«Попова И. Г. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ Учебное пособие Северск 2014 УДК 681.142.4 ББК 32.973.202 П 90 Попова И.Г. П 90 Вычислительные машины, системы и сети: учебное пособие/ И. Г. Попова. – Северск: Изд-во ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Северский технологический институт –

филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(СТИ НИЯУ МИФИ) Попова И. Г.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ

Учебное пособие Северск 2014 УДК 681.142. ББК 32.973. П Попова И.Г.

П 90 Вычислительные машины, системы и сети: учебное пособие/ И. Г.

Попова. – Северск: Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2014. – 104 с.

Настоящее учебное пособие посвящено компьютерным сетям (основным концепциям построения, протоколам, стандартам и сетевым компонентам). Пособие состоит из пяти разделов и снабжено большим количеством иллюстративного материала, облегчающего понимание предмета изучения.

В конце каждого раздела помещены вопросы и упражнения для контроля полученных знаний. Большое количество заданий для контроля, а также разнообразие их форм позволяют эффективно использовать данное пособие и на учебных занятиях, и при самостоятельной подготовке.

Пособие рекомендовано при изучении одноименной дисциплины или соответствующего раздела в курсе «Информатика» при подготовке студентов СТИ НИЯУ МИФИ по всем специальностям и направлениям подготовки.

Данное пособие может быть использовано в качестве дополнительного источника информации в блоках общепрофессиональных и естественно-научных дисциплин, везде, где затрагиваются вопросы сетевых технологий, и необходимы знания базовых основ в области компьютерных сетей.

Одобрено на заседании кафедры ВМиИТ (протокол №1 от «24» января 2014 г.).

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом СТИ НИЯУ МИФИ Рег. № 5/14 от 12.02.2014 г.

Рецензенты:

начальник отдела сопровождения ИТ инфраструктуры, филиал ЗАО«Гринатом» в г.Северске Федоровский М.В.

зам.начальника участка коммуникационных технологий ОАО «Северскэлектросвязь»

Сычева О.В.

Северский технологический институт,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

1.1 Исторические сведения

1.2 Распределенные системы обработки данных

1.3 Принцип работы вычислительной сети

1.4 Характеристики компьютерной сети

1.5 Контрольные вопросы к разделу 1

2 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ: ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

2.1 Понятие, назначение и преимущества компьютерных сетей

2.2 Классификация компьютерных сетей

2.3 Локальные вычислительные сети

2.4 Глобальные вычислительные сети

2.5 Тестовые задания по тематике раздела 2

2.6 Проверочная работа по тематике раздела 2

3 СЕТЕВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1 Сетевые кабели

3.2 Сетевые платы

3.3 Аппаратура для создания больших сетей

3.4 Базовые сетевые технологии

3.4 Тестовые вопросы по тематике раздела 3

3.5 Проверочная работа по тематике раздела 3

4 ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В ГЛОБАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ........ 4.1 Общие сведения

4.2 Аналоговая связь

4.3 Цифровая связь

4.4 Сети с коммутацией пакетов

4.5 Технологии удаленного доступа и глобальных сетевых связей

4.6 Тестовые задания по тематике раздела 4

4.7 Проверочная работа по тематике раздела 4

5 БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ

5.1 Локальные беспроводные сети

5.2 Расширенные беспроводные сети

5.3 Мобильные сети

5.4 Технология Wi-Fi

5.5 Технология Bluetooth

5.6 Топологии беспроводных сетей

5.7 Тестовые вопросы по тематике раздела 5

6 ОСОБЕННОСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ

6.1 Требования, предъявляемые к компьютерным сетям

6.2 Сетевые угрозы

6.3 Обеспечение безопасности в компьютерных сетях

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное). Мировая статистика Интернет за 2012 г................. ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное). Статистика российского сектора Интернет............

ВВЕДЕНИЕ

Сети и сетевые технологии прочно вошли в нашу жизнь. Наверно уже ни одна организация, ни один житель Земли не может обойтись без них.

Компьютерные сети постоянно развиваются и модернизируются, постоянно появляется новое оборудование и технические решения.

Данное учебное пособие достаточно наглядно знакомит читателя с основами сетевых технологий. В пособии доступным языком освещаются вопросы о технологиях, которые каждый из нас в реальной жизни использует ежедневно на работе и в образовательном учреждении (оборудование локальных и глобальных сетей, способы подключения, эффективность построения), в частной жизни (обычные и мобильные телефоны, смартфоны, домашние сети).

Некоторый материал, включенный в данное пособие, чаще всего интересный с познавательной точки зрения в качестве исторической ретроспективы, предлагается студентам для самостоятельного изучения. В тексте он выделен курсивом.

В конце каждого раздела для текущего контроля преподавателем полученных студентами знаний на учебных занятиях или для самопроверки самим обучающимся приведены контрольные вопросы и тестовые задания.

1 СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

1.1 Исторические сведения Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции компьютерных технологий и телекоммуникаций.

50-е годы. Первые компьютеры были весьма громоздки. Они не предназначались для интерактивной работы, а работали в пакетном режиме.

60-е годы. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. Процессор один, к нему подключено несколько терминалов. Время реакции системы было достаточно мало, так что пользователь не замечал параллельной работы с другими пользователями. Обеспечивался доступ к общим файлам и периферийным устройствам. Это внешне очень похоже на локальную вычислительную сеть, но такая система имела централизованный характер обработки данных.

Сейчас этот принцип используют, например, сети банкоматов.

В это время назрела потребность объединения компьютеров, находящихся друг от друга на большом расстоянии. Началось это с решения проблемы подключения терминала к компьютеру, удаленному на сотни километров. Это производилось через телефонные линии при помощи модемов. Такие системы позволяли пользователям получить удаленный доступ к разделяемым ресурсам мощных компьютеров. Затем были реализованы связи типа компьютер-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, а это уже является базовым механизмом вычислительных сетей. Так с использованием этого механизма были реализованы службы обмена файлами, электронной почтой, синхронизации баз данных и др.

70-е годы. Произошел технологический прорыв в области производства компьютеров – появились большие интегральные схемы. Появились первые мини компьютеры.

Их стоимость постоянно уменьшалась, и теперь даже небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь компьютеры. Теперь на одном предприятии имелось много разрозненных компьютеров. Возникла потребность обмена данными между близко расположенными компьютерами. Так образовались первые локальные вычислительные сети. Было разработано программное обеспечение и устройства сопряжения, необходимые для взаимодействия компьютеров. Отличие от современных ЛВС в том, что для соединений использовались разнообразные нестандартные устройства со своими способами представления данных на линии и со своими кабелями. Эти устройства могли соединять только те типы компьютеров, для которых они были разработаны.

80-е годы. Широкое распространение персональных компьютеров. Они стали идеальными элементами для построения сетей. С одной стороны они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой их мощности не хватало для решения сложных задач. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть Ethernet, Arcnet, Token Ring.

Современные тенденции развития вычислительных сетей:

вместо пассивного кабеля используется более сложное коммуникационное оборудование;

использование разных по составу и виду компьютеров (от суперкомпьютеров до «карманных»);

передача нового вида информации (голос, видеоизображение). Нужны изменения в протоколах и ОС, для того, чтобы не было задержек в передаче информации.

Задержки при передаче файлов или почты не столь критичны.

появление новых беспроводных способов связи;

слияние сетей (локальных и глобальных) и технологий (вычислительные сети, телефонные сети, телевизионные сети) благодаря появлению IP-технологий.

Сети передачи данных – явление гораздо более древнее, чем можно представить.

Передавать данные людям понадобилось задолго до появления первого компьютера.

Историю создания сетевых технологий можно начать с описания событий 1837 года, когда Сэмюэл Морзе изобрел электромеханический телеграф. И, хотя именно это изобретение стало точкой отсчета сетей передачи данных, нашу историю мы начнем с гораздо более поздних событий, которые имеют к компьютерным сетям, окружающим нас, самое прямое отношение.

Трудно в настоящее время не признать, что основной движущей силой развития вычислительных сетей в мире является международный Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектроники (IEEE).

История его начинается в девятнадцатом столетии, в 1884 г., когда был основан Американский институт инженеров по электротехнике (AIEE). Следующий шаг был сделан в 1912-м, и снова в США: Институт радиоинженеров создал свой комитет стандартов. В 1958 г. сначала объединились комитеты стандартов Американского института инженеров по электротехнике и Института радиоинженеров, а затем в 1963 г. и сами эти институты, породив IEEE.

Когда 4 октября 1956 г. в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, президент США Эйзенхауэр созвал американских ученых, чтобы они объяснили Белому дому, как обеспечить превосходство США в науке и техническом развитии.

Ученые предложили создать новую структуру внутри Министерства обороны, которая стала бы финансировать перспективные научные проекты. Понимая, что необходимо решить проблему сотрудничества ученых и Министерства обороны США, министр Нейл Мак-Элрой организовал новое агентство - Advanced Research Projects Agency (ARPA). Перед ним была поставлена задача заниматься космической проблематикой. Это агентство и стало генератором идей, приведших через десятилетие с лишним к созданию сети ARPANET, а затем ко всему последующему сетевому буму.

