Лекция 9. Классификация компьютерных сетей. Компьютерная

Лекция 9.
Классификация компьютерных сетей.
Компьютерная сеть - система передачи данных, которая связывает
компьютерные системы, находящиеся в различных местах.
Сеть является модульной и адаптируемой коммутационной системой,
которую можно настроить в соответствии с самыми различными
требованиями. Ее модульность облегчает добавление новых компонентов
или перемещение существующих, а адаптивность упрощает внесение
изменений и усовершенствований. Сеть может быть составлена из любой
комбинации локальных вычислительных сетей (LAN), средних сетей
(MAN) или больших сетей (WAN).
Локальная вычислительная сеть (Local Area Network или LAN). Сеть
передачи данных, обслуживающая область в несколько квадратных
километров или меньше. Т.к. сеть покрывает малую область, скорость
передачи данных может быть до 100 мегабит в секунду.
Общегородская Сеть (Metropolitan Area Network
или MAN). Сеть
передачи данных, предназначенная обслуживать область, размером с
большой город. Такие сети строятся с использованием новейших
технологий, типа прокладки оптического волокна через туннели
подземки.
Широкомасштабная Сеть (Wide Area Network или WAN). Сеть, обычно
создаваемая с последовательными линиями (например, телефонными),
которая покрывает большую географическая область.
Глобальная Сеть (Internet).
Самая большая сеть в мире, другими
словами глобальная сеть. Она имеет трёхуровневую структуру. Верхний
уровень - backbone, средний уровень - mid-level network и сети низшего
уровня – stub network. В Интернет применяются различные протоколы.

Backbone –
основное или магистральное сетевое соединение
образующие Internet. Сети этого уровня cвязывают компоненты или
узлы (см. ниже) сети в единое целое. В своем составе содержат
высокоскоростные телефонные линии Т3, соединяющие удалённые
концы сети и сети одну с другой. Телефонная линия типа ТЗ является
цифровой несущей, используемой для передачи цифрового сигнала со
скоростью 44.746 Мбит в секунду (для сравнения телефонная линия
типа Т1 передает цифровой сигнал со скоростью 1.544 Мбит в
секунду).
Термин backbone также используется для
высокоскоростной центральной
сети,
соединяющей между собой
региональные сети. Когда говорят об американской части Интернет –
это NSFNET, сеть национального научного фонда National Science
Foundation (NSF). Американское правительственное агентство, цель
которого
поддержка
развития
науки.
NSF
финансирует
исследователей, научные проекты и инфраструктуру, чтобы улучшить
качество научных исследований. NSFNET – сеть, финансируемая NSF,
была существенной частью академической и исследовательской


системы связи. Это была быстродействующая, иерархическая "сеть
сетей". На верхнем уровне, это базовая сеть узлов, пропускная
способность 45Мбит/сек, покрывающая континентальную часть США. К
ней подсоединялись сети среднего уровня, к которым, в свою очередь,
- сети университетских городков и локальные сети.
Mid-level network (Сети среднего уровня
или региональные)
образуют второй уровень иерархии Интернет. Это транзитные сети
(transit network), которые соединяют сети нижнего уровня с
магистральными сетями. Транзитная сеть транслирует пакеты между
сетями в дополнение к трафику (см. ниже) собственных хостов (см.
ниже). Эти сети должны иметь подключения как минимум к двум
другим сетям.
Sbub network (Сеть низшего уровня). Сеть низшего уровня
занимается только доставкой пакетов к и от локальных хостов. Даже
если есть пути к другой локальной сети, такая сеть не занимается
связью с другими сетями.
Локальные компьютерные сети.
Как уже говорилось выше, локальные сети – это сети, располагающиеся
локально, т.е. на небольшой территории. Сети этого типа имеют свою
классификацию, топологию и архитектуру.
В этой главе мы обсудим такие типы сетей как Ethernet и Token Ring ,
которые отличает следующая традиционная топология:


Сети Ethernet используют топологию линейной шины, толстый/тонкий
коаксиальный кабель или кабель типа "витая пара".
Сети Token Ring комбинирую звездообразную и кольцевую топологию,
используют метод доступа с передачей маркера и коаксиальный кабель.
В общем случае сети Ethernet и Token Ring могут комбинировать
аппаратное и программное обеспечения со своей конкретной топологией,
методом доступа и критериями построения. Поэтому точно определить
такие сети бывает сложно.
Классификация локальных сетей.
Локальные сети можно классифицировать по наличию в ее составе
серверов и по среде передачи.
Если классифицировать сеть по наличию серверов, можно выделить два
типа сетей:

Одноранговые сети. В одноранговых сетях все компьютеры равны, нет
иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера. Как правило,
каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер; иначе
говоря,
нет
отдельного
компьютера,
ответственного
за
администрирование сети или предоставления ресурса. Пользователи
самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать
общедоступными по сети.

