Комп ютерні мережі

Вступ.

Інтенсивний розвиток мережних технологій пов'язаний з появою в 1960-х роках великих  обчислювальних машин, або мейнфреймів (mainframe) серії IBM 360. Перші експерименти по створенню комп’ютерних мереж провів у 1965 році дослідник Ларі Робертсон (Масачусетський технологічний університет).Складний комплекс електронних та електромеханічних пристроїв, зокрема периферійних (зовнішніх) пристроїв - накопичувачів на магнітних стрічках, барабанах та дисках, потребував спеціальних умов експлуатації та великого штату обслуговуючого персоналу. Для більш ефективного використання цієї техніки створювались обчислювальні центри, до складу яких, звичайно, входили комп'ютери різної потужності та комплекс периферійних пристроїв. Концентрація обчислювальних потужностей вимагала їх колективного використання. Так з'явились перші системи телеобробки (обробки на відстані) завдань, що ґрунтувались на використанні різних типів термінальних (також і інтелектуальних) пристроїв, які могли знаходитись і за межами обчислювальних центрів. Поява персональних комп'ютерів та необхідність обміну інформацією між їх користувачами суттєво прискорили розвиток мережних технологій. Невдовзі з'явилась потреба об'єднання комп'ютерних систем не лише у межах однієї установи чи фірми, але й у масштабах регіону, країни та всього світу. Потребу в спільному інформаційному просторі сьогодні відчувають не лише науковці та бізнесмени, а й велика кількість користувачів домашніх комп'ютерів. Обмін повідомленнями електронної пошти, розклад руху транспортних засобів, прогноз погоди, доступ до наукової, довідкової, художньої інформації та багато інших послуг має змогу отримувати користувач персонального комп'ютера, що під'єднався до ресурсів глобальних комп'ютерних мереж. 

Розділ 1. Класифікація комп’ютерних мереж.

     Для класифікації комп’ютерних мереж використовуються різні ознаки, вибір яких полягає  в тім, щоб виділити з існуючого  різноманіття такі, які дозволили  б забезпечити даній класифікаційній  схемі такі обов’язкові якості:

     -можливість класифікації всіх, як існуючих, так і перспективних КМ;

     -диференціацію істотно різних мереж;

     -однозначність класифікації будь-якої комп’ютерної мережі;

     -наочність, простоту й практичну доцільність класифікаційної схеми.

     Певна невідповідність цих вимог робить завдання вибору раціональної схеми  класифікації КМ досить складної, такою, котра не знайшла до цього часу однозначного рішення. В основному КМ класифікують за ознаками структурної й функціональної організації.

     По  призначенню КМ розподіляються на:

• обчислювальні;
• інформаційні;
• змішані (інформаційно-обчислювальні). 

     Обчислювальні мережі призначені головним чином для рішення завдань користувачів з обміном даними між їхніми абонентами. Інформаційні мережі орієнтовані в основному на надання інформаційних послуг користувачам. Змішані мережі поєднують функції перших двох.

     По  типу комп’ютерів, які  входять до складу КМ, розрізняють:

1. однорідні комп’ютерні мережі, які складаються із програмно-спільних ЕОМ;
2. неоднорідні, до складу яких входять програмно-несумісні комп’ютери.

     Особливе  значення займає класифікація по територіальній ознаці, тобто по величині території, що покриває мережа. І для цього є вагомі причини, тому що відмінності технологій локальних і глобальних мереж дуже значні, незважаючи на їхнє постійне зближення.

     Класифікуючи  мережі по територіальній ознаці, розрізняють:

• локальні (Local Area Networks – LAN) мережі;
• глобальні (Wide Area Networks – WAN) мережі;
• міські (Metropolitan Area Networks – MAN) мережі.

     LAN– зосереджені на території не більше 1–2 км; побудовані з використанням дорогих високоякісних ліній зв’язку, які дозволяють, застосовуючи прості методи передачі даних, досягати високих швидкостей обміну даними порядку 100 Мбіт/с, Надавані послуги відрізняються широкою розмаїтістю й звичайно передбачають реалізацію в режимі on-line.