ARPA функционировало как государственная исследовательская организация, не имевшая собственных лабораторий: оно финансировало исследования, проводившиеся в государственных и частных институтах и предполагавших использование в будущих военных приложениях. Компьютерные науки, только начавшие становление в это время, получили покровительство ARPA. В 1962 г. ARPA создало новый департамент технологий обработки информации, которому было поручено изучить технологии контроля и управления. Этот департамент и руководил работами в области компьютерных наук. Первым директором IPTO был психолог, специалист по поведению человека, сотрудник Массачусетского технологического института по имени Джозеф Карл Ликлайдер. Под его руководством IPTO финансировал исследования в нескольких внезапно возникших областях компьютерных наук, в том числе в компьютерных сетях. Эти работы и привели к созданию ARPANET в 1969 г.

В 1961 г. работу, посвященную коммутации пакетов и послужившую темой для будущей диссертации опубликовал в Массачусетском технологическом институте Леонард Клейнрок; это было первое упоминание о коммутации пакетов. Смысл этой технологии заключался в том, что при передаче информации на неопределенно большое расстояние в течение неопределенно большого времени через неопределенное количество промежуточных узлов блок передаваемого сообщения должен быть заключен в капсулу, содержащую все необходимые сведения о сообщении, чтобы любой промежуточный узел мог определить его дальнейшее направление, а приемный узел - принять и проверить целостность.

В 1963 г. в США был создан Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) - ставший впоследствии главным разработчиком массовых стандартов в области ЛВС. Тогда же защитил диссертацию Леонард Клейнрок, будущий создатель Интернета и главный его теоретик.

В августе 1964 г. Пауль Баран, сотрудник корпорации RAND, опубликовал меморандум, где впервые высказал идею построения распределенной сети передачи данных, не имеющей управляющего центра. Работы выполнялись по заказу ВВС США. Однако практическую реализацию идеи независимо от него осуществил три года спустя в Великобритании Д.Дэвис.

Через год агентство ARPA Министерства обороны США финансировало изучение работы компьютеров в общей сети в режиме разделения времени.

Первую в мире ЛВС создал в 1967 г. Дональд Дэвис в Национальной физической лаборатории Великобритании. До этого он принимал участие в экспериментах по созданию цифровых компьютеров и даже возглавлял группу, которая собирала переведенные с русского на английский научные статьи по компьютерной тематике.

К началу 70-х сеть работала с пиковой скоростью 0,25 Мбит/с, обслуживая около 200 пользователей. В дальнейшем Дональд Дэвис стал известным специалистом в области защиты информации. В частности, в 1989 г. он издал монографию "Security for Computer Networks".

В США в 1968 г. в Лаборатории Белла исследователь В. Чу вводит термин "Asynchronous Time Division Multiplexing" - так зарождается технология ATM. В том же году Министерство обороны США одобрило черновой вариант стандарта MILSTD-1553 - это был первый в мире стандарт на ЛВС. А в Швеции Олаф Содерблюм из IBM разработал сеть Token Ring.

В 1969-м исследования, финансировавшиеся IPTO, директором которого в это время был Роберт Тейлор, привели к тому, что в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе Леонард Клейнрок создал ARPANET - первый узел будущего Интернета. Его создатели были разбиты на две группы. Первая работала в университетах и частных компаниях и отвечала за развитие сетевых технологий, необходимых для функционирования ARPANET. Вторая группа состояла из исследователей в IPTO, выполнявших роль административных директоров. Отдельные лица в эту группу попадали из исследовательских институтов, и их работа была ограничена руководством и распределением финансов.

Спустя год, в 1970-м, на Гавайских островах Норман Абрамсон создал сеть ALOHA - прообраз будущих и Ethernet, и IEEE 802.11. Это была первая в мире пакетная радиосеть, использовавшая удивительно простой метод доступа к среде передачи: пакеты передавались в эфир, когда в этом возникала необходимость. Если через какое-то время возвращалось посланное таким же простым методом подтверждение получения, то сообщение считалось доставленным. Если подтверждение не приходило, следовала повторная попытка передачи.

Первая ЛВС Ethernet, созданная Бобом Меткалфом и Дэвидом Боггсом в исследовательском центре PARC фирмы Xerox, работала со скоростью 2,944 Мбит/с и соединяла друг с другом два компьютера. Эти компьютеры имели собственные имена "Майкельсон" и "Морли" - по имени двух ученых XIX века, доказавших, что "эфира" (ether) не существует.

Позже Меткалф сформулировал так называемый закон Меткалфа, служивший верой и правдой, когда надо было обосновать необходимость создания ЛВС: стоимость ЛВС с ростом числа узлов растет линейно, а ценность - пропорционально квадрату числа узлов.

1.2 Распределенные системы обработки данных Распределенная обработка данных - методика выполнения прикладных программ группой систем. При этом пользователь получает возможность работать с различными службами и прикладными процессами, расположенными в нескольких взаимосвязанных абонентских системах.

В современном бизнесе очень часто возникает необходимость предоставить доступ к одним и тем же данным группам пользователей, территориально удаленным друг от друга. В качестве примера можно привести банк, имеющий несколько отделений. Эти отделения могут находиться в разных городах, странах или даже на разных континентах, тем не менее необходимо организовать обработку финансовых транзакций (перемещение денег по счетам) между отделениями. Результаты финансовых операций должны быть видны одновременно во всех отделениях.

Существуют два подхода к организации обработки распределенных данных:

технология распределенной базы данных. Такая база включает фрагменты данных, расположенные на различных узлах сети. С точки зрения пользователей она выглядит так, как будто все данные хранятся в одном месте. Естественно, такая схема предъявляет жесткие требования к производительности и надежности каналов связи;

технология тиражирования. В этом случае в каждом узле сети дублируются данные всех компьютеров. При этом передаются только операции изменения данных, а не сами данные; передача может быть асинхронной (неодновременной для разных узлов); данные располагаются там, где обрабатываются. Это позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи, более того при выходе из строя линии связи какого-либо компьютера, пользователи других узлов могут продолжать работу.

Однако при этом допускается неодинаковое состояние базы данных для различных пользователей в один и тот же момент времени. Следовательно, невозможно исключить конфликты между двумя копиями одной и той же записи.

Достоинствами распределенной обработки информации является:

большое число взаимодействующих между собой пользователей;

устранение пиковых нагрузок с централизованной базы данных за счет распределения обработки и хранения локальных баз данных на разных ЭВМ;

возможность доступа пользователя к вычислительным ресурсам сети ЭВМ;

обеспечение обмена данными между удаленными пользователями.

К распределенным системам обработки данных относят вычислительные системы, функции которых состоят в выполнении требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода. Примерами таких вычислительных систем являются системы для решения научных, инженерно-технических, плановоэкономических задач, а также в качестве автоматизированных систем управления предприятиями, технологического оборудования и техническими объектами.

Поскольку основным признаком распределенных вычислительных систем является наличие нескольких центров обработки данных, то к ним относят:

- многомашинные вычислительные комплексы;

- мультипроцессорные вычислительные системы;

- вычислительные сети.

Многомашинный вычислительный комплекс - это несколько связанных между собой компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого.

Мультипроцессорные системы – это компьютеры, в которых имеется несколько процессоров, каждый из которых может относительно независимо от остальных выполнять свою программу. В мультипроцессоре существует общая для всех процессоров операционная система, которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Взаимодействие между отдельными процессорами организуется через оперативную память. Примером мощных многопроцессорных вычислительных машин с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду являются суперЭВМ, используемые для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т.п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Мультипроцессорные системы имеют несколько разновидностей:

магистральные (конвейерные), в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие системы относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или МISD - Мultiple Instruction Single Data);

векторные, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными;

матричные, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных - многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или МIМD - Multiple Instruction Multiple Data).

Принцип работы различных микропроцессорных систем представлен на рисунках 1,а) – в). Для сравнения на рисунке 1,г) показана структура однопроцессорной вычислительной системы с однократным потоком команд с однократным потоком данных (ОКОД или SISD - Single Instruction Single Data).

а – MISD (конвейерная); б - SIMD(векторная); в - MIMD (матричная);

Рисунок 1 – Условные структуры вычислительных систем Вычислительные сети – это совокупность связанных между собой нескольких компьютеров, разнесенных в пространстве. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств – сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Взаимодействие между компьютерами сети происходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. Основная цель создания вычислительной сети - разделение локальных ресурсов каждого компьютера между пользователями сети.

В сетях используются телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые сети связи. В качестве линий связи применяются проводные (воздушные), кабельные, радиоканалы наземной и спутниковой связи. Физическая передающая среда может представлять собой кабель, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которое распространяются электромагнитные волны.