Сети на основе сервера. Эти сети также называют – сети с
выделенным сервером. Этот тип сетей применяют в том случае, если
локальная сеть довольно большая и использование одноранговой сети
не целесообразно из-за возможной недостаточной производительности
компьютера в двух ролях одновременно. Поэтому большинство сетей
используют выделенный сервер (dedicate server).
Выделенным называется такой сервер, который функционирует
только как сервер (исключая функции клиента или рабочей
станции). Они специально оптимизированны для быстрой обработки
запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и
каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом, и
именно они будт приводиться обычно в качестве примера в этом пособии.
С увеличением размеров сети и объема сетевого трафика необходимо
увеличивать количество серверов. Распределение задач среди нескольких
серверов гарантирует, что каждя задача будет выполняться самым
эффективным способом из всех возможных.
Специализированные серверы.
Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен.
Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей,
серверы в больших сетях стали специализированными (specialized).
Например, в сети Windows существуют следующие типы серверов.





Файл-серверы и принт-серверы, управляют доступом пользователей
соответственно к файлам и принтерам. Например, чтобы работать с
текстовым процессором, Вы прежде всего должны запустить его на
своем компьютере. Документ текстового процессора, хранящийся на
файл-сервере, загружается в память Вашего компьютера и,
таким
образом, можно работать с этим документом на своем компьютере.
Другими словами, файл-сервер предназначен для хранения файлов и
данных.
Серверы приложений выполняются прикладные части клиентсерверных приложений, а также хранят данные, доступные клиентам.
Например, чтобы упростить извлечение данных, серверы хранят
большие объемы информации в структурированном виде. Эти серверы
отличаются от файл- и прин- серверов. В последних файл или данные
целиком копируются на запрашивающий компьютер. А в сервере
приложений на запрашивающий компьютер пересылаются только
результаты запроса. Приложение-клиент на удаленном компьютере
получает доступ к данным, хранимым на сервере приложений. Однако
вместо всей базы данных на Ваш компьютер с сервера загружаются
только результаты запроса.
Почтовые серверы, управляют передачей электронных сообщений
между пользователями сети.
Факс-серверы,
управляют
потоком
входящих
и
исходящих
факсимильных сообщений через один или несколько факс-модемов.
Коммуникационные серверы, управляют потоком данных и почтовых
сообщений между этой сетью и другими сетями, мэйнфреймами или
удаленными пользователями через модем и телефонную линию.
В расширенной сети использование серверов разных типов приобретает
особую актуальность, поэтому необходимо учитывать все возможные
нюансы, которые могут проявиться при разрастании сети с тем, чтобы
изменение роли определенного сервера в дальнейшем не отразилось на
работе всей сети.
Классификация компьютерных сетей по среде передачи.
Среда передачи - это некая физическая субстанция, посредством
которой можно передать сигнал.
По среде передачи компьютерные сети можно разделить на три категории:



Проводные сети.
Как понятно из названия, в качестве среды
передачи в этих сетях используется провод, или точнее сказать кабель.
В сетях используют кабели следующих типов:
- коаксиальный кабель (coaxial cable);
- витая пара (twisted pair);
- оптоволоконный кабель (fiber optic);
Беспроводные сети. Сети, которые для обмена данными не
используют соединяющего кабеля, а используют следующие способы
передачи данных:
- инфракрасное излучение (infrared);
- лазер (laser);
- радиоканал (radio channel);
Гибридные сети. Сети, которые в своем составе имеют устройства, как
проводного, так и беспроводного способа передачи данных.
Топология сетей (net topology) – это геометрическая форма локальной вычислительной
сети или другой системы связи.
Имеется три принципиальные топологии, используемые в локальных вычислительных сетях.

Шина (bus). Все устройства подключаются к центральному кабелю,
который
называется
шиной
или
основой
(backbone).
Схемы
коммуникаций относительно недороги и просты, поэтому часто
используются для малых сетей.

Кольцо
(ring). Все устройства
соединены
друг с другом в форме
замкнутого кольца так, что каждый соединен непосредственно с двумя
другими. Кольцевая топология относительно дорога и трудна для
установки, но она обеспечивает высокую пропускную способность и
может работать на большие расстояния.

Звезда (star): Все устройства соединены с центральным
концентратором (hub). Сети со звездной структурой относительно
просты для установки и сопровождения, но есть узкое место - все
данные должны проходить через концентратор.
Топология может быть смешанной. Например, сеть шина-звезда состоит
из высокоскоростной шины, называемой магистралью (backbone), которая
соединяет набор низкоскоростных сегментов-звезд.
Сетевая архитектура (network architecture).
Сетевая архитектура – это комбинация стандартов, топологий
протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.
и
Протокол (protocol), согласованный формат для передачи данных между
двумя устройствами. Протокол определяет следующее:
как будет осуществляться проверка на ошибку
метод упаковки данных (если упаковка используется)
каким образом посылающее устройство сообщает, что оно закончило
сообщение
каким образом принимающее устройство сообщает, что оно получило
сообщение




