Главная / Компьютерные сети

Компьютерные сети

Компьютерная сеть – это совокупность двух или более компьютеров, соединенных с помощью каналов связи в единую систему для совместного использования ресурсов (данных, программных средств, технических средств).

Компьютерные сети предназначены для:

  1. непосредственного общения людей (передачи текстовых, графических, аудио- и видеоданных);
  2. обеспечения совместного доступа к сетевым аппаратным ресурсам (принтерам, модемам, внешним устройствам хранения информации и т. д.);
  3. обеспечения совместного использования программных средств;
  4. обеспечения совместного использования данных;
  5. снижения стоимости передачи данных за счет экономии на каналах связи. Это достигается коммутацией нескольких внутренних каналов связи на один внешний.

Классифицировать компьютерные сети можно по различным признакам, например по территориальному признаку, составу, способу соединения компьютеров в сети, сфере использования, типу среды передачи данных, скорости передачи данных и другим признакам.

По территориальному признаку (т.е. по географическим масштабам) компьютерные сети подразделяют на три класса:

  • глобальные сети (WAN – Wide Area Networks);
  • региональные сети (MAN – Metropolitan Area Networks);
  • локальные вычислительные сети (LAN – Local Area Networks).

С точки зрения архитектуры компьютерные сети подразделяются на два типа:

  • одноранговые;
  • с выделенным сервером.

В одноранговой сети отсутствует сервер, и все компьютеры равноправны между собой.

По способу организации физических связей сетевых компонентов выделяют четыре базовых топологий компьютерных сетей: шина, звезда, кольцо и ячеистая топология.

Топологии компьютерных сетей

Топология сети – это усредненная геометрическая схема соединений в сети,  порядок соединения объектов сети, ее конфигурация.

То есть топология сети означает физическое и логическое размещение сетевых компонентов.

Существуют следующие топологии компьютерных сетей:

  • шинная топология;
  • кольцевая топология (петля);
  • топология "звезда" (радиальная, звездообразная);
  • полносвязная (ячеистая, сетка);
  • иерархическая (древовидная);
  • смешанная (гибридная).

На практике все сети обычно строятся на основе трех базовых топологий: шина, кольцо, звезда.

Шина. В этой топологии все компьютеры сети подключены к одному кабелю, который называется магистралью.


Когда передаваемые по кабелю сигналы достигают его концов, они отражаются от них. Возникает наложение сигналов, находящихся в разных фазах, что приводит к их искажению. Поэтому сигналы, которые достигают концов кабеля, необходимо погасить. Для этой цели на концах кабеля устанавливают терминаторы.

В сети с топологией шина данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети, но принимает их только тот компьютер, адрес которого совпадает с адресом получателя. Адрес получателя передается вместе с данными. В каждый момент времени передачу может вести только один компьютер, поэтому производительность такой сети зависит от количества компьютеров в ней. Чем больше компьютеров в сети, тем она медленнее.

Шина – это пассивная топология, т.е. компьютеры только слушают передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому выход одного или нескольких компьютеров из строя в такой сети никак не сказывается на работе сети.

Кольцо. В сетях с топологией "кольцо" компьютеры связаны один с другим, при этом первый компьютер связан с последним. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер.

 

Рисунок 2 - Топология кольцо

Каждый компьютер распознает и получает только ту информацию, которая ему адресована.

В отличие от пассивной технологии "шина", в сетях с топологией "кольцо" каждый компьютер выступает в роли повторителя (репитера), т.е. компьютеры не только слушают, но и передают данные в сети от отправителя к получателю. Здесь каждый компьютер усиливает данные и передает их следующему компьютеру, пока эти данные не окажутся в том компьютере, чей адрес совпадает с адресом получателя. Получив данные, принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема. Выход из строя хотя бы одного компьютера приводит к неработоспособности сети.

Звезда. Топология "звезда" отличается тем, что все компьютеры подключаются к одному центральному (серверу). Для этого в центре сети содержится узел коммутации (коммутирующее устройство), к которому отдельным кабелем подключаются все компьютеры сети. Такой узел называется концентратором (hub).


Рисунок 3 - Топология "звезда"

Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем другим компьютерам.

Концентраторы делятся на активные и пассивные. Активные концентраторы передают сигналы так же, как репитеры (повторители), поэтому их называют многопортовыми повторителями. Обычно они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров. Активные концентраторы питаются от электрической сети.

К пассивным концентраторам относятся монтажные или коммутирующие панели, которые просто пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивным концентраторам не требуется питание от электрической сети.

Основное преимущество топологии "звезда" – высокая надежность. Выход из строя одного или нескольких компьютеров не приводит к потере работоспособности остальной части сети. Обрыв кабеля в одном месте приводит к отключению от сети только одного компьютера. Только неисправность концентратора приводит к полной потере работоспособности сети. Недостатком этой топологии является необходимость в дополнительном расходе кабеля и установке концентратора.

Кроме базовых топологий используют также другие схемы соединений компьютеров в сети, например ячеистую топологию, иерархическое соединение, а также комбинации базовых топологий, например звезда-шина или звезда-кольцо.

Ячеистая топология. В некоторых случаях используется ячеистая топология. В данной топологии каждый компьютер соединен с каждым другим компьютером отдельным кабелем.


