Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Компьютерные сети. 3. 2

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть - это совокупность ПК и других устройств (концентраторов, принтеров, модемов и т. д.), объединяемых вместе с помощью сетевых кабелей. Устройства сети могут взаимодействовать друг с другом с целью совместного использования информации и ресурсов.

Принципы сетевого взаимодействия не зависят от количества компьютеров. Чтобы понять принципы общения сотен компьютеров достаточно понять, как это делает пара.

Сеть, которая организует взаимодействие в ограниченной области, называется локальной вычислительной сетью (ЛВС, LAN). Достаточно часто ЛВС размещается в одном месте (например, в офисе). Глобальная вычислительная сеть (ГВС, WAN) - это группа устройств или ЛВС, которые располагаются в разных удаленных друг от друга местах и связываются между собой телефонными каналами, высокоскоростными выделенными линиями, оптоволоконными и спутниковыми каналами. Компьютеры в ГВС могут находиться на расстоянии десятков километров. Но подобное разделение достаточно условно - одни и те же технологии могут применяться и в пределах одного офиса, и в пределах города, и для связи между городами. Самый известный пример ГВС - Internet.

Существует несколько способов подключения компьютера к сети: с помощью кабеля USB, кабеля Ethernet, волоконно-оптического кабеля, беспроводной сети или персональной сети Bluetooth. Ниже будут рассмотрены особенности обеспечения связи между двумя компьютерами с использованием этих средств.

Кабель USB

Порты USB позволяют подавать питание на определенные устройства и одновременно осуществлять передачу данных. Внутри кабеля USB имеется четыре провода, два из которых предназначены для подачи питания, а другие два - для передачи данных. Во избежание путаницы стандарты USB предусматривают использование разъемов типа A и B и связь компьютеров с помощью кабелей USB обеспечивает сравнительно невысокую скорость передачи данных. Скорость передачи зависит также от качества кабеля, операционной системы, протоколов, сетевых устройств, центрального процессора и других электронных узлов.

Кабели Ethernet с прямыми и перекрестными проводниками

Для соединения компьютеров в локальных сетях чаще всего используются кабели Ethernet. Ethernet - стандарт связи, предназначенный для локальных сетей. Наиболее часто встречаются кабели Ethernet с прямыми (straight), перекрестными (cross over) и перевернутыми (roll over) соединениями. Кабель с прямыми соединениями предназначен для соединения компьютера с хабом или коммутатором, кабель с перекрестными соединениями используется для соединения двух компьютеров напрямую, а с перевернутыми соединениями - для соединения хабов или коммутаторов. Кабель с перевернутыми соединениями используется также для подключения компьютера к порту консоли маршрутизатора.

Персональная сеть (PAN) на базе Bluetooth

Персональная беспроводная сеть на базе Bluetooth представляет собой технологию, использующуюся для создания сети Ethernet с применением беспроводной связи с мобильными компьютерами. В такую сеть можно соединить до восьми компьютеров, мобильных устройств, например мобильных телефонов и карманных компьютеров, и т.п. При этом ноутбук со встроенной системой Bluetooth может связываться с компьютером, снабженным внешним портом связи типа Bluetooth.

Беспроводная (Wi-Fi) сеть компьютер-компьютер

Беспроводную связь возможно осуществлять также по протоколу IEEE Wireless 802.11b/g, который еще называют Wi-Fi или беспроводным Ethernet. Компьютеры, снабженные платами локальной беспроводной сети, получают возможность обмениваться данными с точками доступа. Главными компонентами, используемыми в локальной беспроводной сети, являются беспроводные маршрутизаторы, платы локальной беспроводной сети, точки доступа и т.п. Для настройки настольного компьютера необходимо подсоединить к нему беспроводную точку доступа и далее действовать по инструкции.
Волоконно-оптический кабель

Волоконно-оптический кабель состоит из нескольких стеклянных волокон, позволяющих передавать данные со скоростью света. Волоконно-оптические кабели обладают большой пропускной способностью и характеризуются скоростью передачи порядка Гбайт/с. Сигналы, передаваемые по волоконно-оптическим кабелям не нуждаются в регенерации. Они очень стойки к воздействию электромагнитных сигналов, возникающих рядом с различными силовыми кабелями, электродвигателями и источниками электромагнитных помех. Технология внедрения волоконно-оптической связи в быту FTTH стала общепринятым стандартом благодаря очень высокой скорости подключения к Интернету - до 100 Мбайт/с и выше.

