компьютерные сети

Архитектура компьютеров и компьютерных сетей

Архитектура описывает множество устройств, входящих в состав компьютера, принципы соединения этих устройств между собой и общий принцип работы компьютера.

При физическом соединении двух или более компьютеров образуется компьютерная сеть. В общем случае, для создания компьютерных сетей необходимо:

специальное аппаратное обеспечение (сетевое оборудование);

специальное программное обеспечение (сетевые программные средства).

Компьютерная сеть – это группа компьютеров, соединенных между собой линиями связи при помощи специальной аппаратуры и управляемая специальными программами, обеспечивающими обмен информацией и совместное использование ресурсов – аппаратных, программных и информационных.

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств, и физической среды, обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику.

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи, обеспечивающую передачу информации между абонентами.

На основе линий связи строятся каналы связи.

Соотношение между понятиями «канал» и «линия» описывается следующим образом: канал связи может включать в себя несколько разнородных линий связи, а одна линия связи может использоваться несколькими каналами.

Компьютерные сети принято разделять на локальные (LAN — Local Area Network), региональные

(MAN – Metropolitan Area Network) и глобальные (WAN — Wide Area Network).

Локальная сеть (LAN – Local Area Network или ЛВС – локальная вычислительная сеть) – это сеть, которая объединяет компьютеры, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга (например, в пределах одного здания).

Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных и высокоскоростных линий связи. В связи с этим услуги, предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием.

Глобальная сеть (WAN — Wide Area Network) — это сеть, которая объединяет компьютеры, находящиеся на большом расстоянии.

В глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, сети строятся на основе низкоскоростных телефонных кабелей и телеграфных каналов общего назначения. Однако на современном этапе используются радиоканалы, оптоволоконные кабели и другие технологические решения.

Региональная сеть — это сеть, объединяющая множество локальных сетей в рамках одного района, города или региона.

Промежуточное положение имеют корпоративные сети.

Корпоративная сеть — это сеть, объединяющая компьютеры одной организации или отрасли. Компьютеры таких сетей могут находиться как в одном здании, так и в разных городах и странах. Используются разные типы соединений.

Все компьютерные сети без исключения имеют одно назначение — обеспечение совместного доступа к общим ресурсам. Компьютеры, соединённые в сеть, могут быть разных типов, работать под управлением различных операционных систем и, тем не менее, сеть будет нормально работать и выполнять свои функции.

Основной задачей, которую приходится решать при создании компьютерных сетей, является именно обеспечение совместимости оборудования и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных).

Сетевая архитектура — это набор стандартов, протоколов и топологий, необходимых для создания работоспособной сети.

Можно сказать, что архитектура сети – это описание её общей модели функционирования.

От выбора сетевой архитектуры зависят скоростные характеристики сети, её надёжность, расширяемость и другие параметры.

Итак, как было сказано выше, сетевая архитектура — это, прежде всего, набор стандартов.

Решение задачи обеспечения совместимости аппаратного и программного обеспечения компьютеров, объединённых в сеть, относится к области стандартизации и основано на так называемой модели ОSI

(модель взаимодействия открытых систем — Model of Open System Interconnections). Модель OSI -

международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций. Она создана в 1984 году на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).

Согласно модели OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней — до семи). Каждый уровень модели обслуживает различные части процесса взаимодействия. Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу оборудования и программного обеспечения.

Самый верхний уровень — прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень — физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными между компьютерами сети происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний.

Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами.

Протоколы определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов). Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют протоколами.

Протокол — набор формализованных правил, определяющих последовательность передачи и формат пакетов (в широком смысле), которыми обмениваются сетевые компоненты, функционирующие на разных узлах в сети, но относящиеся к одному уровню модели OSI, регламентируют технические требования, предъявляемые к программным и аппаратным средствам.

На практике функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и наоборот, - функции одного уровня могут делиться между различными протоколами. Разработка практических методов сетевого взаимодействия, как правило, подразумевает разработку не отдельных протоколов для каждого

уровня, а целых наборов протоколов. Такие наборы обычно включают в себя протоколы, относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели, и называются стеками (или семействами) протоколов, например, стек TCP/IP (об этих протоколах речь пойдёт позже).

Рассмотрим подробнее физический уровень, как самый понятный и знакомый нам. Он может быть представлен такой комплексной схемой.

