Типы компьютерных сетей и обзор архитектуры компьютерных систем

Компьютерные сети, адресации в сети

Компьютерная сеть (КС) — это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи и оснащенных коммуникационным оборудованием и программным обеспечением.

Коммуникационное, или сетевое, оборудование — это периферийные устройства, которые осуществляют преобразование сигналов, используемых в компьютере, в сигналы, передаваемые по линиям связи, и наоборот. При использовании телефонных линий связи применяют модемы, подключаемые к компьютеру через стандартный последовательный порт. Одна из важнейших характеристик модема — это скорость передачи данных, измеряемая в битах за секунду (бод). Современные модемы имеют скорость передачи данных 1200–52000 бод и более. При использовании других линий связи применяют сетевые адаптеры.

Линия связи — это оборудование, с помощью которого осуществляется соединение компьютеров в сеть.

Линии связи бывают:

• проводные — для передачи сигналов используются кабели (например, телефонная линия);
• беспроводные — все остальные линии связи: спутниковая связь, каналы цифровой связи (КЦС). Пропускная способность КЦС — до сотен млн Кбод.

Объединенные в сеть компьютеры всегда работают под управлением специальных программ управления сетью.

Коммуникационное, или сетевое, программное обеспечение — это набор программ, обеспечивающий работу сетевого оборудования и обмен информацией между компьютерами в сети.

Сетевое программное обеспечение делится на две группы:

1. «низкого» уровня — управляет сетевым оборудованием с целью преобразования сигналов из одного вида в другой. Эти программы ничего «не знают» о структуре передаваемой информации;
2. «высокого» уровня — распознает и обрабатывает информацию в зависимости от ее характера и способа организации.

Компьютерные сети делятся на две группы — локальные и глобальные.

Локальные вычислительные сети

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) — объединяет компьютеры, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, и представляет собой замкнутую систему. Небольшие расстояния между компьютерами позволяют использовать в локальных сетях в качестве линий связи простейшие проводные линии (кабели различных типов: коаксиальный, витая пара, оптоволоконный). Кабели подсоединяются к компьютеру через специальное устройство, называемое сетевой картой или сетевым адаптером. Это устройство вставляется в слот расширения на материнской плате компьютера. Имеются материнские платы со встроенным сетевым адаптером. Сетевые адаптеры (ArcNet, Ethernet, TokenRing) различаются производительностью (скоростью передачи данных) и соответственно стоимостью.

Для построения сети используются и другие сетевые устройства: хабы, концентраторы, повторители и др. Для подключения к локальной сети портативных компьютеров часто используется беспроводное подключение, при котором передача данных осуществляется с помощью электромагнитных волн.

Топология ЛВС — это способ объединения компьютеров в сеть между собой.

Основные топологии ЛВС:

Гирлянда

Кольцо

Звезда

ЛВС создается для совместного использования и обмена информацией между компьютерами, а также для совместного использования ресурсов сети.

Ресурс сети — это устройство, входящее в аппаратную часть какого-либо компьютера сети, доступное и используемое любым пользователем сети. Это могут быть принтеры, сканеры, дисковые накопители большой емкости, устройства резервного копирования информации, станки с ЧПУ и т. д., а также диски, программы и данные.

Существуют два принципиально разных способа соподчинения компьютеров в локальной сети и соответственно технологии работы в ней.

Одноранговая сеть — сеть равноправных компьютеров — рабочих станций, каждый из которых имеет имя и пароль для входа в компьютер в момент загрузки операционной системы. Имя и пароль назначаются владельцем компьютера средствами операционной системы и BIOS. В такой сети могут быть организованы «подсети» — так называемые группы, каждая из которых имеет имя, например «Бухгалтерия». Принадлежность к какой-либо группе может быть задана или изменена пользователем. Владельцу каждого компьютера в сети предоставлена программная возможность самому преобразовывать свой локальный ресурс (диски, папки, принтер) в разделяемый (сетевой), а также устанавливать права и пароль доступа к нему. Он же отвечает за сохранность или работоспособность этого ресурса. Сети этого вида часто организуются в небольших офисах (10–15 компьютеров); они не требуют системного администратора.

