Архитектура компьютерных сетей

     МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

     ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

     УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

     «БРАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 

                             Кафедра «Строительное материаловедение и технологии» 

     Курсовая работа по дисциплине «Информатика» 
 
 
 
 
 
 
 

Архитектура компьютерных сетей 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил:

     Студент гр. СТ-10                                                                          Петрова АС 
 

     Проверил:

     Доцент  кафедры СМиТ                                                       Дворянинова Н.В. 
 
 
 
 
 

     Братск 2011

Содержание 

     I Введение …...………………………………………………………………...3 

     II Архитектура. Сетевой уровень модели OSI ………..………..……….......5 

     III Компьютерная сеть ……………………………………………………...11 

               Классификация …...…………………...…………………………...…13 

               Базовые топологии локальных компьютерных сетей ……………...15 

               Глобальные и локальные вычислительные сети …………………...16 

               Сетевые протоколы и уровни ………………………………………..17 

               Физический и канальный уровни …………………………………...20 

               Глобальная сеть Интернет …………………………………………...22 

     IV Заключение……………...………………………………………………..27 

     V Список литературы………………………………………………………..28 
 
 
 
 
 
 
 

I Введение 

     Вычислительные  системы различной архитектуры  являются аппаратной частью информационной технологии, достигшей к ХХ веку глобального характера и содержания. Мультипроцессорные системы, к которым относятся так же компьютерные сети, позволяют за счет изменения их архитектуры оптимизировать параметры основных процессов информационной технологии: обработка, накопление, передача данных и представление знаний.

     Под технологией в широком смысле понимают науку о производстве материальных благ, включающую три аспекта: информационный, инструментальный и социальный. Информационный аспект включает описание принципов и методов производства;  инструментальный - орудия труда, с помощью которых реализуется производство; социальный – кадры и их организацию.

     Технологию  рассматривают как последовательность действий над предметом труда в целях получения конечного продукта.

     Понятие «информационная технология» возникло в последние десятилетие ХХ века в процессе становления информатики. Особенность информационной технологии состоит в том, что в ней и предметом и продуктом является информация, а орудиями труда – средства вычислительной техники и связи. Информационная технология как наука о производстве информации возникла именно потому, что информация стала рассматриваться как вполне реальный производственный ресурс наряду с другими материальными ресурсами. Причем производство информации и знаний оказывает решающее влияние на модификацию и создание новых промышленных технологий.

          Потребность в передаче и обмене  информацией человечество испытывало уже на ранних стадиях своего развития. Если сначала для ускорения передачи информации использовались костры, курьеры, потом – почта, семафорный телеграф и прочее, то с появлением электрического телеграфа и телефона принципиально изменились возможности передачи информации. Изобретение радио и телевидения, а затем компьютера, цифровых систем связи и вычислительных сетей, создание в1978 года первого персонального компьютера и совершенно невероятное и исключительно быстрое его распространение и развитие именно в качестве инструментального средства накопления, преобразования и передачи информации позволили новым, автоматизированным информационным технологиям внедриться практически во все области человеческой деятельности.

     В основе автоматизированных информационных технологий лежат следующие технические достижения:

     Создание средств накопления больших объёмов информации на машинных носителях, таких как магнитные и оптические диски;

     Создание  различных средств связи, позволяющих  воспринимать, использовать и передавать информацию практически в любой точке земного шара;

     Создание  особенного персонального компьютера, позволяющего обрабатывать и отображать информацию, накапливать и генерировать знания.

     Наиболее  полно достоинства информационной технологии проявляется при её использовании в автоматизированных системах управления (АСУ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

II Архитектура. Сетевой уровень модели OSI 

     Архитектура - спецификации связи, разработанные для определения функций сети и установления стандартов различных моделей вычислительных систем, предназначенных для обмена и обработки данных.  

     Сетевая модель OSI (open systems interconnection basic reference model - базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, сокращенно ЭМВОС; 1978 г.) - абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Предлагает взгляд на компьютерную сеть с точки зрения измерений. Каждое измерение обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее. 

     В настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, разработанный  ещё до принятия модели OSI и вне  связи с ней. 

