Локальные и глобальные сети. 3

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Компьютеры появились в жизни человека не так уж давно, но почти любой человек может с твердой уверенностью сказать, что будущее - за компьютерными технологиями.

На заре своего появления компьютеры представляли собой громоздкие устройства, работающие на лампах и занимающие настолько много места, что для их размещения требовалась не одна комната. При всем этом производительность таких машин, по сравнению с современными была невероятно мала.

Время шло. Постепенно научная мысль и возможности ученых развились настолько, что производство меньших по размеру, но более производительных компьютеров стало реальностью.

Процесс развития персонального компьютера движется с постоянно увеличивающимся ускорением, в связи с чем в ближайшем будущем компьютеры станут обязательным и незаменимым атрибутом любого предприятия, офиса и большинства квартир.

Причиной столь интенсивного развития информационных технологий является все возрастающая потребность в быстрой и качественной обработки информации, потоки которой с развитием общества растут как снежный ком.

Одной из наиболее перспективных на данный момент областей исследования является разработка так называемых нейрокомпьютеров, основанных на молекулах ДНК определенного вида водорослей, и способных хранить громадные объёмы информации относительно современного ПК при минимальных размерах самих носителей информации.

Большой успех в последнее время получили так называемые виртуальные технологии, которые позволяют с большой точностью моделировать физические явления, процессы, предметы, а так же их взаимодействие в совокупности. Такие технологии используются в различных областях деятельности человека.

Компьютеры уже прочно вошли в современный мир, во все сферы человеческой деятельности и науки, тем самым создавая необходимость в обеспечении их различным программным обеспечением. Конечно, в первую очередь это связано с развитием электронной вычислительной техники и с её быстрым совершенствованием и внедрением в различные сферы человеческой деятельности.

Объединение компьютеров в сети позволило значительно повысить производительность труда. Компьютеры используются как для производственных (или офисных) нужд, так и для обучения.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СЕТЕЙ

В 1957-м году по указу президента США Дуайта Эйзенхауэра в подразделении отдела государственной обороны были сформированы "Национальная аэрокосмическая администрация" (National Aeronautics and Space Administration - NASA) и агентство по передовым оборонным исследованиям (Defence Advanced Research Projects Agency - DARPA).

  История развития сетей  началась с того, что в начале 60-х годов основные усилия DARPA были направлены на то, чтобы  соединить между собой два  мейнфрейма, удаленные друг от  друга на большое расстояние (находящиеся  в двух разных штатах).

 Главный компьютер и много терминалов, подключенных к нему. Это, в любом случае, - централизованная обработка данных, осуществляемая одним компьютером. Терминалы - только средство удаленного ввода команд. А как соединить между собой два (или больше) мейнфрейма?!

  Агентство выделяет  большие средства для привлечения  к разработке передовых умов  различных национальных университетов  и образовательных центров. Одной  из таких "находок" для DARPA стал  Массачусетский Технологический  Институт - «MIT»  Именно в стенах этого университета получила свое начало история развития сетей. По низкоскоростным коммутируемым телефонным линиям были соединены между собой два суперкомпьютера (мейнфрейма), один из которых находился в Массачусетсе, а другой - в Калифорнийском университете. По такому же принципу (через телефонные линии связи) к основному компьютеру происходило и подключение удаленных на большие расстояния терминалов.

  В 1969-ом году министерство  обороны США объединило в одну  сеть суперкомпьютеры нескольких  оборонных и научно-исследовательских  центров:

• University of California (Los Angeles)

• Stanford Research Institute

• University of California (Santa Barbara)

• University of Utah

Эта сеть получила название «ARPANET». Можно сказать, - сеть-прародитель Интернета. В подобной структуре уже присутствует такое понятие, как распределенная обработка данных. Как Вы понимаете, для военных это - критически важный параметр. Устраняется единый центр обработки, который может быть потенциальной мишенью противника.

  На начальном этапе  развития компьютерных сетей  передачи данных, коммутация происходила  с помощью устройств, называемых  аналоговыми модемами (позже появились  цифровые модели). Модем это - сращение  двух слов: "модулятор" и "демодулятор". На фото ниже представлено  устройство компании «US Robotics».

Рисунок 1 – Устройство компании «US Robotics»

  Как видите, в самом  названии заложен принцип работы: модуляция (кодирование) сигнала на  одном конце телефонной линии  и последующая демодуляция (раскодирование) на другом абонентском окончании.