     WAN – поєднують комп’ютери, розосереджені на відстані сотень і тисяч кілометрів. Часто використовуються вже існуючі не дуже якісні лінії зв’язку. Більше низькі, чим у локальних мережах, швидкості передачі даних (десятки кілобит у секунду) обмежують набір надаваних послуг передачею файлів, переважно не в оперативному, а у фоновому режимі, з використанням електронної пошти. Для стійкої передачі дискретних даних застосовуються більш складні методи й устаткування, чим у локальних мережах.

     MAN– займають проміжне положення між локальними й глобальними мережами. При досить більших відстанях між вузлами (десятки кілометрів) вони мають якісні лінії зв’язку й високих швидкостей обміну, іноді навіть більше високими, чим у класичних локальних мережах. Як і у випадку локальних мереж, при побудові MAN уже існуючі лінії зв’язку не використовуються, а прокладаються заново.

     Також додатково виділяють:

     кампусні  мережі (CampusArea Network – CAN), які поєднують значно віддалені одна від однієї абонентські системи або локальні мережі, але ще не вимагають віддалених комунікацій через телефонні лінії й модеми;

     широкомасштабні мережі (Wide Area Network – WAN), які використовують віддалені мости й маршрутизатори з можливо невисокими швидкостями передачі даних.

     Відмітні  ознаки локальної  мережі:

     висока  швидкість передачі, більша пропускна  здатність;

     низький рівень помилок передачі (або, що те ж саме, високоякісні канали зв’язку). Припустима ймовірність помилок  передачі даних повинна бути порядку 10-7 – 10-8;

     ефективний, швидкодіючий механізм керування обміном;

     обмежене, точно певне число комп’ютерів, що підключаються до мережі.

     Глобальні мережі відрізняються від локальних тем, що розраховані на необмежене число абонентів і використовують, як правило, не занадто якісні канали зв’язку й порівняно низьку швидкість передачі, а механізм керування обміном у них у принципі не може бути гарантовано швидким. У глобальних мережах набагато важливіше не якість зв’язку, а сам факт її існування.

     Правда, зараз уже не можна провести чітку й однозначну межу між локальними й глобальними мережами. Більшість локальних мереж має вихід у глобальну мережу, але характер переданої інформації, принципи організації обміну, режими доступу до ресурсів усередині локальної мережі, як правило, сильно відрізняються від тих, що прийнято в глобальній мережі. І хоча всі комп’ютери локальної мережі в даному випадку включені також і в глобальну мережу, специфіки локальної мережі це не скасовує. Можливість виходу в глобальну мережу залишається всього лише одним з ресурсів, поділюваних користувачами локальної мережі. 

Розділ 2. Локальні мережі.

     Локальні  мережі – це об’єднання різної кількості комп’ютерів єдиною кабельною системою, що знаходяться на порівняно невеликій відстані між собою (від 10 м до 100 км). Створюються в межах одного приміщення, організації чи району.  Для передачі інформації використовується високошвидкісний канал передачі даних, швидкість у якому приблизно така сама, як швидкість внутрішньої шини комп’ютера.

     Можливості  локальних мереж:

• Обмін даними і колективна обробка даних;
• Спільне користування програмами;
• Спільне користування принтерами та жорсткими дисками;
• Електронна пошта. Усі користувачі мережі можуть передавати та отримувати повідомлення.

     Під топологією (компонуванням, конфігурацією, структурою) комп’ютерної мережі звичайно розуміється фізичне розташування комп’ютерів мережі друг щодо друга й спосіб з’єднання їхніми лініями зв’язку. Важливо відзначити, що поняття топології ставиться, насамперед, до локальних мереж, у яких структуру зв’язків можна легко простежити. У глобальних мережах структура зв’язків звичайно схована від користувачів не занадто важлива, тому що кожний сеанс зв’язку може виконуватися по своєму власному шляху. Топологія визначає вимоги до устаткування, тип використовуваного кабелю, можливі й найбільш зручні методи керування обміном, надійність роботи, можливості розширення мережі.

Типи  топологій:

      А) Зірка;

      Б) Кільце;

      В) Шина;

      Г) Дерево;

     Д) Комбінована.

