Урок 29Разновидности компьютерных сетей

Модели сетевого взаимодействия

На заре создания компьютерных сетей были разработаны модели взаимодействия сетевых устройств, которые описывали программную и аппаратную реализации. Среди разработанных моделей наибольшее распространение получили:

• Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection).
• Модель DOD (Семейство TCP/IP).
• Модель SPX/IPX.

Сетевая модель — это описание принципов работы протоколов сетевого взаимодействия, спецификация которых закреплена в стандартах связи и используется для передачи данных в цифровом виде.

Представление об информационно — коммуникационных технологиях

Жизнедеятельность человека связана с разнообразными ресурсами: природными, материальными, энергетическими, финансовыми. В информационном обществе все более значимыми становятся информационные ресурсы. Они возникли как результат интеллектуальной деятельности человека, обладающего определенными знаниями и опытом. Эти знания материализуются в виде произведений искусства, литературы, научных разработок, баз данных, алгоритмов, компьютерных программ. С распространением персональных компьютеров огромную роль в предоставлении человеку доступа к информационным ресурсам стали играть компьютерные сети (Computer NetWork, от англ. net — сеть и work — работа).

Компьютерная сеть — это совокупность объединенных средствами связи программных и технических средств, предназначенных для обеспечения информационных процессов между объектами.

Компьютерная сеть является сложной технической системой. Она создавалась для поддержки информационной деятельности человека, связанной со сбором, хранением, поиском, обработкой и передачей информации. Специальные технические и программные средства обеспечивают связи между элементами этой системы. Информационная связь регламентируется совокупностью правил, регулирующих порядок обмена, — протоколами. Первая экспериментальная компьютерная сеть ARPANET (ARPA — аббревиатура от названия «Агентство перспективных исследований») появилась в США более 20 лет назад. Она создавалась по инициативе Министерства обороны для научных исследований в военно-промышленной сфере. Основной принцип этой сети состоял в том, что любой компьютер мог связаться с любым другим компьютером как «равный с равным».

Сегодня в мире действует огромное количество компьютерных сетей, как специализированных (банковских, биржевых, коммерческих), так и универсальных, обслуживающих широкий круг пользователей. К настоящему времени характерной чертой построения конфигурации подобных сетей является использование мощных компьютеров в качестве серверов, а компьютеров пользователей в качестве рабочих станций.

Сервер — это специальный компьютер, который предназначен для удаленного запуска приложений, обработки запросов на получение информации из баз данных и обеспечения связи с общими внешними устройствами: принтерами, модемами, устройствами чтения компакт-дисков. Таким образом, сервер — это объект, предоставляющий пользователю различные информационные услуги, в том числе обеспечивающий возможность работы в сети.

Рабочая станция (клиент) — это персональный компьютер, позволяющий пользоваться услугами, предоставляемыми серверами.

Взаимодействие компьютеров при обработке информации в сети может происходить по-разному:

♦ При централизованной обработке информации основная часть работы ложится на сервер, клиент выполняет лишь ту работу, которая не требует больших ресурсов.
♦ При децентрализованной (распределенной) обработке информации основная часть заданий выполняется на рабочих станциях, а сервер выступает в основном как хранилище информации.

Широкое использование информационной технологии работы в компьютерных сетях во всех видах человеческой деятельности привело к появлению близких по смыслу понятий сетевые технологии и информационно-коммуникационные технологии. Эти понятия имеют разные акценты, но часто их используют как равнозначные.

Говоря о компьютерных сетях, часто используют термин «сетевые технологии».

Сетевая технология — это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения компьютерной сети и обслуживания ее пользователей.

Организация и обслуживание сетей — дело специалистов: программистов, системных администраторов и т. д. Технические вопросы, как правило, пользователей сети не интересуют.

Они хотят получать из Интернета интересующую их информацию и обмениваться ею между собой. Поэтому применительно к огромной армии пользователей сети говорят об «информационно-коммуникационной технологии».

Информационно-коммуникационная технология — это информационная технология работы в сети, позволяющая людям общаться, оперативно получать информацию и обмениваться ею.

