Лекції з дисципліни „Комп’ютерні мережі”

Тема 1. Вступ в комп’ютерні мережі Загальні поняття

Комп’ютерна мережа — це сукупність комп'ютерів, з'єднаних лініями зв'язку. Лінії зв'язку утворюються кабелями, мережними адаптерами та іншими комунікаційними пристроями. Все мережне обладнання працює під керуванням системного та прикладного програмного забезпечення.

Основна мета мережі — забезпечення користувачам мережі потенцій­ної можливості спільного використання ресурсів всіх комп'ютерів, а також досягнення більш високої продуктивності та надійності системи за рахунок розпаралелювання обчислень.

Вивчення мережі в цілому вимагає знання принципів роботи її окремих елементів:

• комп'ютерів;

• комунікаційного обладнання;

• операційних систем;

• мережних додатків.

Весь комплекс програмно-апаратних засобів мережі може бути описаний багатошаровою моделлю. В основі будь-якої мережі лежить апаратний шар стандартизованих комп'ютерних платформ. У цей час у мережах широко й успішно застосовуються комп'ютери різних класів — від персональних комп'ютерів до мейнфреймів і суперЕОМ. Набір комп'ютерів у мережі повинен відповідати набору різноманітних завдань, розв'язуваних мережею.

Другий шар — це комунікаційне встаткування. Хоча комп'ютери і є центральними елементами обробки даних у мережах, останнім часом не менш важливу роль стали грати комунікаційні пристрої. Кабельні системи, повто­рювачі, мости, комутатори, маршрутизатори й модульні концентратори з допоміжних компонентів мережі перетворилися в основні поряд з комп'ю­терами та системним програмним забезпеченням як по впливу на харак­теристики мережі, так і за вартістю. Сьогодні комунікаційний пристрій може являти собою складний спеціалізований мультипроцесор, який потрібно конфігурувати, оптимізувати та адмініструвати. Вивчення принципів роботи комунікаційного устаткування вимагає знайомства з великою кількістю протоколів, використовуваних як у локальних, так і глобальних мережах.

Третім шаром, є операційні системи (ОС). Від того, які концепції керування локальними й розподіленими ресурсами покладені в основу мережної ОС, залежить ефективність роботи всієї мережі. При проектуванні мережі важливо враховувати, наскільки просто дана операційна система може взаємодіяти з іншими ОС мережі, наскільки вона забезпечує безпеку й захищеність даних, до якого ступеня вона дозволяє нарощувати число користувачів, чи можна перенести її на комп'ютер іншого типу й багато інших міркувань.

Самим верхнім шаром мережних засобів є різні мережні додатки, такі як мережні бази даних, поштові системи, засоби архівування даних, системи автоматизації колективної роботи та ін. Дуже важливо представляти діапазон можливостей, надаваних додатками для різних областей застосування, а також знати, наскільки вони сумісні з іншими мережними додатками й операційними системами.

Комп'ютерні мережі, що називають також обчислювальними мережами, або мережами передачі даних, є логічним результатом еволюції двох найважливіших науково-технічних галузей сучасної цивілізації — комп'ютерних і телекомунікаційних технологій. З одного боку, мережі пердставляють собою окремий випадок розподілених обчислювальних систем, у яких група комп'ютерів узгоджено виконує набір взаємозалежних завдань, обмінюючись даними в автоматичному режимі. З іншого боку, комп'ютерні мережі можуть розглядатися як засіб передачі інформації на великі відстані, для чого в них застосовуються методи кодування й мультиплексування даних, що отримали розвиток у різних телекомуникационных системах.

За територіальною ознакою комп’ютерні мережі діляться на:

• глобальні (WAN, Wide Area Networks);

• локальні (LAN, Local Area Networks);

• міські (MAN, Metropolitan Area Networks).

Хронологічно першими з'явилися глобальні мережі, що поєднують територі­ально розосереджені комп'ютери, що знаходяться на відстані сотень і тисяч кілометрів. Традиційні глобальні комп'ютерні мережі дуже багато чого успадкували від телефонних мереж. В основному вони призначені для передачі даних. В них часто використовуються вже існуючі не дуже якісні лінії зв'язку, що приводить до більш низьких, ніж у локальних мережах, швидкостей передачі даних і обмежує набір надаваних послуг передачею файлів, переважно не в оперативному, а у фоновому режимі, з використанням електронної пошти.

Локальні мережі зосереджені на території не більше 1-2 км, побудовані з використанням дорогих високоякісних ліній зв'язку, які дозволяють, застосовуючи більш прості методи передачі даних, ніж у глобальних мережах, досягати високих швидкостей обміну даними порядку 100 Мбіт/с. Надавані послуги відрізняються широкою розмаїтістю й звичайно, включаючи реалізацію в режимі оn-line.

MAN — займають проміжне положення між локальними й глобальними мере­жами. При досить значних відстанях між вузлами (десятки кілометрів) вони мають якісні лінії зв'язку й високі швидкості обміну, іноді навіть більш високі, ніж у класичних локальних мережах. Як і у випадку локальних мереж, при побудові MAN уже існуючі лінії зв'язку не використовуються, а прокладаються заново.