     Топологія «Зірка» - це топологія з явно виділеним центром. До якого підключаються всі інші абоненти. Обмін інформацією відбувається виключно через центр, що спричинює велике його навантаження, отже нічим, окрім обробки інформації центральний комп’ютер не може. Таким чином, мережеве устаткування центрального комп’ютера має бути значно складнішим, ніж устаткування периферійних абонентів. Як правило, саме центральний комп'ютер є найпотужнішим і саме на нього покладають всі функції з управління обміном. Ніякі конфлікти в мережі з топологією «зірка» в принципі неможливі, тому що керування повністю централізоване, конфліктувати немає чому.

     Якщо говорити про стійкість зірки до відмов комп'ютерів, то вихід з ладу будь-якого периферійного комп'ютера ніяк не відображується на функціонуванні частини мережі, що залишилася, проте будь-яка відмова центрального комп'ютера робить мережу повністю непрацездатною. Тому повинні прийматися спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального комп'ютера і його мережевої апаратури. Обрив будь-якого кабелю або коротке замикання в ньому при топології «зірка» порушує обмін тільки з одним комп'ютером, а всі інші комп'ютери можуть нормально продовжувати роботу.

     В «зірці» на кожній лінії зв'язку перебувають тільки два абоненти: центральний і один з периферійних. Найчастіше для їхнього з'єднання використовується дві лінії зв'язку, кожна з яких передає інформацію тільки в одному напрямку. Таким чином, на кожній лінії зв'язку є тільки один приймач і один передавач. Все це істотно спрощує мережеве встановлення і рятує від необхідності застосування додаткових зовнішніх термінаторів.

     Серйозний недолік топології «зірка» складається  у жорсткому обмеженні кількості  абонентів. Зазвичай центральний абонент  може обслуговувати не більше 8-16 периферійних абонентів. Якщо в цих межах підключення  нових абонентів досить просте, то при їх перевищенні воно просто неможливо. Щоправда, іноді в «зірці» передбачається можливість нарощування, тобто підключення  замість одного з периферійних абонентів  ще одного центрального абонента (у  результаті виходить топологія з  декількох з'єднаних між собою  зірок).

     Велика  перевага зірки полягає в тому, що всі точки підключення зібрані  в одному місці. Це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності мережі шляхом простого відключення від центра тих або інших абонентів, а також обмежувати доступ сторонніх осіб до життєво важливих для мережі точок підключення. До кожного периферійного абонента у випадку зірки може підходити як один кабель (по якому йде передача в обох напрямках), так і два кабелі (кожний з них передає в одному напрямку), причому друга ситуація зустрічається частіше.

     Загальним недоліком для всієї топології  типу «зірка» значно більше, ніж  при іншій топології, витрата  кабелю. Наприклад, якщо комп'ютери  розташовані в одну лінію, то при  виборі топології «зірка» знадобиться  в кілька разів більше кабелю, чим  при топології «шина». Це може істотно  вплинути на вартість всієї мережі в цілому.

     Топологія «Кільце» - це топологія, у якій кожен комп'ютер з'єднаний лініями зв'язку тільки з двома іншими: від одного він тільки одержує інформацію, а іншому тільки передає. На кожній лінії зв'язку, як і у випадку зірки, працює тільки один передавач і один приймач. Це дозволяє відмовитися від застосування зовнішніх термінаторів. Важлива особливість кільця полягає в тому, що кожен комп'ютер ретранслює (відновлює) сигнал, тобто виступає в ролі репітера, тому загасання сигналу у всьому кільці не має ніякого значення, важливо тільки загасання між сусідніми комп'ютерами кільця. Чітко виділеного центра в цьому випадку немає, всі комп'ютери можуть бути однаковими. Однак досить часто в кільці виділяється спеціальний абонент, який управляє обміном або контролює обмін. Зрозуміло, що наявність такого керуючого абонента знижує надійність мережі, тому що вихід його з ладу відразу ж паралізує весь обмін.

