. IXP расположены по всему миру, и на сегодняшний день насчитывается около 240 таких точек в 180 регионах.

В целом, отправка сообщения через интернет означает передачу данных нескольким интернет-провайдерам и IXP, их маршрутизаторам и кабелям. Фактический путь определяется местоположением получателя, который примет сообщение, а также часто коммерческими соглашениями между интернет-провайдерами.

4. Как устроен Интернет

Глобальная сеть — это сеть, предназначенная для объединения большого числа отдельных компьютеров и локальных сетей, расположенных на значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга.

Глобальные сети ориентированы на обслуживание неограниченного круга пользователей. Самый впечатляющий пример глобальной сети — Интернет.

Интернет — это глобальная компьютерная сеть, в которой многочисленные научные, корпоративные, государственные и другие сети, а также персональные компьютеры отдельных пользователей соединены между собой каналами передачи данных.

Основой аппаратной структуры сети Интернет можно считать мощные компьютеры (узлы) и связывающие их высокоскоростные магистральные каналы передачи данных. Компьютерный узел, как правило, представляет собой несколько мощных компьютеров, постоянно подключённых к сети. Организации, имеющие в собственности и обслуживающие это оборудование, являются первичными провайдерами (от англ. provider — поставщик) услуг Интернета. Это так называемый, первый уровень доступа к Интернету. К первичным провайдерам присоединяются провайдеры следующих уровней, которые, в свою очередь, обеспечивают доступ к каналам Интернета своим клиентам — провайдерам более низкого уровня, локальным сетям и отдельным пользователям. Надёжность функционирования Интернета обеспечивается наличием большого количества каналов связи между входящими в него сетями.

Интернет является совокупностью сетей, имеющих различную географическую и организационную принадлежность. У каждой из этих сетей может быть владелец, но в целом Интернет не принадлежит никому.

Так как Интернет не имеет единого внешнего управления, его нельзя единовременно выключить целиком.

Координирует развитие Интернета общественная организация Общество Интернета (Internet Society, ISOC).

За каждым компьютерным узлом в Интернете закреплён постоянный адрес, называемый IР-адресом. IP-адреса получают и компьютеры пользователей сети Интернет, но в отличие от адресов узловых компьютеров их адреса действуют лишь во время подключения пользователя к сети и изменяются при каждом новом сеансе связи.

IP-адрес представляет собой 32-битный идентификатор, например: 01010101.10001110.00010011.00011110.

Точками 32-битная цепочка разделена только для более удобного её восприятия человеком, которому в отличие от технических устройств трудно работать с длинными последовательностями нулей и единиц. Именно поэтому в большинстве случаев мы используем запись IP-адреса в виде четырёх разделённых точками десятичных чисел — от 0 до 255 каждое.

Например, десятичная запись представленного выше адреса будет иметь вид: 85.142.19.30.

Интернет является сетью сетей, и система IP-адресации учитывает эту структуру. IP-адрес состоит из двух частей, одна из которых определяет адрес сети, а вторая — адрес самого узла в этой сети. При этом деление адреса на части определяется маской — 32-битным числом, в двоичной записи которого сначала стоят единицы, а потом — нули. Первая часть IP-адреса, соответствующая единичным битам маски, относится к адресу сети. Вторая часть IP-адреса, соответствующая нулевым битам маски, определяет числовой адрес узла в сети.

Адрес сети получается в результате применения поразрядной конъюнкции к IР-адресу узла и маске.

Пример 1. Пусть IP-адрес узла равен 231.165.215.131, а маска равна 255.255.110.0. Требуется выяснить адрес сети.

Чтобы найти адрес сети, применим к IP-адресу узла и маске поразрядную конъюнкцию:

Вспомним, что десятичный ноль может быть представлен цепочкой из восьми нулей, а 255₁₀ = 11111111₂.

Что касается операции конъюнкции (логического умножения), то для неё справедливы следующие равенства: А & 1 = А, А & 0 = 0, где А — некоторая логическая переменная.

