Реферат: Компьютерные сети
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
Протекающие в ЭВМ любого класса информационные процессы локализованырамками входящих в ее состав устройств. При этом обмен данными реализуетсяпосредством системной шины и различного рода кабелей, обеспечивающихподключение внешних устройств. Современные информационные технологиипредполагают широкое использование компьютерных сетей, в которых процессыобмена данными между компьютерами приобретают основополагающее значение.
Компьютерная сеть — это система, состоящая из двух и более разнесенныхв пространстве компьютеров, объединенных каналами связи, и обеспечивающаяраспределенную обработку данных. Компьютерные сети представляют собойраспределенные системы, позволяющие объединить информационные ресурсы входящихв их состав компьютеров.
Общепринятой классификацией компьютерных сетей является их разделениена локальные (LAN — Local Area Network), глобальные (WAN — World Area Network) и корпоративные сети.
Простейшая сеть образуется соединением двух рядом расположенных компьютеровчерез последовательные (СОМ) или параллельные (LPT) порты с помощьюспециальных кабелей. Такое соединение часто применяют при подключении ноутбукак другому компьютеру с целью передачи данных. В последние годы в практикувходит использование инфракрасных портов для соединения компьютеров в пределахпрямой видимости (без применения кабелей).
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) представляет собой распределеннуюна небольшой территории вычислительную систему, не требующую специальныхустройств (за исключением сетевых карт и в более сложных конфигурациях — концентраторов) для передачи данных. В связи с ослаблением сигналов всоединяющих компьютеры электрических кабелях Протяженность всей системы недолжна превышать нескольких километров, что ограничивает ее распространениерядом близко расположенных зданий.
Глобальная компьютерная сеть (ГКС) связывает информационныересурсы компьютеров, находящихся на любом удалении, что предполагаетиспользование различных специализированных устройств и каналов связи длявысокоскоростной и надежной передачи данных. Общедоступные глобальные сетиориентированы на обслуживание любых пользователей.
Корпоративная компьютерная сеть (ККС) создается для обеспечениядеятельности различного рода корпоративных структур (например, банков со своимифилиалами), имеющих территориально удаленные подразделения. В общем случаекорпоративная сеть является объединением ряда сетей, в каждой из которых могутбыть использованы различные технические решения. По функциональному назначениюкорпоративная сеть ближе к локальным сетям, по особенностям используемых дляпередачи данных технических решений и характеру размещения информационныхресурсов — к глобальным сетям. В отличие от глобальных сетей как локальные, таки корпоративные сети являются, как правило, сетями закрытого типа, политикадоступа в которые определяется их владельцами (как правило, для свободногодоступа открыты небольшие сегменты сетей, ориентированные на рекламу,взаимодействие с клиентами и др.).
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХСЕТЕЙ, ИХ ИЕРАРХИЯ, АРХИТЕКТУРА
• системныйподход, предполагающийподчинение всех принимаемых решений общей цели создания компьютерной системы.При этом выбор архитектуры сети, организация каналов передачи данных, характер территориальногоразмещения баз данных, особенности доступа пользователей к ресурсам сети, функциональныевозможности аппаратного и программного обеспечения должны соответствоватьназначению сети, и в пределе оптимизировать принятые при ее проектированиикритерии качества
• реализацияархитектуры открытых систем, ориентированной на возможность расширения(изменения), в том числе, через взаимодействие с другими сетями на основепринятых стандартов. Открытый характер построения сети позволяет осуществить еедекомпозицию в виде относительно самостоятельных подсистем меньшего масштаба имодулей, в пределах которых при проектировании могут быть использованыиндивидуальные решения. Актуальность данного принципа подчеркивается значениеммодели взаимодействия открытых систем OSI как общепризнанногостандарта построения сетей. Открытость системы является основой для ееадаптации (как правило, непрерывной) к изменяющимся условиям, включая решениевопросов ее последующего масштабирования;
• использованиеунифицированных решений. Широкая номенклатура современных серийно выпускаемыхспециализированных аппаратных и программных средств обеспечивает соответствиедействующим международным стандартам в области построения компьютерных сетей,что способствует снижению затрат и сокращению времени на их проектирование, монтажи отладку, а также повышает надежность их последующей работы;
• поддержкаразличных способов доступа пользователей к ресурсам сети, соответствующихреализованным в ней сервисам (функциям), характеру и использованию конкретныхресурсов и др. При необходимости в сети должен быть обеспечен режим удаленногодоступа, реализована возможность одновременного использования сетевого ресурсанесколькими пользователями или процессами;
• обеспечение безопасности информации, включающее всебя сохранение ее целостности, конфиденциальности и доступность информации дляпользователей при наличии у них требуемых уровней полномочий.
