Компьютерные сети. Основные сведения

Содержание:

Введение

Одна из основных потребностей человека — потребность в общении, которое становится возможным, когда люди понимают друг друга. Для этого изучают языки, овладевают культурой общения, используют современные средства и методы связи. Под коммуникацией в широком смысле понимают процесс, путь и средства передачи какого-либо объекта или сообщения с одного места на другое. Коммуникации могут быть организованы с использованием разных передающих сред, например водные и воздушные коммуникации, газопровод, железные и шоссейные дороги и др.
Неоценимую помощь людям оказывают компьютерные сети, появление которых ознаменовало новую эру в истории развития коммуникаций. С появлением компьютерных сетей стали говорить о компьютерных коммуникациях, понимая под этим обмен всевозможной информацией с помощью компьютеров. Они все больше входят в нашу жизнь, в одних случаях вытесняя, а в других — дополняя уже имеющиеся. Находясь далеко друг от друга, вы обмениваетесь письмами по почте — в компьютерной сети такой вид коммуникации известен как электронная почта. Для обсуждения некоей важной проблемы, вы организуете собрание, совещание, конференцию. Соответствующий вид коммуникации есть и в компьютерной сети. Это телеконференция. Компьютерные коммуникации во многом напоминают традиционные, но при этом существенно сокращается время доставки почты, более оперативно организуется связь, расширяется возможность общения с большим кругом людей, появляется оперативный доступ к мировым хранилищам информации.
Компьютерные коммуникации обеспечиваются с помощью компьютерных сетей: локальных, региональных, корпоративных, глобальных.
На лекции Вы узнаете, чем они различаются между собой и что собой представляет их аппаратное обеспечение, а именно: какие компоненты обеспечивают работу сети, какие используются каналы связи, что такое модем и сетевой адаптер, какую роль в компьютерных сетях играют протоколы и многое другое.

Компьютерные сети. Основные сведения

Телекоммуникация (от греч. tele — "вдаль", далеко~ и лат. communicato— "связь") — это обмен информацией на расстоянии. 
Радиопередатчик, телефон, телетайп, факсимильный аппарат, телекс и телеграф — наиболее распространенные и привычные нам сегодня примеры технических средств телекоммуникации. 
Позже к ним прибавилось еще одно средство — это компьютерные коммуникации, которые получают сейчас все более широкое распространение. Они обещают потеснить факсимильную и телетайпную связь подобно тому, как последние вытеснели телеграф.

Компьютерные коммуникации – обмен информацией на расстоянии с  помощью компьютерных сетей.

В наши дни компьютерные сети обретают все более важное значение в жизни человечества, их развитие весьма перспективно. Сети могут объединять и делать доступными информационные ресурсы как небольших предприятий, так и крупных организаций, занимающих удаленные друг от друга помещения, подчас даже в разных странах.

Компьютерные сети – система компьютеров, связанных каналами передачи информации.

Назначение всех видов компьютерных сетей определяется двумя функциями:
- обеспечение совместного использования аппаратных и программных ресурсов сети;
- обеспечение совместного доступа к ресурсам данных.
Например, все участники локальной сети могут совместно использовать одно общее устройство печати - сетевой принтер или, например, ресурсы жестких дисков одного выделенного компьютера - файлового сервера. Аналогично можно совместно использовать и программное обеспечение. Если в сети имеется специальный компьютер, выделенный для совместного использования участниками сети, он называется файловым сервером.

Сети по размерности делятся на  локальные, региональные, корпоративные, глобальные

локальная сеть (LAN — Local Area Network) – соединение компьютеров, расположенных на небольших расстояниях друг от друга (от нескольких метров до нескольких км). ПК в таких сетях расположены в одном помещении, на одном предприятии, в близко расположенных зданиях.
Локальные сети не позволяют обеспечить совместный доступ к информации пользователям, находящимся, например, в различных частях города. На помощь приходят региональные сети, объединяющие компьютеры в пределах одного региона ( города, страны, континента).

