18

Компьютерные сети: архитектура, аппаратура, протоколы Понятие компьютерной сети

Компьютерная (вычислительная) сеть (Computer Network) – это множество компьютеров, соединенных линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения.

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

В реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители, обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети. На основе линий связи строятся каналы связи.

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

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.

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям возможности доступа к различным информационным ресурсам (например, документам, программам, базам данных и т.д.), распределенным по этим компьютерам и их совместного использования.

Классификация компьютерных сетей

Приняты несколько основных методов классификации компьютерных сетей:

• По территориальной рассредоточенности;

• По способу управления;

• По способу организации передачи данных;

• По топологии.

• По типу передающей среды

Обсудим более подробно классификацию компьютерных сетей.

По территориальной рассредоточенности:

Локальные сети (Local Area Network, LAN) сети, компьютеры которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило, в радиусе до 1-2 км).

Локальная сеть

Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия, расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях. Небольшой размер локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и высококачественные технологии, что обеспечивает высокую скорость обмена информацией между компьютерами.

Глобальные сети (Wide Area Network, WAN) – это сети, предназначенные для объединения отдельных компьютеров и локальных сетей, расположенных на значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга.

Глобальная сеть

Поскольку организация специализированных высококачественных каналов связи большой протяженности является достаточно дорогой, то в глобальных сетях нередко используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения компьютерных сетей линии (например, телефонные или телеграфные). В связи с этим скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже, чем в локальных.

Городские сети (Metropolitan Area Network, MAN) предназначены для обеспечения взаимодействия компьютеров и/или локальных сетей, рассредоточенных на территории крупного города (как правило, в радиусе до 100 км), а также для подключения локальных сетей к глобальным.

Городская сеть

Для построения таких сетей используются достаточно качественные цифровые линии связи, позволяющие осуществлять взаимодействие на относительно высоких по сравнению с глобальными сетями скоростях.

Независимо от того, какую территорию покрывает сеть, какие технологические решения лежат в основе ее организации, существуют общие принципы сетевого взаимодействия, которым должно подчиняться функционирование сети. Именно выработка таких общих принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной сети (иногда даже используется термин "гиперсеть"), собравшей в своем составе локальные, городские и глобальные сети всей планеты.

	Интернет как объединенная сеть

По способу управления: централизованные и децентрализованные сети.

В централизованной сети (двуранговой) выделены один или несколько компьютеров (серверов), управляющих взаимодействием компьютеров и других сетевых устройств, а также выполняющих функции хранения общесетевой информации.

В децентрализованной сети (одноранговой) каждый входящий в неё компьютер имеет собственные средства управления сетью. Аппаратные, информационные и программные ресурсы распределены по всей сети и могут быть доступны пользователям.

Это дешёвые сети, но в них трудно обеспечить защиту информации, сложно обновлять информационные и программные ресурсы.

По способу организации передачи данных:

Два основных метода коммутации (параллельное использование одного и того же канала несколькими абонентами): коммутация каналов и коммутация пакетов.

Коммутация каналов предполагает, что перед началом передачи данных должна быть выполнена процедура установления соединения, в результате которой образуется составной канал. По окончании сеанса связи соединение разрывается, и канал освобождается.

Коммутация каналов удобна для организации линий связи, в которых подразумевается передача потоков данных постоянной интенсивности, например, таких, как телефонный разговор, в силу чего этот метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных сетей.

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети данных на небольшие "порции". Каждая такая "порция" передается по сети как единое целое и называется пакетом. Такой метод является очень удобным для параллельного использования физического канала несколькими парами абонентов: канал является занятым только во время прохождения пакета. Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов.

Пакет обычно состоит из двух частей – заголовка, содержащего служебные данные, необходимые для управления доставкой пакета, и собственно данных, подлежащих передаче. Порядок обмена пакетами, а также конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом.

По топологии (т.е. геометрической схеме соединения узлов сети):

Если сеть состоит всего из двух компьютеров, то они соединяются "напрямую". Такой способ соединения получил название "точка-точка" ("point-to-point").

Для подключения к общей среде несколько компьютеров используются три базовые топологии: "Шина", "Кольцо", "Звезда.

Топология "Шина" (bus) использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля, называемый "шиной". Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине. На концах кабеля-шины устанавливаются специальные заглушки - "терминаторы" (terminator). Они необходимы для того, чтобы погасить сигнал после прохождения по шине.

