Назначение и виды вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети. Глобальные вычислительные сети

Компьютерная сеть ¾ совокупность компьютеров, объединенных каналами передачи данных для обмена информацией и коллективного использования аппаратных, программных и информационных ресурсов сети.

Информационные ресурсы сети – это базы данных общего и индивидуального применения, ориентированные на решаемые в сети задачи.

Аппаратные ресурсы сети составляют компьютеры различных типов, средства территориальных систем связи, аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней.

Программные ресурсы сети представляют собой комплекс программ для планирования, организации и осуществления коллективного доступа пользователей к общесетевым ресурсам, автоматизации процессов обработки информации, динамического распределения и перераспределения общесетевых ресурсов с целью повышения оперативности и надежности удовлетворения запросов пользователей.

Назначение компьютерных сетей:

· обеспечить надежный и быстрый доступ пользователей к ресурсам сети и организовать коллективную эксплуатацию этих ресурсов;

· обеспечить возможность оперативного перемещения информации на любые расстояния с целью своевременного получения данных для принятия управленческих решений.

Использование компьютерных сетей предоставляет следующие возможности:

1. Организовать параллельную обработку данных несколькими ПК.

2. Создавать распределенные базы данных, размещаемые в памяти различных компьютеров.

3. Специализировать отдельные компьютеры для эффективного решения определенных классов задач.

4. Автоматизировать обмен информацией и программами между отдельными компьютерами и пользователями сети.

5. Резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных на случай выхода из строя отдельных ресурсов сети с целью быстрого восстановления нормальной работы сети.

6. Перераспределять вычислительные мощности между пользователями сети в зависимости от изменения потребностей и сложности решаемых задач.

7. Сочетать работу в различных режимах: диалоговом, пакетном, режиме «запрос-ответ», режиме сбора, передачи и обмена информацией.

Классификация и характеристика компьютерных сетей:

Вид компьютерной сети	Характеристика
По территориальной рассредоточенности
Глобальные	Объединяют пользователей, расположенных по всему миру. Взаимодействие абонентов осуществляется посредством спутниковых каналов связи и телефонных линий
Региональные	Объединяют пользователей города, области, небольших стран и в качестве каналов связи чаще всего используют телефонные линии
Локальные	Связывают абонентов одной организации, расположенных в одном или нескольких близлежащих зданиях. Для связи абонентов используется единый высокоскоростной канал передачи данных
По типу ПК, входящих в сеть
Гомогенные	Сети, состоящие из программно совместимых компьютеров
Гетерогенные	Сети, в состав которых входят программно несовместимые компьютеры
По типу организации передачи данных
С коммутацией каналов	Характеризуются установлением прямой связи с абонентом на некоторое время в пределах общей очереди. Основным недостатком такой связи является ожидание соединения в общей очереди. Положительным качеством такой передачи является тот факт, что передача не может быть осуществлена вне очереди (произвольно), что повышает достоверность передачи информации в целом
С коммутацией сообщений	Характеризуются наличием узлов коммутации, которые получают сообщение, запоминают его и, в случае освобождения канала связи с абонентом по определенному адресу, передают это сообщение. Положительной стороной такой передачи является минимальное время ожидания, отрицательной - то, что сеть получается более дорогой (необходимо разработать специальное программное обеспечение узла коммутации), а при передаче большого объема информации (1 млн. байт) канал может быть занят несколько часов
С коммутацией пакетов	Позволяют длинное сообщение на передающем пункте разбивать на пакеты сообщений. Информация передается пакетами. Положительная сторона такого способа передачи - сокращается время ожидания передачи, отрицательная - необходимость иметь программное обеспечение, позволяющее разбивать на передающем пункте сообщение на пакеты с заголовком, адресом и контрольным числом, а на принимающем пункте - сборку сообщения по идентификатору
По режиму передачи данных
Широковещательные	Характеризуются тем, что в каждый момент времени на передачу данных может работать только одна рабочая станция, а все остальные станции в это время работают на прием
Последовательные	Характеризуются тем, что передача данных производится последовательно от одной станции к соседней, причем на разных участках сети могут использоваться различные виды физической передающей среды
По характеру реализуемых функций
Вычислительные	Предназначены для решения задач управления на основе вычислительной обработки исходной информации
Информационные	Предназначены для получения справочных данных по запросу пользователей
Смешанные	Реализуют вычислительные и информационные функции
По способу управления
С централизованным управлением	Компьютерная сеть, в которой все функции управления и координации выполняемых сетевых операций сосредоточены в одном или нескольких управляющих компьютерах
С децентрализованным управлением	Компьютерная сеть, в которой каждый узел сети имеет полный набор программных средств для координации выполняемых сетевых операций
Смешанные	Компьютерные сети, в которых в определенном сочетании реализованы принципы централизованного и децентрализованного управления, например, задачи с высшим приоритетом решаются под централизованным управлением, а остальные задачи - под децентрализованным

