1. Компоненты вычислительных сетей Общие сведения

1. Компоненты вычислительных сетей

1.1. Общие сведения

Несколько компьютеров, имеющих сетевые платы и расположенных на небольшом удалении друг от друга, соединяют специальными кабелями, и таким образом формируется локальная компьютерная сеть (LAN – Local Area Network) (рис. 1). Такие сети широко используются на мелких и средних предприятиях.

Рис. 1. Локальная сеть

А компьютеры, удаленные на большие расстояния, соединяет глобальная компьютерная сеть или сеть дальней связи (WAN – Wide Area Network) (рис. 2).

Рис. 2. Глобальная сеть

Сети могут соединяться между собой.

Рис. 3. TCP/IP протокол

В настоящее время широко развивается Интранет (корпоративные сети) – это локальная или глобальная сеть, доступная в пределах одного предприятия, в которой обмен информацией происходит по правилам Интернет.

1.2. Топология сети

1) звезда;

2) кольцо;

3) шина.

Сигнал проходит по сети через все компьютеры, отражаясь от конечных терминаторов.

Рис. 4. Топология «общая шина»

Топология «кольцо» представляет собой последовательное соединение компьютеров, когда последний соединён с первым. Сигнал проходит по кольцу от компьютера к компьютеру в одном направлении. Каждый компьютер работает как повторитель, усиливая сигнал и передавая его дальше. Поскольку сигнал проходит через каждый компьютер, сбой одного из них приводит к нарушению работы всей сети.

Рис. 5. Топология «кольцо»

Топология «звезда» – схема соединения, при которой каждый компьютер подсоединяется к сети при помощи отдельного соединительного кабеля. Один конец кабеля соединяется с гнездом сетевого адаптера, другой подсоединяется к центральному устройству, называемому концентратором (hub).

Рис. 6. Топология «звезда»

Рис. 7. Полносвязная топология

1.3. История развития Интернета

Разработки сети – предшественницы Интернета – первоначально финансировались правительством США. Она была специально спроектирована так, чтобы обеспечить связь между правительственными узлами в том случае, если часть ее выйдет из строя в результате ядерной атаки. Используемый в ней алгоритм управления передачей информации (межсетевой протокол) был разработан так, чтобы компьютеры всех видов могли совместно использовать сетевые средства и непосредственно взаимодействовать друг с другом как одна эффективно интегрированная компьютерная сеть.

Далее сеть NSFNET заменила ARPANET, которую создал Национальный научный фонд США (NSF) и которая оказалась более удачной. Ядро этой сети из 13 компьютерных центров в разных районах США было создано уже в 1987 году. Подобные сети появились и в других странах. В условиях демократии и свободы распространения информации эти сети стали быстро объединяться, что превратило их в глобальную интернациональную сеть Интернет. В 1985 году в Интернете было всего около двух тысяч компьютеров, а сегодня счёт идёт на десятки миллионов. Эта «сеть сетей» охватывает тысячи университетских, правительственных и корпоративных сетевых систем, связанных высокоскоростными частными и общедоступными сетями.

В настоящее время Интернет – это общедоступная сеть, открытая для любого пользователя, имеющего модем и/или инсталлированное программное обеспечение для работы по стандартному протоколу передачи данных в сети. Круглосуточный доступ к Интернету имеют уже более 100 миллионов пользователей в 96 странах мира, и их количество растёт лавинообразно.

Интернет функционирует, не имея никакой централизованной организации, которая осуществляла бы управление или руководство ею, за исключением, Центра сетевой информации Интернет – InterNIC (Internet Network Information Center), т.е. организации, которая предлагает информационные и регистрационные услуги для пользователей Интернета.

В целом Интернет является общемировой собственностью и достоянием. Сеть можно представить в виде паутины. Эта сеть живучая и развивается независимо от государственных надстроек и границ.