Любая компьютерная сеть в самом общем виде может быть представленав виде двух взаимодействующих составляющих: коммутационной системы и совокупностиабонентов (включая их оборудование: рабочие станции, серверы и др.). Основнымназначением коммутационной системы является формирование транспортной среды,обеспечивающей связь абонентов друг с другом. Абоненты сети потенциально могуткак предоставлять сетевые услуги, так и потреблять их. Изменение масштабовкомпьютерной сети приводит к изменению сложности ее обеих составляющих.
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИИ КОММУНИКАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Телекоммуникационная система представляет собой распределенную сеть,объединяющую традиционные сети передачи данных с передачей сообщений в цифровойформе и телефонные сети с передачей сообщений в аналоговой форме,предназначенную для передачи между абонентами трафика различной природы, сразличными вероятностно-временными характеристиками.
Основной функцией телекоммуникационных систем, поддерживающихработу компьютерных сетей, является организация оперативного и надежного обменаданными между абонентами. Главный показатель эффективности функционированиятелекоммуникационных систем — время доставки сообщений — определяется рядомфакторов:
• структуройсети связи;
• пропускнойспособностью линий связи;
• способамисоединения каналов связи между абонентами;
• используемымипротоколами информационного обмена;
• методамидоступа абонентов к передающей среде;
• методамимаршрутизации пакетов и др.
В целом на телекоммуникационную систему возлагается выполнениеряда задач связанных с обеспечением пользовательского трафика:
· согласованиеформатов сообщений (сигналов) передаваемых через различные каналы системы;
· синхронизациюработы каналов;
· коммутацию(каналов, сообщений, пакетов);
· маршрутизацию(сообщений, пакетов);
· обеспечениетребуемого уровня помехозащищенности и др.
Соответственно, всеаппаратные и программные средства, обеспечивающие решение этих задач, являютсячастью телекоммуникационной системы.
Для телекоммуникационныхсистем характерен ряд специфических особенностей:
· разнотипностьприменяемых каналов связи — от телефонных до спутниковых;
· ограниченностьчисла каналов между абонентами, которые можно использовать для передачиразличного рода сообщений;
· различныеуровни пропускной способности доступных каналов связи.
Одним из важнейшихфакторов, определяющим возможности телекоммуникационных систем и компьютерныхсетей в целом, являются технические характеристики каналов связи.
Канал связи (передачи данных) состоитиз линии связи и используемой на обеих сторонах линии аппаратуры передачиданных.
Линия связи представляет собойфизическую среду, через которую с помощью сигналов осуществляется передачаданных. Для передачи большого трафика на значительные расстояния широкоеприменение находят спутниковые, радиорелейные, кабельные и оптоволоконныеканалы связи.
Для оценивания свойств каналов связи и коммуникационной сети используютряд характеристик:
· скоростьпередачи данных по каналу связи (измеряется в бит/с);
· пропускнуюспособность канала связи (измеряется количеством передаваемых символов засекунду);
· достоверностьпередачи данных (измеряется количеством ошибок на один переданный знак);
· надежность(измеряется средним временем безотказной работы в часах).
В зависимости от вида используемых линий связи каналы подразделяютсяна проводные и беспроводные. К беспроводным каналам относят: спутниковые,инфракрасные, радиорелейные и другие каналы связи. В проводных каналах используютсятелефонные линии, различного рода кабели для передачиэлектрических и оптических сигналов.