региональная сеть (MAN — Metropolitan Area Network) – объединение ПК и локальных сетей для решения общей проблемы регионального масштаба. Региональная вычислительная сеть связывает компьютеры, расположенные на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать компьютеры внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки — сотни километров.
Многие организации, заинтересованные в защите информации от несанкционированного доступа (например, военные, банковские и пр.) создают, так называемые корпоративные сети. Корпоративная сеть может объединять тысячи и десятки тысяч компьютеров, размещенных в различных странах и городах ( в качестве примера можно привести сеть корпорации Microsoft )

корпоративные сети - объединение локальных сетей  в пределах одной корпорации.

Потребности формирования единого мирового информационного пространства привели к созданию глобальной компьютерной сети Интернет.

глобальные сети (WAN — Wide Area Network) – система связанных между собой локальных сетей  и ПК пользователей, расположенных на удаленных расстояниях, для общего использования мировых информационных ресурсов.
Информационные сети создают реальную возможность быстрого и удобного доступа пользователя ко всей информации, накопленной человечеством за всю историю.

По типу среды передачи сети разделяются на:

- проводные (на коаксиальном кабеле, на витой паре, оптоволоконные);
- беспроводные с передачей информации по радиоканалам или в инфракрасном диапазоне.
По способу организации взаимодействия компьютеров сети делят на одноранговые и с выделенным сервером (иерархические сети).
Все компьютеры одноранговой сети равноправны. Любой пользователь сети может получить доступ к данным, хранящимся на любом компьютере.
Главное достоинство одноранговых сетей – это простота установки и эксплуатации. Главный недостаток состоит в том, что в условиях одноранговых сетей затруднено решение вопросов защиты информации. Поэтому такой способ организации сети используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным.
В иерархической сети при установке сети заранее выделяются один или несколько серверов - компьютеров, управляющих обменом данных по сети и распределением ресурсов. Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера называют клиентом сети или рабочей станцией.

Общая схема соединения компьютеров в локальные сети называется топологией сети. Существует всего 5 основных типов топологии сетей:

1. Топология ШИНА. В этом случае подключение и обмен данными производится через общий канал связи, называемый общей шиной. Структура типа «шина» проще и экономичнее, так как для нее не требуется дополнительное устройство и расходуется меньше кабеля. Но она очень чувствительна к неисправностям кабельной системы. Если кабель поврежден хотя бы в одном месте, то возникают проблемы для всей сети. Место неисправности трудно обнаружить.

2. Топология ЗВЕЗДА. В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором (хабом), который находится в центре сети. К неисправностям кабельной системы «звезда» более устойчива. Поврежденный кабель – проблема для одного конкретного компьютера, на работе сети в целом это не сказывается. Не требуется усилий по локализации неисправности. К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. В настоящее время такая структура является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях.

3. Топология КОЛЬЦО. В сетях с кольцевой топологией данные в сети передаются последовательно от одной станции к другой по кольцу, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как предназначенные ему, то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Преимущество данной топологии - простота управления, недостаток - возможность отказа всей сети при сбое в канале между двумя узлами.

4. Ячеистая топология. Для ячеистой топологии характерна схема соединения компьютеров, при которой физические линии связи установлены со всеми рядом стоящими компьютерами. В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей. Достоинства данной топологии в ее устойчивости к отказам и перегрузкам, т.к. имеется несколько способов обойти отдельные узлы.
5. Смешанная топология. В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольные подсети, имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.

Принципы функционирования различных электронных сетей примерно одинаковы:

1.       Сеть состоит из связанных между собой ПК 
В большинстве случаев сеть строится на основе нескольких мощных компьютеров, называемых серверами. К серверам глобальной сети обычно подключены серверы и соответственно сети второго порядка ( региональные), третьего порядка ( корпоративные), четвертого порядка ( локальные), а к ним – пользователи отдельных компьютеров – абоненты (клиенты) сети.Заметим, что сети не всех промежуточных уровней ( например, корпоративных) обязательны.