  Для лучшего понимания  терминологии нам надо знать, какие же бывают виды сетей? Давайте перечислим три их  основные разновидности:

1. Wide Area Network (WAN)

2. Metropolitan Area Network (MAN)

3. Local Area Network (LAN)

Первый тип это - глобальные сети с большим количеством сопряженных в них устройств (компьютеров, шлюзов, маршрутизаторов, устройств IP телефонии и т.д.) Это, конечно, не весь Интернет, но - заметная его часть. Ко второму типу относятся компьютерные сети отдельных городов, где автономные (локальные) сети объединяются в нечто большее. Последний тип, который нас будет интересовать, это - локальные сети (LAN), к которым относятся объединенные для совместной работы компьютеры различных организаций или кампусов. 

  История развития сетей  и, в перспективе, - Интернета сначала  двигалась в сторону развития  глобальных сетей класса WAN, так  как между собой соединялись  компьютеры, находящиеся друг от  друга на расстоянии в сотни  и тысячи километров.

 Первые компьютерные сети взяли очень много от телефонных сетей, по которым передавали свои данные. Они внесли и нечто свое новое и - очень важное.

  Какой принцип коммутации  абонентов используется при телефонном  разговоре? Мы снимаем трубку, набираем  номер и ждем, когда на другом  конце человек тоже подымет  трубку. Это - коммутация каналов. При таком взаимодействии вся линия (канал) во время разговора двух абонентов заняты и никто другой в эту линию "вклиниться" не может. Редкие случаи "глюков" на подстанции мы сейчас не рассматриваем. Причем, по статистике, паузы в телефонном разговоре могут занимать до 40% от его общего времени, что, согласитесь, абсолютно неэффективно с точки зрения использования пропускной способности этого самого канала в разрезе IT технологий.

  Поэтому учеными был  выдвинут новый принцип передачи  информации: принцип коммутации пакетов. Данные здесь делятся на небольшие порции (пакеты) и передаются по сети. В заголовке каждого такого "пакета" четко прописан адрес узла-получателя. Причем, сами данные могут идти до конечного узла разными маршрутами через глобальную сеть, но, в конечном итоге, все они окажутся на входе его сетевой карты и будут "собраны" ей в исходную структуру (файл, фильм, архив программы и т.д.)

  Конечно, при таком  подходе некоторые пакеты могут  просто потеряться по пути  следования, но тогда в дело  вступают механизмы контроля  доставки, которые подают запрос  на повторную передачу недостающих  частей.

  История развития компьютерных  сетей уже тогда продемонстрировала, что компьютерный трафик - пульсирующий (передается не равномерно), в  его движении есть как периоды  простоя, так и активности. И принцип  коммутации пакетов позволяет  с максимальной эффективностью  использовать любое образовавшееся "окно" для передачи данных  другого компьютера,  Таким образом, один канал передачи может быть разделен между большим количеством пользователей, которые даже не будут догадываться, что используют его не монопольно.

  После определения метода передачи, в истории развития сетей назрела необходимость сменить среду передачи данных. Телефонные каналы тональной частоты (обычные телефонные линии) не годились для передачи все возрастающего трафика компьютерных сетей. Они были низкоскоростными, с узкой полосой пропускания и сильно подвержены помехам и различным наводкам на сигнал извне. Что вынуждало использовать в тогдашних модемах сложные алгоритмы контроля и восстановления формы передаваемого сигнала.

  В те годы (70-е годы прошлого века) широкое распространение получили сети X.25, арендуемые поставщиками услуг Интернета у местных телефонных компаний для передачи своих данных. Их неоспоримым преимуществом, на тот момент, было то, что внутри одной физической линии передачи данных могло быть создано большое количество виртуальных каналов для связи абонентов (мы читаем - компьютеров) и передачи их трафика.

  В середине 70-х годов  прошлого века случилось событие, которому история развития сетей  обязана многим. Появились БИС (большие  интегральные схемы, рисунок 1) - микрочипы, в одном кристалле кремния которых могло располагаться до 10 000 элементов.

Рисунок 2 – Большие интегральные схемы

  На тот момент, это  открывало грандиозные перспективы! Так родилась идея персональных  компьютеров для каждого. Одними  из ярых защитников ее были молодой Стив Джобс и его друг - Стив Возняк, которые на основе БИС собрали в гараже родителей Стива свой первый персональный компьютер.

