Рассмотрим более подробно основные компоненты архитектуры компьютерных сетей и основные принципы функционирования таких сетей

Топология локальных сетей.

Структурно локальную сеть можно представить в виде множества рабочих станций и, возможно, серверов, объединенных высокоскоростными каналами передачи данных. Топологиейлокальной сети называют способы физических со­единений компонентов локальной сети (сервер, рабочие станции) между собой. В зависимости от конфигурации, локальные сети могут выполняться в соответствии с звездообразной, шинной, кольцевой, древовидной или комбинированной топологией.

Топология общая шина предполагает подключение компьютеров к общему кабелю, на концах которого – терминальные коннекторы. Это самый простой вид соединения компьютеров в сеть, который имеет много недостатков и поэтому применяется редко. Главный недостаток такого соединения состоит в том, что при выходе из строя какого-либо участка этой сети прекращается работа всей сети.

Звездообразная сеть характеризуется наличием центрального узла коммутации – сетевого сервера, к которому (или через который) посылаются все сообщения.

На сетевой сервер, кроме основных, могут быть возложены дополнительные функции по согласованию скоростей работы станций и преобразованию протоколов обмена; это позволяет в рамках одной сети объединять разнотипные рабочие станции.

Наряду с определенными преимуществами, подобные локальные сети имеют и ряд недостатков. В частности, при подключении большого числа рабочих станций поддержание высокой скорости коммутации требует значительных аппаратных затрат. Кроме того, значительная функциональная нагрузка центрального узла определяет его сложность, что, естественно, сказывается на надежности сети. В связи с этим в большинстве современных звездообразных сетей функции коммутации рабочих станций и управления сетью разделены между сетевым сервером и коммутатором.

Сетевой сервер подключается к коммутатору как рабочая станция, но с максимальным приоритетом. В этом случае структура, центрального узла существенно упрощается, что в сочетании с использованием высокоскоростных каналов позволяет достичь достаточно высокой скорости передачи данных.

В локальных сетях с шинной топологией все рабочие станции с помощью сетевых адаптеров подключаются к общей магистрали (шине).

Конструктивно адаптер, как правило, представляет собой плату, встраиваемую в компьютер, хотя возможно и автономное его исполнение. В качестве передающей среды чаще всего используется коаксиальный кабель.

В процессе работы сети информация от передающей рабочей станции поступает на адаптеры всех рабочих станций, однако воспринимается адаптером только той рабочей станцией, которой она адресована.

Кольцевая сеть характеризуется наличием замкнутого однонаправленного канала передачи данных в виде кольца или петли.

В этом случае информация передается последовательно между адаптерами рабочих станций до тех пор, пока не будет принята получателем и затем удалена из сети. Обычно за удаление информации из сети отвечает ее отправитель. Управление работой кольцевой сети может осуществляться централизовано (с помощью специальной мониторной станции) либо децентрализовано (за счет распределения функций управления между всеми рабочими станциями).

Один из существенных недостатков кольцевых сетей – выход ее из строя при разрыве кольца, как правило, устраняется за счет использования "двойного" кольца. Для этого в состав локальной сети включают дополнительные линии связи и устройства реконфигурации, которые представляют собой специальные переключательные устройства, простые и надежные. В случае необходимости может быть изолирована одна или несколько рабочих станций.

В настоящее время широкое распространение получили локальные сети древовидной топологии. В качестве узлов коммутации чаще всего выступают высокоскоростные концентраторы (хабы). Название "хаб" происходит от английского слова – hub. Интересно отметить, что высокоскоростной вариант магистральной сети Ethernet – Fast Ethernet также имеет древовидную структуру.

По сравнению с шинными и кольцевыми сетями, древовидные сети обладают более высокой живучестью. Отключение или выход из строя одной из линий или концентратора, как правило, не оказывает существенного влияния на работоспособность остальной части локальной сети.