     Строго  кажучи, комп'ютери в кільці не є повністю рівноправними. Одні з них обов'язково отримують інформацію від комп'ютера, який веде передачу в цей момент, раніше, а інші - пізніше. Саме на цій особливості топології й будуються методи керування обміном по мережі, спеціально розраховані на «кільце». У цих методах право на наступну передачу (або, як ще кажуть, на захоплення мережі) переходить послідовно до наступного по колу комп'ютера.

     Підключення нових абонентів в «кільце» звичайно зовсім безболісно, хоча й вимагає обов'язкової зупинки роботи всієї мережі на час підключення. Максимальна кількість абонентів у кільці може бути досить велика (до тисячі і більше). Кільцева топологія звичайно є самою стійкою до перевантажень, вона забезпечує впевнену роботу із найбільшими потоками переданої по мережі інформації, тому що в ній, як правило, немає конфліктів, а також відсутній центральний абонент.

     Завдяки тому, що сигнал у кільці проходить через всі комп'ютери мережі, вихід з ладу хоча б одного з них (або ж його мережевого пристрою) порушує роботу всієї мережі в цілому. Точно так само будь-який обрив, або коротке замикання в кожному з кабелів кільця робить роботу всієї мережі неможливою. Кільце найбільш вразливе до пошкоджень кабелю, тому в цій топології звичайно передбачають прокладку двох (або більше) паралельних ліній зв'язку, одна з яких знаходиться в резерві.

     У той же час велика перевага кільця полягає в тому, що ретрансляція сигналів кожним абонентом дозволяє істотно збільшити розміри всієї  мережі в цілому (часом до декількох  десятків кілометрів). Кільце щодо цього істотно перевершує будь-яку іншу топологію.

     Недоліком кільця можна вважати те, що до кожного  комп'ютера мережі необхідно підвести два кабелі.

     Іноді топологія «кільце» виконується  на основі двох кільцевих ліній зв'язку, які передають інформацію в протилежних  напрямках. Мета подібного рішення - збільшення (в ідеалі удвічі) швидкості передачі інформації. До того ж при ушкодженні одного з кабелів мережа може працювати з іншим кабелем (правда, гранична швидкість зменшиться).

     Топологія «шина» (або, як її ще називають, «загальна шина») самою своєю структурою припускає ідентичність мережевого устаткування комп'ютерів, а також рівноправність всіх абонентів. При такому з'єднанні комп'ютери можуть передавати інформацію тільки по черзі, тому що лінія зв'язку єдина. В іншому випадку передана інформація буде спотворюватися в результаті накладення (конфлікту, колізії). Таким чином, у шині реалізується режим напівдуплексного обміну (в обох напрямках, але по черзі, а не одночасно).

     У топології «шина» відсутній центральний  абонент, через який передається  вся інформація і таким чином підвищується її надійність. Додавання нових абонентів у шину досить просте і зазвичай можливе навіть під час роботи мережі. У більшості випадків при використанні шини використовуться мінімальна кількість сполучного кабелю в порівнянні з іншими топологіями. Правда, потрібно врахувати, що до кожного комп'ютера (крім двох крайніх) підходить два кабелі, що не завжди зручно. Тому що дозвіл можливих конфліктів у цьому випадку лягає на мережне встаткування кожного окремого абонента, апаратура мережевого адаптера при топології «шина» виходить складніше, ніж при іншій топології. Проте через широке поширення мереж з топологією «шина» (Ethernet, Arcnet) вартість мережного обладнання виходить не надто високою.

     Шині  не страшні відмови окремих комп'ютерів, тому що всі інші комп'ютери мережі можуть нормально продовжувати обмін. Може здатися, що шині не страшний і обрив кабелю, оскільки в цьому випадку ми одержимо дві повністю працездатних шини. Однак через особливості поширення електричних сигналів по довгих лініях зв'язку необхідно передбачати включення на кінцях шини спеціальних пристроїв - термінаторів. Без включення термінаторів сигнал відбивається від кінця лінії й спотворюється так, що зв'язок по мережі стає неможливою. Так що при розриві або пошкодження кабелю порушується узгодження лінії зв'язку, і припиняється обмін навіть між тими комп'ютерами, які залишилися з'єднаними між собою. Коротке замикання в будь-якій точці кабелю шини виводить з ладу всю мережу. Будь-яка відмова мережного устаткування в шині дуже важко локалізувати, тому що всі адаптери включені паралельно, і зрозуміти, який з них вийшов з ладу, не так-то просто.

