Компоненты и структура компьютерных сетей.

 

В настоящее время все большую роль в жизни общества играют распределенные системы обработки данных. Рабочие станции пользователей, серверы приложений, серверы баз данных и прочие сетевые узлы распределены по большой территории. Даже в рамках одной крупной компании офисы и площадки могут быть соединены различными видами коммуникаций, использующих различные технологии и сетевые устройства.

Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило — различные виды электрических сигналов, световых сигналов или электромагнитного излучения, обработка которых производится специальным коммуникационным оборудованием.

Таким образом, следует рассматривать компьютерную сеть как совокупность программных, аппаратных и коммуникационных средств, обеспечивающих эффективное распределение вычислительных ресурсов.

Сеть позволяет легко взаимодействовать друг с другом самым различным видам компьютерных систем благодаря стандартизованным методам передачи данных, которые позволяют скрыть от пользователя все многообразие сетей и машин.

Сетевая инфраструктура строится из различных компонентов, которые условно можно разнести по следующим уровням:

1. кабельная система;

2. сетевое оборудование;

3. сетевые протоколы;

4. сетевые службы;

5. сетевые приложения.

Каждый из этих уровней может состоять из различных подуровней и компонентов.

Кабельные системы – это системы, элементами которых являются кабели и пассивное коммутационное оборудование, служащее для соединения или физического окончания (терминирования) кабеля. К пассивному коммутационному оборудованию относят телекоммуникационные розетки на рабочих местах, кроссовые и коммутационные панели («патч-панели») в телекоммуникационных помещениях и т.д. Кабельные системы могут быть построены на основе нескольких типов передающих сред — коаксиальный кабель («толстый», диаметром 0,5 дюйма, или «тонкий», диаметром 0,25 дюйма), STP (экранированная витая пара), UTP (неэкранированная витая пара) и оптоволоконный кабель. Структуру кабельной системы определяет инфраструктура информационных технологий.

Сетевое оборудование включает в себя такие виды аппаратных сетевых устройств, как повторители (репитеры), мосты, концентраторы (хабы), коммутаторы (свитчи), маршрутизаторы (роутеры), модемы, принт-серверы, аппаратные межсетевые экраны (Firewall) и т.д.

Сетевые протоколы представляют собой набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными в сети. Другими словами, сетевыепротоколы– это наборы правил и процедур, регулирующих порядок осуществления связи. Все компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы по завершении передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде. Существует несколько стандартных наборов (стеков) протоколов, получивших сейчас наиболее широкое распространение:

1. TCP/IP;

2. SPX/IPX;

3. Novell NetWare;

4. AppleTalk и т.д.

Протоколы перечисленных стеков делятся на три основных типа:

1. прикладные протоколы (выполняющие функции прикладного, представительского и сеансового уровней модели OSI);

2. транспортные протоколы (выполняющие функции транспортного и сеансового уровней модели OSI);

3. сетевые протоколы (выполняющие функции трех нижних уровней OSI – сетевого, канального и физического).

Сетевые службы (сервисы) составляют основу работы сети. Взаимодействие компьютеров между собой, а также с другим активным сетевым оборудованием, организовано на основе использования сетевых служб, которые обеспечиваются специальными процессами сетевой операционной системы (ОС). В UNIX-подобных ОС такие сетевые сервисы называют демонами, а в ОС семейства Windows – службами. Базовый набор сетевых служб компьютерной сети состоит из следующих служб:

1. службы сетевой инфраструктуры (например, DNS, DHCP, WINS);

2. службы файлов и печати (например, на основе протокола IPP – Интернет Printing Protocol);

3. службы каталогов (например, Novell NDS, MS Active Directory);

4. службы обмена сообщениями;

5. службы доступа к базам данных и т.д.

Сетевые приложения – это самый верхний уровень функционирования сети, представленный программными приложениями для работы в сети. Примерами сетевых приложений могут служить различные Web-браузеры (Интернет Explorer, Mozilla FireFox. Opera. Google Chrome и др.), почтовые клиенты (Microsoft Outlook, The Bat!, Mozilla Thunderbird и др.), программы обмена мгновенными сообщениями (например, ICQ, Miranda IM и др.), программы аудио- и видеосвязи (например, Skype) и др.

Требования, предъявляемые к компьютерным сетям.

Основная задача любой компьютерной сети – выполнение определенного набора услуг, для оказания которых она предназначена: например, предоставление доступа к файловым архивам или страницам публичных Web-сайтов Интернет, обмен электронной почтой в пределах предприятия или в глобальных масштабах, интерактивный обмен голосовыми сообщениями IP-телефонии и т.п. С качеством выполнения этой основной задачи связано понятие «качество обслуживания» (Quality of Service, QoS), которое определяет следующие основные требования к компьютерным сетям:

1. Соответствие стандартам – все устройства, работающие в одной сети, должны общаться на одном языке: передавать данные в соответствии с общеизвестным алгоритмом в формате, который будет понят другими устройствами.

2. Надежность – свойство, заключающееся в способности сети выполнять заданные функции при определенных условиях эксплуатации.