Физический уровень

			Коаксиальный кабель
		Кабельные сети	Витая пара
	Среда передачи данных		Оптоволоконный кабель
			Радиосети в КВ и УКВ диапазонах
		Беспроводные сети	Инфракрасные волны
			Оптические сети и др.
		«Точка-точка»
	Топология	«Шина»
		«Кольцо»
		«Звезда»
		Физическое кодирование
	Передача сигналов	Синхронизация
		Физическая передача сигналов

Кабельные, цифровые модемы Устройства передачи данных Радиомодемы, модемы для спутниковой связи и др.

Дадим некоторые комментарии к этой схеме

Среда передачи — это физическая среда, по которой возможно распространение информационных сигналов в виде электрических, световых и т.п. импульсов. Технические характеристики среды передачи влияют на такие потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи данных и максимальная скорость передачи данных.

Топология сети — это логическая схема соединения компьютеров или узлов сети каналами связи.

Выбор топологии сети обуславливается:

количеством компьютеров в сети;расстоянием между компьютерами;

необходимостью возможного расширения сети;задачами пользователей сети.

Топология «Точка-точка»	Структура сети с топологией «Общая шина»

Структура сети с топологией «Кольцо» Структура сети с топологией «Звезда»

Для каждого из типов топологий существуют свои особенности, достоинства и недостатки.

Шина

Характерен метод доступа с прослушиванием несущей частоты и обнаружением конфликта, который заключается в том, что узел сети прослушивает коммуникационный канал перед посылкой данных и посылает пакет только в том случае, если канал свободен.

Особенности В случае если канал связи занят, попытка повторяется через определенный промежуток времени. При этом данные, переданные одним из узлов, посылаются во все остальные узлы, но распознаются и принимаются только тем, которому он был послан.

В настоящее время практически не используется.

эффективное использование пропускной способности канала; Достоинства невысокая стоимость проводки;

простота разводки кабеля, реконфигурации и наращивания сети.

низкая надежность (незначительное повреждение кабеля выводит из строя всю сеть); невысокая производительность (в один момент времени только один компьютер может

Недостатки передавать данные); во время передачи по сети сигналы затухают, нужны повторители, усиливающие сигнал

перед передачей в следующий сегмент.

Кольцо

Данные передаются, как правило, в одном направлении. Данные, посланные от одного компьютера, совершив круговой оборот, возвращаются к источнику. Это бывает удобно при тестировании сети. Самый распространенный метод доступа – создание активного

Особенности маркера, который движется по кольцу. Его дожидается компьютер, желающий передать данные по сети. С передаваемыми данными маркер продолжает круговое движение до адресата. Когда адресат принимает данные, маркер движется дальше до отправителя, который убеждается, что данные переданы, после чего маркер освобождается.

каждый из компьютеров усиливает передающийся сигнал; Достоинства высокая устойчивость к перегрузкам;

эффективная работа при передаче больших потоков.

не отличается большой надежностью, так как неисправность в одном из узлов разрывает всю сеть;

Недостатки время передачи велико, так как сигнал проходит последовательно через все компьютеры; подключение нового компьютера требует остановки всей сети; прокладка 2-го резервного кольца удорожает сеть.

Звезда

Характерен метод доступа с передачей маркера. Он передается по кольцу в одном направлении. Каждый узел распознает передаваемый маркер. Если узел получает свободный маркер, то он может передать свои данные. Данные в маркере передаются всем

Особенности компьютерам сети, но пакет распознает только тот компьютер, которому он был адресован, остальные его игнорируют.

Имеется активный центр (это может быть и компьютер, и иное сетевое устройство – концентратор (hub, хаб), который управляет информационным обменом).

В современных сетях имеет наибольшее распространение.

большая надежность, так как вывести из строя всю сеть может только неисправность Достоинства концентратора;

отказ периферийного компьютера или обрыв связи с ним не влияет на работу сети; хаб выполняет функции повторителя, восстанавливая сигнал; лёгкость при обслуживании;

в сети концентратор может блокировать информацию, запрещенную администратором к передаче.

сложность наращивания сети, так как она может быть ограничена количеством портов Недостатки концентратора;

выход из строя центрального компьютера приводит к отказу сети.

За многие годы развития сетевых технологий было разработано довольно много различных архитектур для локальных сетей.

Сетевая технология - набор стандартов, определяющий минимальный состав программно-аппаратных средств, достаточный для организации взаимодействия компьютеров в сети. Как правило, сетевая технология определяет топологию сети, а также протокол канального уровня.

Наиболее известными технологиями локальных сетей являются Ethernet, AppleTalk, FDDI и ATM. В глобальных сетях широко распространены технологии ATM, FrameRelay, ISDN и SMDS. Среди беспроводных технологий наиболее известными являются RadioEthernet, Wi-Fi.