Локальная сеть представляют собой совокупность компьютеров, расположенных на ограниченной территории и объединенных каналами связи для обмена информацией и распределенной обработки данных.

Основные компоненты ЛВС:

Рабочая станция — это персональный компьютер, подключенный к сети и работающий под управлением локальной операционной системы, через который пользователь получает доступ к сетевым ресурсам. Рабочая станция функционирует как в сетевом, так и в локальном режиме и обеспечивает пользователя всем необходимым инструментарием для решения прикладных задач.

Сервер — это компьютер, выполняющий функции управления сетевыми ресурсами общего доступа: осуществляет хранение данных, управляет базами данных, выполняет удаленную обработку заданий, обеспечивает печать заданий и др.

Сетевой адаптер (сетевая карта) относится к периферийным устройствам персонального компьютера, непосредственно взаимодействующим со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами.

Повторители и концентраторы. Основная функция повторителя (repeater) — повторение сигналов, поступающих на его порт. Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счет этого появляется возможность увеличивать общую длину кабеля между самыми удаленными в сети узлами.

Многопортовый повторитель называют концентратором (concentrator) или хабом (hub), что отражает тот факт, что данное устройство реализует не только функцию повторения сигналов, но и концентрирует в одном центральном устройстве функции объединения компьютеров в сеть. Практически во всех современных сетевых стандартах концентратор является необходимым элементом сети, соединяющим отдельные компьютеры в сеть.

Мост (bridge) — В глобальных сетях связь между ЛВС осуществляется посредством мостов - представляют собой программно аппаратные комплексы, которые соединяют ЛВС между собой, а также ЛВС и удаленные рабочие станции (РС), позволяя им взаимодействовать друг с другом для расширения возможностей сбора и обмена информацией (ретрансляционная система). Коммутатор (switching hub) - это многопортовый и многопроцессорный мост, обрабатывающий кадры со скоростью значительно превышающей скорость работы моста. Мосты и коммутаторы делят общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста или коммутатора. При поступлении кадра на какой-либо из портов мост коммутатор повторяет этот кадр, но не на всех портах, как это делает концентратор, а только на том порту, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер-адресат. Основное отличие мостов и коммутаторов состоит в том, что мост обрабатывает кадры последовательно (один за другим), а коммутатор — параллельно (одновременно между всеми парами своих портов).

Маршрутизатор - ретрансляционная система, соединяющая две коммуникационные сети либо их части. Маршрутизаторыобмениваются информацией об изменениях структуры сетей, трафике и их состоянии. Благодаря этому выбирается оптимальный маршрут следования блока данных в разных сетях от абонентской системы-отправителя к системе-получателю. Маршрутизаторы обеспечивают также соединение административно независимых коммуникационных сетей.

Шлюз является наиболее сложной ретрансляционной системой, обеспечивающей взаимодействие сетей с различными наборами протоколов всех семи уровней модели открытых систем. Шлюзы оперируют на верхних уровнях модели OSI (сеансовом, представительском и прикладном) и представляют наиболее развитый метод подсоединения сетевых сегментов и компьютерных сетей. Необходимость в сетевых шлюзах возникает при объединении двух систем, имеющих различную архитектуру, т.к. в этом случае требуется полностью переводить весь поток данных, проходящих между двумя системами.

Каналы связи – это физическая среда для передачи информации между рабочими станциями или узлами сети. Каналы связи позволяют быстро и надежно передавать информацию между различными устройствами локальной вычислительной сети.

Сетевая операционная система – это комплекс программ, обеспечивающих в сети обработку, хранение и передачу данных. Сетевая операционная система необходима для управления потоками сообщений между рабочими станциями и сервером.

Основное различие между всеми названными сетями заключается в управлении доступом к информации и в том, как происходит обмен данными. В зависимости от способов управления доступом и обмена данными сети подразделяются по топологии и технологии. Последовательно рассмотрим представление данных в сетях, виды используемых топологий и технологий.