Компьютерные сети позволяют объединить информационные ресурсы, находящиеся на разных компьютерах, независимо от разделяющего их расстояния. В зависимости от степени удаленности компьютеров, составляющих сеть, то есть их физического расположения, различают: локальные, корпоративные и глобальные сети. Рассмотрим кратко характеристику каждой из этих сетей.

Локальные компьютерные сети

Локальные сети (Local Area Network — LAN) состоят из компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории и которые, как правило, принадлежат одной организации. За счет того, что расстояния между отдельными компьютерами небольшие, появляются широкие возможности для использования телекоммуникационного оборудования, обеспечивающего высокую скорость и качество передачи данных. Кроме того, в локальных сетях, как правило, используются простые способы взаимодействия отдельных компьютеров сети. Локальная вычислительная сеть строится на базе среды передачи данных, которая предоставляет собой структурированную кабельную систему (СКС) здания. Для предоставления пользователю сетевых сервисов к кабельной системе подключается активное сетевое оборудование (коммутаторы, маршрутизаторы и т.д.).

В зависимости от технологии передачи данных различают:

• локальные сети с маршрутизацией данных;
• локальные сети с селекцией данных.

В зависимости от используемых физических средств соединения локальные сети подразделяются на кабельные и беспроводные.

Локальная компьютерная сеть представляет собой совокупность серверов и рабочих станций. Обработка данных в компьютерных сетях распределена обычно между двумя объектами: клиентом и сервером. Клиент — задача, рабочая станция или пользователь компьютерной сети. В процессе обработки данных клиент может сформировать запрос на сервер для выполнения сложных процедур, таких как запрос файла, поиска информации в базе данных и т.д.

Архитектура клиент-сервер может использоваться как в одноранговых локальных сетях, так и в сетях с иерархической структурой (выделенный сервер).

Одноранговая сеть — в которой каждый компьютер (рабочая станция) имеет одинаковые права, то есть все компьютеры равноправны. В одноранговых сетях возможно дополнительно создать подсети, так называемые рабочие группы с соответствующими именами.

Равноправие компьютеров в такой сети означает, что каждый владелец компьютера, имеющего доступ к сети, может самостоятельно управлять ресурсами и данными, находящимися на компьютере. Разрешить пользоваться ресурсами и данными того или иного компьютера означает предоставить общий доступ пользователям, находящимся в той же группе, что и данный компьютер, а также можно установить пароль доступа и права доступа к ресурсу. В связи с этим каждый владелец компьютера несет ответственность за сохранность и работоспособность конкретного ресурса и рабочей станции в целом. Компьютер, находящийся в локальной сети, но при этом не входит в ту или иную группу пользователей, не сможет воспользоваться общим ресурсом, выделенным для данной группы пользователей.

Иерархическая сеть — в которой один из компьютеров выполняет функции хранения данных (выделенный сервер), предназначенных для использования всеми другими рабочими станциями локальной сети, управление взаимодействием рабочих станций и ряд сервисных функций. Создание и эксплуатация иерархической сети требует соответствующих профессиональных навыков и постоянного администрирования сети соответствующим специалистом — системным администратором.

Предоставление ресурсов в иерархической сети в отличие от одноранговой осуществляется в соответствии с правами того или иного пользователя. Для полноценного использования ресурсов сети пользователи должны быть зарегистрированы администратором в сети с определенными правами доступа, согласно которым выделенный сервер определять ресурсы и данные, которые доступны конкретному пользователю. Вход в локальные компьютерные сети пользователем осуществляется на основе идентификации его сервером в соответствии с логином и паролем.

Создание сети с выделенным сервером, аккумулирует большой объем общей информации, позволяет снизить требования к техническим характеристикам других компьютеров в сети, что способствует уменьшению суммарных расходов на покупку всего оборудования.

Достоинства иерархической сети:

• надежная система защиты;
• высокое быстродействие;
• отсутствие ограничений на число рабочих станций.