1.3 Принцип работы вычислительной системы Из общей теории систем понятие «системы» трактуется как совокупность связанных между собой элементов в единое целое для достижения определенной цели. Здесь под целью понимается совокупность результатов, определяемых назначением системы.

Система, состоящая из одной или нескольких ЭВМ и набора программ, обеспечивающих выполнение возложенных на систему функций, называется вычислительной системой (ВС). Состав ВС можно представить на рисунке 2 в виде совокупности аппаратной и программной частей.

В состав оборудования может входить одна или несколько ЭВМ, которые выполняют функцию ввода, хранения, преобразования и вывода информации. Прикладные программы представляют алгоритмы выполнения функций, реализация которых возлагается на систему, т.е. задают порядок преобразования исходных данных в совокупность результатов, для производства которых предназначена ВС. Управляющие программы обеспечивают необходимый порядок взаимодействия прикладных программ между собой и с оборудованием ВС.

Система нескольких ЭВМ, объединенных между собой каналами связи, разнесенных в пространстве и выполняющих функцию приема/передачи информации, называется вычислительной (компьютерной) сетью.

Вычислительную сеть можно представить в виде двух взаимосвязанных подсетей:

сети передачи данных и сети ЭВМ, как показано на рисунке 3.

Сети передачи данных - совокупность технических средств для передачи данных между ЭВМ, которые состоят из линий связи и узлов связи.

Узел связи - совокупность средств коммутации и передачи данных в одном пункте. Он принимает данные, поступающие по каналам связи, и передает данные в каналы, ведущие к абонентам, а также реализуется на основе коммутационной ЭВМ и аппаратуры передачи данных. Коммутационная ЭВМ управляет приемом и передачей данных и, в частности, выбирает целесообразный путь передачи данных (в другой терминологии - маршрутизатор или коммутатор). Сети передачи данных можно считать ядром вычислительной сети, обеспечивающим физическое объединение ЭВМ и других устройств.

ГВМ ГВМ

ГВМ СПД

ГВМ ГВМ

Рисунок 3 – Обобщенная структурная схема вычислительной сети Сеть ЭВМ - совокупность ЭВМ, объединенных сетью передачи данных. Сеть ЭВМ включает в себя главные и терминальные ЭВМ (рабочие станции). Главная ЭВМ выполняет задания абонентов сети (пользователей) и содержит основные программные ресурсы. Рабочие станции - пользовательские персональные ЭВМ, а также интеллектуальные терминалы, включающие монитор со встроенным процессором, обеспечивающим локальную обработку данных - редактирование текстов, отображение данных, хранение небольшого объема данных и др. Под рабочими станциями понимаются устройства ввода/вывода графической информации, речи, изображения.

Основной эффект от объединения ЭВМ в вычислительную сеть - это полная доступность ресурсов сети для пользователей. Пользователи, подключенные к сети, имеют доступ ко всем главным ЭВМ, входящим в сеть. Пользователям доступно программное обеспечение, имеющееся в сети, и базы данных, размещенные в ЭВМ сети, что позволяет оперативно использовать программы и базы данных. Информационные связи между пользователями позволяют решать задачи моделирования сложных систем, выполнять проектные работы, опирающиеся на распределенные между многими ЭВМ программное обеспечение и базы данных.

Вычислительные сети позволяют повысить уровень ЭВМ, программного обеспечения и баз данных. Во-первых, вычислительная сеть обслуживает большое количество пользователей-профессионалов, обращающихся к базам данных типа Autocad, PCAD, LabView…, и непрофессионалов, обращающихся к гуманитарным базам данных (экономика, политика, общение, маркетинг, реклама, творчество и т.д.). Во-вторых, с точки зрения загрузки оборудования вычислительной сети, создаваемой всеми пользователями сети, значительно снижается стоимость обработки данных, по сравнению с одним пользователем, имеющим полный комплект оборудования.

1.4 Характеристики компьютерной сети К основным характеристикам вычислительных сетей относятся операционные возможности, время доставки сообщений, производительность и стоимость обработки данных.

Операционные возможности сети - перечень основных действий по обработке данных. Главные ЭВМ (серверы), входящие в состав сети, обеспечивают пользователей всеми традиционными видами обслуживания: средствами автоматизации программирования, доступом к пакетам прикладных программ, доступом к базам данных и т.д.

Дополнительно вычислительная сеть предоставляет следующие виды услуг:

- удаленный ввод заданий - выполнение заданий, поступающих с любых терминалов, на любой рабочей станции (сервере) в пакетном или диалоговом режиме;

- передачу файлов между абонентами сети;

- доступ к удаленным файлам - обработку файлов, хранимых в удаленных ЭВМ;

- защиту данных и ресурсов от несанкционированного доступа;

- передачу текстовых, речевых и видео сообщений между абонентами;

- выдачу справок об информационных и программных ресурсах;

- распределенную обработку - параллельное выполнение задачи несколькими ЭВМ.

Время доставки сообщений определяется как статистическое среднее времени от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сообщения адресатом.

Цена обработки данных формируется с учетом стоимости средств, используемых для ввода/вывода, передачи, хранения и обработки данных. На основе цен рассчитывается стоимость обработки данных, которая зависит от объема используемых ресурсов вычислительной сети (количества передаваемых данных, процессорное время), а также режима передачи и обработки данных 1.5 Контрольные вопросы к разделу 1 Что такое распределенная обработка данных?

2 Каковы подходы к организации распределенной обработки информации.

3 Перечислите преимущества распределенной обработки информации.

4 Что такое многомашинный вычислительный комплекс?

5 Что такое компьютерная (вычислительная) сеть?

6 Каковы особенности, отличающие сеть от многомашинного вычислительного комплекса?

7 Перечислите основные характеристики компьютерной сети.

8 В чем эффект от объединения ЭВМ в вычислительную сеть?

9 Дайте характеристику видам мультипроцессорных систем.

2 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ: ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

2.1 Понятие, назначение и преимущества компьютерных сетей Самая простая вычислительная (компьютерная) сеть состоит как минимум из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем. Это позволяет им использовать данные совместно. Все сети (независимо от сложности) основываются именно на этом простом принципе.

Хотя идея соединения компьютеров с помощью кабеля не кажется в настоящее время особо выдающейся, в свое время она явилась значительным достижением в области коммуникаций.

Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью – иметь возможность для совместного использования данных. Персональный компьютер – прекрасный инструмент для создания документа, подготовки таблиц, графических данных и других видов информации, но при этом Вы не можете быстро поделиться своей информацией с другими. Когда не было сетей, приходилось распечатывать каждый документ, чтобы другие пользователи могли работать с ним, или в лучшем случае – копировать информацию на дискеты. Одновременная обработка документа несколькими пользователями исключалась. Подобная схема работы называется работой в автономной среде.

Компьютерная сеть представляет собой совокупность компьютеров, объединенных средствами передачи данных.

А концепция соединенных и совместно использующих ресурсы компьютеров носит название сетевого взаимодействия.

Основное назначение компьютерных сетей – совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами.

Ресурсы – это данные, приложения и периферийные устройства, такие, как внешний дисковод, принтер, мышь, модем или джойстик.

Понятие интерактивной связи компьютеров подразумевает обмен сообщениями в реальном режиме времени.

До появления компьютерных сетей каждый пользователь должен был иметь свой принтер, плоттер и другие периферийные устройства. Чтобы совместно использовать принтер, существовал единственный способ – пересесть за компьютер, подключенный к этому принтеру. Теперь сети позволяют целому ряду пользователей одновременно "владеть" данными и периферийными устройствами. Если нескольким пользователям надо распечатать документ, все они могут обратиться к сетевому принтеру.

Сети создают отличные условия для унификации приложений (например, текстового процессора). Это значит, что на всех компьютерах в сети выполняются приложения одного типа и одной версии. Использование унифицированного приложения упрощает обслуживание сети. Действительно, проще изучить одно приложение, чем пытаться освоить сразу четыре или пять. Удобнее также иметь дело с одной версией приложения и настраивать компьютеры одинаковым образом.

Другое достоинство сетей – наличие программ электронной почты и планирования рабочего дня. Благодаря им менеджеры могут успешно взаимодействовать с многочисленным штатом своих сотрудников или партнеров по бизнесу, а планирование и управление деятельностью всей компании осуществляется гораздо быстрее и эффективнее.

Средства передачи данных в общем случае могут состоять из следующих элементов: связных компьютеров, каналов связи (спутниковых, телефонных, цифровых, волоконно-оптических, радио- и других), коммутирующей аппаратуры, ретрансляторов, различного рода преобразователей сигналов и других элементов и устройств.

Архитектура (топология) сети ЭВМ определяет принципы построения и функционирования аппаратного и программного обеспечения элементов сети.

Подводя итог, подчеркнем, что сеть позволяет совместно использовать ресурсы, например файлы и принтеры, а также работать с интерактивными приложениями, например планировщиками и электронной почтой.

Компьютерные сети обеспечивают множество преимуществ. Их использование, в частности, позволяет:

снизить затраты благодаря совместному использованию данных и периферийных устройств;

унифицировать приложения;

своевременно получать данные;

эффективно взаимодействовать с партнерами, гибко планируя свое рабочее время.