В сети отдельные куски могут «рваться», но не затрагивать функционирования других её частей. Точно так же сеть может наращиваться дополнительными фрагментами, которые могут создаваться кем угодно. На сегодняшний день к созданию Интернета привлечены могущественные силы многих государств, крупных и мелких предприятий и частных инвесторов. Даже если вы подключитесь к Интернету по коммутируемому доступу из своей квартиры, вы тоже вносите свой вклад в развитие этой общемировой сети.

Финансирование практических разработок по объединению разрозненных сетей в единую децентрализованную сеть открыто Министерством обороны США.

В Америке создано несколько научных центров, где началась разработка и тестирование глобальной сети.

В единую сеть объединены военные, научные, промышленные и правительственные организации США.

Очевиден поворот к рядовому пользователю и экспоненциальный рост Интернет (количество подключенных компьютеров увеличивается примерно вдвое каждые 10 месяцев).

В единую сеть, охватывающую все континенты планеты, объединено большинство сетей.

Задачи, которые находятся под патронажем Консорциума World Wide Web (W3C, WWWC), – это создание и продвижение стандартов, которые улучшают работу сети Интернет. В консорциум входят такие крупные организации, как IBM, Microsoft, Apple, Netscape.

1.4. Коммутация пакетов

1. 
   Метод коммутации каналов
   
2. 
   Метод коммутации пакетов
   

Другой метод передачи сообщений, который используется Интернетом, – это коммутация пакетов. Сообщение разбивается на небольшие порции (пакеты), которые затем передаются между компьютерами. Их чередование позволяет оптимизировать передачу данных. Приведем пример: хотя отправка короткого сообщения от компьютера Б к компьютеру Д началась позже, чем отправка длинного сообщения от компьютера А к компьютеру С, закончится она раньше, так как пакеты будут коммутироваться, то есть чередоваться.

В сети Интернет каждый компьютер имеет свой уникальный номер – адрес. Чтобы идентифицировать сообщения, каждый пакет помимо данных, содержит адреса компьютера-отправителя и компьютера-получателя.

До места назначения пакеты добираются различными, независимыми друг от друга путями (рис. 8). Сеть посылает пакет через любой доступный в настоящее время канал. Пакет будет направлен в обход поврежденного участка, если какая-то часть сети вышла из строя. В конце все пакеты будут доставлены компьютеру-получателю и собраны в единое сообщение.

Рис. 8. Структура пакетов

1.5. Кодирование информации в Интернете

В технике различают два важных вида информации – аналоговую и цифровую. Обычный телефон или видеомагнитофон работают с аналоговыми сигналами.Аналоговая информация передается непрерывными сигналами и может иметь бесчисленное число градаций. Однако она легко портится помехами. Для машин, обрабатывающих информацию, аналоговые сигналы не очень удобны. Многие элементы машин удобно проектировать в предположении лишь о двух их состояниях. Например, ток в проводе может течь или не течь, лампочка может гореть или не гореть, конденсатор может быть заряжен или разряжен, триггер (давно известное запоминающее устройство на транзисторах или электронных лампах) может находиться в одном из двух состояний. Чем проще представление информации, тем легче создание технических устройств для её обработки.

Современные цифровые компьютеры основаны именно на самом простейшем виде цифровой информации (двоичной).Цифровая информация получается из аналоговой через цифровое кодирование отдельных отсчетов аналоговых сигналов. Этот вид информации не чувствителен к помехам и широко используется при работе цифровых компьютеров. Представляющие и обрабатывающие информацию в двоичном виде устройства наиболее просты и надежны. Конструкторы давно научились создавать миллионы таких устройств на полупроводниковом кристалле размером с ноготок. Достаточно отметить, что современные микросхемы полупроводниковой памяти способны хранить десятки миллионов двоичных единиц информации. Так появились устройства для хранения и обработки цифровой информации, представленной цифровыми кодами, как правило, двоичными.