3. Совместимость – способность аппаратных или программных компонентов сети взаимодействовать друг с другом, а также возможность межсетевого взаимодействия. Выделяют аппаратную (техническую), программную и информационную совместимость сетей.

4. Защищенность – свойство сети, заключающееся в защищенности передаваемой по ней информации и поддерживающей инфраструктуры от случайных или преднамеренных воздействий естественного или искусственного характера, которые могут нанести неприемлемый ущерб субъектам информационных отношений.

5. Расширяемость – свойство сети, означающее возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

6. Масштабируемость – способность сети увеличивать производительность пропорционально введенным дополнительно ресурсам (обычно аппаратным).

7. Производительность – одно из основных преимуществ распределенных систем, к которым относятся компьютерные сети. Это свойство обеспечивается принципиальной возможностью распределения работ между несколькими компьютерами сети. Основные характеристики производительности сети:

1. Время реакции сети является интегральной характеристикой производительности сети с точки зрения пользователя. В общем случае время реакции определяется как интервал между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на него. Очевидно, что значение этого показателя зависит от типа службы, к которой обращается пользователь, от того, какой пользователь и к какому серверу обращается, а также от текущего состояния элементов сети — загруженности сегментов, коммутаторов и маршрутизаторов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и т.п. Поэтому имеет смысл использовать также и средневзвешенную оценку времени реакции сети, усредняя этот показатель по пользователям, серверам и времени дня (от которого в значительной степени зависит загрузка сети).

1. Скорость передачи трафика – одна из важных характеристик производительности сети. Различают мгновенную, максимальную и среднюю скорость передачи трафика.

1. Пропускная способность — максимально возможная скорость обработки трафика, определенная стандартом технологии, на которой построена сеть. Пропускная способность отражает максимально возможный объем данных, передаваемый сетью или ее частью в единицу времени.

И хотя все перечисленные выше требования весьма важны, часто понятие «качество обслуживания» (QoS) компьютерной сети трактуется более узко: в него включаются только две самые важные характеристики сети — производительность и надежность.

3.Классификация компьютерных сетей.

На сегодняшний день нет общепризнанной таксономии сетей. Для классификации компьютерных сетей используются разные признаки, основными из которых являются признаки структурной и функциональной организации.

1. По технологии передачи данных можно выделить:

1.1. Сети типа вещание – имеют единый канал передачи данных, который используют все компьютеры сети. Пакет, отправленный определенному узлу, получают все узлы в сети. В определенном поле пакета указан адрес получателя. Компьютер, обнаруживший в данном поле свой адрес, приступает к обработке этого пакета. Если в этом поле указан другой адрес, компьютер просто игнорирует этот пакет.

Существует режим широкого вещания (один пакет адресуется всем узлам в сети) и режим группового вещания (один пакет получают компьютеры, принадлежащие к определенной группе в сети).

Вещательные сети по методам выделения канала делятся на:

• Статические сети (применяется повременное разделение канала между узлами; недостатком метода является то, что если компьютер ничего не передает, канал простаивает);

• Динамические сети (используют централизованные и распределенные механизмы выделения канала по запросу).

Вещательные сети используются на географически небольших территориях.

1.2. Сети «точка-точка» (point-to-point) соединяют каждую пару машин индивидуальным каналом. Прежде, чем пакет достигнет адресата, он проходит через несколько промежуточных узлов. В этих сетях возникает потребность в маршрутизации пакетов, от эффективности которой зависит скорость доставки сообщений и распределение нагрузки в сети.

Сети «точка-точка» используются для построения крупных сетей, охватывающих большие регионы.

2. По масштабу сети можно выделить:

2.1. Персональная сеть (PAN, Personal Area Network) – сеть, предназначенная для взаимодействия различных устройств, принадлежащих одному владельцу. Данные сети призваны объединять все персональные электронные устройства пользователя (телефоны, КПК, смартфоны, ноутбуки, гарнитуры, медиаплееры и т.п.).

К основным стандартам таких сетей в настоящее время относят Bluetooth, Wi-Fi.

Параметры PAN:

1. Малое число абонентов.

2. Некритичность к наработке на отказ.

3. Все устройства входящую в PAN-сеть можно контролировать.

4. Узкий радиус действия.

2.2. Сеть контроллеров (CAN, Controller Area Network) — стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных контроллеров, исполнительных устройств и датчиков.

2.3. Локальная сеть (LAN, Local Area Network) – сеть, имеющая небольшой размер и замкнутую инфраструктуру, основное назначение которой состоит в объединении пользователей (как правило, одной компании или организации) для совместной работы.

Сформулировать отличительные признаки локальной сети можно следующим образом:

1. Используемая технология передачи данных – вещание.

2. Основные стандарты – Ethernet, Wi-Fi.

3. Высокая скорость передачи информации – 10 Мбит/с–1 Гбит/с (теоретически, согласно стандартам, до 100 Гбит/с), большая пропускная способность сети.

4. Высококачественные каналы связи, обеспечивающие низкий уровень ошибок передачи.

5. Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом данными по сети.

6. Ограниченное количество компьютеров, подключаемых к сети.

7. Закрытый тип сети, доступ к которой разрешен только ограниченному кругу пользователей.

