Компьютерные вычислительные сети – это принципиально новый вид связи и информационного сервиса, превращающий наше общество в единое информационное пространство, позволяющий одновременно сотням тысяч пользователей ПЭВМ совместно решать общие задачи, каждому человеку пользоваться результатами труда всего мирового сообщества, общаться, не придавая значения расстояниям и государственным границам.

Общедоступное информационное взаимодействие называют телекоммуникацией, одним из видов которой являются вычислительные (компьютерные) сети.

Основные понятия, принципы построения и функционирования компьютерных сетей

Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) – единый комплекс, включающий территориально рассредоточенную систему ЭВМ (компьютеров) и их терминалов, объединенных средствами связи с использованием коммутационного оборудования, программного обеспечения и протоколов для решения информационных, управленческих, вычислительных и/или других задач.

Сетевая технология – это согласованный набор программных и аппаратных средств (например, драйверов, сетевых адаптеров, кабелей и разъемов), а также механизмов передачи данных по линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети.

Основная цель использования вычислительной сети – обеспечить пользователям сети потенциальную возможность совместного использования ресурсов всех компьютеров.

Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило – различные виды:

• электрических сигналов,
• световых сигналов,
• электромагнитного излучения.

Исторически главной целью объединения компьютеров в сеть было разделение ресурсов: пользователи компьютеров, подключенных к сети, или приложения, выполняемые на этих компьютерах, получают возможность автоматического доступа к разнообразным ресурсам остальных компьютеров сети, к числу которых относятся:

– периферийные устройства, такие как диски, принтеры, плоттеры, сканеры и др.;

– данные, хранящиеся в оперативной памяти или на внешних запоминающих устройствах;

– вычислительная мощность (за счет удаленного запуска «своих» программ на «чужих» компьютерах).

Сегме́нт сети – логически или физически обособленная часть сети. Разбиение сети на сегменты осуществляется с целью оптимизации сетевого трафика и/или повышения безопасности сети в целом.

Для организации компьютерной сети необходимо коммуникационное (сетевое) оборудование.

Сетевое оборудование – устройства, необходимые для работы компьютерной сети, например: сетевая плата, коммутатор, концентратор, сетевой мост, повторитель, маршрутизатор и др. Обычно выделяют активное и пассивное сетевое оборудование.

Сетевая плата (также известная как сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernet-адаптер, NIC (англ. network interface card) – периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.

Сетевой коммутатор или свитч (жарг. от англ. switch – переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента.

Сетевой концентратор или хаб (жарг. от англ. hub – центр деятельности) – сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети.

Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна . Термин концентратор (хаб) применим также к другим технологиям передачи данных: USB, FireWire и пр.

В настоящее время хабы почти не выпускаются – им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключённое устройство в отдельный сегмент.

Сетевой мост, бридж (калька с англ. Bridge) – сетевое оборудование для объединения сегментов локальной сети

В общем случае коммутатор (свитч) и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве: мосты обрабатывают IP-пакеты, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу (аппаратную схему для коммутации пакетов).

Повторитель (жарг. – репи́тер; англ. repeater) – сетевое оборудование предназначенное для увеличения расстояния сетевого соединения путём повторения электрического сигнала «один в один». Бывают однопортовые повторители и многопортовые. Одной из первых задач, которая стоит перед любой технологией транспортировки данных, является возможность их передачи на максимально большое расстояние.

Маршрутиза́тор или роутер, рутер (от англ. Router) – сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня между различными сегментами сети.

Функционирование пакетной передачи данных в сети основано на следующем принципе:

- каждая из машин, включенных в сеть, имеет свой собственный номер (идентификатор);

- информация от конкретной ЭВМ поступает в сеть в виде отдельных пакетов;

- пакет всегда имеет информацию о том, для какой машины он предназначен, и свободно перемещается по сети;

- часть пакета с адресом сравнивается с идентификатором каждой ЭВМ и в случае совпадения сообщение принимается;

- если пакет так и не нашел адресата, то через определенное время он уничтожается.