Недостатки иерархической сети:

• высокая стоимость, так как необходимо выделять мощный компьютер под выделенный сервер и поддерживать работу сети, прибегнув к услугам системного администратора;
• меньшая гибкость по сравнению с одноранговых сетями.
• Комбинируя перечисленные выше виды локальных сетей, можно получить сети более сложных видов, принципов организации и функционирования:
• комбинирование одноранговой и иерархической сети, где рабочие станции взаимодействуют как по принципу функционирования временной сети, так и по принципам функционирования иерархических сетей;
• иерархическая сеть с несколькими выделенными серверами (файловый сервер, сервер печати и т.д.);
• иерархическая сеть, функционирование которой основано на иерархии серверов, когда сервер нижнего уровня подключаются к серверам более высокого уровня.

Сервер является ядром локальной сети и обеспечивает доступ пользователей к информационной системе. Все отдельные рабочие станции и любые совместно используемые периферийные устройства, например принтеры, подсоединяются к файл-серверу.

Каждая рабочая станция представляет собой обычный персональный компьютер, работающий под управлением собственной дисковой операционной системы, содержит плату сетевого интерфейса и физически соединена кабелями с файл-сервером.

К преимуществам локальных компьютерных сетей можно отнести:

• возможность совместного использования ресурсов сети (файлов, принтеров, модемов и т.д.);
• оперативный доступ к любой информации сети;
• надежные средства резервирования и хранения информации;
• защита информации от несанкционированного доступа;
• возможность использования современных технологий, в частности, системы электронного документооборота, сетевых баз данных, приема / передачи факсов, доступа в Интернет.

Инкапсуляция и деинкапсуляция.

Инкапсуляция — это когда пользователь собирается отправить какие-то данные через сеть получателю, то он как бы «отдает» эти данные сетевому стеку и каждый уровень (на примере модели OSI сверху вниз) добавляет к ним свои заголовки.

Получается что каждый последующий уровень добавляет свои заголовки к отправляемым данным, сохраняя заголовки предыдущих уровней. Данные инкапсулируются по принципу матрешки. На втором уровне кроме заголовка, добавляется контрольная сумма.

Деинкапсуляция — это обратный процесс инкапсуляции. То есть это когда устройство принимает данные и нужно принять данный в виде нолей и единиц и отдать их приложению. Деинкапсуляция заключается в последовательном отбрасывании заголовков соответствующего уровня и передачи того что осталось вышестоящим уровням до полной «распаковки».

Деинкапсуляция на примере модели OSI

Полную инкапсуляцию и полную деинкапсуляцию производят только оконечные устройства. Свитчи (устройства второго уровня) вообще никак не влияют на передаваемые данные, то есть не изменяют их. Маршрутизаторы (устройства третьего уровня) производят частичную деинкапсуляцию до третьего уровня для того, чтобы «посмотреть» куда, на какой IP адрес должен попасть этот пакет данных. И когда маршрутизатор «понимает» куда, он производит инкапсуляцию до 2 уровня и отправляет пакет в виде потока единиц и нолей.

Прямое взаимодействие между конечными устройствами начинается с четвертого уровня. Структурные единицы информации которыми обмениваются существующие уровни между конечными устройствами имеют свои названия. То, чем обмениваются устройства на втором уровне, называются фреймами. На третьем уровне пакетами, на четвертом — сегментами. Так же, есть универсальное название этих структурных единиц — PDU (Protocol Data Unit). PDU — любая структурная единица информации на любом уровне.

Основы сетевого взаимодействия компьютеров (часть 2)

Глобальные сети

Разработка средств и методов передачи информации на большие расстояния сделала возможным появление глобальных сетей.

Глобальная сеть — это объединение компьютеров, расположенных на большом расстоянии, для общего использования мировых инормационных ресурсов.

В настоящее время для обеспечения связи в глобальных сетях выработаны единые правила — технология Интернет. Эти правила устанавливают:

♦ единый способ подключения отдельного компьютера или локальной сети к глобальной;
♦ единые правила передачи данных;
♦ единую систему идентификации компьютера в сети (сетевой адрес).

При создании этой технологии преследовалось несколько целей, однако одной из основных было создание сети, устойчивой к частичным повреждениям. Одним из путей достижения этой цели является разработка технологии децентрализованной обработки информации в сети.