Иерархические сети — это сети, в которых имеется мощный компьютер — выделенный сервер, ресурсы которого предоставляются другим соединенным с ним компьютерам — рабочим станциям. Сервер (хост) — компьютер, предоставляющий свои ресурсы для совместного использования. Рабочая станция (клиент) — компьютер, пользующийся ресурсами сети. Ресурсы рабочих станций серверу, как правило, не доступны. По сравнению с одноранговыми сетями обеспечивают более высокое быстродействие и надежность работы сети, повышают конфиденциальность и надежность хранения информации и др. Работу всей сети организует системный администратор.

Возможна организация сетей и более сложных видов:

• сочетание одноранговой и иерархической сети — рабочие станции могут быть как подключены к выделенному серверу по принципу иерархической сети, так и объединены между собой в одноранговую сеть;
• иерархическая сеть с несколькими выделенными серверами;
• иерархическая сеть, в которой есть несколько уровней иерархии серверов, при этом серверы нижнего уровня подключаются к серверам более высокого уровня.

Взаимодействие серверов и рабочих станций обеспечивается сетевым программным обеспечением каждого компьютера сети. На сервере устанавливается сетевая операционная система, управляющая его работой и работой всей сети. На компьютере-клиенте располагается клиентская часть программного обеспечения, которая взаимодействует с сервером. В зависимости от вида сети программы на сервере и компьютере-клиенте могут быть как одинаковыми, так и различными. Сейчас наиболее распространены сетевые программы фирм Novell (программы Novell Netware) и Microsoft (Windows NT-сервер, сети Microsoft).

Пользователю рабочей станции доступны ресурсы сети в соответствии с заранее обусловленными правилами.

ЛВС используются в системах управления базами данных для быстрого доступа нескольких компьютеров к одной базе данных (например, при продаже авто-, авиа-, железнодорожных билетов), а также в производстве — для управления производственным процессом, выходного контроля качества, учета готовой продукции и расхода материалов.

Локальные сети обычно объединяют компьютеры, размещенные в одном здании, и не позволяют обеспечить совместный доступ к информации пользователям, находящимся, например, в разных частях города. Для решения этой проблемы создаются региональные сети, объединяющие компьютеры в пределах одного региона (города, страны, континента).

Многие организации, заинтересованные в защите информации от несанкционированного доступа, создают собственные, так называемые корпоративные сети. Такие сети могут объединять десятки тысяч компьютеров, размещенных в различных городах и странах.

Глобальные сети

Потребность в формировании единого мирового информационного пространства привела к созданию глобальных компьютерных сетей.

Глобальная сеть — соединения локальных, региональных и корпоративных сетей и отдельных компьютеров, находящихся на больших расстояниях друг от друга. Большие расстояния требуют наличия дополнительного устройства для обработки больших объемов информации и пересылки ее на большие расстояния. Это — серверы глобальной сети, представляющие собой очень мощные компьютеры.

Из-за больших расстояний использование простых линий связи в глобальных сетях невозможно. Современные глобальные сети используют телефонную связь, однако между серверами связь осуществляется по выделенным линиям или по специальным каналам связи. Они обладают высокой скоростью передачи и помехоустойчивостью. Сейчас в глобальных сетях все чаще используются системы спутниковой связи, что значительно расширяет их масштабы и возможности.

Для пользования глобальной сетью компьютер должен иметь модем и специальное программное обеспечение.

Глобальные сети предоставляют огромные возможности: можно, сидя за компьютером, прочитать новости, посетить картинную галерею, узнать прогноз погоды, обменяться письмами, прочитать книгу, получить ответы на многие вопросы и т. д. Каждый день появляются новые возможности и услуги, предоставляемые сетями.

Самая большая глобальная сеть — Internet (Интернет). Она охватывает все континенты Земли.