На этом основании, пропустив этап преобразования операндов в двоичную систему счисления, можем заключить:

1) результатом поразрядной конъюнкции любого целого числа А (от 0 до 255₁₀) и числа 255₁₀ будет само А;
2) результатом поразрядной конъюнкции любого целого числа А (от 0 до 255₁₀) и числа 0 будет число 0.

Для выполнения поразрядной конъюнкции чисел 215₁₀ и 110₁₀ переведём их в двоичную систему счисления.

Вспомнить возможные способы перевода целых десятичных чисел вам помогут следующие записи.

110₁₀ = 64 + 32 + 8 + 4 + 2 =1101110₂ = 01101110₂.

Выполним поразрядную конъюнкцию:

Выполним перевод двоичного числа 01000110 в десятичную систему счисления:

Запишем искомый адрес сети: 231.165.70.0

Пример 2. Для узла с IP-адресом 227.195.208.12 адрес сети равен 227.195.192.0. Какой в этом случае может быть маска?

Так как адрес сети получается в результате применения поразрядной конъюнкции к IP-адресу узла и маске, то мы можем записать:

Мы видим, что 1-й и 2-й байты маски — единичные, а 4-й байт — нулевой. Будем «реконструировать» 3-й байт маски.

Если 3-й байт маски представить в виде хххххххх2, то можно записать:

Первая, вторая и четвёртая слева цифры, принадлежащие рассматриваемому байту маски, определяются однозначно и равны соответственно 1, 1 и 0:

Из того, что маска — 32-битное число, в двоичной записи которого сначала стоят единицы, а потом — нули, следует, что после нуля, стоящего на четвёртом месте, могут следовать только нули:

Так как 0 & х = 0 при любом х, то для третьего байта маски возможны два варианта:

1) 11000000₂ = 192₁₀, вся маска: 255.255.192.0;
2) 11100000₂ = 224₁₀, вся маска: 255.255.224.0.

Мы рассмотрели структуру адреса по так называемому протоколу IPv4, согласно которому IP-адрес имеет длину 32 бита. Таких адресов достаточно много — более 4 миллиардов (2 32 — 1 = 4 294 967 295).

По данным Международного союза электросвязи (пресс-релиз 26 мая 2015 года) при населении Земли в 7,2 миллиарда человек 3,2 миллиарда из них являются пользователями Интернета. Это говорит о том, что запас четырёхбайтовых адресов уже фактически исчерпан.

В связи с этим разработан протокол IPv6, согласно которому IP-адрес имеет длину 128 бит. Возможное пространство адресов при этом столь огромно, что может обеспечить 300 миллионов IP-адресов на каждого жителя Земли!

Согласно протоколу IPv6, адрес представляет собой цепочку из 128 нулей и единиц, разделённую на области по 16 бит.

Например:

0010000111011010.0000000011010011.0000000000000000.0000000000000000.0000001010101010.0000000011111111.1111111000101000.1001110001011010.

Каждая 16-разрядная область двоичного кода преобразуется в шестнадцатеричный код (вспомните «быстрый» перевод целых двоичных чисел в шестнадцатеричную систему счисления с помощью тетрад). Полученные группы из четырёх шестнадцатеричных цифр разделяются двоеточиями. Шестнадцатеричная запись рассмотренного выше адреса будет иметь вид:

21DA:00D3:0000:0000:02AA:00FF:FE28:9C5A.

Если одна или более групп подряд равны 0000, то они могут быть опущены и заменены на двойное двоеточие:

21DA:00D3::02AA:00FF:FE28:9C5A.

Запись адреса в новом стандарте также можно представить восьмью целыми десятичными числами в диапазоне от 0 до 65 535 каждое, разделёнными двоеточием.

Наряду с цифровыми IP-адресами в Интернете действуют более удобные и понятные для пользователей символьные адреса.

Например, IР-адресу 87.242.99.97 соответствует символьный адрес metodist.lbz.ru. В отличие от числового этот символьный адрес говорит пользователю о его принадлежности российскому сегменту сети (ru); возможно, некоторые пользователи узнают в нём адрес издательства «БИНОМ. Лаборатория знаний» (lbz) и поймут, что речь идёт о методической поддержке учебного процесса (metodist).