     При проходженні по лінії зв'язку мережі з топологією «шина» інформаційні сигнали  послабляються й ніяк не відновлюються, що накладає тверді обмеження на сумарну  довжину ліній зв'язку, крім того, кожен абонент може одержувати з  мережі сигнали різного рівня  залежно від відстані до передавальному абоненту. Це висуває додаткові вимоги до прийомних вузлів мережного обладнання. Для збільшення довжини мережі з топологією «шина» часто використовують кілька сегментів (кожен з яких являє собою шину), з'єднаних між собою за допомогою спеціальних відновлювачів сигналів - репітерів.

     Однак таке нарощування довжини мережі не може тривати нескінченно, тому що існують ще й обмеження, пов'язані  з кінцевою швидкістю поширення  сигналів по лініях зв'язку.

     Топологія «дерево». Ця мережева топологія з чисто топологічної точки зору схожа на зіркову, в якій окремі периферійні мережеві пристрої можуть передавати до або приймати від тільки одного іншого мережевого пристрою в напрямку до центрального мережевого пристрою. Як і в класичній зірковій топології, окремі мережеві пристрої можуть бути ізольовані від мережі внаслідок ліквідації одного зв'язку (гілки), наприклад, внаслідок аварії на лінії. У мережі з топологією дерева існує один виділений мережевий пристрій, який є коренем дерева.

     «Комбінована». Якщо вузли мережі з'єднані більш складніше, то мережу можна назвати комбінованою. Деякі лінії можуть розділятися потоками даних, які передаються двома парами вузлів. Якщо кожен вузол мережі з'єднаний з будь-яким іншим вузлом каналу, мережа називається повнозв'язковою. Можуть використовуватися різноманітні комбінації вище перерахованих мереж. Наприклад декілька зіркоподібних мереж об'єднаних в кільце.

Розділ 4. Глобальні комп’ютерні  мережі.

   Класифікація мереж:

• За типом засобів комунікацій:

     -  наземні багато вузлові мережі;

     - супутникові радіомережі;

     - комбіновані мережі.

• За способом комутації повідомлень:

     - комутація каналів;

     - комутація повідомлень;

     - комутація пакетів;

     - адаптивна комутація.

• За вибором маршруту передачі повідомлення:

• фіксовані шляхи;
• спрямований вибір шляху;
• випадкові шляхи;
• лавинний метод.

     Приклади  глобальних мереж:

     В останні роки в СНД інтенсивно впроваджується мережева інфраструктура. Незалежні країни розвивають свої комп’ютерні мережі і активно включаються у світове інформаційне суспільство на базі глобальних інтернаціональних мереж.

     ІКМСІР  (інформаційно-комерційна мережа «Світовий інформаційний ринок») – мережа працює у 12 регіонах СНД. Забезпечує електронну пошту, комерційні пропозиції, рекламу, курси валют, біржові анонси, ціни на ринках, законодавства держав і розклад руху залізничного та авіаційного транспорту.

     ЕСТ – електронна система торгів Білоруської фондової біржі дає можливість віддаленим клієнтам брати участь у торгах біржі.

     FIDONET – інтернаціональна некомерційна мережа, що забезпечує вільний обмін інформацією через BBS – електронні дошки оголошень. Абоненти мережі користуються інформацією через BBS безоплатно.

     PAY – система електронних платежів, об’єднує майже всі банки Білорусі, Росії, України, Казахстану та Киргизстану, також дозволяє створювати платежі в Азербайджані, Узбекистані та державах Балтії.

     SPRINTNET - найбільша в світі мережа електронної пошти. Основним фізичним середовищем передачі даних є оптоволоконний кабель, включаючи трансатлантичний канал. Мережа здійснює передачу повідомлень на факсимільні апарати, засоби телексного та телетексного зв’язку, забезпечує електронні платежі і міжнародні розрахунки. Дає можливість користувачам доступу до більшості глобальних мереж.