Некоторые из них уже практически вышли из употребления (Token Ring, ARCNet, AppleTalk и др.), тогда как другие, такие как Ethernet, не только активно используются по сей день, но и постоянно совершенствуются. В широком смысле Ethernet - это целое семейство технологий, включающее различные фирменные и стандартные варианты, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Скорость передачи данных по сети зависит от очень многих условий, например:

топологии сети;

типа кабеля;

радиуса сети;

характеристик сетевых адаптеров;

характеристик и настроек дополнительного сетевого оборудования; и.т.п.

	Сетевая	Скорость передачи	Топология	Канал передачи данных
	технология	данных
	Ethernet	10 – 100 Мбит/c	«шина», «звезда» или	витой пары, коаксиальный кабель
	Fast Ethernet	100 Мбит/c
			«звезда - шина»	или оптоволокно
	Gigabit Ethernet	1 Гбит/с–20 Гбит/с
	Token Ring	4 - 16 Мбит/с	«звезда»	витой пары
	ArcNet	2,5 Мбит/с - 20	«звезда», «шина», «звезда -	витой пары, коаксиальный кабель
		Мбит/с	шина»
	Wi-Fi	54 Мбит/c	соединение между	беспроводные радиоканалы
	WiMAX	75 Мбит/c
			объектами
	WO	1 Гбит/с		беспроводные оптические каналы
	Тест 1

1. Компьютеры, связанные каналами передачи информации для совместного использования общих ресурсов и периферийных устройств, называют сетью…

a)локальной

b)региональной

c)корпоративной

d)глобальной

2.Теоретически модем, передающий информацию со скоростью 56,6 Кбит/сек, может передать 2 страницы текста (3600 байт) в течение:

a)1 часа

b)1 минуты

c)1 секунды

d)0.5 секунды

3.Конфигурация (топология) локальной компьютерной сети, в которой все рабочие станции соединены непосредственно с сервером, называется:

a)звезда

b)кольцо

c)шина

d)древовидная топология

4. Глобальная компьютерная сеть – это:

a)информационная система с гиперсвязями

b)множество компьютеров, связанных каналами передачи информации и находящиеся в пределах одного помещения, здания

c)система обмена информацией на определённую тему

d)совокупность локальных сетей и компьютеров, расположенных на больших расстояниях и соединённых в единую систему

5. Скорость передачи информации по магистральной оптоволоконной линии обычно составляет не

меньше, чем ...

a)28,8 бит/с

b)56,6 Кбит/с

c)56,6 Мбит/с

d)10 Гбит/с

6. Скорость передачи данных - это ...

a)количество бод информации, передаваемой в единицу времени

b)количество байт информации, переданной с одного компьютера на другой

c)количество бит информации, передаваемых за одну секунду

d)количество байт информации, передаваемой за одну минуту

7. В зависимости от территориального расположения абонентских систем не бывает компьютерных сетей:

a)глобальных

b)локальных

c)национальных

d)региональных

8. Максимальная скорость передачи информации по качественной коммутируемой телефонной линии

может достигать ...

a)56,6 Кбит/с

b)100 Кбит/с

c)1 Кбайт/с

d)1 Мбит/с

9. Какой из способов подключения к Интернет обеспечивает наибольшие возможности для доступа к информационным ресурсам?

a)постоянное соединение по выделенному телефонному каналу

b)постоянное соединение по оптоволоконному каналу

c)удаленный доступ по коммутируемому телефонному каналу

d)по радиомодему

10. Выберите неверное утверждение: «Корпоративная сеть …»

a)может объединять десятки тысяч компьютеров

b)компьютеры такой сети располагаются только на территории одного города

c)эффективно организует защиту информации

d)может объединять компьютеры в разных городах и странах

11. Модем, передающий информацию со скоростью 56.6 Кбит/с, за 1 с может передать ...

a)четыре страницы текста (7200 байт)

b)рисунок (36 Кбайт)

c)аудиофайл (360 Кбайт)

d)видеофайл (3,6 Мбайт)

Задание 1

Установите соответствие между понятиями, относящимися к организации и функционированию компьютерных сетей.

1.	Протокол	1.	Звезда
2.	Среда передачи данных	2.	Национальный
3.	Топология	3.	Прикладной уровень
4.	Компьютерная сеть	4.	Радиоволны
5.	Модель OSI	5.	http
6.	Сетевая технология	6.	Корпоративная
7.	Домен	7.	Ethernet

Задание 2

Кроме упомянутых топологий, однако, существуют и другие, например, «пассивная звезда», «дерево» и некоторые другие. Какие гибридные топологии вам известны?