Компьютер всегда превращает информацию в так называемую бинарную или двоичную, какую бы информацию он ни воспринимал, ни обрабатывал и ни выводил. Она представляется всего двумя уровнями некоего сигнала – условным наличием его или отсутствием. Их называют логическая единица и нуль (1 и 0), ДА и НЕТ, True и False и т.д. Электронные схемы (а сейчас микросхемы) компьютера обрабатывают эту информацию с фантастической скоростью – даже обычный бытовой компьютер Pentium MMX или Pentium II делает это со скоростью в сотни мегабит в секунду (при этом он имеет тактовую частоту, соответственно, в сотни мегагерц).

Единица двоичной информации получила название бит. Бит может принимать два значения – 0 или 1. Два бита дают уже 4 варианта информации (2²), а 8 бит – 256 (2⁸). Это позволяет закодировать 256 разных символов, например, большие и малые буквы русского и латинского алфавитов, цифры, знаки препинания и т.д.

Достаточно легко решается проблема работы компьютеров с текстовой информацией. Каждая буква и спецзнак текста кодируются определённым числом. При нажатии на клавишу «А» в компьютер передаётся не изображение этой буквы, а её код.

В мире живут сотни и тысячи народов и народностей, говорящих и пишущих на множестве языков. Поэтому однозначного кодирования букв различных алфавитов нет. Каждый мало-мальски распространённый язык имеет свою таблицу кодировки или кодировку, как принято говорить при описании Интернет.

Однако ситуация осложняется тем, что даже для одного языка, например русского, существует по крайней мере несколько таблиц кодировок. Кроме того, таблицы кодировок разные у разных операционных систем, управляющих компьютерами и осуществляющими операции ввода-вывода информации.

На представлении каждой буквы алфавита и каждого специального знака одним байтом базируются эти кодировки. Они широко используются и в интернете. Для кодирования других языков стран СНГ, например украинского, белорусского и др., есть варианты таблиц. При желании можно найти массу таблиц кодировки KOI-8. Именно она считается в интернете основной, хотя благодаря фирме Microsoft новым признанным стандартом становятся кодировки класса Windows – в том числе поддерживающая кириллицу кодировка Windows1251. В новых программах под Windows внедрена новая 2-байтная кодировка Unicode, позволяющая резко расширить набор символов в одной таблице. Представляется текстовая информация в Интернет разными языками и разными их кодировками. При просмотре материалов (страниц), полученных по Интернет, внимательно осмотрите их: возможно, вы найдете явное указание на используемую кодовую таблицу. Первым признаком того, что у вас включена не та кодовая таблица, которая нужна, будет получение сообщения типа «абракадабра» из смеси непонятных символов, попробуйте её сменить.

1.6. Аппаратные компоненты вычислительных сетей

Многопортовый повторитель часто называют концентратором (hub, concentrator), что отражает тот факт, что данное устройство реализует не только функцию повторения сигналов, но и концентрирует в одном центральном устройстве функции объединения компьютеров в сеть.

Концентратор, имеющий всего два порта, называют мостом.

Сетевой коммутатор или свитч (switch) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Шлюзование и маршрутизация позволяют каждой организации, с одной стороны, свободно выбирать тот тип сети, который наилучшим образом подходит под их задачи и денежные средства, а с другой стороны, обеспечивает соединение этой сети с сетями других типов.

Как примерно рассчитать время нужное для скачивания информации объёмом в 700 мегабайт (стандартный объём avi-фильма)? Имеется пропускная способность канала 512 килобит в секунду, или 64 килобайт в секунду. Посчитаем, сколько будет качаться 700 мегабайт при такой пропускной способности: 64 килобайт в секунду * 60 секунд = 3840 килобайт в минуту, зная, что 1000 килобайт равно 1 мегабайту, делим 3840 на 1000 и получаем 3,84 мегабайт в минуту. Умножаем 3,84 мегабайт на 60 минут, получаем 230 мегабайт в час. Несложно посчитать, что 700-мегабайтный фильм при таком раскладе будет качаться примерно 3 часа. Также несложно посчитать, что те же 700 мегабайт при безлимитном тарифном плане 1 мегабит/c скачаются в 2 раза быстрее, так как пропускная способность тарифа в 2 раза больше.

