8

Компьютерные сети

1. Понятие о компьютерных сетях. Типы сетей. Топология. Классификация.

2. Архитектура компьютерных сетей. Семиуровневая модель OSI. Модель TCP/IP.

3. Адресация в сети Internet. Понятие сокета, как способ программного доступа к сетевым функциям.

4. Технология «Клиент-Сервер». Одноранговые и распределенные сети.

5. Протоколы и службы Internet.

1. Понятие о компьютерных сетях. Типы сетей. Топология. Классификация.

Компьютерные сети и протоколы Широкое внедрение персональных компьютеров привело к необходимости обмена информацией, обрабатываемой на разных компьютерах. Как перенести большой объем информации с одного компьютера на другой? Как распечатать информацию, если всего один принтер? Как предоставить всем компьютерам выход в Интернет? Эти и многие другие проблемы решают компьютерные сети. Компьютерная сеть - это соединение двух или более компьютеров для решения следующих задач:

• обмен информацией;

• общее использование программного обеспечения;

• общее использование оборудования (принтеры, модемы, диски и т.п.).

Соединение, как правило, создается с помощью кабеля, но существуют и другие, более сложные средства.

В рамках одного учреждения довольно практично использовать кабельное соединение. Преобразование информации для передачи по кабелю осуществляют устройства, встраиваемые в компьютер - сетевые адаптеры. Такие местные сети получили название локальные сети. А если нам нужно соединить нашу локальную сеть с другой локальной сетью, то как протянуть кабель для подключения к сети, расположенной достаточно удаленно от данной, например, в другом здании или другом городе?

Для этого используют уже существующие кабельные соединения, такие как телефонные линии. Вопросами перекодировки информации для прохождения по телефонным линиям, занимаются специальные устройства, подключаемые к компьютеру - модемы. Можно использовать и другие способы соединения, например, радиосвязь. Устройства преобразования в этом случае будут другими.

Удаленные локальные сети, объединяются друг с другом, создавая глобальные сети. Примером глобальной сети является сеть Интернет.

Многообразие компьютерных сетей можно классифициро­вать по ряду признаков.

По технологии передачи данных сети делятся на два тина: ве­щание (или один—ко многим) и соединение точка—точка. В слу­чае вещания сообщение, отправленное одним компьютером, по­лучают все компьютеры сети. Соединение точка—точка подразу­мевает использование индивидуального канала связи для обменивающихся информацией компьютеров.

По принципу организации обмена данными между абонентами различают сети, основанные на коммутации:

• сообщений;

• пакетов.

Под коммутацией понимается технология выбора направле­ния и организации передачи данных в сетях, имеющих несколько альтернативных маршрутов, по которым может производиться обмен информацией между двумя узлами.

Передаваемые при этом по сети информационные потоки на­зываются сетевым трафиком (от англ. traffic — движение).

При коммутации каналов образуется непосредственное со­единение двух узлов посредством организации последовательно­сти физических каналов связи.

Сеть с коммутацией каналов — тип коммуникационной сети, в которой каждой паре абонентов в течение сеанса их информа­ционного взаимодействия предоставляется физическое соединение.

При этом на время, в течение которого осуществляется сеанс связи между двумя абонентами, канал связи становится недоступ­ным для использования другими абонентами.

Коммутация сообщений подразумевает передачу между або­нентами информации в виде логически завершенных порций данных, например телеграмм, писем или отчетов.

При этом сеть с коммутацией сообщений работает аналогично сети с коммутацией каналов, но физические каналы связи занимаются не на период всего сеанса связи, а только на период пе­редачи сообщения.

Коммутация пакетов — технология доставки сообщений, при которой данные, разбитые на отдельные блоки малых размеров, называемые пакетами, могут пересылаться из исходного пункта в пункт назначения по различным маршрутам. Пакеты могут раз­ными маршрутами достигать своего места назначения, в котором после прибытия пакетов производится сборка исходных данных.

Пo территориальной распространенности сети могут быть: ло­кальные, кампусные, городские, глобальные. Локальная сеть или локальная вычислительная сеть (Local Area Network — LAN) — это сеть ЭВМ, включающая в себя компьютеры, расположенные в пределах одного помещения, здания или небольшой террито­рии, позволяющая обмениваться данными и совместно использо­вать различные устройства (принтеры, сканеры и т. п.).

Кампусная сеть — (or англ. campus — университет, территория университета) сеть, охватывающая территорию университета или студенческого городка. В России аналогом кампусной сети мож­но рассматривать домовую сеть, объединяющую несколько сосед­них ломов.

Городская сеть (Metropolitan Area Network — MAN) объединяет компьютеры на территории городского района или всего города

Глобальная сеть (Wide Area Network — WAN) — совокупность сетей, объединяющих территориально рассредоточенные компьютеры, находящиеся в различных городах и странах.