Топология "Шина"

К недостаткам топологии "Шина" следует отнести следующее:

• данные, предаваемые по кабелю, доступны всем подключенным компьютерам;

• в случае повреждения "шины" вся сеть перестает функционировать.

Для топологии "Кольцо" (ring) характерно отсутствие конечных точек соединения; сеть замкнута, образуя неразрывное кольцо, по которому передаются данные.

Топология "Кольцо"

Здесь данные передаются последовательно от одного компьютера к другому, пока не достигнут компьютера-получателя.

Недостаток топологии "кольцо" -общедоступность данных, но при повреждениях кабельной системы возможна передача сигналов по другой стороне кольца;

В сети с топологией "звезда" "(star) все компьютеры соединены со специальным устройством, называемым сетевым концентратором или "хабом" (hub), который выполняет функции распределения данных. Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют. Благодаря этому, имеется возможность решения проблемы общедоступности данных, а также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы. Однако функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора и увеличивается длина соединительных линий.

Топология "Звезда"

Для глобальных сетей наиболее распространена комбинированная сотовая (ячеистая) топология.

Следует отметить, что термин топология может употребляться для обозначения двух понятий – физической топологии и логической топологии. Физическая топология – способ физического соединения компьютеров с помощью среды передачи, например, участками кабеля. Логическая топология определяет маршруты передачи данных в сети. Во многих случаях, физическая топология однозначно определяет логическую топологию. Однако существуют такие конфигурации, в которых логическая топология отличается от физической. Например, сеть с физической топологией «звезда» может иметь логическую топологию «шина» – все зависит от того, каким образом устроен сетевой концентратор.

По типу передающей среды:

Среда передачи – это физическая среда, по которой возможно распространение информационных сигналов в виде электрических, световых и т.п. импульсов. В настоящее время выделяют: кабельные соединения и беспроводные соединения. Технические характеристики среды передачи влияют на такие потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи данных и максимальная скорость передачи данных.

В современных сетях используются три типа кабеля:

• коаксиальный кабель (coaxial cable);

• "витая пара" (twisted pair);

• оптоволоконный кабель (fiber optic).

Тип кабеля	Характеристика
	Максимальное расстояние передачи	Максимальная скорость передачи
Коаксиальный кабель	185 – 500 м	10 Мбит/с
"Витая пара"	30 – 100 м	10 Мбит/с – 1 Гбит/с
Оптоволоконный кабель	2 км	10 Мбит/с – 2 Гбит/с

Беспроводные технологии используют в качестве среды электромагнитные волны. Основой классификации беспроводных технологий передачи данных является разделение спектра электромагнитного излучения на диапазоны частот.

Особо выделяют два диапазона: радиоизлучение в коротковолновом (КВ) и ультракоротковолновом (УКВ) диапазоне (от 3-30 МГц до 300-6000ГГц) и инфракрасное излучение (50 – 400 ТГц).

В соответствии с тем, к какому диапазону относятся электромагнитные волны, используемые для передачи данных, сети разделяют на два типа:

• радиосети (как наземные, так и спутниковые);

• инфракрасные сети.

Частотные характеристики электромагнитных волн влияют на основные характеристики сети:

Диапазон частот, на которых осуществляется передача	Характеристика
	Максимальное расстояние передачи	Максимальная скорость передачи
КВ-диапазон (3-30 МГц)	до неск. тыс. км	До 6 Кбит/с
УКВ-диапазон (100 – 512 МГц)	70 – 50 км	10 – 128 Кбит/с
УКВ-диапазон (900 МГц-2,5 ГГц)	250 м – 20 км	2 - 10 Мбит/с
Инфракрасные волны (300-400 ТГц)	30 м – 1 км	20 – 622 Мбит/с

Беспроводные сети имеют ряд преимуществ по сравнению с кабельными сетями:

• мобильность: абоненты, подключенные к беспроводной сети, имеют возможность перемещаться во время работы;

• универсальность: возможность развертывания сети там, где прокладка кабеля может оказаться слишком дорогой или вообще невозможной;

• срочность: скорость развертывания беспроводной сети достаточно высока, поскольку не тратится время на прокладку кабеля.

К недостаткам беспроводных сетей по сравнению с кабельными следует отнести:

• зависимость качества связи от природных явлений (например, грозы) и погодных условий (например, туман является помехой для передачи в инфракрасном диапазоне);

• для высокочастотных технологий необходимость расположения приемника и передатчика в прямой видимости;

• возможность возникновения конфликтов с другими беспроводными средствами связи (например, сотовая телефония).