Основы компьютерной коммуникации. Принципы построения и основные топологии вычислительных сетей, коммуникационное оборудование

Локальные сети могут быть одноранговыми – в такой сети все узлы (компьютеры) рав­но­прав­ны или с выделенным сервером (в большинстве случаев). Такое распределение функций между компьютерами сети, не зависящее от их расположения и способа подключения, называют логической архитектурой сети

Функции сервера (от англ. serve – служить), являющегося цен­тральным компьютером сети, может выполнять как спе­ци­аль­но сконфигурированный для этой цели мощный компьютер, так и обыч­ная "персоналка", на которой установлено серверное программное обеспечение. При этом остальные ком­пьютеры называют рабочими станциями или кли­ен­тами сети. Основная задача сервера – управление использованием разделяемых между терминалами сети ресурсов системы.

Схема взаимодействия программ в сети называется архитектурой клиент-сервер. Суть работы программ по этой схеме состоит в том, что сервер по командам клиента выполняет определенные действия, предоставляя клиенту услуги. Например, предоставление услуг в Интернете построено по этой схеме, т.е. оно осуществляется совместной работой двух процессов: на компьютере пользователя и на компьютере-сервере.

Топология (конфигурация) локальной сети – это схема соединения в ней ком­пь­ю­те­ров. Все варианты топологии основаны на трех базовых:

· кольцо – компьютеры соединяются "по кругу";

· звезда (радиальная) – каждый компьютер соединен с центральным узлом;

· шинная – все компьютеры подключены к линейной шине (магистрали, ли­нии пе­­­редачи). Топология "дерева" - архитектура локальной сети, которая является идентичной шинной топологии, за исключением того, что в этом случае возможны ветви с множественными узлами.

Эти виды сетевой топологии изображены на рис. 15.

Рис. 15. Основные виды сетевой топологии

Для соединения компьютеров в локальной сети могут использоваться:

· витая пара (скрученная, в отличие от телефонного кабеля, пара медных проводов) – обеспечивает скорость передачи до 100 Мбит/сек, рас­сто­яние до 1 км, обычно в пре­делах 100 м;

· коаксиальный кабель (внутренняя медная жила, слой изоляции, внешний экран, оболочка, пример подобного кабеля – телевизионная антенна) – обеспечивает скорость пере­да­чи до 50 Мбит/сек, рас­сто­яние до 10 км. Широкополосный коаксиальный кабель невосприимчив к помехам, легко наращивается, но цена его высока. Скорость передачи информации достигает 500 Мбит/с.

· волоконно-оптический (стекло-волоконный, оптоволоконный) кабель (происходит пе­ре­­дача световых сигналов по цен­тральному стекловоду – волокну из кварцевого стекла тол­щиной в человеческий волос, окруженному стек­лян­ной оболоч­кой) – дает ско­рость передачи до 100 Гбит/сек, рас­с­то­я­ние (без ретрансляции) более 50 км.

Используется также беспроводная связь электромагнитными волнами раз­лич­но­го ди­а­па­зо­на, включая спутниковую связь и инфракрасное излучение. В част­нос­ти, бес­про­водная локальная сеть стандарта Wi-Fi (Wireless Fidelity – бес­про­вод­ная точ­ность) обычно обеспечивает скорость передачи данных до 11 Мбит/сек (новые стандарты – до 50 Мбит/сек и выше).

Для физического подключения компьютера к сети могут использоваться следующие основные устройства:

· сетевая плата (сетевая карта, сетевой адаптер), подключающая его к спе­циальной ка­бель­ной линии для передачи сигналов в цифровом дво­ич­ном ко­де. Каждая карта имеет уникальный 48-битовый ад­ре­с (MAC-адрес, англ. Media Access Control — управление доступом к среде), который позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять нужные пакеты данных именно этому узлу;

· модем (модулятор–демодулятор), подключающий компьютер к телефонной ли­нии. Здесь цифровые данные компьютера преобразуются в аналоговые (непрерывные) элек­трические импульсы (модулируются), передаются по телефонным ка­на­лам, а после приема снова преобразуются в цифровой двоичный код (де­­модулируются). Скорость передачи данных по такому соединению невысока и обычно составляет от 4-10 до 52-56 Кбит/сек. Обычно модемная линия работает по протоколу канального уровня PPP (англ. Point to Point Protocol).