2.2 Классификация компьютерных сетей Современные сети можно классифицировать по различным признакам:

- по удаленности компьютеров;

- по назначению;

- по перечню предоставляемых услуг;

- по принципам управления (централизованные и децентрализованные);

- по методам коммутации (без коммутации, телефонная коммутация, коммутация цепей, сообщений, пакетов и дейтаграмм и т. д.);

- по видам среды передачи и т. д.

Вычислительная сеть, состоящая из программно-совместимых ЭВМ, является однородной или гомогенной. Если ЭВМ, входящие в сеть, программно несовместимы, то такая сеть называется неоднородной или гетерогенной.

По типу организации передачи данных различают сети: с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений, с коммутацией пакетов. Имеются сети, использующие смешанные системы передачи данных.

По способу управления вычислительные сети классифицируются на следующие:

- сети с децентрализованным управлением, - сети с централизованным управлением;

- сети со смешанным управлением.

По структуре построения сети подразделяются на классы:

- одноузловые;

- многоузловые;

- одноканальные;

- многоканальные.

Все известные компьютерные сети по организационному признаку и предоставляемому пользователю множеству возможностей для использования информационных ресурсов можно классифицировать следующим образом:

- локальные вычислительные сети;

- сеть Internet (Интернет);

- корпоративные сети Intranet (Интранет);

- сети электронных досок объявлений (сети BBS).

В рамках приведенной классификации существуют, создаются и развиваются сети, ориентированные на научную, учебную и учебно-научную проблематику.

По скорости передачи информации сети бывают низкоскоростные – до Мбит/с; среднескоростные – до 100 Мбит/с; высокоскоростные – свыше 100 Мбит/с.

По принадлежности сети делятся на ведомственные (принадлежащие одной организации и располагающиеся на ее территории), государственные (или национальные, которые используются в государственных структурах), а также международные. Сети делятся также на общественные, частные и коммерческие.

По рекомендациям ISO для физического уровня определены следующие классы общественных сетей:

- до 1000 км – средней длины;

- до 25 000 км – самые длинные наземные;

- до 80 000 км – магистральные через спутник;

- до 160 000 км – магистральные международные через два спутника.

По назначению (характеру реализуемых функций) сети можно разделить на следующие категории:

- вычислительные, выполняющие преимущественно расчетные работы;

- информационно-вычислительные, кроме расчетных выполняющие работу по информационному обслуживанию пользователей;

- информационные, выполняющие в основном информационное обслуживание пользователей (создание и оформление документов, доставку пользователю директивной, текущей, справочной и другой нужной ему информации);

- информационно-поисковые – разновидность информационных, специализирующуюся на поиске информации в сетевых хранилищах по нужной пользователю тематике;

- информационно-советующие, обрабатывающие текущую организационную, техническую и технологическую информацию и вырабатывающие результирующую информацию для поддержки принятия пользователем правильных решений;

- информационно-управляющие, обрабатывающие текущую техническую и технологическую информацию и вырабатывающие результирующую информацию, на базе которой автоматически вырабатываются воздействия на управляемую систему и т. д.

В зависимости от удаленности компьютеров сети условно разделяют на:

- глобальные. Произвольная глобальная сеть (GAN – Global Area Network) объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах.

Сеть может включать другие глобальные сети, локальные сети, а также отдельно подключаемые к ней компьютеры (удаленные компьютеры) или отдельно подключаемые устройства ввода-вывода. Взаимодействие между абонентами в глобальной сети осуществляется на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи.

Глобальная вычислительная сеть позволяет решить проблему объединения мировых информационных ресурсов и организации доступа к этим. Глобальные сети бывают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные.

В качестве устройств ввода-вывода в сети могут использоваться, например, печатающие и копирующие устройства, кассовые и банковские аппараты, дисплеи (терминалы) и факсы, причем они могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние;

- региональные. Такая сеть (MAN – Metropolitan Area Network) связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны.

Обычно расстояние между абонентами составляет десятки, сотни километров;

- локальные. Такие сети (ЛВС, Local Area Network – LAN) объединяют абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов ЛВС. Компьютеры в ЛВС могут быть расположены на расстоянии до нескольких километров и обычно соединены при помощи скоростных линий связи со скоростью обмена от 1 до 10 и более Мбит/с. ЛВС обычно развертываются в рамках некоторой организации (корпорации, учреждения). Поэтому их иногда называют корпоративными системами или сетями.

Компьютеры при этом, как правило, находятся в пределах одного помещения, здания или соседних зданий.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии, обеспечивая доступ к мировым информационным ресурсам.

2.3 Локальные вычислительные сети 2.3.1 Классификация ЛВС Первоначально компьютерные сети были небольшими и объединяли до десяти компьютеров и один принтер. Технология ограничивала размеры сети, в том числе количество компьютеров в сети и ее физическую длину. Так, в начале 1980-х годов самый популярный тип сетей состоял не более чем из 30 компьютеров, а длина ее кабеля не превышала 185 м (600 футов). Такие сети располагались в пределах одного этажа здания или небольшой организации. Для маленьких фирм подобная конфигурация подходит и сегодня. Эти сети называются локальными вычислительными сетями.

С появлением микроЭВМ и персональных ЭВМ возникли локальные вычислительные сети. Они позволили поднять на качественно новую ступень управление производственным объектом, повысить эффективность использования ЭВМ, улучшить качество обрабатываемой информации, реализовать безбумажную технологию, создать новые технологии. Локальные сети получили широкое распространение, начиная с 80-х годов. Локальная компьютерная сеть позволяет легко обмениваться информацией внутри отдельной организации. Таким образом, локальная вычислительная сеть – компьютерная сеть для ограниченного круга пользователей, объединяющая компьютеры в одном помещении или в рамках одного предприятия.

Локальная вычислительная сеть - это совокупность технических средств (компьютеров, кабелей, сетевых адаптеров и др.), работающих под управлением сетевой операционной системы и прикладного программного обеспечения.

Объединение компьютеров в ЛВС обеспечивает решение целого ряда задач коллективной работы с информацией:

- разделение файлов. ЛВС позволяет многим пользователям одновременно работать с одним файлом, хранящимся на центральном файл-сервере. Например, на предприятии или фирме несколько сотрудников могут одновременно использовать одни и те же руководящие документы;

- передача файлов. ЛВС позволяет быстро и надежно копировать файлы любого размера с одной машины на другую;

- доступ к информации и файлам. ЛВС позволяет запускать прикладные программы с любой из рабочих станций, где бы она ни была расположена;

- разделение прикладных программ и баз данных. ЛВС позволяет двум пользователям использовать одну и ту же копию программы. При этом, конечно, они не могут одновременно редактировать один и тот же документ или запись в базе данных;

- одновременный ввод данных в прикладные программы. Сетевые прикладные программы позволяют нескольким пользователям одновременно вводить данные, необходимые для работы этих программ. Например, вести записи в базе данных так, что они не будут мешать друг другу. Однако только специальные сетевые версий программ позволяют одновременный ввод информации. Обычные компьютерные программы позволяют работать с набором файлов только одному пользователю;

- разделение принтера или другого технического устройства. ЛВС позволяет нескольким пользователям на различных рабочих станциях совместно использовать один или несколько дорогостоящих лазерных принтеров или других устройств;

- электронная почта. Пользовать может использовать ЛВС как почтовую службу и рассылать служебные записки, доклады, сообщения и т.п. другим пользователям.

По количеству подключенных к сети компьютеров сети можно разделить на малые, объединяющие до 10-15 машин, средние - до 50 машин и большие - свыше машин.

По территориальной расположенности ЛВС делятся на компактно размещенные (все компьютеры расположены в одном помещении) и распределенные (компьютеры сети размещены в разных помещениях).

По пропускной способности ЛВС делятся на три группы:

- ЛВС с малой пропускной способностью (скорости передачи данных в пределах до 10 Мбит/с), использующие чаще всего в качестве каналов связи тонкий коаксиальный кабель или витую пару;

- ЛВС со средней пропускной способностью (скорости передачи данных несколько десятков Мбит/с), использующие чаще всего в качестве каналов связи толстый коаксиальный кабель или экранированную витую пару;

- ЛВС с большой пропускной способностью (скорости передачи данных сотни и даже тысячи Мбит/с), использующие чаще всего в качестве каналов связи волоконнооптические кабели.

Существует два основных принципа управления в локальных сетях: централизация и децентрализация. Согласно этим принципам локальные сети бывают:

- одноранговые сети;

- сети с выделенным сервером (файл-сервером).

2.3.2 Одноранговые сети Одноранговые сети не предусматривают выделение специальных компьютеров, организующих работу сети. Каждый пользователь, подключаясь к сети, выделяет в сеть какие-либо ресурсы (дисковое пространство, принтеры) и подключается к ресурсам, предоставленным в сеть другими пользователями. Такие сети просты в установке, наладке, они существенно дешевле сетей с выделенным сервером.