Передача данных по сети

Передача данных может осуществляться последовательно или параллельно. При параллельной передаче биты данных передаются одновременно по нескольким проводникам (по шине).

Напротив, последовательное соединение подразумевает передачу данных по очереди бит за битом. В сетях чаще всего используется именно этот способ.

При передаче используют три различных метода, обозначаемых разными терминами: симплексный (simplex), дуплексный(duplex) и полудуплексный(half-duplex). При симплексном методе данные предаются только в одном направлении. При полудуплексном - в обоих направлениях, но в разное время, а в дуплексном - одновременно в обоих направлениях.

Коммутируемые сети

Коммутация, или переключение соединения позволяет аппаратным средствам использовать один и тот же физический канал для соединения со множеством устройств. Этот принцип лежит в основе телефонной сети общего пользования (ТФОП). При отсутствии механизма коммутации, вам необходимо иметь тысячу соединительных линий чтобы позвонить тысяче абонентов. Используя механизм коммутации можно обойтись одной единственной линией. По этой же причине коммутация используется в компьютерных сетях. Существует два вида коммутации: коммутация цепей и коммутация пакетов.

Переключение цепей создает единое непрерывное соединение между двумя сетевыми устройствами. Пока эти устройства взаимодействуют, другие не могут воспользоваться этим соединением. Т.е. устройства делят между собой физический канал связи и вынуждены ждать, пока он не освободится. В телефонной сети используют именно этот способ коммутации.

Переключение пакетов позволяет не поддерживать постоянный физический канал между двумя устройствами. Информация при этом способе коммутации делится на части, называющиеся пакетами, и каждый пакет передается отдельно, по свободным в данный момент каналом связи. При этом каждый пакет может проходить по своему маршруту.

Топология сети

Термин «топология», или «топология сети», характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология -- это стандартный термин, который используется при описании основной компоновки сети. Если Вы поймете, как используются различные топологии, Вы сумеете понять, какими возможностями обладают различные типы сетей.

Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель. Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров. Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, и эти методы оказывают большое влияние на сеть.

Базовые топологии

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

- шина (bus);

- звезда (star);

- кольцо (ring).

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля [сегмента (segment)], топология называется шиной.

В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора, топология называется звездой.

Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца.

Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий.

Топология типа «шина»

Топологию «шина» часто называют «линейной шиной» (linear bus). Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети (рис. 1.1).

Взаимодействие компьютеров

В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, Вы должны уяснить следующие понятия:

- передача сигнала;

- отражение сигнала; терминатор.

Передача сигнала

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу. Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

- характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;

- частота, с которой компьютеры передают данные;

- тип работающих сетевых приложений;

- тип сетевого кабеля;

- расстояние между компьютерами в сети.

Шина -- пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Отражение сигнала

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети - от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.

Терминатор

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают заглушки (терминаторы, terminators), поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел-коннектору -- для увеличения длины кабеля. К любому свободному -- неподключенному -- концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Нарушение целостности сети

Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть «падает». Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Расширение ЛВС

Увеличение участка, охватываемого сетью, вызывает необходимость ее расширения. В сети с топологией ``шина'' кабель обычно удлиняется двумя способами.

Для соединения двух отрезков кабеля можно воспользоваться баррел-коннектором (barrel connector). Но злоупотреблять ими не стоит, так как сигнал при этом ослабевает. Лучше купить один длинный кабель, чем соединять несколько коротких отрезков. При большом количестве ``стыковок'' нередко происходит искажение сигнала.