Метод доступа ¾ это технология, определяющая использование канала передачи данных, соединяющего узлы сети на физическом уровне. Самыми распространенными технологиями сегодня являются Ethernet, Arcnet и Token Ring (говорящее кольцо).

Метод доступа Ethernet является самым распространенным в ЛВС. Свое название он получил от первой ЛВС, разработанной фирмой Xerox в 1972 г. Впоследствии вокруг проекта Ethernet объединились фирмы DEC, Intel и Xerox. В 1982 г. эта сеть была принята в качестве стандарта.

Метод доступа Ethernet характеризуется тем, что отправляемое сообщение одной станцией распространяется по шине в обе стороны и принимается одновременно всеми узлами, подключенными к общему кабелю. Но поскольку сообщение имеет адрес станции, для которой предназначена информация, она распознает данные и принимает их. Остальные станции сообщение игнорируют. Это метод множественного доступа.

Метод доступа Arcnet используется в основном в ЛВС, имеющей центральный узел (компьютер или пассивный соединитель), к которому через концентратор подключены все ПК сети. Все сообщения в сети проходят через центральный узел, при этом столкновений сообщений не происходит. Метод доступа Arcnet является наиболее быстродействующим, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями.

Метод доступа Token Ring характеризуется тем, что сообщения циркулируют по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из сети запрос. Сообщение последовательно передается от одной станции к другой. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимающий ПК распознает и получает только адресованное ему сообщение. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять по каналам связи одно за другим. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций в сети. Для того, чтобы кольцо при выходе одного узла продолжало функционировать, организуется обратный путь передачи информации или производится переключение на запасное кольцо.

Топология ¾ это схема соединения каналами связи компьютеров или узлов сети между собой. Используются следующие виды соединений: шинная, звездообразная, кольцевая.

Сеть шинной топологии представляет собой подключение компьютеров вдоль одного кабеля. Технологией обеспечивающей такой способ соединения компьютеров является Ethernet ¾ метод доступа c прослушиванием несущей частоты и обнаружением конфликтов. При этом методе доступа узел, прежде чем послать данные по каналу связи, прослушивает его, и только убедившись, что канал свободен, посылает пакет. Если канал занят, узел повторяет попытку передать пакет через случайный промежуток времени. Данные, переданные одним узлом сети, поступают во все узлы, но распознает и принимает их компьютер, которому предназначены данные. В качестве линий связи в топологии Ethernet используются кабель типа витая пара, коаксиальные и оптоволоконные кабели. Эта технология обеспечивает дуплексную передачу данных со скоростями от 10 до 100 Мбит/сек. Шинная топология позволяет эффективно использовать пропускную способность канала, устойчива к неисправностям отдельных узлов и дает возможность наращивания сети.

Сеть кольцевой топологии использует в качестве канала связи замкнутое кольцо из компьютеров, соединенных коаксиальным или оптическим кабелем. Технология доступа в сетях этой топологии реализуется методом передачи маркера. Маркер – это пакет, снабженный специальной последовательностью бит (его можно сравнить с конвертом для письма). Он последовательно предается по кольцу от компьютера к компьютеру в одном направлении. Каждый узел ретранслирует передаваемый маркер. Компьютер может передать свои данные, если он получил пустой маркер. Маркер с пакетом передается, пока не обнаружится компьютер, которому предназначен пакет. В этом компьютере данные принимаются, но маркер движется дальше и возвращается к отправителю. После того, как отправивший пакет компьютер убедится, что пакет доставлен адресату, маркер освобождается. Скорость передачи данных в таких сетях достигает 4 Мбит/сек.

При звездообразной топологии всекомпьютеры сети подключаются к центральному компьютеру отдельной линией связи. Центральный компьютер управляет рабочими станциями, подключенными к нему через концентратор, который выполняет функции распределения и усиления сигналов. Надежность работы сети при такой топологии полностью зависит от центрального компьютера. Метод доступа реализуется с помощью технологии Arcnet. Этот метод доступа также использует маркер для передачи данных. Маркер передается от компьютера к компьютеру в порядке возрастания адреса. Как и в кольцевой топологии, каждый компьютер регенерирует маркер. Данный метод доступа обеспечивает скорость передачи данных 2 Мбит/сек.