     Для стандартизации сетей Международная  организация стандартов (OSI) предложила семиуровневую сетевую архитектуру. К сожалению, конкретные реализации сетей не используют все уровни международного стандарта. Однако этот стандарт дает общее представление о взаимодействии отдельных подсистем сети. 

     В литературе наиболее часто принято  начинать описание уровней модели OSI с 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Модель OSI заканчивается 1-м уровнем — физическим, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:

• тип передающей среды (медный кабель, оптоволокно, радиоэфир и др.),
• тип модуляции сигнала,
• сигнальные уровни логических дискретных состояний (нуля и единицы).

     Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже — вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей. 

     Каждому уровню с некоторой долей условности соответствует свой операнд — логически неделимый элемент данных, которым на отдельном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов: на физическом уровне мельчайшая единица — бит, на канальном уровне информация объединена в кадры, на сетевом — в пакеты (датаграммы), на транспортном — в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объединённых для передачи — кадр, пакет, датаграмма — считается сообщением. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней. 

     К базовым сетевым технологиям  относятся физический и канальный  уровни. 

     Для запоминания названий 7-и уровней модели OSI на английском языке рекомендуют использовать фразу "All people seem to need data processing", в которой первые буквы слов соответствуют первым буквам названий уровней. Для запоминания уровней на русском языке существует фраза: "Попробуй представить себе тачку, стремящуюся к финишу", первые буквы слов в которой так же соответствуют первым буквам названий уровне. 
 
 

     Семиуровневая сетевая архитектура: 

     Прикладной  уровень (Application Layer).  

     Уровень представления (Presentation Layer).  

     Сеансовый уровень (Session Layer).  

     Транспортный  уровень (Transport Layer).  

     Сетевой уровень (Network Layer).  

     Канальный уровень (Data Link).  

     Физический  уровень (Physical Layer).  

     Физический  уровень (Physical Layer) обеспечивает виртуальную линию связи для передачи данных между узлами сети. На этом уровне выполняется преобразование данных, поступающих от следующего, более высокого уровня (уровень управления передачей данных), в сигналы, передающиеся по кабелю.  

     В глобальных сетях на этом уровне могут  использоваться модемы и интерфейс RS-232-C. Характерные скорости передачи здесь определяются линиями связи и для телефонных линий (особенно отечественных) обычно не превышают 2400 бод.

     В локальных сетях для преобразования данных применяются сетевые адаптеры, обеспечивающие скоростную передачу данных в цифровой форме. Скорость передачи данных может достигать десятков и сотен мегабит в секунду.  

     Канальный уровень (Data Link) обеспечивает виртуальную линию связи более высокого уровня, способную безошибочно передавать данные в асинхронном режиме. При этом данные обычно передаются блоками, содержащими дополнительную управляющую информацию. Такие блоки называют кадрами.

     При возникновении ошибок автоматически  выполняется повторная посылка кадра. Кроме того, на уровне управления линией передачи данных обычно обеспечивается правильная последовательность передаваемых и принимаемых кадров. Последнее означает, что если один компьютер передает другому несколько блоков данных, то принимающий компьютер получит эти блоки данных именно в той последовательности, в какой они были переданы. 

     Сетевой уровень (Network Layer) предполагает, что с каждым узлом сети связан некий процесс. Процессы, работающие на узлах сети, взаимодействуют друг с другом и обеспечивают выбор маршрута передачи данных в сети (маршрутизацию), а также управление потоком данных в сети. В частности, на этом уровне должна выполняться буферизация данных. 

     Транспортный  уровень (Transport Layer) может выполнять разделение передаваемых сообщений на пакеты на передающем конце и сборку на приемном конце. На этом уровне может выполняться согласование сетевых уровней различных несовместимых между собой сетей через специальные шлюзы. Например, такое согласование потребуется для объединения локальных сетей в глобальные. 

     Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает интерфейс с транспортным уровнем. На этом уровне выполняется управление взаимодействием между рабочими станциями, которые участвуют в сеансе связи. В частности, на этом уровне выполняется управление доступом на основе прав доступа. 