Имеется ряд стандартных (эталонных) протоколов, из которых можно
выбрать подходящий. Каждый протокол имеет свои преимущества и
недостатки (неудобства); например, некоторые более простые, чем другие,
некоторые более надежны, а некоторые быстрее. С точки зрения
пользователя, единственное, что его должно интересовать в протоколе, то, что компьютер или устройство должно поддерживать его (протокол)
правильно, если Вы хотите связываться с другими компьютерами. Протокол
может быть реализован или в оборудовании, т.е. аппаратно или в
программном обеспечении, т.е. програмно.
Скорость передачи данных (data transfer rate) – это скорость, с
которой данные могут передаваться от одного устройства на другое.
Скорость передачи данных часто измеряется в мегабитах (миллион бит)
или мегабайтах (миллион байт) в секунду. Принятые сокращения - Mbps и
MBps, соответственно.
Пропускная способность (throughput) - это количество данных,
обрабатываемых или передаваемых из одной точки в другую в заданный
промежуток времени. Скорость передачи данных для дисковых устройств и
сетей измеряется в терминах пропускной способности. Пропускная
способность измеряется в Kbps (килобитах в секунду), Mbps (мегабитах в
секунду) и Gbps (гигабитах в секунду).
Кадр или пакет.
При передаче данных по сети, данные (файлы)
разбиваются на пакеты (или кадры), формат которых отличается в разных
сетях. Кадры представляют собой блоки информации, представленные как
единое целое. Каждый кадр содержит управляющую информацию и имеет
общую с другими кадрами организацию.
7
1
Преамбула
Начало кадра
6
6
2
Адрес получателя
Адрес отправителя
Длина поля
данных
0-1500
4
Данные
Контрольная
сумма
Кадр сети Ethernet
1
1
1
6
6
Ограничитель Байт управления Байт управления
Адрес получателя Адрес отправителя
начала кадра
доступом
блоком данных
>= 0
Данные
4
1
Контрольная
сумма
Ограничитель
конца кадра
Кадр сети TokinRing
Преамбула
Ограничитель Байт управления
Контрольная Ограничитель Поле состояния
Адрес получателя Адрес отправителя Данные
начала кадра блоком данных
сумма
конца кадра блока данных
Кадр сети FDDI
Сетевые архитетктуры. Существует несколько сетевых архитектур,
разработанных
разными
производителями,
однако
наибольшее
распространение получили архитектуры :


Ethernet
token-ring network
Архитектура Ethernet. Эта архитектура использует топологию «шина»
или «звезда» и поддерживает скорость передачи данных 10 Мбит/сек
(Mbps). Ethernet использует метод доступа, позволяющий обработку
одновременных запросов.
Более новая версия Ethernet, называемая 100Base-T (или Fast Ethernet быстрый Ethernet), поддерживает скорости передачи данных до 100
Мбит/сек. (Mbps). А самая новая версия, Gigabit Ethernet поддерживает
скорость 1 гигабит (gigabit) (1,000 мегабит) в сек.
Архитектура
token-ring
network
(маркерная
кольцевая
сеть),
разрабатывалась фирмой IBM с целью обеспечить простоту монтажа кабеля
– витой пары, соединяющего компьютер с сетью через настенную розетку.
Компьютерная сеть, в которой все компьютеры соединены кольцом. По
кольцу циркулирует маркер (token) - битовый пакет специального
вида. Функционирование сети осуществляется следующим образом – когда
включается первый компьютер, он генерирует в сеть маркер, который
переходит от компьютера к компьютеру до тех пор, пока один из них не
сообщит о готовности передать данные. С этого момента управление
маркером берет на себя компьютер-отправитель. Когда маркер захвачен
одним из компьютеров, другие компьютеры не могут осуществлять
передачу и являются компьютерами-получателями.
Захватив маркер, компьютер отправляет кадр данных в сеть, который
двигается по кольцу до тех пор, пока не достигнет узла с адресом,
соответствующим адресу приемника в кадре. Компьютер-получатель
копирует кадр в буфер приема и делает пометку в поле статуса кадра о
получении информации, после чего кадр с новой пометкой передается по
кольцу к компьютеру-отправителю, который, получив кадр обратно и
удостоверившись, что передача прошла успешно, изымает кадр из кольца
и возвращает туда “пустой” маркер.
В сети этого типа может передаваться только один маркер, причем
только в одном направлении !
Передача маркера – детерминистический процесс, это означает, что
самостоятельно начать передачу данных в сети компьютер не может. Он
будет передавать данные лишь после получения маркера, при этом каждый
компьютер работает как однонаправленный репитер.
Компьютер, который первым начал работу, наделяется архитектурой Token
Ring особыми полномочиями – он должен осуществлять контроль за
работой всей сети. Он проверяет корректность отправки и получения
кадров, отслеживая кадры, проходящие по кольцу более одного раза.
Кроме того, он гарантирует, что в кольце одновременно находится лишь
один-единственный маркер.