Появление спутниковых сетей связи (первый спутник связи запущен в1958 году) сравнимо по значимости с изобретением телефона. В настоящее времяспутники связи выводятся на геостационарные орбиты, при этом они постояннонаходятся над определенными участками поверхности Земли. К преимуществамспутниковой связи относятся: большая пропускная способность, обусловленнаяработой в широком диапазоне гигагерцовых частот; обеспечение связи между узлами(станциями), расположенными на большом расстоянии друг от друга; независимостьоплаты трафика от расстояния (стоимость определяется временем работы илиобъемом трафика). В то же время при использовании спутниковой связи необходимопредпринимать меры повышенной информационной безопасности, исключающиевозможность перехвата передаваемых сообщений, имеет место задержка сигнала приприеме из-за больших расстояний, возможно временное ухудшение качества связииз-за воздействия атмосферных явлений.
Различают выделенные некоммутируемые каналы связи и каналы связи скоммутацией на время передачи данных по этим каналам.
При использовании выделенных каналов связи приемопередающаяаппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечиваетсявысокая степень готовности системы к передаче информации и более высокоекачество связи. Однако, из-за сравнительно больших расходов на эксплуатациюсетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только приусловии высокой загрузки каналов.
Для коммутируемых каналов, создаваемых только на время передачиопределенного объема данных, характерны высокая гибкость и сравнительнонебольшая стоимость при малом объеме трафика. Недостатки таких каналов: потеривремени на коммутацию (на установление связи между абонентами), возможностьблокировки передачи из-за занятости отдельных участков линии связи, пониженноекачество передачи, большая стоимость при значительном объеме трафика.
В каналах связи используется три режима передачи: симплексный, полудуплексныйи дуплексный.
Симплексный режим используется для передачи данных только в одномнаправлении. Характерным примером организации симплексного канала являетсясистема телевизионного вещания (от излучающей антенны телевизионного центра кпринимающей антенне абонента).
Полудуплексный режим обеспечивает возможность передачи сообщений вобоих направлениях, но в любой момент времени всегда только в одномнаправлении. Полудуплексный режим обмена сообщениями характерен для нормальногопротекания экзамена, когда вопросы одной стороны сопровождаются последующимиответами другой стороны.
Дуплексный режим обеспечивает одновременную передачу сообщений вобоих направлениях. Фактически дуплексный канал представляет собой дваразнонаправленных симплексных канала между двумя узлами сети. Дуплексный режимшироко используется при передаче сообщений как в локальных, так и в глобальныхсетях, обеспечивая эффективное использование ЭВМ и каналов связи.
Для сопряжения компьютеров с каналами связи необходимы специализированныеустройства — сетевые адаптеры. Они позволяют согласовать параметрысигналов внутреннего интерфейса компьютеров с параметрами сигналов,используемых в каналах связи определенного типа. При этом обеспечивается какфизическое согласование по форме, уровню сигналов, так и на уровне кодирования.Помимо одноканальных адаптеров в сетях широко используют и многоканальныеадаптеры — мультиплексоры передачи данных. В сетях со сложнойконфигурацией находят применение специализированные интеллектуальные связныепроцессоры.
При подключении компьютера к телефонной линии функции сетевогоадаптера выполняет модем. При увеличении протяженности сети с использованиемкабелей применяют повторители, обеспечивающие поддержание формы и амплитудысигнала при передаче его на большее по сравнению с типовыми значениямирасстояние.
ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ OSI
Международная организация стандартов (ISO — International Organization Standardization) для координацииразработки открытых сетей приняла в 1978 году в качестве стандарта базовую эталоннуюмодель OSI(Open System Interconnection). Эта модель допускаетэволюцию сетей с учетом новых результатов в теории и технике. Модель OSI определяет общие рекомендациидля построения стандартов сетей, реализуемые как программными, так иаппаратными средствами. Она включает в себя семь иерархических уровней, каждыйиз которых выполняет определенную функциональную задачу .