     SWIFT - товариство міжнародних міжбанківських грошових телекомунікацій. Мережа гарантує оперативну пересилку і безпечне зберігання грошових документів абонентів в 130 країнах світу і безперебійний сервіс клієнтів протягом 24 годин.

     Особлива  роль серед глобальних мереж належить світовому суспільству Internet. 

Internet

Історія виникнення Інтернету.

У 1961 p. Defence Advanced Research Agensy (DARPA) за завданням міністерства оборони США взялося за проект створення експериментальної мережі передачі пакетів. Ця мережа, названа ARPANET, призначалася спочатку для вивчення методів забезпечення надійного зв'язку між комп'ютерами різних типів. Багато методів передачі даних через модеми були розроблені в ARPANET Тоді ж були розроблені й протоколи передачі даних у мережі — TCP/IP. TCP/IP — це безліч комунікаційних протоколів,що визначають, як комп'ютери різних типів можуть спілкуватися між собою. 

Експеримент із ARPANET був настільки успішним, що багато організацій

захотіли ввійти до неї з метою використання для щоденної передачі даних.

У 1975 p. ARPANET перетворилася  з експериментальної мережі на робочу

мережу. Відповідальність за адміністрування мережі взяло на себе Defence

Communication Agency (DCA), яке сьогодні називається Defence Information

Systems Agency (DISA). Але розвиток ARPANET на цьому не припинився;

про-токоли TCP/IP продовжували розвиватися й удосконалюватися. 

У 1983 р. вийшов перший стандарт для протоколів TCP/IP, що ввійшов у

Military Standarts (MIL STD), тобто у військові стандарти,  і всі, хто

працював у  мережі, зобов'язані були перейти  до цих нових протоколів. Для

полегшення цього  переходу DARPA звернулася з пропозицією  до керівників

фірми Berkley 

Software Design — упровадити  протоколи TCP/IP у Berkeley (BSD) UNIX 3

цього і почався  союз UNIX і TCP/IP. 

Через деякий час TCP/IP був адаптований у звичайний, тобто в

загальнодоступний стандарт, і термін Інтернет увійшов  у загальний

вжиток. У 1983 р. з ARPANET виділилася MILNET, щоввійшладоскладу Defence

Data Network (DDN) міністерства  оборони США. Термін «Інтернет»  почав

використовуватися для позначення єдиної мережі: MILNET плюс ARPANET. І

хоча в 1991 p. ARPANET припинила своє існування, мережа Інтернет існує,

її розміри  набагато перевищують первісні, тому що вона об'єднала безліч

мереж в усьому світі. Кількість хостів, підключених до мережі Інтернет,

зросла з 4 комп'ютерів у 1969 р. до 3,2 мільйона у 1994. Хостом у  мережі

Інтернет називаються  комп'ютери, що працюють у бага-тозадачній

операційній системі (Unix, VMS), які підтримують протоколи TCP/IP і

надають користувачам які-небудь мережні послуги.

      Адміністративний  устрій Internet

     Структура, яка відповідає за Internet є ISOC (Internet Society). Його мета - сприяти глобальному обміну інформацією через Internet. Вона призначає організацію, яка відповідає за технічну політику, підтримку і управління Internet.

     Ця  організація є групою запрошених добровольців, звану IAB (Рада з архітектури Internet.). IAB регулярно стверджує стандарти і розподіляє ресурси, наприклад, такі, як адреси. Internet працює, оскільки є стандартні способи спілкування між комп'ютерами і прикладними програмами. Це дозволяє комп'ютерам різного типу зв'язуватися без особливих проблем. IAB відповідальний за стандарти; він вирішує, коли стандарт необхідний і яким йому слід бути. Коли потрібен стандарт, рада розглядає проблему, приймає стандарт і по мережі оповіщає про нього. IAB також стежить за різними номерами, які повинні залишатися унікальними. Наприклад, кожний комп'ютер в Internet має свою унікальну 32-розрядну двійкову адресу; ніякий інший комп'ютер не має такого ж. IAB піклується як привласнюється даний адрес. Він не привласнює адрес особисто, але розробляє правила, як ці адреси знаходять свого власника.