Локальные и глобальные компьютерные сети

Министерство  образования и науки Российской Федерации

      Воронежский Государственный Технический Университет

Естественно-гуманитарный факультет

Кафедра САПРИС 
 
 
 

Реферат

по дисциплине «Компьютерные технологии в науке  и образовании»

Тема: «Локальные и глобальные компьютерные сети» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Воронеж 2010 
Содержание

Введение            3

1 Основы компьютерных  сетей        4

1. Основные понятия          4

1.2 Основные компоненты  сети        5

2 Локальные компьютерные сети        7

2.1 Основы  ЛКС           7

2.2 Стандартные коммуникационные протоколы. Стеки протоколов         10

2.3 Базовые технологии ЛКС                14

2.4  Способы построения ЛКС               17

3 Сетевые технологии. Глобальные сети (WAN)            20

3.1 Глобальные сети с коммутацией каналов и пакетов           20

3.2 Структура и основные принципы построения Интернет           22

3.3 Способы доступа в Интернет               24

3.4 Адресация в сети Интернет               28

Заключение                  32

Список  литературы                 34

     Введение 

     В настоящее время компьютерные технологии получили широкое распространение  практически во всех областях деятельности человека. Менеджеры различных направлений, бухгалтеры, экономисты, инженеры-проектировщики, составители и хранители всевозможных  документов, журналисты и издатели, научные работники и многие другие повышают эффективность своей работы с помощью персональных ЭВМ. Для  этого применяются различные  компьютерные технологии.

     Информационные  технологии с применением автономно  работающей ПЭВМ значительно расширяют  интеллектуальные возможности пользователя. Однако более значительный эффект от использования ПЭВМ можно получить при объединении отдельных ПЭВМ организации, предприятия, фирмы и  др. в локальную компьютерную сеть, которая обеспечивает функционирование фирмы как единой слаженной системы. Локальные сети объединяют все службы фирмы, ускоряют документооборот, хранят необходимую информацию и предоставляют  ее работникам фирмы и др. Естественным продолжением тенденции развития информационных технологий являются компьютерные телекоммуникации и глобальные сети, обеспечивающие доступ пользователей к информационным ресурсам всей страны и выход в  мировое информационное пространство. Глобальные сети объединяют правительственные  учреждения, промышленные корпорации, университеты и колледжи, исследовательские  центры, коммерческие компании и общественные организации. Сейчас важнейшая роль в мировых телекоммуникациях  принадлежит, конечно же, Internet, которая охватывает практически все страны, содержит информацию обо всех сторонах человеческой деятельности, не знает пограничных и цензурных ограничений. В настоящее время компьютерные технологии получили широкое распространение практически во всех областях деятельности человека.

     1 Основы компьютерных сетей

1. Основные понятия

     Компьютерная  сеть - это совокупность компьютеров, которые могут осуществлять информационное взаимодействие друг с другом с помощью коммуникационного оборудования и программного обеспечения.

     Телекоммуникации - это передача и прием такой  информации как звук, изображение, данные и текст на большие расстояния по электромагнитным системам: кабельным  каналами; оптоволоконным каналам; радиоканалам и другим каналам связи.

       Телекоммуникационная сеть - это  совокупность технических и программных  средств, посредством которых  осуществляются телекоммуникации.

       К телекоммуникационным сетям  относятся: 

1. Компьютерные  сети (для передачи данных)

2. Телефонные  сети (передача голосовой информации)

3. Радиосети  (передача голосовой информации  - широковещательные услуги)

4. Телевизионные  сети (передача голоса и изображения  - широковещательные услуги)

     Компьютерные  сети создаются с целью доступа  к общесистемным ресурсам (информационным, программным и аппаратным), распределенным (децентрализованным) в этой сети. По территориальному признаку различают  локальные и территориальные (региональные и глобальные) компьютерные сети.

     Основное  отличие LAN от WAN состоит в качестве, использованных линий связи и в том, что в ЛКС существует только один путь передачи данных между компьютерами, а в WAN их множество (существует избыточность каналов связи). Так как линии связи в ЛКС более качественные, то скорость передачи информации в них гораздо выше, чем в WAN.

