12087

Введение в компьютерные сети

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

1. Введение в компьютерные сети 1.1. Локальные и глобальные сети На самом элементарном уровне сеть – это два компьютера обменивающихся информацией по соединяющему их кабелю. Кроме того компьютеры могут использовать общие разделяемые устройства например факсмодемы. ...

Русский

2013-04-24

58 KB

7 чел.

1. Введение в компьютерные сети

1.1. Локальные и глобальные сети

На самом элементарном уровне сеть – это два компьютера, обменивающихся информацией по соединяющему их кабелю. Кроме того, компьютеры могут использовать общие (разделяемые) устройства, например факс-модемы. Группа объединенных вместе компьютеров и других устройств называется сетью (network), а принцип совместной работы с разделяемыми ресурсами – сетевым взаимодействием (networking).

Существуют три типа сетей:

Локальная сеть (LAN, Local Area Network)

Глобальная сеть (WAN, Wide Area Network)

Городская сеть (MAN, Metropolitan Area Network).
Региональные (городские) сети используют технологии глобальных сетей для объединения локальных сетей в конкретном географическом регионе, например в городе.

Рассмотрим на концептуальном уровне два основных типа сети: локальные и глобальные.

Локальная сеть (LAN, Local Area Network) представляет собой несколько компьютеров, соединенных друг с другом кабелем и расположенных в одном месте, обычно на этаже здания или в небольшой фирме.

Нередко отделения компании распределены по разным географическим регионам. Например, большинство банков имеет головной офис (штаб-квартиру) в одном городе и локальные отделения в других городах, населенных пунктах и даже странах. Локальные сети можно применять для совместного использования ресурсов в одном здании или в комплексе зданий, но они не позволяют связать между собой отдаленные географические пункты.

Для этого служат глобальные сети (WAN, Wide Area Network) Глобальные сети – это совокупность локальных сетей, связанных коммуникационными каналами. Такие каналы представляют собой телефонные линии, арендуемые у различных телефонных компаний. Для построения глобальных сетей можно использовать также спутниковые каналы, мобильные радиостанции или микроволновые приемопередатчики (трансиверы). Подобные варианты обычно значительно дороже выделенных телефонных линий, но хорошо подходят в тех случаях, когда телефонные каналы использовать невозможно.

Большинство глобальных сетей являются частными и принадлежат компаниям, которые их эксплуатируют. В то же время существует такая крупнейшая в мире глобальная сеть, как Internet, не принадлежащая конкретному владельцу. Сегодня многие компании формируют свои частные глобальные сети с помощью шифрованной передачи данных через Internet.

Для глобальной сети характерна очень малая полоса пропускания. Самые быстрые коммерчески доступные каналы передачи данных во много раз медленнее самой низкопроизводительной локальной сети. Это затрудняет совместное использование ресурсов в глобальной сети. В общем случае каналы глобальных сетей применяются только для взаимодействия между процессами и маршрутизации коротких сообщений, например электронной почты или передачи  HTML документов (World Wide Web).

1.2. Одноранговые и серверные сети

Локальные, глобальные и региональные сети могут быть:

одноранговыми сетями (peer-to-peer), в которых нет серверов и разделяются ресурсы независимых узлов;

серверными сетями или клиент/сервер (server/based или client/server), содержащие клиентов и обслуживающие их серверы;

гибридными сетями – сети клиент/сервер с одноранговыми разделяемыми ресурсами (большинство сетей на самом деле являются гибридными).

Рассмотрим два основных типа сети: одноранговые и серверные.

1.2.1. Одноранговые сети

Характеристики одноранговых сетей

Размер - не более 10 компьютеров.

Вопросы защиты решаются каждым пользователем самостоятельно.

Администрированием своего компьютера занимается каждый пользователь. Нет необходимости в сетевом администраторе.

Преимущества одноранговых сетей

Легки в установке и настройке.

Отдельные машины не зависят от выделенного сервера.

