Компоненты и структура компьютерных сетей.

В настоящее время все большую роль в жизни общества играют распределенные системы обработки данных. Рабочие станции пользователей, серверы приложений, серверы баз данных и прочие сетевые узлы распределены по большой территории. Даже в рамках одной крупной компании офисы и площадки могут быть соединены различными видами коммуникаций, использующих различные технологии и сетевые устройства.

Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило — различные виды электрических сигналов, световых сигналов или электромагнитного излучения, обработка которых производится специальным коммуникационным оборудованием.

Таким образом, следует рассматривать компьютерную сеть как совокупность программных, аппаратных и коммуникационных средств, обеспечивающих эффективное распределение вычислительных ресурсов.

Сеть позволяет легко взаимодействовать друг с другом самым различным видам компьютерных систем благодаря стандартизованным методам передачи данных, которые позволяют скрыть от пользователя все многообразие сетей и машин.

Сетевая инфраструктура строится из различных компонентов, которые условно можно разнести по следующим уровням:

1. кабельная система;

2. сетевое оборудование;

3. сетевые протоколы;

4. сетевые службы;

5. сетевые приложения.

Каждый из этих уровней может состоять из различных подуровней и компонентов.

Кабельные системы – это системы, элементами которых являются кабели и пассивное коммутационное оборудование, служащее для соединения или физического окончания (терминирования) кабеля. К пассивному коммутационному оборудованию относят телекоммуникационные розетки на рабочих местах, кроссовые и коммутационные панели («патч-панели») в телекоммуникационных помещениях и т.д. Кабельные системы могут быть построены на основе нескольких типов передающих сред — коаксиальный кабель («толстый», диаметром 0,5 дюйма, или «тонкий», диаметром 0,25 дюйма), STP (экранированная витая пара), UTP (неэкранированная витая пара) и оптоволоконный кабель. Структуру кабельной системы определяет инфраструктура информационных технологий.

Сетевое оборудование включает в себя такие виды аппаратных сетевых устройств, как повторители (репитеры), мосты, концентраторы (хабы), коммутаторы (свитчи), маршрутизаторы (роутеры), модемы, принт-серверы, аппаратные межсетевые экраны (Firewall) и т.д.

Сетевые протоколы представляют собой набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными в сети. Другими словами, сетевыепротоколы– это наборы правил и процедур, регулирующих порядок осуществления связи. Все компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы по завершении передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде. Существует несколько стандартных наборов (стеков) протоколов, получивших сейчас наиболее широкое распространение:

1. TCP/IP;

2. SPX/IPX;

3. Novell NetWare;

4. AppleTalk и т.д.

Протоколы перечисленных стеков делятся на три основных типа:

1. прикладные протоколы (выполняющие функции прикладного, представительского и сеансового уровней модели OSI);

2. транспортные протоколы (выполняющие функции транспортного и сеансового уровней модели OSI);

3. сетевые протоколы (выполняющие функции трех нижних уровней OSI – сетевого, канального и физического).

Сетевые службы (сервисы) составляют основу работы сети. Взаимодействие компьютеров между собой, а также с другим активным сетевым оборудованием, организовано на основе использования сетевых служб, которые обеспечиваются специальными процессами сетевой операционной системы (ОС). В UNIX-подобных ОС такие сетевые сервисы называют демонами, а в ОС семейства Windows – службами. Базовый набор сетевых служб компьютерной сети состоит из следующих служб:

1. службы сетевой инфраструктуры (например, DNS, DHCP, WINS);

2. службы файлов и печати (например, на основе протокола IPP – Интернет Printing Protocol);

3. службы каталогов (например, Novell NDS, MS Active Directory);

4. службы обмена сообщениями;

5. службы доступа к базам данных и т.д.

Сетевые приложения – это самый верхний уровень функционирования сети, представленный программными приложениями для работы в сети. Примерами сетевых приложений могут служить различные Web-браузеры (Интернет Explorer, Mozilla FireFox. Opera. Google Chrome и др.), почтовые клиенты (Microsoft Outlook, The Bat!, Mozilla Thunderbird и др.), программы обмена мгновенными сообщениями (например, ICQ, Miranda IM и др.), программы аудио- и видеосвязи (например, Skype) и др.

Требования, предъявляемые к компьютерным сетям.

Основная задача любой компьютерной сети – выполнение определенного набора услуг, для оказания которых она предназначена: например, предоставление доступа к файловым архивам или страницам публичных Web-сайтов Интернет, обмен электронной почтой в пределах предприятия или в глобальных масштабах, интерактивный обмен голосовыми сообщениями IP-телефонии и т.п. С качеством выполнения этой основной задачи связано понятие «качество обслуживания» (Quality of Service, QoS), которое определяет следующие основные требования к компьютерным сетям:

1. Соответствие стандартам – все устройства, работающие в одной сети, должны общаться на одном языке: передавать данные в соответствии с общеизвестным алгоритмом в формате, который будет понят другими устройствами.