Для подключения к беспроводным сетям также существуют устройства, которые могут как поставляться отдельно, так и быть составной частью оборудования компьютера, например WiFi- и BlueTooth-адаптеры.

Для связи на дальнее расстояние (расширение сети) и соединения локальных се­­тей используется коммуникационное оборудование (отдельный компьютер с до­пол­ни­тельной аппаратурой или рабочая станция (сервер) с несколькими сетевыми платами:

· повторитель (репитер, от англ. repeat – повторять) усиливает сигнал для передачи его далее по се­ти;

· концентратор (хаб, от англ. hub – ступица колеса, концентратор) объединяет несколько рабочих станций, под­клю­­чая их как единый сегмент к сети;

· мост (бридж, от англ. bridge - мост) соединяет сегменты одной сети или сетей с одинаковой технологией пе­редачи данных;

· маршрутизатор (роутер, от англ. route – маршрут) соединяет сети разного типа, но с совместимым про­г­раммным обеспечением, определяя, куда нужно направить дан­ные и выбирая луч­ший маршрут их передачи;

· шлюз соединяет сети с разными технологиями пе­редачи данных.

Такое оборудование подразделяют на мультиплексоры (один выход, нес­ко­ль­ко входов), де­мул­ьтиплексоры (несколько выходов, один вход) и ком­му­та­то­­ры (нес­колько входов и вы­хо­дов).

Для защиты информации используются сетевые экраны (межсетевой экран, щит, бран­д­ма­у­эр, файрвол, последнее от англ. Fire Wal – "огненная стена") – это прог­рам­мы, специальные технические уст­рой­ст­ва или специально вы­­­де­лен­ный ком­­пь­ютер, которые "отгораживают" защища­е­мый компьютер или локальную сеть от внеш­­ней се­ти, пропуская в обе стороны толь­ко разрешенные данные и ко­ман­ды, а при за­труд­­­не­ниях об­ра­щающиеся за раз­решением к администратору сети.

Взаимодействие компьютеров в сети обеспечивается за счет соблюдения се­те­вых про­то­колов – правил представления и передачи данных, которые ре­а­ли­зу­ются ап­па­­ратно или программно. Передача данных состоит из ряда этапов (ур­ов­ней), на каж­­дом из которых используется свой протокол.

Эталонной является модель обмена информацией в открытой системе OSI (Open System Interchange) или модель взаимодействия открытых систем, пред­ло­­женная в 1984 г. и включающая 7 уровней про­то­колов:

1) физический – непосредственная передача сигналов по линиям связи;

2) канальный (уровень соединения) – формирование сиг­на­лов для передачи, обнаружение и ис­прав­ление ошибок, возникающих при физической пере­да­че (этот уровень может реализоваться мо­демом или сетевой картой);

3) сетевой – определение маршрутов (маршрутизация) передачи пакетов, на ко­­торые разбиваются передаваемые данные (разные пакеты из одного со­об­ще­ния могут направляться по разным путям);

4) транспортный – формирование адреса отправителя и получателя, разборка дан­ных на пакеты и сборка на компьютере–получателе с контролем доставки пакетов и устранением возникших при этом ошибок;

5) сеансовый – открытие и закрытие сеанса связи с определением ее характера (од­­носторонняя или двухсторонняя, последовательная или параллельная передача в обе стороны);

6) представительный – определение кодов и форматов передачи данных с соответствующим их преобразованием;

7) прикладной – определение данных для передачи, формируемых прикладной программой (например, отправления по электронной почте).

На компьютере отправителя выполняются этапы с седьмого по первый уровень, а на ком­пьютере получателя те же этапы в обратном порядке для восстановления со­об­­щения. На промежуточных ком­пьютерах могут выполняться с 1-го по 3-ий этап для дальнейшей отправки поступившего пакета (который является частью все­го сообщения). Иерархия сетевых протоколов OSI схематически изображена на рис. 16.

Рис. 16. Сетевые протоколы модели OSI

Работа глобальной компьютерной сети Интернет будет подробно рассмотрена в п. 2.3.