2.       ПК связаны между собой каналами связи
 Основная цель создания любой компьютерной сети состоит в обеспечении обмена информацией между объектами (серверами и клиентами) сети. Для этого необходимо осуществить связь компьютеров между собой. Поэтому обязательными компонентами любой сети являются всевозможные каналы связи (проводные и беспроводные), для которых используют различные физические среды. В соответствии с этим в сетях различают такие каналы связи, как телефонные и оптоволоконные линии, радиосвязь, космическая связь и др.
Назначение каналов связи в компьютерной сети легко понять, если сравнить их с транспортными каналами системы грузовых или пассажирских перевозок. Транспортировка пассажиров может происходить по воздуху, с помощью железных дорог или водных (морских или речных) путей. В зависимости от среды транспортировки выбирают средство передвижения. Через компьютерные сети транспортируется информация. Среды, в которых происходит связь компьютеров сети, определяют средства соединения компьютеров. Если это среда, требующая телефонной связи, то соединение осуществляется через телефонный кабель. Широко применяются соединения компьютеров с помощью электрических кабелей, радиоволн, оптоволокон­ных кабелей и т. д.

Рассмотрим основные типы каналов. Некоторые из них являются взаимоисключающими, некоторые могут описывать один канал с разных сторон.
Каналы бывают цифровые и аналоговые. 
К аналоговым каналам можно отнести обыкновенный телефонный канал. Для его использования необходимо специальное устройство — модем, преобразующее цифровую информацию в аналоговую. Аналоговые каналы сильно подвержены влиянию помех и обладают малой пропускной способностью (несколько десятков килобайт в секунду). Сейчас наблюдается тенденция по замене всех аналоговых каналов на цифровые, причем не только в компьютерных сетях, но и в телефонных. 
Каналы делятся также на выделенные и коммутируемые. 
При использовании коммутируемой линии соединение формируется на время передачи данных, а по окончании этой передачи — разъединяется. Коммутируемой является связь по обычной телефонной линии.

Выделенная линия работает по-другому: 
соединение является постоянным, все­да позволяет передать данные от одного компьютера к другому. Выделенные линии отличаются от коммутируемых высокой скоростью (до десятков Мегабит в секунду) и высокой ценой аренды. 
По физическому устройству каналы подразделяются на электрические проводные, оптические и радиоканалы. 
Проводные каналы представляют собой соединение электрическим кабелем, возможно сложно устроенным. Во всех таких каналах применяется передача данных при помощи электрических импульсов.

Оптические каналы связи базируются на световодах. Сигнал же передается при помощи лазеров.

Радиоканалы действуют по тому же принципу, что радио и телевидение. 
Все это различные каналы связи. Эффективность связи в компьютерных сетях существенно зависит от следующих основных характеристик (параметров) каналов связи:
- пропускной способности (скорости передачи данных), измеряемой количеством бит информации, переданных по сети в секунду ( бит в секунду называется бод) ;
Средняя пропускная способность – измеряется в среднем за определенный промежуток времени (для большого файла)
Гарантированная пропускная способность – минимальная пропускная способность, которую обеспечивает канал (для видеофайлов)
- надежности — способности передавать информацию без искажений и потерь;
- стоимости;
- возможности расширения (подключения новых компьютеров и устройств).

Для передачи информации по каналам связи необходимо преобразовывать компьютерные сигналы в сигналы физических сред.
Например, при передаче информации по оптоволоконному кабелю представленные в компьютере данные будут преобразованы в оптические сигналы, для чего используются специальные технические устройства – сетевые адаптеры.

Сетевые адаптеры (сетевые карты)- технические устройства, выполняющие функции сопряжения компьютеров с каналами связи.
Если канал связи – телефонная линия, то при приеме – передачи информации используется модем.

Модем – (модулятор – демодулятор ) – устройство для преобразования цифровых сигналов ПК в звуковые (аналоговые) сигналы телефонной линии и наоборот.
Основная характеристика модема: скорость приема – передачи информации (измеряется бит в сек). Современные модемы имеют скорость приема-передачи информации– 33600 бит в сек., 57600 бит в сек.

3.       Работа сети осуществляется по протоколам
Для того, чтобы информацию, переданную одним ПК, понял другой ПК, необходимо было разработать единые правила, называемые  протоколами.