В одноранговой сети все компьютеры равноправны и нет иерархии среди компьютеров, это наглядно продемонстрировано на рисунке 4. Как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер; иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Все пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступными по сети.

Одноранговые сети называют также рабочими группами. Рабочая группа – это небольшой коллектив, поэтому в одноранговых сетях чаще всего не более 10 компьютеров.

Одноранговые сети относительно просты. Поскольку каждый компьютер является одновременно и клиентом, и сервером, нет необходимости в мощном центральном сервере или в других компонентах, обязательных для более сложных сетей. Одноранговые сети обычно дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных (и более дорогих) компьютеров.

В одноранговой сети требования к производительности и к уровню защиты для сетевого программного обеспечения, как правило, ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Выделенные серверы функционируют исключительно в качестве серверов, но не клиентов или рабочих станций.

Во все версии (начиная с Windows 95/98) операционных систем компании Microsoft встроена поддержка одноранговых сетей. Поэтому, чтобы установить одноранговую сеть, дополнительного программного обеспечения не требуется.

Одноранговая сеть характеризуется рядом стандартных решений: компьютеры расположены на рабочих столах пользователей; пользователи сами выступают в роли администраторов и обеспечивают защиту информации; для объединения компьютеров в сеть применяется простая кабельная система.

Одноранговая сеть вполне подходит там, где:

количество пользователей не превышает 10 человек;

пользователи расположены компактно;

вопросы защиты данных не критичны;

в обозримом будущем не ожидается значительного расширения фирмы и, следовательно, сети.

Если эти условия выполняются, то, скорее всего, выбор одноранговой сети будет правильным (чем сети на основе сервера).

В типичной одноранговой сети системный администратор, контролирующий всю сеть, не выделяется. Каждый пользователь сам администрирует свой компьютер. Все пользователи могут "поделиться" своими ресурсами с другими. К совместно используемым ресурсам относятся каталоги, принтеры, факс-модемы и т.п.

В одноранговой сети каждый компьютер должен:

большую часть своих вычислительных ресурсов предоставлять локальному пользователю (сидящему за этим компьютером);

для поддержки доступа к ресурсам удаленного пользователя (обращающегося к серверу по сети) подключать дополнительные вычислительные ресурсы.

Сеть на основе сервера требует более мощных серверов, поскольку они должны обрабатывать запросы всех клиентов сети.

Защита подразумевает установку пароля на разделяемый ресурс, например на каталог. Централизованно управлять защитой в одноранговой сети очень сложно, так как каждый пользователь устанавливает ее самостоятельно, да и "общие" ресурсы могут находиться на всех компьютерах, а не только на центральном сервере. Такая ситуация представляет серьезную угрозу для всей сети, кроме того, некоторые пользователи могут вообще не установить защиту. Если вопросы конфиденциальности являются принципиальными, рекомендуется выбрать сеть на основе сервера.

Поскольку в одноранговой сети каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер, пользователи должны обладать достаточным уровнем знаний, чтобы работать и как пользователи, и как администраторы своего компьютера.

2.3.3 Сети с выделенным сервером Если к сети подключено более 10 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей использует выделенные серверы.

Сети с выделенным сервером, несмотря на сложность настройки и относительную дороговизну, позволяют осуществлять централизованное управление. В данном случае все компьютеры, кроме сервера, называются рабочими станциями.

Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. На рисунке 5 представлен пример такой сети.

С увеличением размеров сети и объема сетевого трафика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач среди нескольких серверов гарантирует, что каждая задача будет выполняться самым эффективным способом из всех возможных.

Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в больших сетях стали специализированными.

Существуют различные типы серверов, что показано на рисунке 6:

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, Вы можете работать с этим документом на своем компьютере. Другими словами, файл-сервер предназначен для хранения файлов и данных;

серверы приложений. На серверах приложений выполняются прикладные части клиент-серверных приложений, а также находятся данные, доступные клиентам.

Например, чтобы упростить извлечение данных, серверы хранят большие объемы информации в структурированном виде. Эти серверы отличаются от файл- и принтсерверов. 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 клиентский 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. Необходимо поэтому 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.

Рисунок 6 – Примеры использования специализированных серверов Сервер и сетевая операционная система работают как единое целое. Однако без операционной системы даже самый мощный сервер представляет собой лишь груду железа. Именно операционная система позволяет реализовать весь потенциал аппаратных ресурсов сервера. В серверной сети на компьютеры с разными ролями устанавливают различные операционные системы. Так, на сервер устанавливают одну из серверных операционных систем. Разработчики некоторых операционных систем, таких, как Microsoft Windows NT Server, специально были ориентированы на использование самых передовых серверных технологий. На компьютеры-клиенты можно устанавливать любую операционную систему, содержащую средства для выполнения роли клиента серверной сети, например, Windows.

Сервер спроектирован так, чтобы предоставлять доступ к множеству файлов и принтеров, обеспечивая при этом высокую производительность и защиту.

Администрирование и управление доступом к данным осуществляется централизованно. Ресурсы, как правило, расположены также централизованно, что облегчает их поиск и поддержку.

Основным аргументом при выборе сети на основе сервера является, как правило, защита данных. В таких сетях проблемами безопасности может заниматься один администратор: он формирует политику безопасности и применяет ее в отношении каждого пользователя сети.

Поскольку жизненно важная информация расположена централизованно, т.е. сосредоточена на одном или нескольких серверах, нетрудно обеспечить ее регулярное резервное копирование.

Благодаря избыточным системам данные на любом сервере могут дублироваться в реальном времени, поэтому в случае повреждения основной области хранения данных информация не будет потеряна – легко воспользоваться резервной копией.

Сети на основе сервера способны поддерживать тысячи пользователей. Сетями такого размера, будь они одноранговыми, было бы невозможно управлять.

В таблице 1 приведены характеристики двух типов сетей, которые следует учитывать при проектировании сети предприятия.

В заключении отметим, что выбор типа сети зависит от многих факторов:

размера предприятия;

необходимого уровня безопасности;

вида бизнеса;

уровня доступности административной поддержки;

объема сетевого трафика;

потребностей сетевых пользователей;

финансовых затрат.

Таблица 1 – Основные характеристики двух типов сетей Размер Не более 10 компьютеров Ограничена аппаратным обеспечением сервера и сети Защита Вопросы защиты решаются каждым Всесторонняя и централизованная Администрирование Администрированием своего ком- Администрирование осуществляетпьютера занимается каждый поль- ся централизованно. Необходим зователь. Нет необходимости в се- хотя бы один администратор с сотевом администраторе ответствующей подготовкой 2.3.4 Компоновка сети 2.3.4.1 Понятие «топология». Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель.

Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров.

Термин "топология", или "топология сети", характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология – это стандартный термин, который используется профессионалами при описании основной к сети.

Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети, Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, и эти методы оказывают большое влияние на сеть.

Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет на:

состав необходимого сетевого оборудования;

характеристики сетевого оборудования;

возможности расширения сети;

способ управления сетью.

2.3.4.2 Базовые топологии. Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

шина (bus), когда компьютеры подключены вдоль одного кабеля;

звезда (star), когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора;

кольцо (ring), если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо.

Рассмотрим более подробно каждую из них, отметив их достоинства и недостатки.

Топологию "шина" часто называют "линейной шиной", «общей шиной». Данная топология вычислительной сети характеризуется тем, что одна из машин служит в качестве системного обслуживающего устройства, обеспечивающего централизованный доступ к общим файлам и базам данных, печатающим устройствам и другим вычислительным ресурсам.

Сети данного типа приобрели большую популярность благодаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, легкости расширения сети (подключение новых абонентов к сети не сказывается на ее основных характеристиках).

К недостаткам шинной топологии следует отнести необходимость использования довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.

Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети, как показано на рисунке 7.

В сети с топологией "шина" компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Хотя данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети, однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах.

Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;

частота, с которой компьютеры передают данные;

тип работающих сетевых приложений;

тип сетевого кабеля;

расстояние между компьютерами в сети.

Шина – пассивная топология. Это значит, что компьютеры только "слушают" передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю.

Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных.

В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети – от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы, поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например, к компьютеру или к баррелконнектору – для увеличения длины кабеля. К любому свободному – неподключенному – концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть "падает". Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Нормально развивающиеся предприятия и организации постоянно сталкиваются с необходимостью расширить сеть, иными словами, увеличить участок, который она охватывает. Увеличение участка, охватываемого сетью, вызывает необходимость ее расширения. В сети с топологией "шина" кабель обычно удлиняется двумя способами:

1) для соединения двух отрезков кабеля можно воспользоваться баррел-коннектором, представленным на рисунке 8,а). Но злоупотреблять ими не стоит, так как сигнал при этом ослабевает. Лучше купить один длинный кабель, чем соединять несколько коротких отрезков. При большом количестве "стыковок" нередко происходит искажение сигнала;

2) соединение двух отрезков кабеля осуществить с помощью репитера (повторителя), принцип действия которого представлен на рисунке 8,б). В отличие от коннектора, он усиливает сигнал перед передачей его в следующий сегмент. Поэтому предпочтительнее использовать репитер, чем баррел-коннектор или даже один длинный кабель: сигналы на большие расстояния пойдут без искажений.