Позволяют пользователям управлять разделением ресурсов.

Недороги в приобретении и эксплуатации.

Не влекут дополнительных расходов на серверы или необходимое ПО.

Не требуют специальной должности администратора сети.

Недостатки одноранговых сетей

Дополнительная нагрузка на компьютеры из-за совместного использования ресурсов.

Неспособность одноранговых узлов обслуживать, подобно серверам, столь же большое число –соединений.

Отсутствие централизованной организации, что затрудняет поиск данных.

Нет центрального места хранения файлов, что усложняет их архивирование.

Необходимость администрирования пользователями собственных компьютеров.

Слабая и неудобная система защиты. Пользователи должны помнить столько паролей, сколько имеется разделенных ресурсов.

Когда кто-нибудь получает доступ к разделенному ресурсу, на компьютере, где этот ресурс расположен, ощущается падение производительности.

1.2.2. Серверные сети

Характеристики серверных сетей

Размер ограничен аппаратным обеспечением сервера и сети.

Всесторонняя и централизованная защита ресурсов.

Администрирование осуществляется централизованно. Необходим хотя бы один администратор с соответствующей подготовкой.

Преимущества серверных сетей

Сильная централизованная защита.

Центральное хранилище файлов, следовательно все пользователи могут работать с одним набором данных, а резервное копирование важной информации значительно упрощается.

Оптимизированные выделенные серверы функционируют в режиме разделения ресурсов быстрее, чем одноранговые узлы.

Пользователям для входа в сеть нужно помнить только один пароль, что позволяет им получить доступ ко всем ресурсам, к которым имеют права.

Освобождение пользователей от задачи управления разделяемыми ресурсами.

Простая управляемость при большом числе пользователей.

Недостатки серверных сетей

Неисправность сервера может сделать сеть неработоспособной; в лучшем случае это означает потерю сетевых ресурсов.

Дорогое специализированное аппаратное обеспечение.

Дорогостоящие серверные ОС и клиентские лицензии.

Как правило, требуется специальный администратор сети, что увеличивает общую стоимость владения сетью.

1.3. Типы серверов

Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Чтобы серверы отвечали современным требованиям пользователей, в больших сетях их делают специализированными (specialized). Наиболее распространенные типы серверов включают в себя:

Файловые серверы

Серверы печати

Серверы приложений

Серверы сообщений

Серверы баз данных

Рассмотрим каждый тип серверов.

1.3.1. Файловые серверы

Файловые серверы предоставляют средства, позволяющие пользователям сети совместно работать с файлами. В настоящее время существует несколько популярных типов файловых серверов, Windows NT, NetWare, AppleShare и Banyan Vines.

Файловый сервис реализуется с помощью сетевых приложений с функциями хранения, извлечения и перемещения данных. Существуют следующие типы файлового сервиса:

Передача файлов

Хранение файлов и перенос несрочных данных с неавтономных устройств хранения данных (жесткие диски) на автономные (магнитные ленты, сменные оптические диски)

Синхронизация файлов при обновлении
Необходима для обеспечения наличия у каждого пользователя последней версии файла. Отслеживая метку даты
/времени файла и имена пользователей, синхронизация файлов гарантирует внесение в них изменений в хронологическом порядке и правильное обновление

Архивирование файлов
Процесс резервного копирования файлов на автономные устройства хранения данных (накопители на магнитных лентах или оптических дисках)

1.3.2. Серверы печати

Серверы печати управляют совместным доступом пользователей к принтерам. В сетевой операционной системе для этого применяются очереди печати – специальные области хранения данных, куда организованно помещаются задания, передаваемые на принтер. Задания в очередях печати можно передавать на принтер в порядке поступления или назначать им приоритеты согласно некоторому критерию (например, размеру файла или имени пользователя – владельца задания).