     Уровень представления (Presentation Layer) описывает шифрование данных, их сжатие и кодовое преобразование. Например, если в состав сети входят рабочие станции с разным внутренним представлением данных (ASCII для IBM PC и EBCDIC для IBM-370), необходимо выполнить преобразование. 

     Прикладной  уровень (Application Layer) отвечает за поддержку прикладного программного обеспечения конечного пользователя. 

     Во  время разработки модели OSI в конце 70-х годов несколько компаний разработали свои методы, достаточно отдаленно напоминающие модель OSI, однако обеспечивающие высокую скорость обмена. Корпорация IBM реализовала систему с передачей маркера (token) в рамках Стандартной Сетевой Архитектуры (Standard Network Architecture - SNA). В это же время широко известный исследовательский центр компании Xerox в Palo Alto реализовал схему, названную XNS (Xerox Network Services), обеспечивающую множественный доступ к среде передачи. Вариация этого метода, названного ethernet, была адаптирована в системе TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), Digital Equipment в ее стратегии Digital-Intel-Xerox (DIX) и Novell в SPX/IPX (Sequence Packet Exchange/Internetwork Packet Exchange), используемых в сетевой ОС NetWare.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     III Компьютерная сеть

     Компьютерная  сеть - группа из двух или более соединенных вместе компьютерных систем.  

     Компьютерная  система - это не только компьютер, но также и все программное обеспечение и периферийные устройства, которые необходимы для его работы. К примеру, любой компьютер для работы требует наличия операционной системы. 

     Компьютеры  могут соединяться друг с другом непосредственно (двухточечное соединение) либо через промежуточные узлы связи. Канал связи компьютера с остальными машинами сети обеспечивает кабель. Существует несколько их видов:  

1. Кабель  на основе скрученных пар (витая пара, TP) - содержит две или более пары проводов, скрученных один с другим по всей длине. Скручивание позволяет повысить помехоустойчивость кабеля и снизить влияние каждой пары на все остальные.

2. Коаксиальный  кабель состоит из центрального проводника (сплошного или многожильного), покрытого слоем полимерного изолятора, поверх которого расположен другой проводник (экран). Экран представляет собой оплетку из медного провода вокруг изолятора или обернутую вокруг изолятора фольгу. В высококачественных кабелях присутствуют и оплетка и фольга. Коаксиальный кабель обеспечивает более высокую помехоустойчивость по сравнению с витой парой.

3. Оптический  кабель состоит из одного или нескольких кварцевых волокон (иногда полимерных), покрытых защитной оболочкой. Оболочка, как правило, состоит из нескольких слоев для обеспечения лучшей защиты волокон.

     Существует  несколько типов компьютерных сетей, включающие: 

Локальные компьютерные сети: компьютеры в сети расположены недалеко друг от друга (к примеру, находятся в одном здании).  

Глобальные  компьютерные сети: компьютеры отдалены друг от друга и соединяются посредством телефонных линий или радиоволн.  
 
 
 

     Существует  также разделение компьютерных сетей на следующие два класса: 

     Сети  с архитектурой клиент-сервер

     Специализированный  компьютер (выделенный сервер) используется для установки всех разделяемых  ресурсов. Такое решение ускоряет доступ пользователей к централизованным ресурсам сети.  

     Сетевое администрирование проще за счет незначительного числа серверов в сети и их узкой специализации.  

     Обеспечение высокой производительности требует  установки на сервере большого количества оперативной памяти, диска большого размера и использования в сервере производительного процессора.  

     При нарушении работы сервера сеть становится практически неработоспособной.  

     Одноранговые  сети

     Сетевые приложения могут быть распределены по многочисленным серверам для повышения производительности сети и снижения расходов.  

     Гибкое  разделение ресурсов любого узла сети.  

     Администрирование одноранговой сети может быть сложнее  за счет большего числа серверов и более развитых возможностей каждого сервера.  

     Невыделенные  серверы медленнее специализированных.  

     В сети LANtastic могут использоваться как  выделенные серверы, так и невыделенные серверы/рабочие станции.

     Классификация. 