Кроме того, сети могут различаться по топологии. Топология сети может быть полносвязная, ячеистая, кольцевая, звезда, дере­во, общая шина и смешанная.

По скорости передачи данных сети делятся на:

• низкоскоростные (до 10 Мбит/с);

• среднескоростные (до 100 Мбит/с);

• высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с).

По типу среды передачи данных сети разделяются на провод­ные (коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные) и беспро­водные (радиопередача, спутниковые каналы).

По принципу организации иерархии компьютеров сети бывают одноранговые и с выделенным сервером.

Сервер (от англ. server — служащий, служитель) — это некий объект, предоставляющий другим объектам, обычно называемым клиентами, некоторые услуги.

В одноранговых сетях все компьютеры имеют одинаковые, равные права (ранги). В сетях с выделенным сервером различают две архитектуры использования сервера:

• файл-сервер — данные и программы по требованию пользо­вателя пересылаются с сервера ему на компьютер, являю­щийся клиентом, где могут быть выполнены и обработаны;

• клиент-сервер — выполнение программ и обработка данных происходят на сервере по запросу пользователя, компьютер-клиент которого получает только результаты запроса.

Топология сетей

Топология компьютерной сети – это конфигурация физических связей компьютеров или других сетевых устройств друг с другом.

Выбор топологии для объединения компьютеров в сеть зависит от различных факторов, например:

Надежности получаемой сети,

Простоты присоединения новых узлов,

Экономических соображений.

Основные базовые топологии

Топология сети определяет характеристики сети. В частности выбор сетевого оборудования, характеристики этого сетевого оборудования в соответствии с этим расширение сети, а так же рассматривается возможность способов управления сетью.

Основные базовые топологии:

• Шина

• Звезда

• Кольцо

Шина (линейная шина) – все располагаются на одном сегменте.

Терминатор поглощает сигналы которые уже прошли через сегмент сети полностью.

Репитер удлиняет сеть. Пассивный репитер просто соединяет сеть. Активный репитер восстанавливает сигнал сети.

Шинная топология является пассивной это значит что компьютеры только слушают предаваемые по сети данные. В активных же топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Для шинной топологии можно использовать баррель конектроры

Звезда – все сегменты подключаются к центральному компоненту (концентратор, хаб).

Топология имеет пассивные и активные концентраторы. Сигнал предается всем.

Топология типа «звезда» очень удобна, т.к. легко меняется конфигурация сети. Добавление в сеть нового компьютера или удаление компьютера из сети состоит всего лишь в подсоединении или отсоединении разъема кабеля от коммутатора. Однако при проектировании локальной сети необходимо помнить, что максимальная длина кабеля от порта до порта не должна превышать 100 метров. Если расстояние между коммутаторами или между коммутатором и компьютером превышает 100 м, то его можно поделить на участки по 100 метров и соединить их через коммутаторы.

Кольцо – образует логическое кольцо. Постоянно работает маркер. Всегда применяется активный концентратор.

Существуют гибридные концентраторы, которые позволяют использовать разные кабельные системы по одной топологии

Примеры:

• Звезда-шина

• Звезда-кольцо

2. Архитектура компьютерных сетей. Семиуровневая модель OSI. Модель TCP/IP.

Семиуровневая модель OSI.

Пожалуй, ключевым понятием в стандартизации сетей и всего, что к ним относится, является модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), разработанная международной организацией по стандартам (International Standards Organization, ISO). На практике применяется название модель ISO/OSI. Описываемая модель состоит из семи уровней. Каждый уровень отвечает за опре­деленный круг задач, выполняя их с помощью специальных алгоритмов — стандар­тов. Основная задача — достичь глобальной цели, поэтому уровни модели связа­ны между собой. Таким образом, выполнив свою часть задачи, каждый уровень передает готовые данные следующему уровню. В результате прохождения такой цепочки данные полностью обрабатываются, и их можно использовать.

В зависимости от назначения уровни получили следующие названия: физичес­кий, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, уровень представления дан­ных и прикладной (рис. 1.1).

Основные отличия между проводными (Ethernet802.3) и беспроводными (IEEE 802.11) сетями кроются только в двух нижних уровнях — физическом и каналь­ном. Остальные уровни работают абсолютно одинаково, без каких-либо отличий.

• Прикладной уровень (Application), или уровень приложений, обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет остальными шестью уровнями.

• Представительский уровень (Presentation), или уровень представления данных, определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети, то есть выполняет функцию переводчика. Здесь же выполняется шифрование и дешифрирование данных, а при необходимости - их сжатие.

• Сеансовый уровень (Session) управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и прекращает связь). Этот же уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.

• Транспортный уровень (Transport) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных.