Рисунок 8 – Способы удлинения сети с топологией «общая шина»

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту – концентратору (хабу, от англ. hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры подключались к центральному, главному, компьютеру.

В сетях с топологией «звезда» подключение компьютеров к сети выполняется централизованно, что показано на рисунке 9. Но есть и недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, остановится вся сеть. А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети этот сбой не повлияет.

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, на который надо поставить терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли повторителя, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Один из способов передачи данных по кольцевой сети называется передачей маркера (token), показанный на рисунке 10. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот компьютер, который «хочет» послать данные. Передающий компьютер видоизменяет маркер, добавляет к нему данные и адрес получателя и отправляет его дальше по кольцу.

Рисунок 10 - Передача маркера в сети с топологией «кольцо»

Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя.

После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приема данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть. На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле скорость движения маркера сопоставима со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

2.3.4.3 Концентраторы. В настоящее время одним из стандартных компонентов сетей становится концентратор, показанный на рисунке 11. А в сетях с топологией "звезда" он служит и центральным узлом.

Среди концентраторов выделяются активные и пассивные. Активные концентраторы регенерируют и передают сигналы так же, как это делают репитеры. Иногда их называют многопортовыми репитерами – они имеют от 5 до 24 портов для подключения компьютеров.

Некоторые типы концентраторов являются пассивными, например монтажные панели или коммутирующие блоки. Они просто пропускают через себя сигнал как узлы коммутации, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивные концентраторы не надо подключать к источнику питания. Гибридными называются концентраторы, к которым можно подключать кабели различных типов.

Сети, построенные на концентраторах, легко расширить, если подключить дополнительные концентраторы.

Использование концентраторов дает ряд преимуществ. Разрыв кабеля в сети с обычной топологией "линейная шина" приведет к "паданию" всей сети. Между тем разрыв кабеля, подключенного к концентратору, нарушает работу только данного сегмента. Остальные сегменты останутся работоспособными.

К числу других преимуществ использования концентраторов относятся:

простота изменения или расширения сети: достаточно просто подключить еще один компьютер или концентратор;

использование различных портов для подключения кабелей разных типов;

централизованный контроль за работой сети и сетевым трафиком: во многих сетях активные концентраторы наделены диагностическими возможностями, позволяющими определить работоспособность соединения.

2.3.4.4 Комбинированные топологии. При компоновке сети все чаще стали использоваться комбинированные топологии, которые сочетают отдельные свойства шины, звезды и кольца.

Звезда-шина (star-bus) – это комбинация топологий «шина» и «звезда», при этом несколько сетей с топологией «звезда» объединяются при помощи магистральной линейной шины, как показано на рисунке 12. В этом случае выход из строя одного компьютера не скажется на работе всей сети – остальные компьютеры по-прежнему взаимодействуют друг с другом. А выход из строя концентратора повлечет за собой отсоединение от сети только подключенных к нему компьютеров и концентраторов.

Звезда-кольцо (star-ring) несколько похожа на звезду-шину. И в той, и в другой топологии компьютеры подключаются к концентраторам. Отличие в том, что концентраторы в звезде-шине соединены магистральной линейной шиной, а в звезде-кольце все концентраторы подключены к главному концентратору, образуя звезду. Кольцо же реализуется внутри главного концентратора.

Последнее время стали появляться сетевые структуры с более сложными организациями компонентов, некоторые из них приведены на рисунке 13.

Рисунок 13 – Некоторые дополнительные типы топологий компьютерных сетей Иерархическая ЛВС (конфигурация типа «дерево») представляет собой более развитой вариант структуры ЛВС, построенной на основе общей шины. Дерево образуется путем соединения нескольких шин с корневой системой, где размещаются самые важные компоненты ЛВС. Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛВС несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории, и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих десятки и даже сотни абонентов.

Наиболее сложной и дорогой является многосвязная топология, в которой каждый узел связан со всеми другими узлами сети. Эта топология в ЛВС применяется очень редко, в основном там, где требуются исключительно высокие надежность сети и скорость передачи данных.

На практике чаще встречаются гибридные ЛВС, приспособленные к требованиям конкретного заказчика и сочетающие фрагменты шинной, звездообразной и других топологий.

2.3.4.5 Выбор топологии сети. В таблице 2 приведены обобщенные данные по базовым топологиям сетей, что позволит проектировщику сделать правильный выбор при создании сети организации.

Таблица 2 - Особенности базовых топологий сетей Шина Экономный расход кабеля. Срав- При значительных объемах трафика нительно недорогая и несложная в уменьшается пропускная способность сеиспользовании среда передачи. ти. Трудно локализовать проблемы. Выход Кольцо Все компьютеры имеют равный Выход из строя одного компьютера может доступ. Количество пользователей вывести из строя всю сеть. Трудно локане оказывает сколько-нибудь зна- лизовать проблемы. Изменение конфигучительного влияния на производи- рации сети требует остановки всей сети Звезда Легко модифицировать сеть, до- Выход из строя центрального узла паралибавляя новые компьютеры. Цен- зует всю сеть трализованный контроль и управление. Выход из строя одного компьютера не влияет на работоспособность сети При выборе наиболее подходящей к данной ситуации топологии необходимо также учитывать количество пользователей, тип решаемых задач, условия помещения, трафик между отдельными группами пользователей и др.

2.4 Глобальные вычислительные сети 2.4.1 Основные сведения о глобальных вычислительных сетях Глобальная вычислительная сеть – компьютерная сеть, охватывающая большие территории и включающая в себя десятки и сотни тысяч компьютеров. В настоящее время рекомендуется использовать термин «глобальная компьютерная сеть».

ГВС служат для объединения разрозненных сетей так, чтобы пользователи и компьютеры, где бы они ни находились, могли взаимодействовать со всеми остальными участниками глобальной сети. Некоторые ГВС построены исключительно для частных организаций, другие являются средством коммуникации корпоративных ЛВС с сетью Интернет или посредством Интернет с удалёнными сетями, входящими в состав корпоративных.

ГВС совмещают компьютеры, рассредоточенные на расстоянии сотен и тысяч километров. Такие сети часто используются уже существующие не очень качественные линии связи, более низкие, чем в локальных сетях. Для стойкой передачи дискретных данных применяются более сложные методы и оборудование, чем в локальных сетях.

Глобальные сети отличаются от локальных тем, что рассчитаны на неограниченное число абонентов и используют, как правило, не слишком качественные каналы связи и сравнительно низкую скорость передачи, а механизм управления обменом, у них в принципе не может быть гарантировано скорым.

В глобальных сетях намного более важное не качество связи, а сам факт ее существования. Правда, в настоящий момент уже нельзя провести четкий и однозначный предел между локальными и глобальными сетями. Большинство локальных сетей имеют выход в глобальную сеть, но характер переданной информации, принципы организации обмена, режимы доступа, к ресурсам внутри локальной сети, как правило, сильно отличаются от тех, что принято в глобальной сети. И хотя все компьютеры локальной сети в данном случае включены также и в глобальную сеть, специфику локальной сети это не отменяет. Возможность выхода в глобальную сеть остается всего лишь одним из ресурсов, поделенные пользователями локальной сети.

2.4.2 Глобальная сеть Интернет После запуска Советским Союзом искусственного спутника Земли в 1957 году Министерство обороны США посчитало, что на случай войны Америке нужна надёжная система передачи информации. Агентство передовых оборонных исследовательских проектов США (DARPA) предложило разработать для этого компьютерную сеть. Разработка такой сети была поручена Калифорнийскому университету в Лос-Анджелесе, Стэнфордскому исследовательскому центру, Университету штата Юта и Университету штата Калифорния в Санта-Барбаре. Компьютерная сеть была названа ARPANET, и в 1969 году в рамках проекта сеть объединила четыре указанных научных учреждения. Все работы финансировались Министерством обороны США. Затем сеть ARPANET начала активно расти и развиваться, её начали использовать учёные из разных областей науки.

Первый сервер ARPANET был установлен 1 сентября 1969 года в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Компьютер Honeywell DP-516 имел 24 Кб оперативной памяти.

29 октября 1969 года в 21:00 между двумя первыми узлами сети ARPANET, находящимися на расстоянии в 640 км – в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса и в Стэнфордском исследовательском институте (SRI) – провели сеанс связи. Чарли Клайн пытался выполнить удалённое подключение к компьютеру в SRI. Успешную передачу каждого введённого символа его коллега Билл Дювалль из SRI подтверждал по телефону.

В первый раз удалось отправить всего три символа «LOG», после чего сеть перестала функционировать. LOG должно было быть словом LOGON (команда входа в систему). В рабочее состояние систему вернули уже к 22:30 и следующая попытка оказалась успешной. Именно эту дату можно считать днём рождения Интернета.