  Начался отсчет последних  лет мощных мейнфреймов. Ведь  группа небольших ПК, объединенная  в сеть, могла производить необходимые  вычисления и расчеты быстрее, чем один, пусть даже и суперкомпьютер. На тот момент проблема была  в том, что не было сетей, как  таковых. Мини-компьютеры еще долгое  время продолжали работать на  различных предприятиях отдельно  друг от друга. Назревала необходимость  создания локальных вычислительных  сетей (LAN).

  Во второй половине  семидесятых, начале 80-х для объединения  вычислительной техники в сеть  использовались "устройства сопряжения" (аналог теперешних свитчей), которые  каждый из производителей компьютеров  делал строго под свои изделия. Не было единого стандарта  обмена данными (протокола передачи), что делало задачу построения  локальной сети очень не тривиальной.

  В середине 80-х годов  усилиями ученых-инженеров был  сделан еще один очень важный  шаг в истории развития сетей. Появились стандартные сетевые  технологии. Давайте перечислим  самые известные из них:

• Ethernet

• Token Ring

• Arcnet

• FDDI - появилась позже остальных

Что нового привнесли стандартные сетевые технологии? Во первых, все они изначально базировались на знакомом уже нам принципе коммутации пакетов, во вторых, имели четко стандартизированные (в рамках конкретной технологии) сетевое оборудование и протоколы передачи данных. Это позволяло без значительных усилий масштабировать локальную сеть практически без ограничений.

  История развития сетей  шла своим ходом, и в конце 80-х  годов различия между глобальными  и локальными сетями стали  достаточно существенными. В это  время ПК практически полностью  вытеснили мейнфреймы и сами  стали выполнять роль серверов, предоставляя в общий доступ файлы, принтеры, обеспечивая кооперативную работу с базами данных, предоставляя услуги корпоративной почты и т.д. Все то, что не могли себе, из-за низкоскоростных магистральных линий связи, позволить глобальные сети.

  И тут на выручку  пришла технология FDDI, разработанная  в середине 80-х Национальным Американским  институтом стандартов. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - волоконно-оптический интерфейс передачи данных. Информация здесь передается со скоростью распространения света, потому как ее носителем и является сам световой поток, "запертый" в тончайший сердечник из кварцевого стекла.

  Применение технологии FDDI позволило достичь невиданных, на то время, скоростей передачи  на магистральных участках всемирной  сети. Было устранено именно то  узкое место, которое и мешало  объединению разнородных по своей  топологии (структуре) глобальных сетей. Также свой вклад в этот  процесс интеграции внесло широкое  распространение протокола передачи IP (Internet Protocol), который успешно работает  поверх всех стандартных сетевых  технологий и соединяет их  в одну суперглобальную составную  сеть - «Интернет».

Начало активного использования Интернета приходится на конец 80-х годов, а в 1991-м году история развития сетей переживает еще одно грандиозное событие: изобретение WWW (World Wide Web - всемирной информационной паутины или сети)! Вводится такое понятие, как «гипертекст» (ветвящийся текст), когда по ссылкам, расположенным в нем, можно перейти к другим, связанным с основной темой, документам. Причем эти ссылки могут вести на другие ресурсы. Появляется протокол передачи гипертекста: http (Hyper Text Transfer Prоtocоl), вводится понятие «сайт», Интернет быстро трансформируется из текстового в графический. 

 Пример организации гипертекста  представлен на рисунке ниже:

Рисунок 3 – Пример организации гипертекста

Запросы к веб-серверам, обслуживающим быстро появляющиеся сайты, возрастает лавинообразно, начинается настоящий бум развития сети Интернет. Пиком этого бума явилась эпоха доткомов (1995-2001 гг.), которая ознаменовалась стремительным ростом акций высокотехнологичных интернет-компаний, которые вкладывали огромные средства в интернет-рекламу и раскрутку своих брендов во всемирной паутине. Этот период часто называют "пузырем доткомов". Из названия становится понятно, чем закончилась идея новой "Интернет-экономики".

  История развития сетей в конце 1990-х годов привела к тому, что среди стандартных сетевых технологий наметился явный лидер. Этим лидером стала технология «Ethernet», простые, но надежные алгоритмы работы которой (вкупе с относительно дешевым оборудованием для реализации), обеспечили ей явное преимущество по сравнению с конкурентами.