2.4. Городская сеть (MAN, Metropolitan Area Network) -сеть между учреждениями в пределах одного или нескольких городов, связывающие много локальных вычислительных сетей. Как правило, поддерживают передачу данных в голосовом формате. Иногда объединяется с кабельной ТВ-сетью. Скорость – 10-100 Мб/с. Протяженность – от нескольких километров до сотен километров.

2.5. Глобальная вычислительная сеть (WAN, Wide Area Network) – сеть, охватывающая крупные географические области – страны, континенты. Включает в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей. Работают на относительно низких скоростях (до 3 Мбит/с) и могут вносить значительные задержки в передачу информации. Пример возможности организации WAN – сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут взаимодействовать между собой различные компьютерные сети.

3. По типу используемых компьютеров можно выделить:

3.1. гомогенные (однородные) сети, содержащие программно совместимые ПК;

3.2. гетерогенные (неоднородные) сети, включающие программно несовместимые ПК.

4. По скорости передачи можно выделить:

4.1. низкоскоростные (до 10 Мбит/с),

4.2. среднескоростные (до 100 Мбит/с),

4.3. высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);

5. По типу среды передачи можно выделить:

5.1. проводные (использующие в качестве среды передачи телефонный кабель, коаксиальный кабель, витую пару, оптоволоконный кабель);

5.2. беспроводные (использующие Wi-Fi, радиоканалы, инфракрасный диапазон).

6. По типу функционального взаимодействия ПК можно выделить:

6.1. Клиент-сервер – сетевая архитектура, в которой устройства являются либо клиентами (front end), либо серверами (back end). Клиентом является запрашивающая машина (обычно ПК), сервером — машина, которая отвечает на запрос. Термины клиент и сервер могут применяться к физическим устройствам и к программному обеспечению.

6.2. Одноранговые сети(P2P, Peer-to-Peer Network – «равный к равному») – сетевая архитектура, основанная на равноправии участников. В таких сетях отсутствуют выделенные серверы, а каждый узел (peer) является как клиентом, так и сервером. В отличие от архитектуры клиент-сервер, такая организация позволяет сохранять работоспособность сети при любом количестве и любом сочетании доступных узлов.

6.3. Смешанные (гибридные) сети – сетевая архитектура, в которой выделены сервера для координации работы, поиска или предоставления информации о существующих машинах сети и их статусе (on-line, off-line и т. д.). Гибридные сети сочетают скорость централизованных сетей и надёжность децентрализованных благодаря гибридным схемам с независимыми индексационными серверами, синхронизирующими информацию между собой. При выходе из строя одного или нескольких серверов, сеть продолжает функционировать.

7. По функциональному назначению можно выделить:

7.1. Сеть передачи данных – самый распространенный вид сетей, предназначенный для качественной передачи данных между удаленными узлами сети.

7.2. Сети хранения данных (англ. Storage Area Network) (SAN) – архитектурное решение для подключения внешних устройств хранения данных, таких как дисковые массивы, оптические накопители к серверам, таким образом, чтобы операционная система распознала подключённые ресурсы, как локальные. Основное назначение данного вида сетей – совместное использование устройств хранения данных различными пользователями.

7.3. Серверные фермы – ассоциация серверов, соединенных сетью передачи данных и работающих как единое целое. Основное назначение данного вида сетей – обеспечение распределенной обработки данных. Серверная ферма является ядром крупного центра обработки данных.

7.4. Сети SOHO (англ. Small Office, Home Office) -сети, не предназначенные для производственных нагрузок и применяемые для домашнего использования. Сеть обычно представлена одним кабинетом или комнатой. В сети используются сетевые коммутаторы Ethernet или повторители, или беспроводная сеть Wi-Fi.

8. По типу сетевой топологии можно выделить:

8.1.Сети топологии «шина»: шина (магистраль) представляет собой общий кабель, к которому подсоединены рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы для предотвращения отражения сигнала (рис. 1).

Рис. 1. Топология «шина»

8.2.Сети топологии «звезда»: каждая рабочая станция подсоединяется кабелем (витой парой) к концентратору (hub). Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК (рис.2).

Рис. 2. Топология «звезда».

8.3. Сети топологии «кольцо»: все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо, по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется со входом другого ПК. Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении (рис.3).

Рис. 3. Топология «кольцо».

8.4. Сети топологии «решетка»: топология, в которой узлы образуют регулярную многомерную решётку. При этом каждое ребро решётки параллельно её оси и соединяет два смежных узла вдоль этой оси (рис. 4).

Рис. 4. Топология «решетка».

8.5. Сети полносвязной топологии: топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция подключена ко всем остальным (рис. 5). Этот вариант является громоздким и неэффективным, несмотря на свою логическую простоту. Для каждой пары должна быть выделена независимая линия, каждый компьютер должен иметь столько коммуникационных портов сколько компьютеров в сети. По этим причинам сеть может иметь только сравнительно небольшие конечные размеры.

Рис. 5. Полносвязная топология.

8.6. Сети смешанной топологии: топология, преобладающая в крупных сетях с произвольными связями между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовою топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рис.6).

Рис. 6. Смешанная топология.