1.7. Программные компоненты вычислительных сетей

Каждый подключенный к Интернету компьютер должен быть оснащен программным обеспечением TCP/IP.

Так как же работает протокол TCP/IP (Ти-Си-Пи-Ай-Пи)? Предположим, требуется передать информацию с одного компьютера, подключенного к Интернет, на другой компьютер. Протокол TCP разбивает информацию на порции и нумерует их, чтобы при получении можно было правильно собрать информацию. Например, при разборке деревянного сруба нумеруют бревна, чтобы быстро собрать дом в другом месте. Далее с помощью протокола IP все части передаются получателю, где с помощью опять протокола TCP проверяется, все ли части получены. Порядок прихода частей может быть нарушен, так как отдельные части могут путешествовать по Интернет самыми разными путями. После получения всех частей TCP располагает их в нужном порядке и собирает в единое целое.

Для протокола TCP неинтересно, какими путями информация путешествует по Интернет. Это интересно протоколу IP. Точно так же, как при перевозке отдельных пронумерованных бревен неважно, какой дорогой их везут. Узнать отправителя и получателя информации можно из служебной информации, которую протокол IP добавляет к каждой полученной порции информации. По аналогии с почтой, данные помещаются в конверт или в пакет, на котором пишется адрес получателя. Далее протокол IP так же, как и обычная почта, обеспечивает доставку всех пакетов получателю. При этом скорость и пути прохождения разных конвертов могут быть различными. Интернет часто изображают в виде размытого облака. Вам неизвестны пути прохождения информации, но правильно оформленные IP-пакеты доходят до получателя.

Следует понимать, что в Интернет нет одной-единственной и непрерывной цепочки передачи информации с разными ветвями-нитями.

Интернет – сеть распределённая, она и впрямь напоминает паутину. Мухи, попав в сотканную пауком паутину, своим «трепыханием» передают информацию о своем пленении пауку, причем сразу по многим ветвям паутины. И даже если часть нитей паутины оборвана, паук узнает о попавшейся в его сеть мухе по подергивающимся многочисленным нитям, оставшимся в целости и сохранности. Примерно так же обстоит дело и в Интернете. Одна и та же информация может передаваться разными путями, поэтому так живуч Интернет. На базовых стандартах TCP/IP основываются другие стандарты, такие как

Протокол отправки электронной почты SMTP (SimpleMailTransferProtocol). SMTP даёт возможность пользователям, подключённым к Интернету, обмениваться электронной почтой. Благодаря этому и другим стандартам можно передавать электронную почту из одного места в другое, причем не только сообщения, но и программы, графику, звук, видео и другие типы данных.

Протокол получения электронных сообщений POP3

Протокол передачи гипертекста HTTP

Протокол передачи файлов FTP

Протокол телеконференций NNTP

1.8. Модель OSI

В настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, разработка которого не была связана с моделью OSI.

Модель состоит из семи уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции (подробнее можно посмотреть на рис. 9).

Верхний уровень модели, обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы, такие как удалённый доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления. Пример: HTTP, POP3, SMTP, FTP, Telnet.

Уровень 6 (представлений) эталонной модели OSI обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой.

Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Чтобы понять, как это работает, представим, что имеются две системы. Одна использует для представления данных расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC, например, это может быть мэйнфрейм компании IBM, а другая – американский стандартный код обмена информацией ASCII (его используют большинство других производителей компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод между двумя различными форматами.

5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.

4-й уровень модели предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Пример: TCP, UDP.

3-й уровень сетевой модели OSI предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю.

На этом уровне работает маршрутизатор (роутер).

Пример: IP/IPv4/IPv6 (InternetProtocol), IPX (InternetworkPacketExchange, протокол межсетевого обмена).