Для соединения двух отрезков кабеля служит репитер (repeater). В отличие от коннектора, он усиливает сигнал перед передачей его в следующий сегмент. Поэтому предпочтительнее использовать репитер, чем баррел-коннектор или даже один длинный кабель: сигналы на большие расстояния пойдут без искажений.

Топология типа «кольцо»

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо (рис.1.2). Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Передача маркера

Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который «хочет» передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает адрес получателя в данные и посылает их по кольцу.

Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приёма данных. Получим подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть.

На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 метров маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Топология типа «звезда»

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (рис. 1.3). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру.

В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованны. Но есть и недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети. А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет.

Сетевые устройства

Повторитель (repeater)

Усиливает сигнал сетевого кабеля, который затухает на расстоянии более 100 м. Он работает на физическом уровне стека протоколов, не требует программного обеспечения и представляет собой обычно автономное устройство, не дающее непроизводительных издержек при передаче данных. Таким образом, с помощью наращивания сегментов общая протяженность сети может достигать 500 м. Компьютеры, связанные повторителем считаются принадлежащими одному сегменту. Количество компьютеров в сегменте не должно превышать 50.

Мост

Это устройство уровня связи данных, объединяющее две или более сети с одной или разной топологией. Обычно это компьютер с несколькими сетевыми платами, к каждой из которых подсоединен свой сегмент ЛВС. Основной задачей моста служит обеспечение прозрачной связи между абонентами различных сетей.

Коммутатор (коммутирующий концентратор, switch)

Сочетают в себе функции многопортового повторителя и высокоскоростного моста. Их упрощенной «неинтеллектуальной» версией исполнения являются концентраторы (хабы), которые просто на физическом уровне соединяют сегменты сети «звездой» и рассылают все пакеты на все порты.

Маршрутизатор

Требует более высокого уровня протоколов архитектуры связи, чем мост или коммутатор. Он связывает сегменты сети через сетевой уровень. Например, инструкции по маршрутизации пакетов содержатся в сетевом уровне IP. Маршрутизатор отличается от моста тем, что он может считывать адрес рабочей станции и адрес ЛВС в пакете. Благодаря этому маршрутизатор может фильтровать пакеты и перенаправлять их по наилучшему маршруту, который определяет по таблице маршрутизации.

Шлюз

Обычно работает на самом высоком уровне стека протоколов и обеспечивают взаимодействие систем и сетей, которые используют несовместимые протоколы. Примерами межсистемных продуктов являются пакеты электронной почты. Они позволяют обмениваться почтовыми файлами пользователей на самых различных системах.

Сетевой адаптер

PC подключается к сети с помощью сетевой карты, которая устанавливается в один из свободных слотов материнской платы. Сетевые карты являются посредниками между PC и сетью и передают данные по системе шин к CPU и RAM сервера или рабочей станции. Большинство сетевых карт имеют гнездо для установки микросхемы ПЗУ удаленной загрузки (Remote Boot ROM), что необходимо для бездисковых станций.

Выпускаются 16- и 32-разрядные сетевые карты для различных компьютерных архитектур: ISA, EISA, PCI, MCA.

На внешней стороне карты имеются разъемы для подключения кабелей:

- BNC - разъем для подключения тонкого коаксиального кабеля Ethernet (RG-58) (сетевая среда 10Base2)

- AUI - разъем для подключения толстого кабеля Ethernet (сетевая среда 10Base5)

- RJ-45 (UTP) - разъем для подключения витой пары (сетевая среда 10BaseT, 100BaseTX)

- ST - разъем для подключения оптоволоконного кабеля (сетевая среда 10BaseFX, 100BaseFX)

Сетевые карты бывают 16- и 32-разрядными и имеют исполнение для различных компьютерных архитектур: ISA, EISA, PCI, MCA.

Кабели

В сети данные передаются по кабелям, соединяющим отдельные компьютеры различным образом в зависимости от топологии и вида сети (Ethernet, Arcnet, Token Ring). Витая пара - это два изолированных медных провода, скрученных между собой. Для Ethernet используется 8-жильный кабель, т.е. состоящий физически из 4-х витых пар. При этом различают неэкранированный (UTP) и экранированный (STP) кабели. Разъем соответствует стандарту RJ-45.

Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника (одножильного или многожильного) и внешней экранирующей оплетки. Для Ethernet применяют кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Существуют два варианта реализации Ethernet на коаксиальном кабеле: на тонком кабеле и на толстом. Для Ethernet на тонком кабеле рекомендуется использовать кабель RG-50. Толстый кабель "Yellow Ethernet" по своим показателям значительно превосходит тонкий.

Оптоволоконный кабель (ВОК), проводящий световые волны, состоит из двух проводов, причем каждый из них может передавать данные только в одном направлении. Этот кабель изготовлен из стекла (или пластика), покрытого материалом, отражающим свет, и оболочкой из различных термопластических материалов. ВОК может быть одномодовым и многомодовым. Лазер или светодиод испускает пульсирующий пучок света в торец стеклянного сердечника, расположенного на одном конце кабеля.

Этот пучок распространяется по кабелю в одномодовом или многомодовом режиме, который зависит от физических свойств ВОК. Оптическое волокно одномодового кабеля имеет сечение от 8 до 10 мкм, многомодового - 62,5 мкм, может варьироваться в пределах от 50 до 100 мкм. На другом конце кабеля установлен приемник, преобразующий импульсы света в электрический сигнал. Такие кабели обладают многими замечательными свойствами: они невосприимчивы к электромагнитному радиочастотному излучениям, позволяют передавать данные с очень высокой скоростью. Однако ВОК все еще значительно дороже медного кабеля, а установка требует участия специалистов очень высокой квалификации.

Максимальная длина сегмента кабеля

- Витая пара - 100 м;

- Тонкий коаксиальный кабель - 185 м (максимальная длина кабелей всей сети при использовании дополнительного оборудования может достигать 925 м);

- Толстый коаксиальный кабель - 500 м (общая длина кабелей сети при использовании специальных усилителей может составлять 2500 м);

- Оптоволоконный кабель одномодовый -10 км;

- Оптоволоконный кабель многомодовый - 2 км

Одноранговые сети

В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного (dedicated) сервера. Как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер; иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Все пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступными по сети.

Одноранговые сети называют также рабочими группами. Рабочая группа -- это небольшой коллектив, поэтому в одноранговых сетях чаще всего не более 20 компьютеров.

Одноранговые сети относительно просты. Поскольку каждый компьютер является одновременно и клиентом, и сервером, нет необходимости в мощном центральном сервере или в других компонентах, обязательных для более сложных сетей.

Одноранговые сети обычно дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных (и более дорогих) компьютеров.

В одноранговой сети требования к производительности и к уровню защиты для сетевого программного обеспечения, как правило, ниже, чем в сетях с выделенным сервером.

Выделенные серверы функционируют исключительно в качестве серверов, но не клиентов или рабочих станций (workstation).

В такие операционные системы, как Microsoft Windows NT Workstation, Microsoft Windows 9Х, Microsoft Windows 2000/XP, встроена поддержка одноранговых сетей. Поэтому, чтобы установить одноранговую сеть, дополнительного программного обеспечения не требуется.

Реализация и целесообразность применения

Одноранговая есть характеризуется рядом стандартных решений:

- компьютеры расположены на рабочих столах пользователей;

- пользователи сами выступают в роли администраторов и обеспечивают защиту информации;

- для объединения компьютеров в сеть применяется простая кабельная система.

Одноранговая сеть вполне подходит там, где:

- количество пользователей не превышает 20 человек;

- пользователи расположены компактно;

- вопросы зашиты данных не являются критичными;

- в обозримом будущем не ожидается значительного расширения фирмы и, следовательно, сети.

Если эти условия выполняются, то, вероятнее всего, выбор одноранговой сети будет правильным. Поскольку в одноранговой сети каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер, пользователи должны обладать достаточным уровнем знаний, чтобы работать и как пользователи, и как администраторы своего компьютера.

Сети на основе сервера

Если к сети подключено более 20 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей использует выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом, и именно они будут приводиться обычно в качестве примеров.