Следует сказать, что рассылка данных и сообщений по сети возможна одновременно для всех ее пользователей: можно, например, послать сообщение не одному конкретному пользователю, а целой группе или всем пользователям сети сразу (в том числе и себе самому). Эта функция сети называется «широковещание».

Классификация компьютерных сетей

По назначению компьютерные сети разделяются:

1. Вычислительные сети предназначены главным образом для решения заданий пользователей с обменом данными между их абонентами.

2. Информационные сети ориентированы в основном на предоставление информационных услуг пользователям.

3. Смешанные (информационно-вычислительные) – совмещают функции первых двух.

Для классификации компьютерных сетей используются разные признаки, выбор которых заключается в том, чтобы выделить из существующего многообразия такие, которые позволили бы обеспечить данной классификационной схеме такие обязательные качества:

– возможность классификации всех, как существующих, так и перспективных, компьютерных сетей;

– дифференциацию существенно разных сетей;

– однозначность классификации любой компьютерной сети;

– наглядность, простоту и практическую целесообразность классификационной схемы.

В основном компьютерные сети классифицируют по признакам структурной и функциональной организации.

По территориальной распространенности:

Локальные сети LAN (Local Area Network) – может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку – около шести миль (10 км) в радиусе. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью.

Глобальная сеть WAN (Wide Area Network) – покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.

Термин «корпоративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.

В учебниках упоминается о так называемых «городских сетях», или сетях мегаполиса (Metropolitan Area Network, MAN). Эти сети предназначены для обслуживания территории крупного города – мегаполиса, и сочетают в себе признаки как локальных, так и глобальных сетей. Появление таких сетей не привело к возникновению каких-нибудь качественно новых технологий, поэтому мы не будем выделять их в отдельный технологический тип сетей.

В соответствии с технологическими признаками, обусловленными средой передачи, компьютерные сети подразделяют на два класса:

– проводные сети, то есть сети, каналы связи которых построены с использованием медных или оптических кабелей;

– беспроводные сети, то есть сети, в которых для связи используются беспроводные каналы связи, например радио, СВЧ, инфракрасные или лазерные каналы.

Тип среды передачи влияет на технологию компьютерной сети, так как ее протоколы должны учитывать скорость и надежность соединения, обеспечиваемого каналом, а также частоту искажения в нем битов информации. Различие технологий локальных и глобальных сетей во многом определялось различием качества используемых в этих сетях каналов связи. Качество канала связи зависит от многих факторов, но наиболее кардинально на него влияет выбор проводной или беспроводной среды.

По типу функционального взаимодействия :

Сеть может быть построена по одной из трех схем:

- сеть на основе одноранговых узлов – одноранговая сеть;

- сеть на основе клиентов и серверов – сеть с выделенным сервером;

- сеть, включающая узлы всех типов – гибридная сеть.

Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, определяющие их области применения.

В одноранговых сетях все компьютеры равны в возможностях доступа к ресурсам друг друга. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут с ним работать. В одноранговых сетях на всех компьютерах устанавливается такая операционная система, которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности. Сетевые операционные системы такого типа называются одноранговыми ОС.

Изменение роли компьютера в одноранговой сети достигается за счет того, что функции серверной или клиентской частей просто не используются.

Одноранговые сети проще в развертывании и эксплуатации; по этой схеме организуется работа в небольших сетях, в которых количество компьютеров не превышает 10-20. В этом случае нет необходимости в применении централизованных средств администрирования – нескольким пользователям нетрудно договориться между собой о перечне разделяемых ресурсов и паролях доступа к ним.

Однако в больших сетях средства централизованного администрирования, хранения и обработки данных, а особенно защиты данных необходимы. Такие возможности легче обеспечить в сетях с выделенными серверами.