• Сетевой уровень (Network) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен в физические сетевые адреса (и обратно), а также за выбор маршрута, по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов).

• Канальный уровень, или уровень управления линией передачи (Data link), отвечает за формирование пакетов стандартного вида, включающих начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи" и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов.

• Физический уровень (Physical) - это самый нижний уровень модели, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в среде передачи, и обратное декодирование. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д.

Большинство функций двух нижних уровней модели (1 и 2) обычно реализуются аппаратно (часть функций уровня 2 - программным драйвером сетевого адаптера). Именно на этих уровнях определяется скорость передачи и топология сети, метод управления обменом и формат пакета, то есть то, что имеет непосредственное отношение к типу сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI). Более высокие уровни не работают напрямую с конкретной аппаратурой, хотя уровни 3,4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 вообще не имеют к аппаратуре никакого отношения. Замены аппаратуры сети на другую они просто не заметят.

В уровне 2 (канальном) нередко выделяют два подуровня.

• Верхний подуровень (LLC - Logical Link Control) осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи (часть его функций выполняется программой драйвера сетевого адаптера).

• Нижний подуровень (MAC - Media Access Control) осуществляет непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети.

МОДЕЛЬ TCP/IP

Семейство протоколов TCP/IP основано на четырехуровневой эталонной модели. Все протоколы, входящие в семейство протоколов TCP/IP, расположены на трех верхних уровнях этой модели.

Модель TCP/IP – самая популярная. Главная её возможность – объединение различных сетей. Это модель сети с коммутацией пакетов, в основе кот. лежит не имеющий соединений межсетевой уровень.

Уровни модели TCP/IP:

1)Уровень приложений:

а) протокол виртуального терминала, который позволяет регистрироваться на удалённом сервере и работать с ним;

б) протокол переноса файлов;

в) протокол электронной почты;

г) протокол службы имён-доменов;

д) протокол передачи новостей;

2)Транспортный уровень – создан для поддержки связи между приёмными и передающими хостами. Выполняет подобные функции транспортного протокола в модели OSI. На нём реализуются два сквозных протокола TCP и UDP;

3) Межсетевой (сетевой) уровень – обеспечивает возможность каждого хоста посылать пакеты сообщений независимо друг от друга для перемещения их адресатов. Они могут прибывать не в том порядке, в котором передавались.

Межсетевой уровень определяет формат пакета и протокол (IP протокол). Задача данного уровня состоит в доставке IP пакета адресату, определение маршрута пакета и недопущение затора транспортной передачи;

4) Канальный уровень (хост-сетевой) – реализует протоколы, которые обеспечивают соединение машины сети и позволяет посылать IP пакеты. Протоколы этого уровня точно не определены, не стандартизированы и меняются от сети к сети.

3. Адресация в сети Internet. Понятие сокета, как способ программного доступа к сетевым функциям.

Адресация в сети Интернет

Основным протоколом сети Интернет является сетевой протокол TCP/IP. Каждый компьютер, в сети TCP/IP (подключенный к сети Интернет), имеет свой уникальный IP-адрес или IP – номер. Адреса в Интернете могут быть представлены как последовательностью цифр, так и именем, построенным по определенным правилам. Компьютеры при пересылке информации используют цифровые адреса, а пользователи в работе с Интернетом используют в основном имена.

Цифровые адреса в Интернете состоят из четырех чисел, каждое из которых не превышает двухсот пятидесяти шести. При записи числа отделяются точками, например: 195.63.77.21. Такой способ нумерации позволяет иметь в сети более четырех миллиардов компьютеров.

Для отдельного компьютера или локальной сети, которые впервые подключаются к сети Интернет, специальная организация, занимающейся администрированием доменных имен, присваивает IP – номера.

Первоначально в сети Internet применялись IP – номера, но когда количество компьютеров в сети стало больше чем 1000, то был принят метод связи имен и IP – номеров, который называется сервер имени домена (Domain Name Server, DNS). Сервер DNS поддерживает список имен локальных сетей и компьютеров и соответствующих им IP – номеров.

В Интернете применяется так называемая доменная система имен. Каждый уровень в такой системе называется доменом. Типичное имя домена состоит из нескольких частей, расположенных в определенном порядке и разделенных точками. Домены отделяются друг от друга точками, например: www.lessons-tva.info или tva.jino.ru.

В Интернете доменная система имен использует принцип последовательных уточнений также как и в обычных почтовых адресах - страна, город, улица и дом, в который следует доставить письмо. Домен верхнего уровня располагается в имени правее, а домен нижнего уровня - левее. В нашем примере домены верхнего уровня info и ru указывают на то, что речь идет о принадлежности сайта www.lessons-tva.info к тематическому домену верхнего уровня info, а сайта tva.jino.ru к российской (ru) части Интернета. Но в России множество пользователей Интернета, и следующий уровень определяет организацию, которой принадлежит данный адрес. В нашем случае это компания jino.