Кроме того, одной из причин широкого использования сетей с древовидной топологией является то, что эта структура, как правило, более всего соответствует структуре информационных потоков между абонентами сети.

Рассмотренные выше сетевые топологии являются базовыми; на их основе формируется конкретная структура реальных сетей, которая в настоящее время, как правило, представляет собой объединение сетей различных базовых топологий.

В отличие от локальных, глобальные сети характеризуются достаточно сложной, нерегулярной топологией.

Основу передающей среды глобальных сетей составляют узлы коммутации, связанные между собой с помощью каналов передачи данных. Каналы передачи данных представляют собой каналы связи, приспособленные для передачи дискретной информации. При этом предъявляются достаточно высокие требования, касающиеся безошибочной передачи информации.

В глобальных сетях, как правило, используется несколько выделенных серверов. В частности, управляет работой сети специальный компьютер – сервер сети. В больших сетях может присутствовать несколько файл-серверов, которые служат для хранения значительных объемов информации и организации эффективного доступа к ней со стороны рабочих станций. Глобальные сети предполагают подключение большого числа рабочих станций. Для этой цели часто используются специальные серверы доступа, с помощью которых обеспечивается эффективный доступ рабочих станций к компьютерной сети. Количество и месторасположение узлов коммутации выбирается таким образом, чтобы при минимальных затратах обеспечить требуемую пропускную способность.

Аппаратное обеспечение компьютерных сетей

Технические средства определяют следующие основные характеристики сети:

– производительность;

– скорость передачи информации;

– протяженность;

– топологию сети.

К техническим средствам компьютерных сетей принято относить каналы передачи данных и различные средства подключения компьютеров к передающей среде.

В качестве передающей среды глобальных сетей используются сети передачи информации общего назначения, в частности телефонные каналы передачи. При передаче информации на значительные расстояния используются радиоканалы и спутниковые системы связи. В силу ряда существенных преимуществ широкое применение находят оптоволоконные каналы связи.

В качестве среды передачи информации в локальных сетях используются: коаксиальный кабель, витые пары проводников и оптоволоконные среды.

Коаксиальный кабель является широкополосным средством связи, позволяющим передавать информацию в достаточно большом частотном диапазоне. Он может использоваться как для одноканальной, так и многоканальной передачи. В локальных компьютерных сетях используются коаксиальные кабели с различным волновым сопротивлением — от 50 Ом до 120 Ом, однако предпочтение отдается кабелю с волновым сопротивлением в 50 Ом.

Физически коаксиальный кабель представляет собой (рис. 1) двухпроводную линию связи, в которой один проводник (центральный) находится внутри другого.

Рис. 3. Коаксиальный кабель.

Центральный проводник может быть как одножильным, так и многожильным медным проводом. Кабель с многожильным проводником более гибкий и надежный, однако, стоимость его несколько выше. Внешний проводник выполнен в виде цилиндра, сплетенного из медного провода. Центральный и внешний проводники разделены изоляцией. Внешняя оболочка кабеля выполняется из поливинилхлорида или флуорополимера. Для достижения максимального уровня сигнала размер сегмента коаксиального кабеля должен быть кратен длине волны передаваемого сигнала. С целью определения места подключения рабочих станций коаксиальный кабель маркируется по всей длине через определенные промежутки. Качество функционирования локальной компьютерной сети во многом определяется электрическими и механическими характеристиками кабеля. Электрические параметры оказывают существенное влияние на реальное значение скорости передачи информации и устойчивость работы сети. Механические параметры определяют удобство монтажа и надежность сетевых соединений.

Другим широко распространенным типом кабеля является кабель с витыми парами проводов или как его чаще называют витая пара. Существует множество типов кабелей. Кабели могут содержать четыре пары проводников или представлять собой жгуты из 25 и более пар неэкранированных или экранированных проводов. Неэкранированные провода, как правило, имеют волновое сопротивление в 100 Ом, а экранированные – 150 Ом. Учитывая широкое использование кабеля на базе витых пар проводников в различных компьютерных сетях, разработан ряд стандартов, определяющих электрические и монтажные параметры кабеля. Каждый тип кабеля, в свою очередь, может относится к одной из нескольких категорий.