Найдите информацию о таких топологиях, изобразите условно структуру таких сетей и дайте краткое описание.

Устройства обеспечения соединения компьютеров в сеть

Рабочие станции и серверы соединяются с кабелем коммуникационной подсети с помощью интерфейсных плат — сетевых адаптеров (СА).

Сетевой адаптер (сетевая плата, плата сетевого интерфейса, Network Interface Card) — устройство, которое предназначено для подключения компьютера к высококачественным физическим каналам компьютерных сетей.

Для физического кодирования передаваемых данных используются различные типы цифрового кодирования. Поскольку компьютерные сети могут иметь сложные топологии, и в них одновременно могут осуществлять взаимодействие несколько пар абонентов, то требуется решать достаточно сложные задачи по упорядочиванию этого взаимодействия. Поэтому сетевые адаптеры реализуют также определенное число логических функций организации взаимодействия, например, адресации абонентов и упорядочивания одновременного доступа нескольких к общей физической линии и т.д.

Дифференциация адаптеров по выполняемым функциям и

ориентация их на определенную архитектуру ЛВС привели к большому многообразию типов адаптеров и разбросу их характеристик.

Концентратор (hub) – это сетевое устройство, которое выполняет функции распределения сигналов в сети. За счет встроенного в концентратор устройства, репитера (repeater – повторитель) концентратор улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность (повторяет сигнал).

Концентратор имеет несколько (4, 6, 8, 12, 16, 24 и т.д.) портов – гнезд для подключения сетевых кабелей, посредством которых он соединяется с сетевыми

адаптерами компьютеров или иными сетевыми устройствами (например, другими концентраторами).

В больших сетях используются несколько концентраторов, которые соединяются между собой, образуя общую иерархическую структуру сети.

Концентратор образует из отдельных физических отрезков кабеля общую среду передачи данных - логический сегмент. Наличие в сети нескольких концентраторов делит сеть на отдельные логические сегменты.

При большой нагрузке на сеть ее пропускная способность может быть ограничена из-за возникновения конфликтов при попытке одновременной передачи данных. Для повышения пропускной способности сети вместо концентратора может использоваться другое устройство – коммутатор.

Коммутатор (swich), выполняя функции концентратора, одновременно регулирует передачу сообщений, отправляя их только в том направлении, по которому находится получатель. Он не пропускает в каждый логический сегмент те сообщения, которые к нему не относятся.

Если локальная сеть имеет большую протяженность или большое количество пользователей, такая сеть часто разбивается на более мелкие сети, каждая из которых содержит свой файловый сервер. При такой системе производительность

сети возрастает. К тому же, возрастает надежность общей сети, так как при повреждении в одной из сетей, другие продолжают нормально функционировать.

Крупные сети часто характеризуются произвольными связями между компьютерами. В таких сетях на отдельных участках (подсетях) могут наблюдаться различные виды топологий. Такие сети называют

сетями со смешанной топологией.

В крупных организациях, где могут функционировать несколько локальных сетей, для обеспечения взаимосвязи между ними используются специальные устройства – мосты, шлюзы, маршрутизаторы. Мосты (bridge) используются для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия на физическом и канальном уровнях.

Промышленностью выпускается довольно широкая номенклатура мостов. Среди них — «самообучающиеся» мосты, которые позволяют регулировать доступ к каждой из объединяемых сетей и трафик обмена между ними, а также используются для расширения сети, достигшей своего топологического предела. Есть более сложные мосты, которые одновременно выполняют функции многоканального маршрутизатора.

Маршрутизатор (router) – это специальное устройство или отдельный компьютер, в котором установлены два или более сетевых адаптера - каждый адаптер обеспечивает связь с одной из сетей. Получая пакет данных от компьютера одной сети, устройство переадресует их компьютеру другой сети.

Маршрутизаторы обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса, так как могут выполнять «интеллектуальные» функции: выбор наилучшего

маршрута для передачи сообщения, адресованного другой сети; управление балансированной нагрузкой в сети путем равномерного распределения потоков данных; защиту данных; буферизацию передаваемых данных; различные протокольные преобразования. Такие возможности маршрутизаторов особенно важны при построении базовых сетей крупных организаций.