Адрес, представляющий собой символьную строку, составленную из разделённых точками слов или их сокращений, называется доменным именем.

Доменные имена имеют серверы Интернета. Каждый компьютер, подключаемый к Интернету, получает IP-адрес, но при этом он может не иметь доменного имени.

Система доменных имён DNS (Domain Name System) имеет древовидную структуру. Узлы этой структуры называются доменами.

Домен (от фр. dominion — область) — узел в дереве имён, вместе со всеми подчинёнными ему узлами, иначе говоря, это именованная ветвь или поддерево в дереве имён.

Часть доменного имени, записанная после последней точки, является доменом верхнего уровня. Домены верхнего уровня определены международным соглашением. Они делятся на два вида:

1) административные (по типу организации), например: gov, edu, org, com;
2) географические, например: ru, by, су, uk.

Владельцем домена может быть страна, регион, организация или отдельный человек. Обычный пользователь не может зарегистрировать домен верхнего уровня, но может зарегистрировать домен, например, второго или третьего уровня. Каждый домен любого уровня может содержать множество подчинённых доменов.

Структура доменного имени отражает порядок следования узлов в иерархии: доменное имя читается слева направо от доменов низшего уровня к доменам высшего уровня. Чем «выше» уровень домена, тем правее он записывается в имени.

Для преобразования доменного имени в IP-адрес и наоборот служит распределённая база данных DNS, функционирующая на основе иерархии DNS-серверов, каждый из которых является «держателем» некоторой доменной зоны и отвечает на касающиеся её запросы. Каждый сервер, отвечающий за доменную зону, может делегировать ответственность за некоторую часть домена другому серверу, что позволяет возложить ответственность за актуальность информации на серверы различных организаций (людей), отвечающих только за «свою часть» доменного имени.

Как создают компьютерную сеть?

Компьютерные сети состоят из узлов, которыми могут быть компьютер, принтер или другое устройство, связанное с сетью. Компьютеры разделяют на два типа: рабочие станции, на которых работают пользователи, и серверы, обслуживающие эти станции.

Компьютерная сеть — это совокупность компьютеров и других устройств, соединенных каналами передачи данных. В компьютерных сетях используются кабельные (с помощью телефонных линий, оптоволоконных каналов, сетевых кабелей) или беспроводные каналы (с помощью сотовой, спутниковой связи, Wi-Fi, радиоволны и т.п.).

Компьютеры в сети могут иметь различное назначение. Например, к компьютеру, входящему в сеть, могут быть присоединены периферийные устройства. Для того чтобы использовать одно из них, указанному компьютеру направляется запрос. В ответ на эти запросы компьютеры предоставляют услуги по доступу к собственным или сетевым ресурсам.

Сетевое взаимодействие заключается в передаче запросов от одних компьютеров сети к другим компьютерам и устройствам и получении в ответ доступа к определенным ресурсам сети. Те компьютеры, которые предоставляют доступ к собственным и сетевых ресурсов другим компьютерам, называют серверами, а те, что пользуются услугами серверов, — клиентами или клиентскими компьютерами.

Основными компонентами аппаратной составляющей компьютерной сети есть рабочие станции, серверы, сетевые платы, оборудование для обеспечения передачи данных по различным каналам связи.

Серверы используются для объединения и распределения ресурсов компьютерной сети между клиентами (рабочими станциями).

Как мы уже писали, компьютеры, которые одновременно могут выполнять функции сервера и рабочей станции при работе в сети, образуют одноранговую компьютерную сеть, то есть такую, где всем узлам сети предоставлен одинаковый приоритет, при этом ресурсы каждого узла доступны другим узлам сети.

В компьютерных сетях сервер может быть выделен (если он выполняет только функции сервера). Сеть типа «клиент-сервер» — это сеть, в которой одни компьютеры выполняют функцию серверов, а другие — клиентов.

Для работы в компьютерной сети каждому узлу сети необходима сетевая плата (сетевой адаптер), к которой подсоединяют сетевой кабель.