Интернет — всемирная КС, объединяющая в единое целое десятки тысяч разнородных локальных и глобальных сетей. Эта сеть содержит огромный объем информации по любой тематике, доступной на коммерческой основе всем желающим. Помимо получения чисто информационных услуг, через Интернет можно совершать покупки и коммерческие сделки, оплачивать счета, заказывать билеты на различные виды транспорта, бронировать места в гостиницах и др.

Интернет представляет собой объединение нескольких десятков тысяч различных локальных сетей (Сеть сетей). Каждая ЛВС называется узлом, или сайтом, а юридическое лицо, обеспечивающее работу сайта, — провайдером. Сайт состоит из нескольких компьютеров — серверов, каждый из которых предназначен для хранения информации определенного типа и в определенном формате. Каждый сайт и сервер на сайте имеют уникальные имена, посредством которых они идентифицируются в Интернете.

Для подключения к Интернету пользователь должен заключить контракт на обслуживание с одним из провайдеров в его регионе. После этого любая работа в Интернете начинается с соединения с сайтом провайдера. Связь с провайдером может быть организована:

• по коммутируемому телефонному каналу с помощью модема;
• с помощью постоянно действующего выделенного канала (просто вызовом соответствующей программы для работы в Интернете).

После соединения с провайдером пользователь получает доступ ко всем сайтам и компьютерам в Интернете. Открывающиеся при этом перед пользователем возможности зависят от условий контракта с провайдером.

Основная задача Интернета — обеспечить пользователя необходимой информацией и услугами. Для этого используется технология клиент/сервер.

Клиент (потребитель) — программа, принимающая информацию и услуги, предоставляемые другими компьютерами — серверами (поставщиками). Компьютеры, на которых запускают программы-серверы, должны обладать достаточно мощными ресурсами, т. к. им приходится «пропускать через себя» огромные объемы информации. Любой компьютер может выступить в роли клиента, как только на нем будет запущена какая-либо программа-клиент.

В компьютерных сетях используются различные марки компьютеров, типы модемов, линии связи, операционные системы и другие программы. Для того чтобы все сети «понимали» друг друга, они должны использовать единый набор правил, определяющий способ обмена информацией. Такой набор правил называется протоколом.

Протокол — это стандарт, определяющий формы представления и способы пересылки сообщений, процедуры их интерпретации, правила совместной работы различного оборудования в сетях, установленный по взаимному соглашению.

Все компьютеры, подключенные к Internet, должны использовать один и тот же протокол. С 1983 года это протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Фактически это два протокола.

IP (протокол межсетевого взаимодействия) — более ранний вариант, разработанный для пересылки данных, организованных в пакеты. В пакет входит сообщение и информация о маршруте, т. е. адреса компьютера-отправителя и компьютера-получателя (аналогично пересылке письма в конверте по почте). Специальные компьютеры-маршрутизаторы (router) определяют путь, по которому должны следовать пакеты от компьютера к компьютеру, пользуясь таблицами и алгоритмами маршрутизации (т. к. прямой связи между любыми двумя компьютерами нет). Большие сообщения делятся на несколько пакетов с номерами. По этим номерам компьютер-получатель должен полностью восстановить исходное сообщение после получения всех пакетов. Недостатком протокола IP является его неспособность справиться с ошибками при передаче информации. Каждый пакет содержит контрольные суммы, которые вычисляются определенным образом по исходной информации. Компьютер-получатель выполняет те же вычисления и находит контрольные суммы по полученной информации. Если они не совпадают с исходными, значит, в процессе передачи произошла ошибка и данные исказились. При искажении данных, нарушении последовательности доставки пакетов или прерывании процесса передачи компьютер-получатель полностью отбрасывает пакет.

TCP (протокол управления передачей) устраняет этот недостаток. В случае возникновения какой-либо ошибки принимающий компьютер запрашивает повторную передачу.

Таким образом, TCP следит за целостностью данных, разбивает большие сообщения на последовательности более мелких, организует их нумерацию и последующее восстановление в единое сообщение; IP контролирует перемещение пакетов по Интернету, выбирая маршрут пересылки данных от одного компьютера к другому, а также определяет формат адреса компьютера.