  На тот момент (начало 2000-х) существовало три разновидности данной технологии, характеризовавшиеся широким диапазоном скоростей:

1. Ethernet, скорость передачи данных -10 Мбит/с;

2. Fast Ethernet - 100 Мбит/с;

3. Gigabit Ethernet - 1000 Мбит/с.

Все три технологии были очень схожи между собой, не требовали от администраторов кардинального пересмотра своих знаний и позволяли строить сеть, исходя из потребностей и возможностей конкретной организации. Подобная преемственность также склонила симпатии IT индустрии на сторону технологии «Ethernet».

  В дальнейшем, скорости передачи только росли, и история развития сетей пришла в 2006-ом году к цифре в 10 Гигабит/с. Сейчас разрабатывается стандарт в 100 Гигабит.

2. СЕТЕВЫЕ ТОПОЛОГИИ

Термин топология сети означает способ соединения компьютеров в сеть. Вы также можете услышать другие названия – структура сети или конфигурация сети (это одно и то же). Кроме того, понятие топологии включает множество правил, которые определяют места размещения компьютеров, способы прокладки кабеля, способы размещения связующего оборудования и многое другое. На сегодняшний день сформировались и устоялись несколько основных топологий. Из них можно отметить “шину”, “кольцо” и “звезду”.

1. Топология “шина”

Топология шина (или, как ее еще часто называют общая шина или магистраль) предполагает использование одного кабеля, к которому подсоединены все рабочие станции.

Рисунок 4 – Топология «шина»

Общий кабель используется всеми станциями по очереди. Все сообщения, посылаемые отдельными рабочими станциями, принимаются и прослушиваются всеми остальными компьютерами, подключенными к сети. Из этого потока каждая рабочая станция отбирает адресованные только ей сообщения.

Достоинства топологии “шина”:

• простота настройки;

• относительная простота монтажа и дешевизна, если все рабочие станции расположены рядом;

• выход из строя одной или нескольких рабочих станций никак не отражается на работе всей сети.

Недостатки топологии “шина”:

• неполадки шины в любом месте (обрыв кабеля, выход из строя сетевого коннектора) приводят к неработоспособности сети;

• сложность поиска неисправностей;

• низкая производительность – в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть, с увеличением числа рабочих станций производительность сети падает;

• плохая масштабируемость – для добавления новых рабочих станций необходимо заменять участки существующей шины.

Именно по топологии “шина” строились локальные сети на коаксиальном кабеле. В этом случае в качестве шины выступали отрезки коаксиального кабеля, соединенные Т-коннекторами. Шина прокладывалась через все помещения и подходила к каждому компьютеру. Боковой вывод Т-коннектора вставлялся в разъем на сетевой карте. Вот как это выглядело:

Рисунок 5 – Боковой вывод Т-коннектора

Сейчас такие сети безнадежно устарели и повсюду заменены “звездой” на витой паре, однако оборудование под коаксиальный кабель еще можно увидеть на некоторых предприятиях.

2. Топология “кольцо”

Кольцо – это топология локальной сети, в которой рабочие станции подключены последовательно друг к другу, образуя замкнутое кольцо. Данные передаются от одной рабочей станции к другой в одном направлении (по кругу). Каждый ПК работает как повторитель, ретранслируя сообщения к следующему ПК, т.е. данные передаются от одного компьютера к другому как бы по эстафете.

Рисунок 6 – Топология «кольцо»

Если компьютер получает данные, предназначенные для другого компьютера – он передает их дальше по кольцу, в ином случае они дальше не передаются.

Достоинства кольцевой топологии:

• простота установки;

• практически полное отсутствие дополнительного оборудования;

• возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети.

Однако “кольцо” имеет и существенные недостатки:

• каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации; в случае выхода из строя хотя бы одной из них или обрыва кабеля – работа всей сети останавливается;

• подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, поскольку во время установки нового ПК кольцо должно быть разомкнуто;

• сложность конфигурирования и настройки;

• сложность поиска неисправностей.

Кольцевая топология сети используется довольно редко. Основное применение она нашла в оптоволоконных сетях стандарта Token Ring.

3. Топология “звезда”

Звезда – это топология локальной сети, где каждая рабочая станция присоединена к центральному устройству (коммутатору или маршрутизатору). Центральное устройство управляет движением пакетов в сети. Каждый компьютер через сетевую карту подключается к коммутатору отдельным кабелем.

Рисунок 7 – Топология «звезда»

При необходимости можно объединить вместе несколько сетей с топологией “звезда” – в результате вы получите конфигурацию сети с древовидной топологией. Древовидная топология распространена в крупных компаниях. Мы не будем ее подробно рассматривать в данной статье.