Три верхних уровня вместе с прикладными процессами пользователейобразуют область обработки данных. Три нижних уровня образуют область передачиданных между взаимодействующими системами и реализуют коммуникационные процессыпо передаче данных. Средний (транспортный) уровень обеспечивает транспортировкуданных (собственно трафик в сети) от отправителя к получателю. Он занимаетособое место в иерархии уровней, поскольку здесь коммуникационная подсеть (тринижних уровня) с пакетом данных в качестве автономно транспортируемого объектаобъединяется с верхними уровнями, использующими сообщение в качестве отдельногообъекта.
Протокол — набор правил, определяющих процедуру взаимодействияпроцессов, устройств, систем. Применительно к модели сети, используемые в нейпротоколы, управляют преобразованием форматов передаваемых сообщений (пакетов),последовательностью работы компьютерной техники, коммутационной аппаратуры иканалов связи, контролем и исправлением возникающих ошибок. За исключениемфизического уровня (его протоколы выполняются аппаратно) для всех уровнеймодели сети протоколы реализуются программным способом через драйверы,управляющие соответствующими сетевыми устройствами.
/>
Семиуровневая архитектура вычислительной сети (указано направлениепередачи данных слева направо)
ОРГАНИЗАЦИЯ ЛОКАЛЬНЫХ И КОРПОРАТИВНЫХ СЕТЕЙ, ХАРАКТЕРНЫЕОСОБЕННОСТИ ИХ ТОПОЛОГИИ И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Одной из важных характеристик ЛВС является топология сети, котораяхарактеризует усредненную геометрическую схему расположения входящих в составсети компьютеров, узлов коммутации и каналов связи. Узел коммутации -этоустройство, задающее направление передачи данных в сети. Для ЛВС характерны трибазовых топологии: кольцо (ring), шина (bus) и звезда (star).
В топологии Кольцо повторители сигналов (репитеры) спомощью соединительных кабелей связаны в единую однонаправленную замкнутую цепь(рис.7.4). К каждому из повторителей подключено по одному компьютеру. Сообщениепередается от одного повторителя к другому по кольцу до повторителя,295
опознающего адрес сообщения и отправляющего это сообщение подключенномук данному повторителю компьютеру. Для управления передачей сообщений по кольцупередается специальный маркер, разрешающий передачу сообщения из компьютера,инициировавшего формирование маркера. В общем случае маркер представляет собойслужебное сообщение, в которое помещаются сообщения абонентов сети. ТопологияКольцо обеспечивает равенство компьютеров, позволяет наращивать их число,однако последовательный характер обслуживания значительно снижает быстродействиесети, а выход из строя одного из повторителей приводит к остановке работы сетив целом. В настоящее время топология Кольцо используется очень редко.
/>
В топологии Шина все компьютеры подключены к общей единой линиисвязи (рис.7.5). В отличие от топологии Кольцо, допускающей использование любыхкабелей в качестве передающей сигналы среды, данная топология ориентирована наприменение только коаксиального кабеля (тонкого или толстого). В наиболеешироко используемом варианте с тонким кабелем выходы сетевых карт соседнихкомпьютеров непосредственно связываются отрезками кабеля, формируя тем самымшину. Данные от передающего компьютера одновременно поступают на все компьютерысети, однако их воспринимает только тот компьютер, адрес которого указан впередаваемом сообщении. В любой момент времени осуществлять передачу данныхможет только один компьютер. При выходе отдельного компьютера из строя сетьпродолжает нормально функционировать. Для топологии Шина характерно высокоебыстродействие ЛВС, простая процедура наращивания размера сети, однако призначительном объеме трафика ее пропускная способность может значительнопонизиться.
Топология Звезда предполагает наличие центрального узла коммутации,с которым соединяются компьютеры сети посредством отдельных линий связи (рис.7.3).Данные между компьютерами передаются через центральный узел, обеспечивающий ихмаршрутизацию в сети. Данная топология обеспечивает простоту расширения иуправления сетью, однако ее работоспособность полностью определяется состояниемцентрального узла коммутации. Топология Звезда является более гибкойархитектурой позволяющей, строить как простые, так и сложные сегментированные,разветвленные сети. Скорость работы такой сети существенно выше, кроме того,имеется возможность построения сегментов с разной скоростью передачи данных взависимости от ее технического оснащения и организации. При повреждении линиисвязи конкретного луча от сети отключаются только компьютеры, связанные с этимлучом.