     Но  осуществляется постоянное проникновение  технологий LAN в WAN и наоборот, что  значительно повышает качество сетей  и расширяет спектр предоставляемых  услуг. Таким образом, различия между LAN и WAN постепенно сглаживаются. 

     1.2 Основные компоненты сети 

     Компьютерную  сеть можно представить многослойной моделью, состоящей из слоев:

- компьютеры;

- коммуникационное оборудование;

- операционные системы;

- сетевые приложения.

     В компьютерных сетях используются различные  типы и классы компьютеров. Компьютеры и их характеристики определяют возможности  компьютерных сетей.

     К коммуникационному оборудованию компьютерных сетей относятся: модемы, сетевые  карты, сетевые кабели и промежуточная  аппаратура сетей. К промежуточной  аппаратуре компьютерных сетей относятся: приемопередатчики или трансиверы (traceivers), повторители или репитеры (repeaters), концентраторы (hubs), мосты (bridges), коммутаторы, маршрутизаторы (routers), шлюзы (gateways).

     Для обеспечения взаимодействия программно-аппаратных комплексов в компьютерных сетях  были приняты единые правила или  стандарт, который определяет алгоритм передачи информации в сетях. В качестве стандарта были приняты сетевые  протоколы, которые определяют взаимодействие оборудования в сетях.

     Так как взаимодействие оборудования в  компьютерной сети не может быть описано  одним единственным сетевым протокол, то был применен многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. В результате была разработана семиуровневая  модель взаимодействия открытых систем - OSI.

     Эта модель разделяет средства взаимодействия на семь функциональных уровней: прикладной, представительный (уровень представления  данных), сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический.

     Набор протоколов, достаточный для организации  взаимодействия оборудования в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Наиболее популярным является стек - TCP/IP. Этот стек используется для связи  компьютеров в сети Internet и в корпоративных сетях.

     Протоколы реализуются автономными и сетевыми операционными системами (коммуникационными  средствами, которые входят в ОС), а также устройствами телекоммуникационного  оборудования (мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами).

     К сетевым приложениям относятся  различные почтовые прикладные программы (Outlook Express, The Bat, Eudora и другие) и браузеры - программы для просмотра веб-страниц (Internet Explorer, Opera, Mozzila Firefox и другие). К прикладным программам для создания сайтов относятся: Macromedia HomeSite Plus, WebCoder, Macromedia Dreamweaver, Microsoft FrontPage и другие приложения.

     Большой интерес представляет глобальная компьютерная сеть Интернет. Internet – это объединение транснациональных компьютерных сетей с различными типами и классами компьютеров и сетевого оборудования, работающих по различным протоколам и передающих информацию по различным каналам связи.

     Интернет - это мощное средство телекоммуникации, хранения и предоставления информации, ведения электронного бизнеса и  дистанционного (интерактивного или  он-лайн) обучения. 

     2 Локальные компьютерные сети

     2.1 Основы локальных компьютерных сетей 

     В настоящее время на предприятиях и в учреждениях нашли широкое  применение ЛКС, основное назначение которых обеспечить доступ к общесетевым (информационным, программным и аппаратным) ресурсам. Кроме того, ЛКС позволяют сотрудникам предприятий оперативно обмениваться друг с другом информацией.

     ЛКС применяются для решения таких проблемы как:

     Распределение данных. Данные в локальной сети хранятся на центральном ПК и могут  быть доступны на рабочих станциях. В связи с этим не надо на каждом рабочем месте иметь накопители для хранения одной и той же информации;

     Распределение ресурсов. Периферийные устройства могут  быть доступны для всех пользователей  ЛВС. Такими устройствами могут быть, например, сканер или лазерный принтер;

     Распределение программ. Все пользователи ЛВС могут  совместно иметь доступ к программам, которые были централизованно установлены  на одном из компьютеров.

       Локальная компьютерная сеть (ЛКС) представляет собой соединение нескольких ПК с помощью соответствующего аппаратного и программного обеспечения. В локальных сетях скорость передачи данных высока, протоколы в сравнении с протоколами глобальных сетей относительно просты, отсутствует избыточность каналов связи.

     Локальные сети в зависимости от административных взаимоотношений между ЭВМ разделяются  на:

- иерархические или централизованные;

- одноранговые.