Все современные операционные системы имеют встроенную поддержку основных протоколов для работы с Интернетом.

Каждый компьютер, подключенный к Интернету, должен иметь свой уникальный адрес во избежание путаницы при пересылке информации.

В Интернете применяются два типа адресов.

IP-адрес — по смыслу аналогичен почтовому индексу. IP-адрес — это последовательность из четырех чисел, разделенных точками. Каждое из чисел занимает 1 байт, т. е. может принимать значения 0..255. Так как 1 байт = 8 бит, эти числа часто называют октетами. Используется три класса IP-адресов: А, В и С. Класс IP-адреса определяет, сколько октетов отводится под адрес сети и сколько — под адрес компьютера.

Класс А используется для работы с небольшим количеством сетей (до 126), содержащих большое число компьютеров (≈16,8 млн).

Класс В — для работы со средним количеством сетей (до 16384), содержащих среднее число компьютеров (до 65534).

Класс С — для работы с большим количеством сетей (до ≈ 2 млн), содержащих малое число компьютеров (до 254).

Класс определяют по значению первого октета:

• если в первом октете число от 1 до 126 — класс А;
• если в первом октете число от 128 до 191 — класс В;
• если в первом октете число от 192 до 223 — класс С.

Для передачи сообщений на конкретные компьютеры в Internet протокол TCP/IP и программы-клиенты используют IP-адреса. Но они неудобны для восприятия пользователем. Человеку привычнее работать с именами.

Все пространство адресов Интернета разбито на области — домены. Внутри доменов возможно разделение по определенным признакам.

Доменный адрес — уникальное символьное имя компьютера в сети. Оно состоит из частей, разделенных точками. Место назначения уточняется справа налево: сначала указывается имя компьютера, затем — имя в сети, в которой он находится.

Доменный адрес компьютера включает в себя как минимум два уровня доменов. Домен первого уровня определяет страну или тип организации, которой принадлежит компьютер. Существуют установленные двухбуквенные сокращения для доменов стран. Например, Россия — ru, США — us, Франция — fr и т. д. Домены типов организаций обычно имеют трехбуквенные сокращения. Например, учебные заведения — edu, правительственные учреждения — gov, коммерческие организации — com, провайдеры услуг Интернет — net и т. д. Домен второго уровня определяет организацию, которая владеет или управляет сетью, содержащей данный компьютер. Обычно имя этого домена совпадает с названием соответствующей фирмы или ее торговой маркой. Имя компьютера указывает конкретный компьютер в сети, определенной доменами первого и второго (а возможно, и следующих) уровней. Оно регистрируется только в этой сети, и только эта сеть «ответственна» за передачу информации конкретному компьютеру-адресату.

Примеры доменных имен:

Домены могут сочетать региональные и организационные уровни, например: edu.ru — образовательные организации в России.

Доменные адреса должны быть преобразованы в IP-адреса. «Обычный» компьютер не может и не должен знать все IP-адреса Интернета. На DNS-серверах (Domain Name System) хранятся таблицы соответствия доменных и IP-адресов. DNS-серверы распределены по всей сети Internet. Каждый из них хранит информацию о большом числе компьютеров и способен мгновенно преобразовать доменное имя в IP-адрес. Если IP-адрес запрошенного компьютера не известен данному DNS-серверу, он обратится к ближайшему DNS-серверу и т. д. по цепочке, пока требуемый адрес не будет найден. Это займет несколько секунд. Адрес одного из DNS-серверов пользователь должен указать при настройке компьютера для работы в Интернете. Его можно получить у администратора локальной сети или провайдера.