На практике, как правило, реализуют комбинированные варианты построениялокальной сети на основе топологии Звезда.
/>
Для расширения числа подключаемых рабочих станций при созданиисетей произвольной конфигурации широко используют специальные устройства — концентраторы(hub), фактически выполняющие функцию многопортовых (со многимивходами) повторителей. Задачей концентратора является сбор воедино подходящих кнему сетевых соединений и организация приема и передачи данных междуадресатами. Выпускают концентраторы пассивные и активные с автономным питанием.Основными их параметрами являются: скорость передачи данных и количествопортов. Различные модели устройств работают на скоростях 10 Мбит/с и 10/100Мбит/с (в новейших моделях максимально возможная скорость достигает 1000Мбит/с) и имеют 4, 5, 8, 12, 16, 24 и 32 портов.
В ЛВС для соединения устройств между собой обычно используют кабелинескольких видов, а в ряде случаев, радиоканал и инфракрасный канал. Средиразличных типов кабелей наиболее часто применяют витую пару, реже коаксиальныйи оптоволоконный кабель.
В простейшем случае витая пара (VTP) образуется двумясвитыми (скрученными) изолированными проводниками. Существует несколько категорийвитой пары, отличающихся максимально возможной скоростью передачи ипомехозащищенностью. Для повышения помехозащищенности используют экранированнуювитую пару (STR). В последние годы витая пара является наиболее широкоиспользуемым видом передающей среды. Этот тип кабеля обеспечивает высокуюскорость передачи — до 100 Мбит/с, прост при монтаже, нетребователен приэксплуатации. Используется только в сетях с топологией Звезда. Недостаткомявляется небольшая длина луча (до 100 м).
Коаксиальный кабель на срезе представляет собой совокупность изолированнойцентральной жилы (проводника) и окружающей ее защитной металлической оплетки,обеспечивающей высокую помехозащищенность от внешних электромагнитных полей. Всетях используют два вида коаксиального кабеля: толстый и тонкий. Толстыйкабель характеризуется более высокими значениями эксплуатационных параметров.При построении новых сетей коаксиальный кабель практически не применяется из-замалых для современных сетей скоростей передачи данных.
Оптоволоконный кабель является наиболее современным техническимрешением, обеспечивающим наибольший уровень помехозащищенности. По сравнению сэлектрическими кабелями он не излучает электромагнитных колебаний при передачеданных, что актуально для сетей с повышенными требованиями информационнойбезопасности, нечувствителен к внешним электромагнитным полям. Оптоволоконныйкабель характеризуется высокой скоростью передачи (до 1000 Мбит/с) и большойдлиной луча (до сотни км), однако, в то же время, он является наиболее дорогимрешением по стоимости как оборудования, так и монтажа, а также требует сложныхпереходных (стыковочных) устройств для преобразования электрических сигналов всветовые и обратно. В течение последних лет в ЛВС доминирующим решениемявляется архитектура Ethernet. В качестве передающей среды в различныхспецификациях могут использоваться витая пара, толстый и тонкий коаксиальныйкабель, оптоволоконный кабель.
В ряде случаев при невозможности или нецелесообразности прокладкикабелей используют радиосети, включающие в свой состав необходимое количествоустановленных на компьютерах радиотрансиверов (комплект приемник-передатчик),обменивающихся данными по радиоканалу. Обычно радиоканал организуют нарасстояние до 5 км (известны решения с дальностью действия до 40 км и скоростью передачи до 11 Мбит/с). Для такой технологии характерна высокая стоимость, крометого, для ее применения необходимо получать соответствующее разрешение вГосударственной комиссии по радиочастотам.