На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

Самый нижний уровень модели предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.

На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы.

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие виды среды передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п.

Сетевая архитектура – это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети. В соответствии со стандартными протоколами физического уровня выделяют три основные сетевые архитектуры: Ethernet и Fast Ethernet; ArcNet; Token Ring.

Infrared Data Association (IrDA, ИК-порт, инфракрасный порт) – группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве носителя.

Для передачи сообщений в компьютерных сетях используются различные типы каналов связи. Наиболее распространены выделенные телефонные каналы, радиоканалы и каналы спутниковой связи. В локальных вычислительных сетях в качестве передающей среды используются витая пара проводов, коаксиальный и оптоволоконный кабели.

1.9. Провайдеры и сетевые соединения

Существуют различные типы соединения компьютеров провайдера и пользователя:

Прямой кабель от пользователя до провайдера.

Используется телефонный кабель, но при связи с Интернет телефонная линия свободна.

Например, Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity – «беспроводная точность»).

Нужен специальный модем.

Не во всех населённых пунктах доступна, разная скорость приема и передачи данных.

Соединение провайдера и пользователя (рис. 10) сложная проблема, так как линия связи, с одной стороны, должна надежно работать, с другой стороны, не должна быть дорогой. Эта проблема настолько важна, что имеет собственное имя: «проблема последней мили».

Рис. 10. Схема работы провайдера Интернет

2. Принципы построения сетей

2.1. Адресация компьютеров

1. 
   Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба.
   
2. 
   Схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов.
   
3. 
   Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей. Эту проблему хорошо иллюстрируют международные почтовые адреса, которые позволяют почтовой службе, организующей доставку писем между странами, пользоваться только названием страны адресата и не учитывать название его города, а тем более улицы.
   
4. 
   Адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен иметь символьное представление, например Servers или www.cisco.com.
   
5. 
   Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры – сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т.п.
   

Так как все перечисленные требования трудно совместить в рамках какой-либо одной схемы адресации, то на практике обычно используется сразу несколько схем, так что компьютер одновременно имеет несколько адресов-имён. Каждый адрес используется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. А чтобы не возникало путаницы и компьютер всегда однозначно определялся своим адресом, используются специальные вспомогательные протоколы, которые по адресу одного типа могут определить адреса других типов.

2.2. IP-адресация

Каждому компьютеру, постоянно или временно подключенному к Интернету, присваивается уникальный номер, который называют IP-адресом. Это число длиной 32 бита, которое представляется в виде четырёх десятичных чисел (каждое не более 255), разделённых точками. Например: 195.34.32.11. По IP-адресам компьютеры связываются друг с другом.

Использование адреса 127.0.0.1 позволяет устанавливать соединение и передавать информацию для программ-серверов, работающих на том же компьютере, что и программа-клиент, независимо от конфигурации аппаратных сетевых средств компьютера.

2.3. DNS-адресация

Компьютер, который подключен к Интернету постоянно, называется хостом (от англ. host – гнездо). Оперировать цифровыми адресами человеку сложно, поэтому за хостами может быть закреплено доменное (текстовое) имя.

Системы доменных имен (DNS – Domain Name System) автоматически производят преобразование доменного имени в IP-адрес с помощью специальной службы Интернета.

В доменном адресе имена доменов записываются через точку по возрастанию уровня. Например, если один из компьютеров тольяттинской фирмы «Аист» назван «mail», его доменное имя может быть следующим: mail.aist.tlt.ru.

Каждый домен должен быть зарегистрирован. В России регистрацией доменов занимается РОСНИИРОС.

IP-адрес хоста всегда постоянный.

IP-адрес компьютера с сеансовым способом подключения является динамическим. Такому компьютеру адрес присваивается при входе в сеть из числа тех, что имеются в распоряжении провайдера (рис. 13).

Рис. 13. Соответствие имён DNS и IP-адресов