Розглянемо основні відмінності локальних мереж від глобальних більш детально:

• Довжина, якість і спосіб прокладки ліній зв'язку. Клас локальних обчислю­вальних мереж по визначенню відрізняється від класу глобальних мереж невеликою відстанню між вузлами мережі, що дає можливість використовувати в локальних мережах якісні лінії зв'язку: коаксіальний кабель, кручені пари, оптоволоконний кабель, які через економічні обмеження не завжди доступні на більших відстанях, властивих глобальним мережам. У глобальних мережах часто застосовуються вже існуючі лінії зв'язку (телеграфні або телефонні), а в локальних мережах вони прокладаються заново.

• Складність методів передачі й обладнання. В умовах низької надійності фізичних каналів у глобальних мережах потрібні більш складні, ніж у локальних мережах, методи передачі даних і відповідне обладнання. Так, у глобальних мережах широко застосовуються модуляція, асинхронні методи, складні методи контрольного підсумовування, квітування та повторні передачі пошкоджених кадрів. З іншого боку, якісні лінії зв'язку в локальних мережах дозволили спростити процедури передачі даних за рахунок застосування немодульованих сигналів і відмови від обов'язкового підтвердження одержання пакета.

• Швидкість обміну даними. Одною з головних відмінностей локальних мереж від глобальних є наявність високошвидкісних каналів обміну даними між комп'ю­терами, швидкість яких (10, 16 і 100 Мбіт/с) порівняна зі швидкостями роботи пристроїв і вузлів комп'ютера — дисків, внутрішніх шин обміну даними й т.п. За рахунок цього в користувача локальної мережі, підключеного до віддаленого поділюваного ресурсу (наприклад, диску сервера), складається враження, що він користується цим диском, як "своїм". Для глобальних мереж типові набагато більше низькі швидкості передачі даних — 2400, 9600, 28800, 33600 біт/с, 56 і 64 Кбіт/с і тільки на магістральних каналах — до 2 Мбіт/с.

• Розмаїття послуг. Локальні мережі надають, як правило, широкий набір по­ слуг — це різні види послуг файлової служби, послуги друку, послуги служби передачі факсимільних повідомлень, послуги баз даних, електронна пошта та інші, у той час як глобальні мережі в основному надають поштові послуги та іноді файлові послуги з обмеженими можливостями — передачу файлів з публічних архівів віддалених серверів без попереднього перегляду їхнього змісту.

• Оперативність виконання запитів. Час проходження пакета через локальну мережу звичайно становить декілька мілісекунд, час же його передачі через глобальну мережу може досягати декількох секунд. Низька швидкість передачі даних у глобальних мережах ускладнює реалізацію служб для режиму on-lіne, що є звичайним для локальних мереж.

• Поділ каналів. У локальних мережах канали зв'язку використовуються, як правило, спільно відразу декількома вузлами мережі, а в глобальних мережах — індивідуально.

• Використання методу комутації пакетів. Важливою особливістю локальних мереж є нерівномірний розподіл навантаження. Відношення пікового наванта­ження до середнього може становити 100:1 і навіть вище. Такий трафік звичайно називають пульсуючим. Через цю особливість трафіка в локальних мережах для зв'язку вузлів застосовується метод комутації пакетів, що для пульсуючого трафіку виявляється набагато більше ефективним, ніж традиційний для глобальних мереж метод комутації каналів. Ефективність методу комутації пакетів полягає в тому, що мережа в цілому передає в одиницю часу більше даних своїх абонентів. У глобальних мережах метод комутації пакетів також використовується, але крім нього часто застосовується й метод комутації каналів.

• Масштабованість. "Класичні" локальні мережі мають погану масштабованість через жорсткість обмежень базових топологий, що визначають спосіб підключення станцій і довжину лінії. При використанні багатьох базових топологий характеристики мережі різко погіршуються при досягненні певної межі по кількості вузлів або довжини ліній зв'язку. Глобальним же мережам властива гарна масштабованість, тому що вони споконвічно розроблялися з розрахунком на роботу з довільними топологіями.

Залежно від масштабу виробничого підрозділу, в межах якого діє мережа, розрізняють:

• мережі відділів;

• мережі кампусів;

• корпоративні мережі.

Мережі відділів використовуються невеликою групою співробітників в основному з метою поділу дорогих периферійних пристроїв, додатків і даних; мають 1-2 файлових сервера й не більше 30 користувачів; звичайно не розділяються на піжмережі; створюються на основі якої-небудь однієї мережної технології; можуть працювати на базі однорангових мережних ОС.

Мережі кампусів поєднують мережі відділів у межах окремого будинку або однієї території площею в кілька квадратних кілометрів, при цьому глобальні з'єднання не використовуються. На рівні мережі кампуса виникають проблеми інтеграції й керування неоднорідним апаратним і програмним забезпеченням.

Корпоративні мережі поєднують велику кількість комп'ютерів на всіх територіях окремого підприємства. Для корпоративної мережі характерні:

• масштабність — тисячі користувальницьких комп'ютерів, сотні серверів, величезні обсяги збережених і переданих по лініях зв'язку даних, безліч різноманітних додатків;

• високий ступінь гетерогенності — типи комп'ютерів, комунікаційного обладнання, операційних систем і додатків різні;

• використання глобальних зв'язків — мережі філій з'єднуються за допомогою телекомунікаційних засобів, у тому числі телефонних каналів, радіоканалів, супутникового зв'язку.

Найважливіший етап у розвитку мереж — поява стандартних мережних технологій типу Ethernet, Token Ring, FDDI та ін., що дозволяють швидко й ефективно поєднувати комп'ютери різних типів.