Клиент-сервер – вычислительная или сетевая архитектура, в которой задания или сетевая нагрузка распределены между поставщиками услуг (сервисов), называемых серверами, и заказчиками услуг, называемых клиентами.

Нередко клиенты и серверы взаимодействуют через компьютерную сеть и могут быть как различными физическими устройствами, так и программным обеспечением.

Также термином «рабочая станция» (клиент) обозначают компьютер в составе локальной вычислительной сети (ЛВС) по отношению к серверу.

Компьютеры в локальной сети подразделяются на:

1) рабочие станции;

2) серверы.

На рабочих станциях пользователи решают прикладные задачи (работают в базах данных, создают документы, делают расчеты). Сервер обслуживает сеть и предоставляет собственные ресурсы всей сети.

Клиент – это аппаратный или программный компонент вычислительной системы, посылающий запросы серверу.

Сервер – выделенный компьютер в сети, управляющий сетью и (или) содержащий совместные ресурсы.

Наиболее часто используются следующие виды серверов:

– файловый сервер – компьютер, хранящий и обеспечивающий доступ к данным пользователей сети (используются жесткие диски большой емкости или другие типы накопителей);

– сервер баз данных – компьютер, выполняющий функции хранения, обработки и управления файлами баз данных;

– сервер прикладных программ – компьютер, который используется для выполнения прикладных программ на стороне сервера и передачи данных на компьютер клиента.

Гибридная сеть. В больших сетях наряду с отношениями клиент-сервер сохраняется необходимость и в одноранговых связях, поэтому такие сети чаще всего строятся по гибридной схеме (по смешанной схеме).

Топология локальной компьютерной сети.

Сетевая тополо́гия (от греч. τόπος, – место) – способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств.

Сетевая топология может быть:

– физической – описывает реальное расположение и связи между узлами сети;

– логической – описывает движение сигнала в рамках физической топологии;

– информационной – описывает направление потоков информации, передаваемых по сети;

– управления обменом – это принцип передачи права на пользование сетью.

Рассмотрим в рамках классификации физическую топологию сети.

1) «Полносвязная» топология – топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция подключена ко всем остальным. 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. Чаще всего эта топология используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при малом количестве рабочих станций.

2) «Ячеистая» топология – базовая полносвязная топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция сети соединяется со всеми другими рабочими станциями этой же сети. Характеризуется высокой отказоустойчивостью, сложностью настройки и преизбыточным расходом кабеля. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другими компьютерами. Обрыв кабеля не приведёт к потере соединения между двумя компьютерами.

3) «Кольцо́» – базовая топология компьютерной сети, в которой рабочие станции подключены последовательно друг к другу, образуя замкнутую сеть. Наиболее широкое применение получила в оптоволоконных сетях. Используется в стандартах FDDI, Token ring.

4) Топология типа «ши́на», представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.

5) «Звезда́» – базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно сетевой концентратор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило «дерево»).

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа «звезда». Получаемую в результате структуру называют также «деревом». В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях.

6) «Смешанная» топология – топология преобладающая в крупных сетях с произвольными связями между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связаные фрагменты (подсети), имеющие типовою топологию, поэтому их называют сетями со смешаной топологией.

Программное обеспечение компьютерных сетей

Для конечного пользователя сеть – это не компьютеры, кабели и концентраторы и даже не информационные потоки, для него сеть – это, прежде всего, набор сетевых служб, с помощью которых он получает возможность просмотреть список имеющихся в сети компьютеров, прочитать удаленный файл, распечатать документ на «чужом» принтере или послать почтовое сообщение. Именно совокупность предоставляемых возможностей – насколько широк их выбор, насколько они удобны, надежны и безопасны – определяет для пользователя облик той или иной сети.

Сетевые программные средства – это программное обеспечение, предназначенное для управления работой информационной сети и обеспечения пользовательского интерфейса.