В Интернете для поиска Web-документов используется система адресации URL (Uniform Resource Locator — унифицированный указатель ресурсов). Она применяется для указания способа организации информации на конкретном хосте и идентификации размещенного на нем информационного ресурса. URL включает в себя протокол доступа к документу, доменное имя или IP-адрес сервера, на котором находится документ, а также путь к файлу и собственно имя файла. Протокол доступа к документу определяет способ передачи информации. Для доступа к Web-страницам используется протокол передачи гипертекста HTTP. При записи протокола после его имени следует двоеточие и две косые черты: http://.

Например, URL имеет вид

Элементы этого адреса обозначают:

• http:// — префикс, указывающий тип протокола. В данном случае означает, что адрес относится к хосту, который является WWW-сервером. В качестве префикса (протокола) могут быть также указаны: ftp://, file://, news://;
• home.microsoft.com — доменное имя хоста. После него может следовать число, обозначающее порт, через который будет производиться подключение к хосту;
• /intl/ru/ — папка ru корневого каталога intl хоста;
• www_tour.html — имя файла. URL-адрес не должен содержать пробелов.

Он состоит из латинских букв и некоторых символов ( _ , ~ , —). Прописные и строчные буквы различаются. Путь к папке и название файла могут отсутствовать, а в конце могут указываться некоторые параметры. Например:

Персональная сеть (PAN)

Современные устройства, такие как смартфоны, планшеты, ноутбуки или настольные компьютеры, могут быть подключены к сети ad hoc, для обеспечения обмена данными. Когда соединение подключено, это называется Личной сетью (PAN). В этом случае наиболее распространенными способами передачи являются USB или FireWire.

Беспроводный вариант персональной сети (WPAN) основан на таких технологиях, как Bluetooth, беспроводной USB, Insteon, IrDA, ZigBee или Z-Wave. Беспроводная персональная сеть, работающая через Bluetooth, называется пикосети . Соединения PAN и WPAN обычно расширяются на несколько метров и поэтому не подходят для подключения устройств в разных помещениях или в других зданиях.

Помимо связи между двумя терминалами, персональная сеть также позволяет подключаться к другим более крупным сетям. В этом случае мы говорим о восходящей линии связи . Из-за ограниченного диапазона и одинаково низкой скорости передачи данных сети PAN в основном используются для подключения периферийных устройств в области хобби и развлечений. Типичными примерами являются беспроводные наушники, игровые консоли и цифровые камеры. В сети Интернета (IoT) сети WPAN используются для функций управления и мониторинга с низкой скоростью передачи данных. Протоколы, такие как Insteon, Z-Wave и ZigBee, были разработаны специально для умных домов и домашней автоматизации.

Общие принципы построения сетей

Со временем основной целью компьютерных развития сетей (помимо передачи информации) стала цель распределенного использования информационных ресурсов:

1. Периферийных устройств: принтеры, сканеры и т. д.
2. Данных хранящихся в оперативной памяти устройств.
3. Вычислительных мощностей.

Достичь эту цель помогали сетевые интерфейсы. Сетевые интерфейсы это определенная логическая и/или физическая граница между взаимодействующими независимыми объектами.

Сетевые интерфейсы разделяются на:

• Физические интерфейсы (порты).
• Логические интерфейсы (протоколы).

Из определения обычно ничего не ясно. Порт и порт, а что порт?

Начнем с того что порт это цифра. Например 21, 25, 80.

Это число записывается в заголовках протоколов транспортного уровня (об этом ниже). Порт указывает для какой программы предназначен тот или иной пакет (грубо говоря та или иная информация). Например, http-сервер работает через порт 80. Когда вы открываете браузер, вы отправляете запрос на веб-сервер через 80 порт и сервер понимает что это http запрос и вам нужен сервер который передаст вам страницу в формате html (ответ сервера).

Протокол

Протокол, например TCP/IP это адрес узла (компьютера) с указанием порта и передаваемых данных. Например что бы передать информацию по протоколу TCP/IP нужно указать следующие данные:

Адрес отправителя (Source address):
IP: 82.146.49.11
Port: 2049
Адрес получателя (Destination address):
IP: 195.34.32.111
Port: 53
Данные пакета:
…
Благодаря этим данным информация будет передана на нужный узел.