Рисунок 4 - Ячеистая топология

Сеть с ячеистой топологией обладает высокой избыточностью и надежностью. Данные от одного компьютера к другому могут передаваться по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не отражается на работоспособности сети. Главный недостаток сетей с ячеистой топологией – большой расход кабеля.

Модель взаимодействия открытых систем (OSI)

В процессе передачи данных от одного компьютера к другому можно выделить ряд различных задач. Сетевая операционная система при выполнении этих задач строго следует определенному набору процедур (определенным правилам). Эти процедуры называются протоколами. Они регламентируют каждую сетевую операцию:  устанавливают порядок связи между компьютерами, порядок передачи данных, порядок обработки ошибок, порядок окончания сеанса связи и т.д. Стандартные протоколы позволяют программному и аппаратному обеспечению разных производителей нормально взаимодействовать. Существует два основных набора стандартов для этих целей: эталонная модель OSI и стандарты IEEE  Project 802.

Международной организацией по стандартизации  (International Standards Organization - ISO) была разработана эталонная модель взаимосвязи открытых систем (Open System Interconnection – OSI).

Примечание. Система, взаимодействующая с другими системами в соответствии с принятыми стандартами, называется открытой системой.

Согласно модели OSI при рассмотрении архитектуры компьютерных сетей выделяют семь уровней взаимодействия. Каждый уровень обеспечивает определенный набор услуг для расположенного над ним уровня и выполняет для этого несколько операций, необходимых для доставки данных по сети на другой компьютер.

Прикладной уровень (7-й). На этом уровне пользователь с помощью прикладного программного обеспечения создает документ (сообщение, рисунок и т. д.). Услуги, которые обеспечивает прикладной уровень, поддерживают приложения пользователя. На этом уровне используют протоколы HTTP, FTP, SMTP.

Уровень представления данных (6-й). На компьютерах могут использоваться различные ОС (UNIX, OS/2, Windows и т.д.). Каждая из них имеет свою файловую систему, свои форматы хранения и обработки данных. Задача уровня представления данных заключается в том, чтобы при передаче данных преобразовать их в формат, который может использоваться и на другом компьютере. Этот уровень управляет также сжатием передаваемых данных.

Сеансовый уровень (5-й). Этот уровень определяет и контролирует диалог между сетевыми объектами, он позволяет двум приложениям разных компьютеров устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеансовый уровень управляет этим диалогом, а именно: устанавливает, какая из сторон, когда, как долго должна осуществлять передачу, восстанавливает соединение после сбоев во время сеанса связи и т.д. Не все существующие приложения используют сеансовый уровень, поэтому он не всегда реализуется в виде отдельных протоколов. В таких случаях функции этого уровня объединяются с функциями смежных уровней и реализуются в одном протоколе.

Транспортный уровень (4-й). На этом уровне данные принимаются от вышестоящего (сеансового) уровня и преобразуются в такую форму, в которой их положено передавать в сети. Передаваемые потоки данных нарезаются здесь на пакеты стандартного размера. Каждый пакет передаётся вместе с адресом получателя на сетевой уровень для передачи в сеть. На этом уровне используются, например, протоколы TCP и SPX.

Сетевой уровень (3-й). Сетевой уровень определяет маршрут движения данных в сети. Он отвечает за адресацию сообщений и осуществляет перевод логических адресов в физические. На этом уровне каждый пакет данных получает точный адрес, по которому он должен быть доставлен независимо от прочих пакетов. Сетевой уровень позволяет объединять разнородные сети, использующие разные протоколы передачи данных. Примеры  используемых протоколов: IP и IPX.

Уровень передачи данных (2-й). Уровень передачи данных (или канальный уровень, или уровень соединения) обеспечивает прием пакетов данных, поступающих с сетевого уровня; подготовку данных к передаче по каналам связи; генерацию стартового сигнала для передачи данных; проверку получаемых данных и исправление ошибок; генерацию сигнала для перевода канала передачи в пассивное состояние при окончании передачи. Эти функции выполняет сетевая карта или модем. Используемые протоколы: HDLC, X.25/3.

Физический уровень (1-й). Его основная задача - управление аппаратурой передачи данных. Этот уровень получает данные от канального уровня и преобразует их в электрические или оптические сигналы. На этом уровне происходит реальная передача данных. Физический уровень устанавливает длительность каждого бита и способ их преобразования в электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю. Данные здесь передаются в виде определенных сигналов. Восстановление документа из них произойдет постепенно, при передаче с нижнего на верхний уровень на компьютере получателя. Используемые протоколы:  Х-21.

Разные уровни модели обмена данными в сети не взаимодействуют друг с другом напрямую. Они взаимодействуют через физический уровень. Постепенно переходя с верхнего уровня на нижний, данные непрерывно преобразуются, "обрастают" дополнительными данными, которые потом анализируются протоколами соответствующих уровней на другом компьютере.То есть на каждом уровне к данным, полученным с вышестоящего уровня, добавляется дополнительная (управляющая) информация, которая предназначена для правильной передачи данных. Это создает эффект виртуального взаимодействия уровней между собой.

Два нижних уровня модели OSI относятся к оборудованию (например, к сетевой плате) и кабелю. Для оборудования и кабелю, которые используется на этих уровнях, были разработаны специальные стандарты IEEE  Project 802. Это набор стандартов для физических компонентов сети, которые используются на физическом и канальном уровнях модели OSI.