По территориальной распространенности:

• PAN (Personal Area Network) — персональная сеть, предназначенная для взаимодействия различных устройств, принадлежащих одному владельцу.
• LAN (Local Area Network) — локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку — около шести миль (10 км) в радиусе. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью.
• CAN (Campus Area Network — кампусная сеть) — объединяет локальные сети близко расположенных зданий.
• MAN (Metropolitan Area Network) — городские сети между учреждениями в пределах одного или нескольких городов, связывающие много локальных вычислительных сетей.
• WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN — сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.
• Термин «корпоративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.

По типу среды  передачи:

• Проводные (телефонный провод, коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель)
• Беспроводные (передачей информации по радиоволнам в определенном частотном диапазоне)

По сетевым  операционным системам:

• На основе Windows
• На основе UNIX
• На основе NetWare

По типу функционального  взаимодействия:

• Клиент-сервер
• Смешанная сеть
• Одноранговая сеть
• Многоранговые сети

По типу сетевой  топологии:

• Шина
• Кольцо
• Двойное кольцо
• Звезда
• Ячеистая
• Решётка
• Дерево
• Fat Tree

По функциональному  назначению:

• Сети хранения данных
• Серверные фермы
• Сети управления процессом
• Сети SOHO, домовые сети

По скорости передач:

• низкоскоростные (до 10 Мбит/с)
• среднескоростные (до 100 Мбит/с)
• высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с)

По необходимости  поддержания постоянного соединения:

• Пакетная сеть, например Фидонет и UUCP
• Онлайновая сеть, например Интернет и GSM

Базовые топологии локальных компьютерных сетей 

     Локальная сеть представляет собой сборище  некоторого количества компьютеров, которые расположены на небольшом расстоянии друг от друга. Рассмотрим основные базовые топологии сети. 

     Топология - общая схема сети, отображающая физическое расположение компьютерных систем в сети и соединений между ними.  

     Под топологией компьютерных сетей мы будем понимать физическое расположение компьютеров относительно друг друга в сети и способу их соединения между собой. Так же топология локальных сетей всегда относиться именно к локальным сетям. В глобальных сетях базовая топология сети не важна, так как сети с коммутацией пакетов передают данные по различным маршрутам, базовые топологии сети (глобальной) скрыта от наших глаз.

       Топология локальных компьютерных  сетей определяет такие параметры  как:

• надежность работы
• возможность расширения сети
• управление обменом данных
• выбор кабельной линии связи

     С математической точки зрения под топологией локальных сетей подразумевается граф, где вершинами является персональные компьютеры и различное коммуникационное оборудование, а ребрами являются как раз таки виды физической связи устройств. Графы в топологии локальных компьютерных сетей называются рабочими станциями. 
 
 
 

     Глобальные  и локальные вычислительные сети 

     Вычислительная  сеть (ВС) - это совокупность ЭВМ, объединённых средствами передачи данных. Средства передачи данных в ВС в общем случае состоят из следующих элементов: связных ЭВМ, каналов связи (спутниковых, телефонных, волоконно-оптических и др.), коммутирующей аппаратуры и др.

     В зависимости от удалённости ЭВМ, входящих в ВС, сети условно разделяют на локальные и глобальные. 

     Локальная сеть (ЛВС) - это группа связанных друг с другом ЭВМ, расположенных в ограниченной территории, например, в здании. Расстояния между ЭВМ в локальной сети может достигать нескольких километров. Локальные сети развёртываются обычно в рамках некоторой организации, поэтому их называют также корпоративными сетями. 

     Если  сеть выходит за пределы здания, то такая ВС называется глобальной. Глобальная сеть может включать в себя другие глобальные сети, локальные сети и отдельные ЭВМ.

     Глобальные  сети практически имеют те же возможности, что и локальные. Но они расширяют область их действия. Польза от применения глобальных сетей ограничена в первую очередь скоростью работы: глобальные сети работают с меньшей скоростью, чем локальные. 

     Сети  предназначены для выполнения многих задач, в том числе:

• организация совместного использования файлов для повышения целостности информации;
• организация совместного использования периферийных устройств, например, принтеров, для уменьшения общих расходов на оборудование офиса;
• обеспечения централизованного хранения данных для облегчения их защиты и архивирования.