В последние годы в связи с широким применением ЛВС типичной сталазадача соединения ряда автономных сетей в единое целое с целью объединенияресурсов и организации единой транспортной сети. Подобная необходимостьвозникает практически всегда при организации корпоративных сетей.
Простейший вариант объединения нескольких сегментов сети с шиннойтопологией для увеличения ее общей протяженности реализуется с помощьюприемопередатчиков (трансиверов) и повторителей (репитеров).
Приемопередатчик представляет собой устройство, предназначенноедля приема пакетов от сетевых карт и последующей их передачи в шину.
Повторитель (устройство с автономным питанием) выполняет функциюусилителя мощности сигналов, передающих пакеты данных между сегментами определеннойдлины.
В случае объединения однотипных близкорасположенных сетей используютнаиболее простое техническое решение — мост, предполагающий использованиев обеих сетях одинаковых методов передачи данных. Объединяемые сети должныиметь одинаковые сетевые уровни модели OSI, однако при этомдопускаются некоторые различия на физическом и канальном уровнях. Мостпозволяет объединять и сети с различной топологией при использовании однотипныхсетевых операционных систем. Различают локальные и удаленные мосты. В отличиеот локальных удаленные мосты позволяют посредством внешних каналов и модемовсвязать территориально разнесенные сети.
Более сложным техническим решением является использование шлюза,представляющего собой устройство для организации обмена данными междусетями с различными протоколами взаимодействия. Непосредственное назначениешлюза заключается в согласовании протоколов, используемых в объединяемых сетях.Функции шлюза реализуются на всех уровнях модели OSI выше сетевого уровня.Именно шлюзы позволяют реализовать подключение ЛВС к глобальной сети.
В сетях со сложной конфигурацией или в объединенных сетях широкоприменяют маршрутизаторы (router), представляющие собой устройства дляоптимизации управления передачей сообщений в сетях различного типа,использующих одинаковые операционные системы. Маршрутизатор определяет наиболееэффективный путь передачи сообщения (пакетов) конкретному абоненту сети,обеспечивая при этом балансировку загрузки сети (оптимизацию) с подключением кработе свободных каналов связи. Маршрутизатор пропускает в конкретную сетьтолько те сообщения, которые адресованы ее абонентам. Адрес конкретногоабонента определяется его собственным адресом в рамках сети и адресом этойсети. Функции маршрутизатора реализуются на сетевом и транспортном уровняхмодели OSI, при этом более высокие уровни объединяемых сетей должны бытьодинаковы.
При построении сложных сетей для обеспечения необходимой интенсивностии оптимизации работы вместо концентратора используют более интеллектуальноеустройство — коммутатор (switch). Его принципиальным отличием от концентратораявляется наличие внутренней логики и микропрограммы, которые более оптимальноиспользуют ресурсы сети (фактически реализуя функции маршрутизатора), разгружаяее и повышая общую производительность. Они обладают большей пропускнойспособностью и малым временем задержки, что обеспечивает в сетях поддержкуинтерактивного трафика между взаимодействующими рабочими станциями.
Различные виды коммутационного оборудования (мосты, маршрутизаторыи коммутаторы) по назначению и функциональным возможностям близки друг другу.Мосты обеспечивают сегментацию сети на нижнем (физическом) уровне, поэтому их«интеллектуальные» возможности малы. Маршрутизаторы, объединяяфизические и логические сегменты сети в единое целое, выполняют при этом ряд«интеллектуальных» функций, но они вносят заметные задержки, чтонегативно сказывается на оперативности управления трафиком. Коммутаторыобеспечивают меньшее время задержки и наиболее эффективны в сетях с небольшимчислом пользователей. Однако в сложных сетях с большим числом коммутационныхустройств маршрутизаторы обеспечивают более эффективное управление трафиком, чемкоммутаторы.
Конструктивно мосты, маршрутизаторы и шлюзы обычно выполняются ввиде плат, устанавливаемых в компьютеры и управляемых с помощью специализированногопрограммного обеспечения. В высокопроизводительных системах они могут бытьвыполнены в виде внешних устройств с автономным питанием.