2. Надежность – свойство, заключающееся в способности сети выполнять заданные функции при определенных условиях эксплуатации.

3. Совместимость – способность аппаратных или программных компонентов сети взаимодействовать друг с другом, а также возможность межсетевого взаимодействия. Выделяют аппаратную (техническую), программную и информационную совместимость сетей.

4. Защищенность – свойство сети, заключающееся в защищенности передаваемой по ней информации и поддерживающей инфраструктуры от случайных или преднамеренных воздействий естественного или искусственного характера, которые могут нанести неприемлемый ущерб субъектам информационных отношений.

5. Расширяемость – свойство сети, означающее возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

6. Масштабируемость– способность сети увеличивать производительность пропорционально введенным дополнительно ресурсам (обычно аппаратным).

7. Производительность – одно из основных преимуществ распределенных систем, к которым относятся компьютерные сети. Это свойство обеспечивается принципиальной возможностью распределения работ между несколькими компьютерами сети. Основные характеристики производительности сети:

1. Время реакции сети является интегральной характеристикой производительности сети с точки зрения пользователя. В общем случае время реакции определяется как интервал между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на него. Очевидно, что значение этого показателя зависит от типа службы, к которой обращается пользователь, от того, какой пользователь и к какому серверу обращается, а также от текущего состояния элементов сети — загруженности сегментов, коммутаторов и маршрутизаторов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и т.п. Поэтому имеет смысл использовать также и средневзвешенную оценку времени реакции сети, усредняя этот показатель по пользователям, серверам и времени дня (от которого в значительной степени зависит загрузка сети).

1. Скорость передачи трафика – одна из важных характеристик производительности сети. Различают мгновенную, максимальную и среднюю скорость передачи трафика.

1. Пропускная способность — максимально возможная скорость обработки трафика, определенная стандартом технологии, на которой построена сеть. Пропускная способность отражает максимально возможный объем данных, передаваемый сетью или ее частью в единицу времени.

И хотя все перечисленные выше требования весьма важны, часто понятие «качество обслуживания» (QoS) компьютерной сети трактуется более узко: в него включаются только две самые важные характеристики сети — производительность и надежность.

3.Классификация компьютерных сетей.

На сегодняшний день нет общепризнанной таксономии сетей. Для классификации компьютерных сетей используются разные признаки, основными из которых являются признаки структурной и функциональной организации.

1. По технологии передачи данных можно выделить:

1.1. Сети типа вещание – имеют единый канал передачи данных, который используют все компьютеры сети. Пакет, отправленный определенному узлу, получают все узлы в сети. В определенном поле пакета указан адрес получателя. Компьютер, обнаруживший в данном поле свой адрес, приступает к обработке этого пакета. Если в этом поле указан другой адрес, компьютер просто игнорирует этот пакет.

Существует режим широкого вещания (один пакет адресуется всем узлам в сети) и режим группового вещания (один пакет получают компьютеры, принадлежащие к определенной группе в сети).

Вещательные сети по методам выделения канала делятся на:

• Статические сети (применяется повременное разделение канала между узлами; недостатком метода является то, что если компьютер ничего не передает, канал простаивает);

• Динамические сети (используют централизованные и распределенные механизмы выделения канала по запросу).

Вещательные сети используются на географически небольших территориях.

1.2. Сети «точка-точка» (point-to-point) соединяют каждую пару машин индивидуальным каналом. Прежде, чем пакет достигнет адресата, он проходит через несколько промежуточных узлов. В этих сетях возникает потребность в маршрутизации пакетов, от эффективности которой зависит скорость доставки сообщений и распределение нагрузки в сети.

Сети «точка-точка» используются для построения крупных сетей, охватывающих большие регионы.

2. По масштабу сети можно выделить:

2.1. Персональная сеть (PAN, Personal Area Network) – сеть, предназначенная для взаимодействия различных устройств, принадлежащих одному владельцу. Данные сети призваны объединять все персональные электронные устройства пользователя (телефоны, КПК, смартфоны, ноутбуки, гарнитуры, медиаплееры и т.п.).

К основным стандартам таких сетей в настоящее время относят Bluetooth, Wi-Fi.

Параметры PAN:

1. Малое число абонентов.

2. Некритичность к наработке на отказ.

3. Все устройства входящую в PAN-сеть можно контролировать.

4. Узкий радиус действия.

2.2. Сеть контроллеров (CAN, Controller Area Network ) — стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных контроллеров, исполнительных устройств и датчиков.