Например, для неэкранированного кабеля из 4 витых пар, который достаточно широко используется в локальных сетях, определены категории с номерами 3, 4, 5. Основное различие между категориями заключается в частотных характеристиках. В зависимости от категории кабеля определяется максимально допустимая длина сегмента кабеля между двумя активными устройствами, например рабочей станцией и концентратором. Для кабеля категории 3 длина сегмента не должна превышать 100 м. Кабели более высоких категорий могут обеспечивать связь на больших расстояниях, например, кабель категории 5 обеспечивает связь на расстоянии до 150 м. В свою очередь, экранированные кабели обладают более высокими параметрами передачи сигналов. Для подключения витых пар проводников часто используется разъем, применяемый в телефонных системах, – RJ-45.

Наиболее перспективной передающей средой, обеспечивающей скорость передачи в несколько Гбит/с, является оптоволоконный кабель. В качестве передающей среды в нем используется оптическое волокно (световод), представляющее собой тонкую стеклянную нить толщиной 50-100 мкм. Информация по оптоволоконному кабелю передается с помощью световых сигналов. В качестве источников света могут использоваться светодиоды или лазерные диоды. При выборе в качестве источника света лазерного диода, который может переключаться с частотой в несколько тысяч МГц, обеспечивается достаточно высокая скорость передачи цифровых сигналов.

Рис. 4 Поперечное сечение 30-волоконного кабеля сосвободной трубкой

Следует заметить, что прозрачность оптического волокна в несколько порядков выше прозрачности обычного стекла, что позволяет передавать световой сигнал на десятки километров без существенного снижения уровня сигнала. Оптическое волокно достаточно гибкое, это дает возможность прокладывать оптоволоконный кабель практически по тем же каналам, что и коаксиальный кабель.

При соответствующей технологии изготовления оптоволоконного кабеля можно добиться того, что свет будет распространяться вдоль световода и не излучаться наружу даже при скручивании кабеля. Наряду с высокой скоростью передачи, оптоволоконный кабель значительно тоньше и легче обычного кабеля. К преимуществам оптоволоконной среды передачи можно отнести невосприимчивость к электрическим помехам.

Сетевые устройства локальных сетей

Подключение компьютеров к передающей среде осуществляется с помощью специальных устройств – сетевых контроллеров (адаптеров). Основным назначением сетевых контроллеров является обеспечение взаимодействия рабочих станций в рамках локальной сети. Конструктивно адаптер может быть реализован в виде платы, встраиваемой в компьютер, или представлять собой автономное устройство. С помощью сетевых контроллеров создаются компьютерные сети относительно простой конфигурации – линейной или кольцевой.

Для построения более сложных топологий сетей, наиболее точно отражающих физическое расположение компьютеров, используются дополнительные сетевые средства, а именно: повторители, мосты, маршрутизаторы и шлюзы.

Повторителем называется устройство, осуществляющее согласование электрических параметров сопрягаемых сетей. Повторители используются для объединения сегментов сети как с одинаковыми, так и с различными характеристиками физической среды передачи данных.

В однородной физической среде повторители используются с целью увеличения длины сети и количества подключаемых рабочих станций. Так, например, использование повторителей в сети Ethernet позволяет в три раза увеличить ее длину и, соответственно, количество подключае­мых рабочих станций.