К сетевым программным средствам относятся:

– сетевая операционная система;

– сетевые приложения.

Сетевая операционная система – операционная система со встроенными возможностями для работы в компьютерных сетях.

Главными задачами являются разделение ресурсов сети (например, дисковые пространства) и администрирование сети. С помощью сетевых функций системный администратор определяет разделяемые ресурсы, задаёт пароли, определяет права доступа для каждого пользователя или группы пользователей. Отсюда деление:

– сетевые ОС для серверов;

– сетевые ОС для пользователей.

К таким возможностям можно отнести:

– поддержку сетевого оборудования;

– поддержку сетевых протоколов;

– поддержку протоколов маршрутизации;

– поддержку фильтрации сетевого трафика;

– поддержку доступа к удалённым ресурсам, таким как принтеры, диски и т. п. по сети;

– поддержку сетевых протоколов авторизации;

– наличие в системе сетевых служб, позволяющих удалённым пользователям использовать ресурсы компьютера.

Кроме собственно обмена данными, сетевые службы должны решать и другие, более специфические задачи, например, задачи, связанные с распределенной обработкой данных. К таким задачам относится:

– обеспечение непротиворечивости нескольких копий данных, размещенных на разных машинах (служба репликации);

– организация выполнения одной задачи параллельно на нескольких машинах сети (служба вызова удаленных процедур).

Среди сетевых служб можно выделить административные, то есть такие, которые в основном ориентированы не на простого пользователя, а на администратора, и служат для обеспечения правильной работы сети в целом.

Реализация сетевых служб осуществляется программными средствами. Все сетевые службы построены в архитектуре «клиент-сервер», которую мы рассматривали выше.

Основные службы – обычно предоставляются сетевой операционной системой:

• – файловая служба;
• – веб-служба;
• – служба печати.

Вспомогательные – предоставляются системными сетевыми приложениями или утилитами, работающими в тесном контакте с сетевой операционной системой:

• – служба баз данных;
• – факсимильной связи;
• – передачи голоса и др.

Одним из главных показателей качества сетевой службы является ее удобство. При определении степени удобства разделяемого ресурса часто употребляют термин «прозрачность».

Прозрачный доступ – это такой доступ, при котором пользователь не замечает, где расположен нужный ему ресурс – на его компьютере или на удаленном.

Например, после того как пользователь смонтировал удаленную файловую систему в свое дерево каталогов, доступ к удаленным файлам становится для него совершенно прозрачным.

Примеры сетевых операционных систем:

• – Novell NetWare;
• – Microsoft Windows (95, NT, XP, Vista и Seven);
• – различные UNIX системы, такие как Solaris, FreeBSD;
• – различные GNU/Linux системы.

Сетевые приложения:

– электронная почта обеспечивает доставку писем (а часто и произвольных файлов, а также голосовых и факсимильных сообщений) от одних пользователей локальной сети другим, а иногда позволяет общаться и с удаленными пользователями по модему или через InterNet;

– средства удаленного доступа позволяют подключаться к локальной сети с помощью модема и работать на компьютере, как будто он непосредственно подключен в сеть (разумеется, при этом многие операции будут выполняться дольше, так как модем работает значительно медленнее сетевого контроллера);

– средства групповой работы (наиболее популярно из них Lotus Notes) позволяют совместно работать над документами, обеспечивают согласованность версий документов у разных пользователей, предоставляют средства для организации документооборота предприятия, позволяют организовывать телеконференции – письменный обмен мнениями по различным темам и т.д.;

– программы резервирования позволяют создавать резервные копии данных, хранящихся на серверах локальной сети и на компьютерах пользователей, а при необходимости – восстанавливать данные по их резервной копии;

– средства управления вычислительной сетью позволяют управлять ресурсами вычислительной сети с одного рабочего места, получать информацию о состоянии и загрузке сети, настраивать производительность сети, управлять системами пользователей сети (например, устанавливать на них программное обеспечение) и т.д.