     Локальные сети в зависимости от физических и логических взаимоотношений между  ЭВМ отличаются архитектурой (Ethernet, Token Ring, FDDI и т.д.) и топологией (шинная, кольцевая, звезда и т.д.).

     В локальных сетях реализуется  технология «клиент – сервер». Сервер – это объект (компьютер или  программа) который  предоставляет  сервисные услуги, а клиент –  это объект (компьютер или программа), который запрашивает сервер предоставить эти услуги.

     В одноранговых сетях сервер может быть одновременно и клиентом, т.е. использовать ресурсы другого ПК или того же ПК, которому он сам предоставляет ресурсы.

     Сервер  в иерархических сетях может  быть клиентом только сервера более  высокого уровня иерархии. Иерархические  сети называются сетями с выделенным сервером. Компьютеры, составляющие локальную  сеть, принято называть узлами. Каждый узел может представлять собой сервер или рабочую станцию.

     Одноранговая (одноуровневая) локальная сеть

     Одноранговая сеть – это сеть равноправных компьютеров (рабочих станций), каждый из которых имеет уникальное имя и пароль для входа в компьютер. Одноранговая сеть не имеют центрального ПК.  
 

     Рисунок 1 – Одноранговая локальная сеть 

     В одноранговой сети каждая рабочая станция может разделить все ее ресурсов с другими рабочими станциями сети. Рабочая станция может разделить часть ресурсов, а может вообще не предоставлять никаких ресурсов другим станциям. Например, некоторые аппаратные средства (сканеры, принтеры винчестеры, приводы CD-ROM, и др.), подключенные к отдельным ПК, используются совместно на всех рабочих местах.

     Каждый  пользователь одноранговой сети является администратором на своем ПК. Одноранговые сети применяются для объединения в сеть небольшого числа компьютеров – не более 10-15. Одноранговые сети могут быть организованы, например, с помощью операционной системы Windows 95, 98, 2000, Windows XP и другими ОС.

       Для доступа к ресурсам рабочих  станций в одноранговой сети необходимо войти в папку сетевое окружение, дважды щелкнув на пиктограмме Сетевое окружение и выбрать команду Отобразить компьютеры рабочей группы. После этого на экране будут отображены компьютеры, которые входят в одноранговую сеть, щелкая мышью на пиктограммах компьютеров можно открыть логические диски и папки с общесетевыми ресурсами.

     Иерархические (многоуровневые) локальные сети

     Иерархические локальные сети – локальные сети, в которых имеется один или  несколько специальных компьютеров  – серверов, на которых хранится информация, совместно используемая различными пользователями. Иерархические  локальные сети – это, как правило, ЛКС с выделенным сервером, но существуют сети и с невыделенным сервером. В сетях с невыделенным сервером функции рабочей станции и сервера совмещены. Рабочие станции, входящие в иерархическую сеть, могут одновременно организовать между собой одноранговую локальную сеть. 

     Рисунок 2 – Иерархическая локальная сеть 

       Выделенные серверы обычно представляют  собой высокопроизводительные компьютеры, с винчестерами большой емкости.  На сервере устанавливается сетевая  операционная система, к нему  подключаются все внешние устройства (принтеры, сканеры, жесткие диски,  модемы и т.д.). Предоставление  ресурсов сервера в иерархической  сети производится на уровне  пользователей.

     Каждый  пользователь должен быть зарегистрирован  администратором сети под уникальным именем (логином) и пользователи должны назначить себе пароль, под которым  будут входить в ПК и сеть. Кроме  того, при регистрации пользователей  администратор сети выделяет им необходимые  ресурсы на сервере и права  доступа к ним.

     Компьютеры, с которых осуществляется доступ к информации на сервере, называются рабочими станциями, или клиентами. На них устанавливается автономная операционная система и клиентская часть сетевой операционной системы. В локальные операционные системы  Windows 95, 98, 2000, Windows XP включена клиентская часть таких сетевых операционных систем как: Windows NT Server, Windows 2003 Server.

     В зависимости от способов использования  сервера в иерархических ЛВС  различают серверы следующих  типов.

     Файловый  сервер. В этом случае на сервере  находятся совместно обрабатываемые файлы и совместно используемые программы.