Интернет-адрес этой компании - jino.ru. Все компьютеры, подключенные к Интернету в этой компании, объединяются в группу, имеющую такой адрес. Имя отдельного компьютера или сети каждая компания выбирает для себя самостоятельно, а затем регистрирует его в той организации Интернет, которая обеспечивает подключение.

Это имя в пределах домена верхнего уровня должно быть уникальным. Далее следует имя хоста tva, таким образом, полное имя домена третьего уровня: tva.jino.ru. В имени может быть любое число доменов, но чаще всего используются имена с количеством доменов от трех до пяти

Доменная система образования адресов гарантирует, что во всем Интернете больше не найдется другого компьютера с таким же адресом. Для доменов нижних уровней можно использовать любые адреса, но для доменов самого верхнего уровня существует соглашение.

В системе адресов Интернета приняты домены, представленные географическими регионами. Они имеют имя, состоящее из двух букв, например: Украина - ua Франция - fr; Канада - са; США - us; Россия - ru.

Существуют и домены, разделенные по тематическим признакам, например: Учебные заведения - edu. Правительственные учреждения - gov. Коммерческие организации - com. В последнее время добавлены новые зоны, например: biz, info, in, .cn и так далее

При работе в Internet используются не доменные имена, а универсальные указатели ресурсов, называемые URL (Universal Resource Locator). URL - это адрес любого ресурса (документа, файла) в Internet, он указывает, с помощью какого протокола следует к нему обращаться, какую программу следует запустить на сервере и к какому конкретному файлу следует обратиться на сервере. Общий вид URL: протокол://хост-компьютер/имя файла (например: http://lessons-tva.info/book.html).

Регистрация домена осуществляется в выбранной пользователем зоне ua, ru, com, net, info и так далее. В зависимости от назначения сайта выбирается его зона регистрации. Для регистрации сайта желательно выбрать домен второго уровня, например lessons-tva.info, хотя можно работать и с доменом третьего уровня, напримерtva.jino.ru.

Домен второго уровня регистрируется у регистратора – организации занимающейся администрированием доменных имен, например http://www.imhoster.net/domain.htm. Домен третьего уровня приобретается, как правило, вместе с хостингом у хостинговой компании. Имя сайта выбирают исходя из вида деятельности, названия компании или фамилии владельца сайта.

Сокеты (англ. socket углубление, гнездо, разъём) — это название программного интерфейса для обеспечения информационного обмена между процессами. Процессы при таком обмене могут исполняться как на одной ЭВМ, так и на различных ЭВМ, связанных между собой сетью. Сокет — абстрактный объект, представляющий конечную точку соединения.

Следует различать клиентские и серверные сокеты. Клиентские сокеты грубо можно сравнить с оконечными аппаратами телефонной сети, а серверные — с коммутаторами. Клиентское приложение (например, браузер) использует только клиентские сокеты, а серверное (например, веб-сервер, которому браузер посылает запросы) — как клиентские, так и серверные сокеты.

Каждый процесс может создать слушающий сокет (серверный сокет) и привязать его к какому-нибудь порту компьютера (тем не менее, в UNIX непривилегированные процессы не могут использовать порты меньше 1024). Слушающий процесс обычно находится в цикле ожидания, то есть просыпается при появлении нового соединения. При этом сохраняется возможность просто проверить наличие соединений на данный момент, установить тайм-аут для операции и так далее.

4. Технология «Клиент-Сервер». Одноранговые и распределенные сети.

Главная мысль, заложенная в эту технологию - минимизировать объем данных, передаваемых по сети, поскольку основные потери времени и сбои происходят именно из-за недостаточно высокой пропускной способности сети.

Очень многие СУБД разделяют свою работу на два уровня по системе "Клиент-Сервер". С точки зрения исполнения программа разделена на 2 части - клиентскую и серверную. На клиентской части (компьютере) происходит контакт с внешним миром. На компьютере-сервере расположены общие для всех клиентов данные и работает специальная программа - сервер баз данных, оптимизирующая выполнение запросов клиентов.

Итак, двухуровневая система "Клиент-Сервер" это:

Клиент - Программа обработки, она же пользовательская, она же прикладная программа. Занимается обычно интерфейсом с пользователем, а всю фактическую работу с базой данных возлагает на плечи БД-сервера.

Сервер Базы Данных - базис (database engine), он же ядро базы данных. Отдельная программа, выполняемая как отдельный процесс. Передает выбранную из базы информацию по межпроцессному каналу клиенту. Именно он, и только он фактически работает с данными, занимается их размещением на диске.