Сетевые средства глобальных сетей

К сетевым средствам глобальных сетей относится аппаратура каналов передачи данных и узлов коммутации. При использовании телефонных каналов связи для передачи данных, как правило, применяются модемы. Модем – это устройство преобразования сигналов, название которого является сокращением двух слов «мо дуляция- дем одуляция», что отражает основную функцию устройства – преобразование цифровых сигналов в аналоговые и наоборот. Различают модемы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией. При амплитудной модуляции единичное и нулевое значения дискретных сигналов представляются синусоидальными сигналами несущей частоты с различными амплитудами. При частотной модуляции изменения дискретного сигнала приводят к изменению частоты колебаний задающего генератора, т.е. единица и ноль кодируются различной частотой колебаний. При фазовой модуляции переключение дискретного сигнала кодируется изменением фазы сигнала несущей частоты на 180 градусов. Выбор того или иного типа модема определяется характеристиками канала связи, в частности уровнем помех в нем.

Определяющим фактором для модема также является используемый метод передачи – асинхронный или синхронный. При асинхронной передаче информация передается в канал по одному символу в произвольном темпе. Причем символы синхронизируются отдельно: передача каждого символа сопровождается сигналами "старт" и "стоп". В высокоскоростных каналах в основном используется синхронный способ передачи информации, исключающий необходимость вставки в начало и конец каждого символа "старт-стопных" битов. В этом случае информация передается непрерывными блоками достаточно большой величины, что позволяет достичь более высоких скоростей передачи данных по сравнению с асинхронным способом передачи при тех же параметрах канала связи.

По конструктивному исполнению различают внутренние и внешние модемы. Внутренние модемы (internal) представляют собой плату, которая вставляется внутрь компьютера. При выключении компьютера автоматически выключается и модем. Внешние модемы (external) выполняются в собственном корпусе и имеют автономное электропитание. Внешний модем, как правило, имеет световые индикаторы, показывающие его состояние. Такие модемы подключаются к последовательному асинхронному интерфейсу через СОМ-порты. Часто внешние модемы подключаются через USB-порт или сетевой адаптер.

Современные модемы являются достаточно сложными коммуникационными устройствами и выполняют контроль и коррекцию ошибок, сжатие и шифрование данных и др.

Мосты, шлюзы и маршрутизаторы

В настоящее время существует ряд устройств, с помощью которых осуществляется объединение различных компьютерных сетей между собой. К этим устройствам относятся мосты, шлюзы и маршрутизаторы.

Само название – мост – подчеркивает, что объединяются различные стороны чего-либо, в нашем случае это различные компьютерные сети, например Ethernet и Token Ring. Мосты с успехом используются для соединения сетей, различающихся по быстродействию; например, с помощью моста можно объединить сеть Token Ring производительностью 4 Мбит/с с сетью Token Ring производительностью 16 Мбит/с. Мосты широко используются для объединения различных сетей между собой.

В процессе работы мост осуществляет избирательную трансляцию (фильтрацию) кадров из одной сети в другую. Тем самым выполняется разделение информационных потоков в пределах компьютерной сети. Это свойство моста часто используется для снижения потока данных в компьютерных сетях.

Как правило, локальные и глобальные сети используют различные протоколы передачи информации. Устройство сопряжения, реализующее функции согласования протоколов глобальных и локальных сетей, называется шлюзом. Следует отметить, что основная нагрузка по согласованию сетей ложится на специальный межсетевой протокол (IP-протокол). В этом смысле шлюз можно рассматривать как устройство преобразования сетевого протокола в межсетевой протокол и обратно.

При наличии нескольких шлюзов, удаленных друг от друга на значительные расстояния, формируется связующая сеть с единым межсетевым протоколом, называемая интерсетью. К этой сети подключаются различные глобальные и локальные компьютерные сети, а также отдельные абоненты. Обычно для создания инфраструктуры интерсети используются маршрутизаторы. Основное назначение маршрутизатора – выбор оптимального направления передачи информации.

В настоящее время фирмами-производителями компьютерной техники и сетевого оборудования поставляется на рынок достаточно широкий ассортимент контроллеров, повторителей, концентраторов, мостов и маршрутизаторов. При этом предпочтение отдается многофункциональным устройствам, позволяющим, например, связывать сети различного типа и быстродействия.