     Сервер  баз данных. На сервере размещается  сетевая база данных. База данных на сервере может пополняться с  различных рабочих станций и  выдавать информацию по запросам с  рабочих станций.

     Сервер  доступа – выделенный компьютер  в локальной сети для выполнения удаленной обработки заданий. Сервер выполняет задание, полученное с  удаленной рабочей станции, и  результаты направляет на удаленную  рабочую станцию. Другими словами  сервер предназначен для удаленного доступа (например, с мобильного ПК) к ресурсам локальной сети.

     Сервер - печати. К компьютеру небольшой  мощности подключается достаточно производительный принтер, на котором может быть распечатана  информация сразу с нескольких рабочих  станций. Программное обеспечение  организует очередь заданий на печать.

     Почтовый  сервер. На сервере хранится информация, отправляемая и получаемая как по локальной сети, так и извне  по модему. Пользователь может просмотреть  поступившую на его имя информацию или отправить через почтовый сервер свою информацию.

       Одноранговые и иерархические локальные сети имеет свои преимущества и недостатки. Выбор типа локальной сети зависит от требований предъявляемых к ее стоимости, надежности, скорость обработки данных, секретности информации и т.д. 

     2.2 Стандартные коммуникационные протоколы. Стеки протоколов 

       Для обеспечения взаимодействия  различных программных и аппаратных  средств в компьютерных сетях были приняты единые правила или стандарт, который определяет алгоритм передачи информации в сетях.

       В качестве стандарта были  приняты сетевые протоколы, которые  определяют взаимодействие оборудования  в сетях. Следует отметить, что  в вычислительных сетях осуществляется  обмен данными не только между  узлами как физическими устройствами, но и между программными модулями.

     Так как взаимодействие оборудования и  программ в сети не может быть описано  одним единственным сетевым протокол, то был применен многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. В результате была разработана семиуровневая  модель взаимодействия открытых систем - OSI.

     Эта модель разделяет средства взаимодействия на семь функциональных уровней: прикладной, представительный (уровень представления  данных), сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический.

     Протоколы реализуются автономными и сетевыми операционными системами (коммуникационными  средствами, которые входят в ОС), а также устройствами телекоммуникационного  оборудования (сетевыми адаптерами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами).

     Рассмотрим  функции, выполняемые каждым функциональным уровнем семиуровневой модели взаимодействия открытых систем при передаче пакета данных от сетевого приложения, одного компьютера к сетевому приложению, работающему на другом компьютере.

     Рисунок 3 – Механизм передачи сообщения  между ПК1 и ПК2 

     Механизм  передачи сообщения между ПК1 и ПК2 можно представить в виде последовательной пересылки этого сообщения сверху вниз от прикладного уровня до физического уровня. Затем физический уровень ПК1 обеспечивает пересылку сообщения (данных) по сети физическому уровню ПК2. Далее сообщение передается снизу вверх от физического уровня до прикладного уровня ПК2.

     1. Прикладной уровень – самый  верхний уровень модели OSI. Прикладной  уровень управляет общим доступом  к сети, потоком данных и обработкой  ошибок. Прикладной уровень получает  запрос (сообщение) от сетевого  приложения, работающего на компьютере  ПК1, который требуется передать сетевому приложению, работающему на ПК2.

      2. Представительный уровень (уровень  представления данных) определяет  формат, используемый для обмена  данными между ПК1 и ПК2. На ПК1 данные, поступившие от прикладного уровня, на представительном уровне переводятся в промежуточный формат. На ПК2 на этом уровне происходит перевод из промежуточного формата в тот, который используется прикладным уровнем данного компьютера.

      3. Сеансовый уровень позволяет  двум приложениям на ПК1 и ПК2  устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек.

      4. Транспортный уровень осуществляет  контроль данных и гарантирует  доставку пакетов без ошибок. Кроме того, транспортный уровень  выполняет деление длинных сообщений,  поступающих от верхних уровней  ПК1, на пакеты данных (при передаче данных) и формирование первоначальных сообщений в ПК2 из набора пакетов, полученных через канальный и сетевой уровни.

     Транспортный  уровень и уровни, которые находятся  выше, реализуются программными средствами ПК1 и ПК2 (компонентами их сетевых операционных систем). Транспортный уровень связывает нижние уровни (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами.