Интернет (Internet, сокр. от Interconnected Networks – объединённые сети; сленг.

инет, нет) – глобальная телекоммуникационная сеть информационных и вычислительных ресурсов. Служит физической основой для Всемирной паутины. Часто упоминается как Всемирная сеть, Глобальная сеть, либо просто Сеть. В настоящее время, когда слово «Интернет» употребляется в обиходе, чаще всего имеется в виду Всемирная паутина и доступная в ней информация, а не сама физическая сеть.

К 1971 году была разработана первая программа для отправки электронной почты по сети. Эта программа сразу стала очень популярна.

В 1973 году к сети были подключены через трансатлантический телефонный кабель первые иностранные организации из Великобритании и Норвегии, сеть стала международной.

В 1970-х годах сеть в основном использовалась для пересылки электронной почты, тогда же появились первые списки почтовой рассылки, новостные группы и доски объявлений. Однако в то время сеть ещё не могла легко взаимодействовать с другими сетями, построенными на других технических стандартах.

К концу 1970-х годов начали бурно развиваться протоколы передачи данных, которые были стандартизированы в 1982-83 годах. Активную роль в разработке и стандартизации сетевых протоколов играл Джон Постел.

1 января 1983 года сеть ARPANET перешла с протокола NCP на TCP/IP, который успешно применяется до сих пор для объединения (или, как ещё говорят, «наслоения») сетей. Именно в 1983 году термин «Интернет» закрепился за сетью ARPANET.

В 1984 году была разработана система доменных имён (англ. Domain Name System, DNS).

В 1984 году у сети ARPANET появился серьёзный соперник: Национальный научный фонд США (NSF) основал обширную межуниверситетскую сеть NSFNet (англ.

National Science Foundation Network), которая была составлена из более мелких сетей (включая известные тогда сети Usenet и Bitnet) и имела гораздо большую пропускную способность, чем ARPANET. К этой сети за год подключились около 10 тыс. компьютеров, звание «Интернет» начало плавно переходить к NSFNet.

В 1988 году был разработан протокол Internet Relay Chat (IRC), благодаря чему в Интернете стало возможно общение в реальном времени (чат).

В 1989 году в Европе, в стенах Европейского совета по ядерным исследованиям (фр. Conseil Europen pour la Recherche Nuclaire, CERN) родилась концепция Всемирной паутины. Её предложил знаменитый британский учёный Тим Бернерс-Ли, он же в течение двух лет разработал протокол HTTP, язык HTML и идентификаторы URI.

В 1990 году сеть ARPANET прекратила своё существование, полностью проиграв конкуренцию NSFNet. В том же году было зафиксировано первое подключение к Интернету по телефонной линии (т. н. «дозвон» – англ. Dialup access).

В 1991 году Всемирная паутина стала общедоступна в Интернете, а в 1993 году появился знаменитый веб-браузер NCSA Mosaic. Всемирная паутина набирала популярность.

В 1995 году NSFNet вернулась к роли исследовательской сети, маршрутизацией всего трафика Интернета теперь занимались сетевые провайдеры, а не суперкомпьютеры Национального научного фонда.

В том же 1995 году Всемирная паутина стала основным поставщиком информации в Интернете, обогнав по трафику протокол пересылки файлов FTP. Был образован Консорциум всемирной паутины (W3C). Можно сказать, что Всемирная паутина преобразила Интернет и создала его современный облик. С 1996 года Всемирная паутина почти полностью подменяет собой понятие «Интернет».

В 1990-е годы Интернет объединил в себе большинство существовавших тогда сетей (хотя некоторые, как Фидонет, остались обособленными). Объединение выглядело привлекательным благодаря отсутствию единого руководства, а также благодаря открытости технических стандартов Интернета, что делало сети независимыми от бизнеса и конкретных компаний. К 1997 году в Интернете насчитывалось уже около 10 млн компьютеров, было зарегистрировано более 1 млн доменных имён.

Интернет стал очень популярным средством для обмена информацией.

В настоящее время подключиться к Интернету можно через спутники связи, радио-каналы, кабельное телевидение, телефон, сотовую связь, специальные оптиковолоконные линии или электропровода. Всемирная сеть стала неотъемлемой частью жизни в развитых и развивающихся странах.

В течение пяти лет Интернет достиг аудитории свыше 50 миллионов пользователей. Другим средствам массовой информации требовалось гораздо больше времени для достижения такой популярности, например, радио – 38 лет, телевидению – 13, кабельному телевидению – 10 лет.

С 22 января 2010 года прямой доступ в Интернет получил экипаж Международной космической станции На сегодняшний день Интернет стал достоянием всего человечества. К середине 2008 года число пользователей, регулярно использующих Интернет, составило около 1,5 млрд человек (около четверти населения Земли). Всемирная компьютерная сеть Интернет вместе с персональными компьютерами образует технологическую основу для развития международной концепции «Всемирного информационного общества».

Праздник рождения Интернета отмечается во многих странах мира, но в разные дни. Например, день российского Интернета (Рунета) празднуют 30 сентября.

Кроме того, некоторые считают Днём Рунета 7 апреля, поскольку в этот день году в международной базе данных национальных доменов верхнего уровня появилась запись о домене.ru. На Украине день Интернета празднуется 14 декабря. В Узбекистане 29 апреля узнетчики отмечают день рождения Узнета, именно в этот день в 1995 году был создан домен.uz.

У Интернета нет собственника, т.к. он является совокупностью сетей, которые имеют различную географическую принадлежность.

Интернет нельзя выключить целиком, поскольку маршрутизаторы сетей не имеют единого внешнего управления.

У Интернета имеется много полезных и вредных свойств, эксплуатируемых заинтересованными лицами.

Интернет, прежде всего, средство открытого хранения и распространения информации. По маршруту транспортировки незашифрованная информация может быть перехвачена и прочитана.

Интернет может связать каждый компьютер с любым другим, подключённым к сети, так же, как и телефонная сеть. Если телефон имеет автоответчик, он способен распространять информацию, записанную в него, любому позвонившему. Сайты в Интернете распространяют информацию по такому же принципу, то есть индивидуально, по инициативе читателя.

Спам-серверы и «зомби-сети» распространяют информацию по инициативе отправителя и забивают почтовые ящики пользователей электронной почты спамом точно так же, как забивают реальные почтовые ящики распространители рекламных листовок и брошюр.

Распространение информации в Интернете имеет такую же природу, как и слухи в социальной среде. Если к информации есть большой интерес, она распространяется широко и быстро, нет интереса – нет распространения.

Чтение информации, полученной из Интернета или любой другой сети ЭВМ, относится, как правило, к непубличному воспроизведению произведения. За распространение информации в Интернете (разглашение), если это государственная или иная тайна, клевета, другие запрещённые законом к распространению сведения, вполне возможна юридическая ответственность по законам того места, откуда информация введена.

Компания Pingdom, которая специализируется по поддержке работоспособности и производительности сайтов, и услугами которой пользуются компании из разных стран, ежегодно публикует статистические данные об Интернете. В приложениях А и Б представлена статистика мирового и российского сектора Интернет по данным крупнейших аналитических компаний.

2.4.3 Ключевые принципы технология открытых систем 2.4.3.1 Согласование взаимодействия компонентов сети. Управление таким сложным, использующим многочисленную и разнообразную аппаратуру процессом, как передача и обработка данных в разветвленной сети требует формализации и стандартизации процедур:

выделения и освобождения ресурсов компьютеров и системы телекоммуникации установления и разъединения соединений;

маршрутизации, согласования, преобразования и передачи данных контроля правильности передачи;

исправления ошибок и т.д.

Задача согласования взаимодействия ЭВМ клиентов, серверов, линий связи и других устройств решается путем установления определенных правил, называемых протоколами.

Протокол – это набор правил и методов взаимодействия объектов вычислительной сети, охватывающий основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия, обеспечивающие корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети.

Интернет состоит из многих тысяч корпоративных, научных, правительственных и домашних компьютерных сетей. Объединение сетей разной архитектуры и топологии стало возможно благодаря протоколу IP (от англ. Internet Protocol) и принципу маршрутизации пакетов данных.

Протокол IP был специально создан агностическим (независимым) в отношении физических каналов связи, т.е. любая система (сеть) передачи цифровых данных, проводная или беспроводная, для которой существует стандарт инкапсуляции в неё IPпакетов, может передавать и трафик Интернета. Агностицизм протокола IP, в частности, означает, что компьютер или маршрутизатор должен знать тип сетей, к которым он непосредственно присоединён, и уметь работать с этими сетями; но не обязан (и в большинстве случаев не может) знать, какие сети находятся за маршрутизаторами.