Шлюзы могут использоваться и для подключения отдельных рабочих станций к глобальным сетям. Однако более эффективным является использование специальных устройств – серверов доступа.

Программное обеспечение сетей Сетевые протоколы. Пакеты данных

Работой компьютеров в локальной сети управляют программы. Для того чтобы все компьютеры могли понимать друг друга, отправлять друг другу запросы и получать ответы, они должны общаться на одном языке. Такой язык общения компьютеров создается с помощью сетевых протоколов.

В последнее время широкое применение нашли так называемые пакетные протоколы. При использовании протоколов этого типа данные, которыми обмениваются компьютеры, режутся на небольшие блоки. Каждый блок как бы вкладывается в "конверт" (инкапсулируется), в результате чего образуется пакет. Пакет содержит как сами данные, так и служебную информацию: от кого отправлен, кому предназначен, какой пакет должен следовать за ним, инструкции и информацию для проверки ошибок и прочее. Пакетный протокол обеспечивает циркуляцию пакетов в сети, а также получение их адресатом и сборку. Каждая рабочая станция периодически подключается к сети (по прерываниям) и проверяет проходящие пакеты. Те, что адресованы ей, она забирает, а прочие пересылает дальше.

Пакет имеет строго определенный формат, поэтому любой компьютер, получив пакет, сможет его прочитать. Этот формат определяется сетевым протоколом, который устанав-ливается в настройках операционной системы. Протокол представляет собой набор правил и соглашений для передачи информации по компьютерной сети. Если на компьютерах установлен одинаковый сетевой протокол, то они смогут "понимать" друг друга. Компьютеры с разными протоколами имеют разный формат пакетов и соответственно друг друга не поймут, также как люди, говорящие на разных языках. Например, пакет Ethernet может иметь размер от 64 до 1 518 байт, из них 18 байт используется под заголовок. Поэтому в одном пакете Ethernet можно передавать не более 1 500 байт данных. Пакеты Token Ring вмещают 4 202 байта данных. Иногда пакет называют кадром (frame).

Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является o6еспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программы и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем – Model of Open System Interconnections). Она создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).

Согласно модели ISO/OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней — до семи). Самый верхний уровень – приклад­ной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего. уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением 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. Они 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.

В соответствии с используемыми протоколами компьютерные сети принято раз­делять на локальные (LAN – Local Area Network) и глобальные (WAN – Wide Area Network). Компьютеры локальной сети преимущественно используют единый ком­плект протоколов для всех участников. По территориальному признаку локаль­ные сети отличаются компактностью. Они могут объединять компьютеры одного помещения, этажа, здания, группы компактно расположенных сооружений. Гло­бальные сети имеют, как правило, увеличенные географические размеры. Они могут объединять как отдельные компьютеры, так и отдельные локальные сети, в том числе и использующие различные протоколы.

Есть три наиболее распространенных протокола, используемых в компьютерных сетях Microsoft – NetBEUI, TCP/IP, IPX/SPX. Эти протоколы являются объединением протоколов выполняющих разные функции.

Транспортные протоколы предназначены для обеспечения надежной связи при обмене (передаче) информацией между абонентами компьютерной сети.

Одним из первых протоколов транспортного уровня является протокол АННР (ARPA Host-to-Host Protocol), разработанный для сети ARPA. Развитие сети ARPA в направлении использования сетей передачи данных общего пользования привело к появлению нового, более надежного протокола, известного в настоящее время под названием "Протокол управления передачей" или TCP (сокращение от Transmission Control Protocol). Главным образом этот протокол используется в компьютерных сетях поддерживающих технологию коммутации пакетов. Протокол TCP оказался достаточно удачным и был положен в основу стандартного международного протокола транспортного уровня.

Становление корпоративных компьютерных сетей тесно связано с сетью Internet, в рамках которой были реализованы основные принципы и протоколы межсетевых соединений. С сетью Internet связано появление новой группы протоколов, так называемых межсетевых протоколов или IP-протоколов (сокращение от Internet Protocol). Территориально располагаясь на сетевом уровне эталонной модели, межсетевой протокол согласовывает транспортную и сетевую службы различных компьютерных сетей.