Сетевая плата

Сетевая плата — это плата расширения, которая вставляется в разъем материнской платы компьютера. Все чаще сетевые платы интегрируются в материнскую плату. Также распространены беспроводные сетевые карты, обеспечивающие соединения компьютеров в сеть WLAN (беспроводная локальная компьютерная сеть) по стандарту Wi-Fi (IEEE 802.11).

Функции сетевой платы:

• подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче с помощью сетевого кабеля;
• передача данных на другой компьютер;
• управления потоком данных между компьютером и средой передачи;
• прием данных с кабеля и перевод в форму, понятную для центрального процессора компьютера.

Данные в сетях передаются по каналам связи. Канал связи — это оборудование, с помощью которого осуществляется соединение компьютеров в сеть. Соединение может быть образовано с использованием кабелей для передачи сигналов или с помощью беспроводных средств. От вида каналов связи зависит скорость обмена данными в сети.

Каналы связи можно сравнивать с транспортными системами грузовых или пассажирских перевозок. Транспортировка пассажиров может осуществляться по воздуху (самолетами, аэростатами и другими воздушными средствами), железной дорогой или по воде (лодки, теплоходы и т.д.), по суше (автомобили, поезда, конные экипажи, верблюжьи караваны и т.д.). В зависимости от среды транспортировки подбирают и подходящее средство передвижения.

Компьютеры внутри локальной сети соединяются с помощью кабелей, передающих сигналы. Кабели классифицируются в зависимости от возможных значений скорости передачи данных и частоты возникновения сбоев и ошибок. Чаще всего используются кабели трех основных категорий:

• витая пара;
• коаксиальный кабель;
• оптоволоконный кабель.

Для построения локальных сетей сейчас наиболее широко используется витая пара. Внутри такой кабель состоит из двух или четырех пар медного провода, скрученных между собой. Витая пара подключается к компьютеру с помощью разъема, который очень напоминает телефонный разъем. Витая пара способна обеспечивать работу сети на скоростях 1, 10, 100, 1000 Мбит/с.

Самый простой коаксиальный кабель состоит из медной жилы, изоляции, ее окружает, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки. По центральному проводу кабеля передаются сигналы, в которые предварительно были преобразованы данные. Такой провод может быть как моно-, так и многожильным.

В основе оптоволоконного кабеля содержатся оптические волокна, данные по которым передаются в виде импульсов света. Электрические сигналы по оптоволоконному кабелю не передаются, он не распространяет электромагнитное излучение, поэтому сигнал нельзя перехватить, что практически исключает несанкционированный доступ к данным. Оптоволоконный кабель используют для транспортировки больших объемов данных на максимально доступных скоростях. Сейчас широко используется скорость 1000 Мбит/с, приобретает все большее распространение скорость 10 Гбит/с и выше. Главным недостатком такого кабеля является его хрупкость: его легко повредить, а монтировать и соединять можно только с помощью специального оборудования.

Аппаратное и программное обеспечение сетей

Конструктивно компьютерная сеть представляет собой совокупность компьютеров, которые объединены каналами связи и обеспечена аппаратным и программным сетевым оборудованием. На каждом клиенте сети устанавливается программа-клиент. На серверах сети устанавливают программу-сервер, которая предоставляет услуги программам-клиентам.

Проще всего построить локальную сеть из двух компьютеров (прямое соединение). Для этого нужен специальный кабель ( «патч-корд», максимальная длина до 100 м), чтобы соединить их сетевые адаптеры (карты), и соответствующие настройки на обоих компьютерах.

Чтобы построить локальную сеть с большим количеством компьютеров, нужно специальное устройство — сетевой коммутатор («свитч») или сетевой концентратор («хаб»). К нему (а следовательно, и к локальной сети) подсоединяют компьютеры и другие сетевые устройства, которые укомплектованы сетевыми адаптерами: принтеры, сканеры и т.п. Внешние устройства, в составе которых нет сетевых карт, подсоединяют к сети через компьютер.

Для построения локальной сети или для передачи данных между различными локальными сетями и их подключения к Интернету используют также маршрутизаторы (роутеры).

Подключение компьютеров к сети