На стыках сетей специальные маршрутизаторы (программные или аппаратные) занимаются автоматической сортировкой и перенаправлением пакетов данных, исходя из IP-адресов получателей этих пакетов. Протокол IP образует единое адресное пространство в масштабах всего мира, но в каждой отдельной сети может существовать и собственное адресное подпространство, которое выбирается исходя из класса сети. Такая организация IP-адресов позволяет маршрутизаторам однозначно определять дальнейшее направление для каждого пакета данных. В результате между отдельными сетями Интернета не возникает конфликтов, и данные беспрепятственно и точно передаются из сети в сеть по всей планете и ближнему космосу. Систему протоколов Интернет называют «стеком протоколов TCP/IP».

2.4.3.2 Модель открытых систем. В 1978 году Международная организация по стандартизации (ISO) выпустила набор спецификаций, описывающих архитектуру сети с неоднородными устройствами. Исходный документ относился к открытым системам, чтобы все они могли использовать одинаковые протоколы и стандарты для обмена информацией.

В 1984 году ISO выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model, OSI).

Открытая система – система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

Версия 1984 года стала международным стандартом, ее спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов, она лежит в основе построения различных сетей.

Эта модель, часто называемая также эталонной семиуровневой логической моделью открытых систем, – широко распространенный метод описания сетевых сред. Являясь многоуровневой системой, она отражает взаимодействие программного и аппаратного обеспечения при осуществлении сеанса связи, а также помогает решить разнообразные проблемы.

Модель OSI представляет собой самые общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов, она же служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования, то есть эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах вычислительных сетей, В настоящее время модель OSI является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью. Модель регламентирует общие функции, а не специальные решения, поэтому реальные сети имеют достаточно пространства для маневра.

В модели OSI сетевые функции распределены между семью уровнями, как показано на рисунке 14. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы.

На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимодействуют с функциями соседних уровней, вышележащего и нижележащего. Например, сеансовый уровень должен взаимодействовать только с представительским и транспортным уровнем и т.п.

Нижние уровни (1-й и 2-й) определяют физическую среду передачи данных и сопутствующие задачи (такие, как передача битов данных через плату сетевого адаптера и кабель). Самые верхние уровни определяют, каким способом осуществляется доступ приложений к услугам связи. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.

Каждый уровень предоставляет несколько услуг (т.е. выполняет несколько операций), подготавливающих данные для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отделяются друг от друга границами – интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень использует услуги нижележащего уровня.

Задача каждого уровня – предоставление услуг вышележащему уровню, «маскируя» детали реализации этих услуг. При этом каждый уровень на компьютереотправителе работает так, будто он напрямую связан с таким же уровнем на компьютере-получателе. Эта логическая, или виртуальная, связь между одинаковыми уровнями показана на рисунке 15. Однако в действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного компьютера – программное обеспечение, работающее на каждом уровне, реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором протоколов.

Рисунок 15 - Взаимосвязи между уровнями модели OSI Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет – это единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется некоторая информация, форматирующая или адресная, которая необходима для успешной передачи данных по сети.

На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке.

Программное обеспечение на каждом уровне читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до прикладного уровня, вся адресная информация будет удалена и данные примут свой первоначальный вид.

Таким образом, за исключением самого нижнего уровня сетевой модели, никакой иной уровень не может непосредственно послать информацию соответствующему уровню другого компьютера. Информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по сетевому кабелю на компьютер-получатель и опять проходит сквозь все слои, пока не достигнет того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе. Например, если сетевой уровень передает информацию с компьютера А, она спускается через канальный и физический уровни в сетевой кабель, далее по нему попадает в компьютер В, где поднимается через физический и канальный уровни и достигает сетевого уровня.

Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интерфейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень предоставляет верхнему, и способ доступа к ним. Каждому уровню одного компьютера «кажется», что он непосредственно взаимодействует с таким же уровнем другого компьютера.

Далее описывается каждый из семи уровней модели OSI и определяются услуги, которые они предоставляют смежным уровням.

Уровень 7 - прикладной (Application), – самый верхний уровень модели OSI. Он представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя, такие, как программное обеспечение для передачи файлов, доступа к базам данных и электронная почта. Нижележащие уровни поддерживают задачи, выполняемые на прикладном уровне. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением после сбоев связи.

Уровень 6 - представительский (Presentation), определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми компьютерами. Этот уровень можно назвать переводчиком. На представительском уровне компьютера-отправителя данные, поступившие от прикладного уровня, переводятся в общепонятный промежуточный формат. На этом же уровне компьютера-получателя происходит обратный перевод – из промежуточного формата в тот, который используется прикладным уровнем данного компьютера. Представительский уровень отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их шифрование, смену или преобразование применяемого набора символов (кодовой таблицы) и расширение графических команд. Представительский уровень, кроме того, управляет сжатием данных для уменьшения общего числа передаваемых битов. На этом уровне работает утилита, называемая редиректором. Ее назначение – перенаправлять локальные операции ввода/вывода на сетевой сервер.

Уровень 5 – сеансовый – позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. На этом уровне выполняются такие функции, как распознавание имен и защита, необходимые для связи двух приложений в сети. Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек. Таким образом, в случае ошибки потребуется заново передать только данные, следующие за последней контрольной точкой. Этот уровень управляет диалогом между взаимодействующими процессами, т.е. регулирует, какая из сторон когда, как долго и т.д. должна осуществлять передачу.

Уровень 4 – транспортный – располагается ниже сеансового уровня. Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне компьютера-отправителя сообщения переупаковываются: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На транспортном уровне компьютера-получателя сообщения распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде, и обычно посылается сигнал подтверждения приема.

Транспортный уровень управляет потоком сообщений, проверяет ошибки и участвует в решении проблем, связанных с отправкой и получением пакетов.

Уровень 3 – сетевой – отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические адреса. Одним словом, исходя из конкретных сетевых условий, приоритета услуги и других факторов здесь определяется маршрут от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю. На этом уровне решаются также такие задачи и проблемы, связанные с сетевым трафиком, как коммутация пакетов, маршрутизация и перегрузки.

Если сетевой адаптер маршрутизатора не может передавать большие блоки данных, посланные компьютером-отправителем, на сетевом уровне эти блоки разбиваются на меньшие. А сетевой уровень компьютера-получателя собирает эти данные в исходное состояние.

Уровень 2 – канальный – осуществляет передачу кадров данных от сетевого уровня к физическому. Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Канальный уровень компьютера-получателя упаковывает «сырой» поток битов, поступающих от Физического уровня, в кадры данных.

На рисунке 16 представлен простой кадр данных, где идентификатор отправителя – адрес компьютера-отправителя, а идентификатор получателя – адрес компьютераполучателя. Управляющая информация используется для маршрутизации, а также указывает на тип пакета и сегментацию. Данные – собственно передаваемая информация.

CRC (остаток избыточной циклической суммы) – это сведения, которые помогут выявить ошибки. Это, в свою очередь, гарантирует правильный прием информации.

Канальный уровень обеспечивает точность передачи кадров между компьютерами через физический уровень. Это позволяет сетевому уровню считать передачу данных по сетевому соединению фактически безошибочной. Обычно, когда канальный уровень посылает кадр, он ожидает со стороны получателя подтверждения приема. Канальный уровень получателя проверяет наличие возможных ошибок передачи. Кадры, поврежденные при передаче или не получившие подтверждения о приеме, посылаются заново.

Уровень 1 - физический – самый нижний в модели OSI. Этот уровень осуществляет передачу неструктурированного, «сырого», потока битов по физической среде (например, по сетевому кабелю). Здесь реализуются электрический, оптический, механический и функциональный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также формирует сигналы, которые переносят данные, поступившие от всех вышележащих уровней. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера, в частности, количество контактов в разъемах и их функции. Кроме того, здесь определяется способ передачи сигналов по сетевому кабелю. Физический уровень предназначен для передачи битов (нулей и единиц) от одного компьютера к другому. Содержание самих битов на данном уровне значения не имеет. Этот уровень отвечает за кодирование данных и синхронизацию битов, гарантируя, что переданная единица будет воспринята именно как единица, а не как ноль. Наконец, Физический уровень устанавливает длительность каждого бита и способ перевода бита в соответствующие электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю.

2.4.3.3 Интернет-протоколы. Блоки информации, передаваемые между уровнями, имеют стандартный формат: заголовок (header), служебная информация, данные, концевик. Каждый уровень при передаче блока информации нижестоящему уровню снабжает его своим заголовком. Заголовок вышестоящего уровня воспринимается нижестоящим как передаваемые данные. Каждый уровень решает свои задачи и обеспечивает сервисом расположенный над ним уровень.

Как было отмечено выше, правила взаимодействия разных систем одного уровня называют протоколом, правила взаимодействия соседних уровней в одной системе – интерфейсом. Каждый протокол должен быть прозрачным для соседних уровней.

Прозрачность – свойство передачи информации, закодированной любым способом, быть понятным взаимодействующим уровням.

Наиболее распространённые интернет-протоколы (в алфавитном порядке, сгруппированные в примерном соответствии модели OSI) представлены в таблице 3.