Топология “звезда” на сегодняшний день стала основной при построении локальных сетей. Это произошло благодаря ее многочисленным достоинствам:

• выход из строя одной рабочей станции или повреждение ее кабеля не отражается на работе всей сети в целом;

• отличная масштабируемость: для подключения новой рабочей станции достаточно проложить от коммутатора отдельный кабель;

• легкий поиск и устранение неисправностей и обрывов в сети;

• высокая производительность;

• простота настройки и администрирования;

• в сеть легко встраивается дополнительное оборудование.

Однако, как и любая топология, “звезда” не лишена недостатков:

• выход из строя центрального коммутатора обернется неработоспособностью всей сети;

• дополнительные затраты на сетевое оборудование – устройство, к которому будут подключены все компьютеры сети (коммутатор);

• число рабочих станций ограничено количеством портов в центральном коммутаторе.

Звезда – самая распространенная топология для проводных и беспроводных сетей. Примером звездообразной топологии является сеть с кабелем типа витая пара, и коммутатором в качестве центрального устройства. Именно такие сети встречаются в большинстве организаций.

3. ЛОКАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

1. Построение сети

Локальная вычислительная сеть (ЛВС, локальная сеть; англ. Local Area Network, LAN) — компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт).

Существует множество способов классификации сетей. Основным критерием классификации принято считать способ администрирования. То есть в зависимости от того, как организована сеть и как она управляется, её можно отнести к локальной, распределённой, городской или глобальной сети. Управляет сетью или её сегментом сетевой администратор. В случае сложных сетей их права и обязанности строго распределены, ведётся документация и журналирование действий команды администраторов.

Компьютеры могут соединяться между собой, используя различные среды доступа: медные проводники (витая пара), оптические проводники (оптические кабели) и через радиоканал (беспроводные технологии). Проводные, оптические связи устанавливаются через Ethernet, беспроводные — через Wi-Fi, Bluetooth, GPRS и прочие средства. Отдельная локальная вычислительная сеть может иметь связь с другими локальными сетями через шлюзы, а также быть частью глобальной вычислительной сети (например, Интернет) или иметь подключение к ней.

Чаще всего локальные сети построены на технологиях Ethernet или Wi-Fi. Следует отметить, что ранее использовались протоколы Frame Relay, Token ring, которые на сегодняшний день встречаются всё реже, их можно увидеть лишь в специализированных лабораториях, учебных заведениях и службах. Для построения простой локальной сети используются маршрутизаторы, коммутаторы, точки беспроводного доступа, беспроводные маршрутизаторы, модемы и сетевые адаптеры. Реже используются преобразователи (конвертеры) среды, усилители сигнала (повторители разного рода) и специальные антенны.

Маршрутизация в локальных сетях используется примитивная, если она вообще необходима. Чаще всего это статическая либо динамическая маршрутизация (основанная на протоколе RIP).

Иногда в локальной сети организуются рабочие группы — формальное объединение нескольких компьютеров в группу с единым названием.

Сетевой администратор — человек, ответственный за работу локальной сети или её части. В его обязанности входит обеспечение и контроль физической связи, настройка активного оборудования, настройка общего доступа и предопределённого круга программ, обеспечивающих стабильную работу сети.

Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI - физического и канального. Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN: звезда, общая шина, кольцо и дерево. Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального. Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN.

2. Адресация

В локальных сетях, основанных на протоколе IPv4, могут использоваться специальные адреса, назначенные IANA(стандарты RFC 1918 и RFC 1597):

• 10.0.0.0—10.255.255.255;

• 172.16.0.0—172.31.255.255;

• 192.168.0.0—192.168.255.255.

Такие адреса называют частными, внутренними, локальными или «серыми»; эти адреса не доступны из сети Интернет. Необходимость использовать такие адреса возникла из-за того, что при разработке протокола IP не предусматривалось столь широкое его распространение, и постепенно адресов стало не хватать. Для решения этой проблемы был разработан протокол IPv6, однако, он пока малопопулярен. В различных непересекающихся локальных сетях адреса могут повторяться, и это не является проблемой, так как доступ в другие сети происходит с применением технологий, подменяющих или скрывающих адрес внутреннего узла сети за её пределами — NAT или прокси дают возможность подключить ЛВС к глобальной сети (WAN). Для обеспечения связи локальных сетей с глобальными применяются маршрутизаторы (в роли шлюзов и файрволов).