2.3.Локальная сеть (LAN, Local Area Network)– сеть, имеющая небольшой размер и замкнутую инфраструктуру, основное назначение которой состоит в объединении пользователей (как правило, одной компании или организации) для совместной работы.

Сформулировать отличительные признаки локальной сети можно следующим образом:

1. Используемая технология передачи данных – вещание.

2. Основные стандарты – Ethernet, Wi-Fi.

3. Высокая скорость передачи информации – 10 Мбит/с–1 Гбит/с (теоретически, согласно стандартам, до 100 Гбит/с), большая пропускная способность сети.

4. Высококачественные каналы связи, обеспечивающие низкий уровень ошибок передачи.

5. Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом данными по сети.

6. Ограниченное количество компьютеров, подключаемых к сети.

7. Закрытый тип сети, доступ к которой разрешен только ограниченному кругу пользователей.

2.4. Городская сеть (MAN, Metropolitan Area Network) -сеть между учреждениями в пределах одного или нескольких городов, связывающие много локальных вычислительных сетей. Как правило, поддерживают передачу данных в голосовом формате. Иногда объединяется с кабельной ТВ-сетью. Скорость – 10-100 Мб/с. Протяженность – от нескольких километров до сотен километров.

2.5. Глобальная вычислительная сеть (WAN, Wide Area Network) – сеть, охватывающая крупные географические области – страны, континенты. Включает в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей. Работают на относительно низких скоростях (до 3 Мбит/с) и могут вносить значительные задержки в передачу информации. Пример возможности организации WAN – сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут взаимодействовать между собой различные компьютерные сети.

3. По типу используемых компьютеров можно выделить:

3.1. гомогенные (однородные) сети, содержащие программно совместимые ПК;

3.2. гетерогенные (неоднородные) сети, включающие программно несовместимые ПК.

4. По скорости передачи можно выделить:

4.1.низкоскоростные (до 10 Мбит/с),

4.2. среднескоростные (до 100 Мбит/с),

4.3. высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);

5. По типу среды передачи можно выделить:

5.1. проводные(использующие в качестве среды передачи телефонный кабель, коаксиальный кабель, витую пару, оптоволоконный кабель);

5.2. беспроводные (использующие Wi-Fi, радиоканалы, инфракрасный диапазон).

6. По типу функционального взаимодействия ПК можно выделить:

6.1. Клиент-сервер – сетевая архитектура, в которой устройства являются либо клиентами (front end), либо серверами (back end). Клиентом является запрашивающая машина (обычно ПК), сервером — машина, которая отвечает на запрос. Термины клиент и сервер могут применяться к физическим устройствам и к программному обеспечению.

6.2. Одноранговые сети(P2P, Peer-to-Peer Network – «равный к равному») – сетевая архитектура, основанная на равноправии участников. В таких сетях отсутствуют выделенные серверы, а каждый узел (peer) является как клиентом, так и сервером. В отличие от архитектуры клиент-сервер, такая организация позволяет сохранять работоспособность сети при любом количестве и любом сочетании доступных узлов.

6.3. Смешанные (гибридные) сети – сетевая архитектура, в которой выделены сервера для координации работы, поиска или предоставления информации о существующих машинах сети и их статусе (on-line, off-line и т. д.). Гибридные сети сочетают скорость централизованных сетей и надёжность децентрализованных благодаря гибридным схемам с независимыми индексационными серверами, синхронизирующими информацию между собой. При выходе из строя одного или нескольких серверов, сеть продолжает функционировать.

7. По функциональному назначению можно выделить:

7.1.Сеть передачи данных –самый распространенный вид сетей, предназначенный для качественной передачи данных между удаленными узлами сети.

7.2.Сети хранения данных (англ. Storage Area Network) (SAN) –архитектурное решение для подключения внешних устройств хранения данных, таких как дисковые массивы, оптические накопители к серверам, таким образом, чтобы операционная система распознала подключённые ресурсы, как локальные. Основное назначение данного вида сетей – совместное использование устройств хранения данных различными пользователями.

7.3.Серверные фермы –ассоциация серверов, соединенных сетью передачи данных и работающих как единое целое. Основное назначение данного вида сетей – обеспечение распределенной обработки данных. Серверная ферма является ядром крупного центра обработки данных.

7.4.Сети SOHO (англ. Small Office, Home Office) -сети, не предназначенные для производственных нагрузок и применяемые для домашнего использования. Сеть обычно представлена одним кабинетом или комнатой. В сети используются сетевые коммутаторы Ethernet или повторители, или беспроводная сеть Wi-Fi.

8. По типу сетевой топологии можно выделить:

8.1.Сети топологии«шина»: шина (магистраль) представляет собой общий кабель, к которому подсоединены рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы для предотвращения отражения сигнала (рис. 1).