В настоящее время существуют еще более скоростные, но и более дорогие варианты организации вычислительных сетей в виде распределенного двойного кольца на базе оптико-волоконных каналов (вариант FDDI) и витой пары (вариант CDDI). Данные варианты организации и технологии построения предназначаются для больших корпоративных вычислительных сетей.

При подключении локальной сети предприятия к глобальной сети особое внимание обращается на обеспечение информационной безопасности. В частности, должен быть максимально ограничен доступ в сеть для внешних пользователей, а также ограничен выход во внешнюю сеть сотрудников предприятия. Для обеспечения сетевой безопасности устанавливают брандмауэры. Это специальные компьютеры или компьютерные программы, препятствующие входу в локальную сеть и несанкционированной передаче информации.

Пользователи (клиенты) локальной сети могут иметь различные права доступа и полномочия по обработке информации, хранящейся в базах данных коллективного пользования. Полномочия пользователей локальной сети определяются правилами разграничения доступа, а совокупность приемов распределения полномочий называется политикой сети. Управление сетевыми политиками называется администрированием сети, которым занимается уполномоченное лицо – системный администратор.

Порядок доступа и использования ресурсов сети Интернет определяет организация или уполномоченное лицо – провайдер.

Интернет — это всемирная компьютерная сеть, объединяющая ПК отдельных пользователей и ЛВС предприятий и организаций по всему миру.

Связь между компьютерами в Интернете осуществляется посредством комплекса сетевых протоколов ТСР\IР, состоящего из транспортного протокола TCP (протокол контроля передачи) и межсетевого протокола IP.

Основные функции протокола TCP:

1. разбивает сообщение на пакеты;

2. Контролирует доставку всех пакетов;

3. Следит за целостностью сообщения;

4. собирает принимаемое сообщение из пакетов.

Основная функция протокола IP:

1. Определяет наилучший маршрут доставки пакета с сообщением.

В настоящее время Internet включает следующие компоненты:

1. Хост-компьютеры;

2. Локальные сети и персональные компьютеры;

3. Каналы связи

Хост-компьютер – компьютер, обслуживающий сеть, управляющий передачей сообщений и представляющий удаленный доступ к своим ресурсам.

Локальные сети и персональные компьютеры подключаются к хост-компьютеру и таким образом получают доступ в Internet. Каждый компьютер, подключенный к сети, имеет свой уникальный адрес.

Каналы связи обеспечивают взаимодействие между хост-компьютерами. В качестве каналов связи используются высокоскоростные телефонные линии или спутниковые каналы.

Для идентификации компьютеров (host-узлов), подключенных к Internet, и межсетевой маршрутизации пакетов каждому из компьютеров присваивается уникальный четырехбайтный адрес (IP-адрес). Запись IP-адреса состоит из четырех сегментов, разделенных точками. Каждый сегмент представляет собой десятичное число в диапазоне от 0 до 255, что соответствует одному байту. Примером записи IP-адреса является строка: 197.25.17.34. Числа 0,127 и 255 зарезервированы для специальных нужд и не могут быть использованы в обычном IР-адресе.

Сегменты IP-адреса делятся на две части. Левая — сетевая часть IP-адреса — обозначает сеть или иерархию подсетей, на нижнем уровне которой находится адресуемый компьютер. Правая — машинная часть IP-адреса — указывает на конкретный номер host-компьютера в сети нижнего уровня иерархии. Количество сегментов в сетевой и машинной части IP-адреса зависит от того, к какому классу сети он принадлежит.

Доменная система имен — это весьма сложная распределенная база данных, содержащая информацию о компьютерах (в основном, о компьютерах-серверах), включенных в Internet. К информации данной базы относятся символьные адреса (имена) компьютеров, их числовые IP-адреса, данные для маршрутизации почты и многое другое.

Имена домен DNS верхнего уровня строго определены и могут быть трех- или двух-символьными.

К трехсимвольным доменам DNS верхнего уровня относятся следующие:

СОМ — коммерческие организации;

EDU — учебные заведения;

NET — организации, предоставляющие сетевые услуги;

MIL — военные учреждения;

GOV —- правительственные учреждения;

ORG — некоммерческие организации;

INT — международные организации.

Двухсимвольные домены DNS верхнего ypoвня предназначаются для других стран и совпадают с кодами ISO. Например, RU — Россия, US — США, СА — Канада, DE — Германия, FR — Франция.

В России регистрация доменных имен осуществляется Всероссийским научно-исследовательским институтом развития открытых систем (ВНИИРОС).