Протокол – набор соглашений о правилах формирования и передачи сообщений, о способах обмена информацией между ПК, о правилах работы различного оборудования в сети

Существует 2 типа протоколов Интернет: базовые и прикладные протоколы.

базовые протоколы, отвечающие за физическую пересылку электронных сообщений любого типа между компьютерами Internet (IP и TCP). Эти протоколы настолько тесно связаны между собой, что чаще всего их обозначают термином «протокол TCP/IP»;

прикладные протоколы более высокого уровня, отвечающие за функционирование специализированных служб Internet: протокол HTTP (передача гипертекстовых сообщений), протокол FTP (передача файлов), протоколы электронной почты и т. д.
В техническом понимании TCP/IP – это не один, а два сетевых протокола. TCP – это протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как происходит передача информации. Протокол IP – адресный. Он определяет, куда происходит передача данных.

4.       Работу ПК в сети обеспечивают сетевые программы, обычно организованные по модели клиент – сервер:

сервер – программа, предоставляющая услуги, клиент – программа, потребляющая услуги сервер - программы

IP-адреса

Информация, которой обмениваются ПК делится на пакеты. ПАКЕТ – это "кусочек" информации, содержащий адрес отправителя и получателя.
A.   Множество пакетов образует поток информации, который принимается пользовательским ПК
B.   Затем "разрозненные пакеты", прибывшие из сети собираются в единый "пучок" клиентской программой Вашего ПК (например, браузером Microsoft InterNet Explorer)
C.   Для того, чтобы пакет нашел своего адресата - каждому ПК присваивается IP-адрес (при регистрации у провайдера). IP-адрес содержит 4 байта ( 32 разряда ), разделенных точками или 4 числа от 0 до 255. Легко подсчитать, что общее количество различных IP-адресов составляет более 4 млрд.:232 = 4294967296.

lР -адрес "читается" справа налево. Обычно самая правая цифра означает конкретный компьютер, а остальные цифры показывают номера сетей и подсетей (т. е. локальных сетей). 
Иногда это может быть не так, но в любом случае, если адрес представим в двоичном виде, то какая-то часть самых правых битов определяет конкретный компьютер, а остальные обозначают сети и подсети, к которым относится компьютер.

Пример. 192.45.9.200. Адрес сети - 192.45; адрес подсети - 9; адрес компьютера - 200.
Пакет содержит адрес получателя и адрес отравителя, а затем вбрасывается в сеть.
Маршрутизаторы определяют маршрут следования пакетов.

Доменная система имен

Компьютеры легко могут связаться друг с другом по числовому IP-адресу, однако человеку запомнить числовой адрес нелегко, и для удобства была введена Доменная Система Имен (DNS — Domain Name System).
Доменная система имен ставит в соответствие числово­му IP-адресу каждого компьютера уникальное доменное имя. Доменные адреса присваиваются в Центре сетевой информации Интернет (InterNIC).

Домен (domain – область, район) – определяет множество ПК, принадлежащих какому-либо участку сети Интернет, в пределах которого компьютеры объединены по одному признаку.

Доменный адрес определяет область, представляющую ряд хост-компьютеров. В отличие от цифрового адреса он читается в обратном порядке. Вначале идет имя компьютера, затем имя сети, в которой он находится.
Компьютерное имя включает, как минимум, два уровня доменов. Каждый уровень отделяется от другого точкой. Слева от домена верхнего уровня располагаются  поддомены для общего домена.
В системе адресов Internet принято представлять домены географических регионами. Они имеют имя, состоящее из двух букв.
Пример. Географические домены некоторых стран: Франция - fr; Канада- са; США - us; Россия - ru; Беларусь - by.
Существуют и домены, разделенные по тематическим признакам. Такие домены имеют трехбуквенное сокращенное название.
Пример. Учебные заведения - edu. Правительственные учреждения - gov. Коммерческие организации – com:

tutor.sptu.edu. Здесь edu - общий домен для школ и университетов. Tutor - поддомен sptu, который является поддоменом edu.