Децентрализация обработки информации достигается следующим образом. Каркас глобальных сетей составляют хост-компь- ютеры, являющиеся мощными узлами связи. Они обеспечивают надежный круглосуточный обмен информацией между пользователями сети. Хост-компьютеры соединяются между собой выделенными телефонными каналами связи, волоконно-оптическими кабелями или беспроводными (спутниковыми) каналами связи. Совокупность хост-компьютеров обеспечивает связь с международными телекоммуникационными сетями. При неисправности одного узла (компьютера) в сети сохраняется возможность обмена информацией между другими компьютерами, так как пакеты данных на пути к компьютеру с нужным адресом автоматически направляются по альтернативному маршруту, в обход аварийного участка. Для получателя информации не имеет значения, каким путем пакеты информации будут доставлены на его компьютер.

Современные глобальные телекоммуникационные сети объединяют десятки, а иногда и сотни хост-компьютеров. В них работают сотни тысяч пользователей. Набор услуг, предоставляемый пользователям в той или иной сети, зависит прежде всего от возможностей сетевого программного обеспечения, установленного на хост-компьютерах.

Для «общения» компьютеров, включенных в сеть, как и для общения людей, нужен специальный язык. Языком, описывающим правила работы сети, является совокупность сетевых протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol — протокол управления передачей/интернет-протокол).

Основные принципы построения компьютерных сетей

Организация обмена данными в сфере компьютерных и информационных технологий осуществляется согласно выбранной топологии, конфигурация которой определяется соединением нескольких компьютеров и может отличаться от конфигурации логической связи. Выбор типа физической связи непосредственно влияет на характеристики сети, поэтому к данному процессу подходят с учетом определенных требований.

Концепция формирования данного типа сети основана на принципе размещения всех абонентов на одной линии, поэтому при ее повреждении вся цепочка становится неработоспособной, точно так же как и при выключении одного компьютера, когда теряется связующая нить между всеми пользователями.

Учитывая несовершенство и моральное устаревание данного типа построения ЛВС, на сегодняшний день его практически не используют.

В данном случае задействован единый кабель, к которому через специальные соединительные элементы подключены ПК. Концы шины снабжены резисторами, препятствующими отражению сигнала и гарантирующими его чистоту.

Преимущество такой топологии состоит в простоте монтажа и настройки, при этом затрачивается меньшее количество кабеля, нежели в других типах сетей. При поломке одного компьютера сеть сохраняет рабочее состояние, однако при неполадках в самой сети функционирование в ее рамках прекращается абсолютно для всех абонентов.

Стоит помнить, что чем больше рабочих станций локализуется на шине, тем существеннее падает скорость функционирования сети.

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.

Вывод, роль модели OSI при построении сетей

В статье мы рассмотрели принципы построения сетевой модели OSI. На каждом из семи уровней модели выполняется своя задача. В действительности архитектура OSI сложнее, чем мы описали. Существуют и другие уровни, например, сервисный, который встречается в интеллектуальных или сотовых сетях, или восьмой — так называют самого пользователя.

Как мы упоминали выше, оригинальное описание всех принципов построения сетей в рамках этой модели, если его распечатать, будет иметь толщину в один метр. Но компании активно используют OSI как эталон. Мы перечислили только основную структуру словами, понятными начинающим.

Модель OSI служит инструментом при диагностике сетей. Если в сети что-то не работает, то гораздо проще определить уровень, на котором произошла неполадка, чем пытаться перестроить всю сеть заново.

Зная архитектуру сети, гораздо проще ее строить и диагностировать. Как нельзя построить дом, не зная его архитектуры, так невозможно построить сеть, не зная модели OSI. При проектировании важно учитывать все. Важно учесть взаимодействие каждого уровня с другими, насколько обеспечивается безопасность, шифрование данных внутри сети, какой прирост пользователей выдержит сеть без обрушения, будет ли возможно перенести сеть на другую машину и т.д. Каждый из перечисленных критериев укладывается в функции одного из семи уровней.