По мере развития различных компьютерных сетей стала очевидной необходимость их объединения. Для этой цели был предложен протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Собственно протокол TCP/IP состоит из двух протоколов: TCP и IP. Протокол TCP является стандартным транспортным протоколом и обеспечивает возможность надежной передачи информации между клиентами сети. В свою очередь, протокол IP обеспечивает возможность доставки пакетов между узлами сети Internet, а также отвечает за адресацию сетевых узлов.

Таким образом, TCP/IP-протокол, на основе которого разработаны многие службы в операционной системе Windows, дает следующие возможности:

– обеспечивает надежную, отказоустойчивую среду обмена информацией.

– поддерживается всеми современными операционными системами.

– позволяет компьютерам работать как в локальных, так и в глобальных компьютерных сетях.

– обеспечивает доступ в Интернет.

Адресация компьютеров сети

Правила взаимодействия в сети, называемые сетевым протоколом TCP/IP определяют, что каждый компьютер в сети должен иметь адрес, так называемый IP-адрес. Вид адреса - 4 числа, записанные через точку. Например, 130.51.45.2 или 192.168.0.1.

IP-адрес компьютера-отправителя и IP-адрес компьютера-получателя указывается в пакете информации, который передается по сети. Компьютеры находят друг друга по IP-адресам. Если же пользователю необходимо найти компьютер в сети, он должен будет указать его IP-адрес, подобно как мы набираем номер телефона, чтобы позвонить знакомым. Знать IP-адреса всех нужных компьютеров для человека достаточно сложно. Для облегчения доступа пользователей к компьютерам сети (в том числе сети Интернет) стали использовать имена. Для поиска сервера в Интернете проще указать его имя, например, microsoft.com, чем IP-адрес, который может выглядеть как 207.46.230.219.

Для облегчения запоминания адресов широко используется их именное обозначение, называемое доменным. Преобразование домена в цифровой адрес осуществляется автоматически при маршрутизации сообщения. Доменные имена обладают постоянной структурой, опираясь на которую можно определить их принадлежность. Система доменных имен (DNS), описывающая компьютеры и организации, в которых они установлены, устроена зеркально по отношению к цифровой IP-адресации. Если в IP-адресе наиболее общая информация указана слева, то в доменных именах она стоит справа. IР-пакет помещается в физический кадр той сети, по которой он в настоящий момент передается. IP-пакет содержит межсетевой адрес узла-получателя, а сетевой кадр данных должен содержать физический адрес узла-получателя. Особую актуальность приобретает механизм преобразования (отображения) адресов для широковещательных сетей, таких как Ethernet, Token Ring и им подобные. Эта процедура реализуется с помощью протокола ARP. Перед началом передачи IP-пакета узел должен определить, какой физический адрес в сети соответствует адресу получателя, заданному в IP-пакете. Для этого узел посылает широковещательный пакет ARP, содержащий IР-адрес получателя, и ожидает ответа от узла с данным IP-адресом. Получатель посылает информационный кадр с указанием своего физического адреса. С целью сокращения времени передачи пакетов и уменьшения числа широковещательных запросов, каждый узел содержит кэш-память, в которой хранится таблица разрешения адресов. С помощью этой таблицы задается соответствие между физическими и IP-адресами. Сначала в таблице разрешения адресов осуществляется поиск физического адреса. Если узел находит соответствующий физический адрес для IP-пакета, то использует его для обращения к получателю. В противном случае узел запускает процедуру ARP, по завершении которой осуществляется соответствующая коррекция таблицы разрешения адресов.

Таким образом, компьютерные сети играют очень большую роль. Посредством локальных сетей в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместное оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую информационную систему, которая имеет большие преимущества по обработке и передаче информации.