     5. Сетевой уровень служит для  образования единой транспортной  системы, объединяющей несколько  сетей, которые могут иметь  различные принципы передачи  сообщений. Внутри сети доставка  данных обеспечивается соответствующим  канальным уровнем, а доставку  данных между сетями выполняет  сетевой уровень. Сетевой уровень  реализуется программными модулями  операционной системы, программными  и аппаратными средствами маршрутизаторов.

      6. Канальный уровень обеспечивает  пересылку пакетов между любыми  двумя ПК локальной сети. Кроме  того, канальный уровень осуществляет  управление доступом к передающей  среде. Функции канального уровня  реализуются сетевыми адаптерами  и их драйверами.

      7. Физический уровень обеспечивает  физический путь для электрических  сигналов, несущих информацию. Этот  уровень характеризует параметры  физической среды передачи данных. Физический уровень определяет  характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, типы разъемов и назначение  каждого контакта. Как правило,  функции физического уровня реализуются  сетевым адаптером или портом.

       В вычислительных сетях, как  правило, применяются наборы протоколов, а не все функциональные уровни  модели взаимодействия открытых  систем. Набор протоколов, достаточный  для организации взаимодействия  оборудования в сети, называется  стеком коммуникационных протоколов.

       Наиболее популярными являются  стеки протоколов: TCP/IP, IPX/SPX, NetBEUI/NetBIOS, и другие. Эти стеки протоколов на физическом и канальном уровнях используют стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. На верхних уровнях все стеки работают со своими собственными протоколами. 

     2.3 Базовые технологии локальных сетей 

     Архитектуры или технологии локальных сетей  можно разделить на два поколения. К первому поколению относятся  архитектуры, обеспечивающие низкую и  среднюю скорость передачи информации: Ethernet 10 Мбит/с), Token Ring (16 Мбит/с) и ARC net (2,5 Мбит/с).

     Для передачи данных эти технологии используют кабели с медной жилой. Ко второму  поколению технологий относятся  современные высокоскоростные архитектуры: FDDI (100 Мбит/с), АТМ (155 Мбит/с) и модернизированные версии архитектур первого поколения (Ethernet): Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с).

     Усовершенствованные варианты архитектур первого поколения  рассчитаны как на применение кабелей  с медными жилами, так и на волоконно-оптические линии передачи данных.

     Новые технологии (FDDI и ATM) ориентированы на применение волоконно-оптических линий  передачи данных и могут использоваться для одновременной передачи информации различных типов (видеоизображения, голоса и данных).

     Сетевая технология – это минимальный  набор стандартных протоколов и  реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. Сетевые технологии называют базовыми технологиями. В  настоящее время насчитывается  огромное количество сетей, имеющих  различные уровни стандартизации, но широкое распространение получили такие известные технологии, как Ethernet, Token-Ring, Arcnet, FDDI.

     Методы  доступа к сети

     Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (конфликтов). Перед началом передачи каждая рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу данных. Реально конфликты приводят к снижению быстродействия сети только в том случае, когда работают 80–100 станций.

     Метод доступа Arcnet. Этот метод доступа получил широкое распространение в основном благодаря тому, что оборудование Arcnet дешевле, чем оборудование Ethernet или Token -Ring. Arcnet используется в локальных сетях с топологией «звезда».

     Один  из компьютеров создает специальный  маркер (специальное сообщение), который  последовательно передается от одного компьютера к другому. Если станция  должна передать сообщение, она, получив  маркер, формирует пакет, дополненный  адресами отправителя и назначения. Когда пакет доходит до станции  назначения, сообщение «отцепляется»  от маркера и передается станции.

     Метод доступа Token Ring. Этот метод разработан фирмой IBM; он рассчитан па кольцевую топологию сети. Данный метод напоминает Arcnet, так как тоже использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. В отличие от Arcnet при методе доступа Token Ring предусмотрена возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям.

     Базовые технологии ЛКС

     Технология  Ethernet сейчас наиболее популярна в мире. В классической сети Ethernet применяется стандартный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако  все большее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары, так как монтаж и обслуживание их гораздо проще. Применяются топологии типа “шина” и типа “пассивная звезда”.

       Стандарт определяет четыре основных  типа среды передачи.

     10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);