Как правило, мосты используются для связи сетей с одинаковыми методами доступа, например, для связи 2-х сетей Ethernet или 2-х сетей Arcnet. Маршрутизаторы же могут связывать сети с разными коммуникационными системами, так как они имеют средства преобразования пакетов из одного формата в другой.

По своему назначению и функциональным возможностям современные мосты, маршрутизаторы и коммутаторы довольно близки друг к другу.

Однако каждый из типов этих устройств разрабатывался не с целью вытеснения других устройств, он имеет свои области применения. Мосты обеспечивают сегментацию сети на физическом уровне, поэтому их «интеллектуальные» возможности ограничены. Маршрутизаторы, интегрируя физические и логические сегменты сети в единое целое, решают при этом ряд «интеллектуальных» функций. Коммутаторы идеально приспособлены для поддержки высокопроизводительной коллективной работы. В очень крупных сетях, насчитывающих тысячи узлов, мосты и маршрутизаторы обеспечивают более эффективное управление трафиком, чем коммутаторы. В сетях с небольшим числом пользователей целесообразно применять высокоскоростную коммутацию с малым временем задержки.

При формировании больших сетей масштаба предприятия наиболее удачным является комбинированный вариант использования мостов, маршрутизаторов и коммутаторов, умелое их сочетание, позволяющее создать действительно гибкую сетевую архитектуру.

Модем (МОдулятор/ДЕМодулятор, Modem) — устройство, осуществляющее физическое кодирование данных методом модуляции. Существуют различные типы модемов для подключения к сетям по разным физическим каналам.

По типу модемы можно классифицировать следующим образом.

Аналоговые — наиболее распространённый тип модемов для обычных коммутируемых телефонных линий. ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий.

DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть. Отличием от коммутируемых модемов в кодировании сигнала. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке.

Кабельные — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, по кабелям систем коллективного телевидения.

Радио — для подключения по радиоканалам.

Спутниковые — для подключения по каналам сотовой связи.

PLC — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети, т.е. обычно по электропроводке 220 Вольт.

На рисунке изображены спутниковый, радиомодем и модемом ADSL, являющиеся точкой доступа WiFi.

Телефонные линии предоставляют возможность передавать данные по коммутируемым и некоммутируемым каналам связи.

Принцип действия аналоговых модемов

Коммутируемые каналы общего пользования — это обычные телефонные линии, соединенные через АТС. Коммутируемая связь [dial-up line] устанавливается только на время соединения передающего и принимающего устройств. Организуется такая связь, как правило, в телефонной сети с использованием модемов. Используются, когда объем информации невелик и нет особой срочности в ее передаче.

Некоммутируемые (или выделенные) каналы используются для непосредственной связи двух абонентов при необходимости быстро предавать большие объемы информации. Обеспечивают большую надежность передачи информации.

К числу дополнительных функций, связанных с организацией передачи, можно отнести сжатие передаваемых данных, а также обнаружение и исправление ошибок с целью повышения эффективности и надежности передачи по низкокачественным каналам, например, телефонным.

Модемы могут быть внутренними, реализованными в виде электронного модуля - платы расширения, и внешними, выполненными в виде отдельного устройства. Внешний модем подсоединяется к последовательному порту. Старые типы моделей имеют разъем com-порт, новые модели – USB. Внутренний модем подсоединяется в слот PCI (для старых типов модемов использовался слот ISA).

В последнее время стал популярен доступ в Интернет по технологии ADSL (часто можно слышать про

Stream Интернет). ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) — это новая технология, позволяющая организовать высокоскоростной доступ в Интернет по обычным телефонным линиям. Дело в том, что медный провод, приходящий в квартиру, подключен к телефонной станции, которая настроена на прием сигнала шириной 4 кГц, вполне достаточной для передачи голоса. Обычный модем просто подстраивается под возможности телефонной сети, а потому имеет ограниченную скорость (до 56 Кбит/с). Однако, технические возможности самой «медной пары» гораздо выше, ее пропускная способность приближается к 1 МГц, и поэтому через нее можно передавать данные в десятки раз быстрее благодаря особым способам кодировки сигнала. Вся полоса пропускания «медной пары» с помощью микрофильтра делится на два диапазона: низкочастотный для телефонной связи и высокочастотный для передачи данных.

Чтобы сделать цифровую высокоскоростную линию, к окончаниям «медной пары» подключаются специальные цифровые устройства (сплиттеры) — один на АТС, другой в квартире абонента — которые обеспечивают одновременную работу в линии телефона и Интернета.

Для выхода в глобальную сеть с серверов используются специальные выходы (WAN-порты) мостов и маршрутизаторов.