1.3.3. Серверы приложений

Прикладные службы позволяют клиентскому ПК получать дополнительные вычислительные мощности и использовать дорогостоящее прикладное ПО, которое находится на общедоступном компьютере. В сеть можно включить специализированные серверы, предоставляющие средства конкретных приложений.

1.3.4. Серверы сообщений

Серверы сообщений предоставляют средства обмена данными в виде графики, цифрового видео/аудио, текста или двоичных данных. Службы сообщений должны координировать сложное взаимодействие между пользователями, документами и приложениями. Существуют следующие основные типы служб сообщений:

Электронная почта

E-mail позволяет пересылать текст, видео, аудиоинформацию и графику. Кроме того, существует речевая почта, позволившая объединить компьютеры и телефоны в одну интегрированную систему. Теперь пользователь может “позвонить в сеть” с удаленного телефона и, применяя программу преобразования текста в речь, прослушать поступившие на его компьютер сообщения, читаемые синтезированным машинным голосом.

Приложения для рабочих групп

Приложения для рабочих групп обеспечивают эффективное выполнение задач несколькими пользователями в сети. К приложениям такого типа можно отнести: 

Приложения управления документооборотом. Маршрутизируют документы, формы и сообщения, направляя их от одного пользователя к другому. Такой тип приложений применяется в задачах, требующих ввода информации несколькими пользователями. Одним из подобных типов приложений являются программы планирования. Кроме того, можно автоматизировать сложные деловые процессы. Например, каждый сотрудник, утверждающий документ, будет получать его по сети и передавать следующему служащему. Документ передается в корректном порядке, пока не пройдет все этапы утверждения (или не будет отклонен).

Документы со связанными объектами. Содержат несколько объектов данных различных типов, скомпонованных вместе. Совокупность таких объектов и образует документ. Например, один документ может включать в себя видео, звук, текст и графику. Служба обмена сообщениями в этом случае действует как агент пересылки данных, передавая сообщения между объектом и инициализирующим его приложением или файлом.

Объектно-ориентированные приложения.

Это программы, которые способны выполнять различные функции, комбинируя небольшие приложения (объекты). Такое комбинирование объектов позволяет объектно-ориентированным приложениям решать сложные задачи.

Службы сообщений организуют коммуникации между объектами, выполняя роль посредника. Таким образом, объектам не нужно взаимодействовать непосредственно с другими объектами в сети. Вместо этого они могут передать данные агенту, который отправит их объекту-получателю.

Службы каталогов

Каталог (directory) содержит данные о серверах, позволяя пользователям находить, сохранять и защищать информацию в сети. Windows NT Server организует компьютеры (клиентов и серверы) в домены (domains) и поддерживает информацию о ресурсах, доступных пользователям домена.

1.3.5. Серверы баз данных

Службы баз данных предоставляют сети мощные средства БД, доступные для использования на относительно маломощных ПК. Большинство систем баз данных реализовано в архитектуре клиент/сервер. Это означает, что приложения БД работают на двух различных компонентах:

Клиентская часть приложения функционирует на клиенте, обеспечивая интерфейс и обработку наименее интенсивно загружающих процессор функций, таких как запросы к данным.

Серверные компоненты приложения управляют операциями с БД, требующими высокой производительности. Они функционируют на сервере БД, обрабатывая базы данных, очереди, запросы клиентов.

Предположим, сеть содержит базу данных объемом в 100 Гбайт. Эта БД может управляться централизованным приложением базы данных, реализованным на основе модели клиент/сервер. Клиент запрашивает информацию с сервера, который обрабатывает запрос и сообщает результаты клиенту. Клиент может обращаться к данным, обрабатывать их и возвращать серверу.

Распределенные БД максимально увеличивают эффективность сети, позволяя хранить данные ближе к тем узлам, где они необходимы. Для пользователя такая БД выглядит как единое целое, хотя ее данные могут храниться во всей сети, ближе к тем пользователям, которым нужна соответствующая информация.

1.4. Сетевая топология

Метод соединения компьютеров в сети называется топологией. Топология сети – это ее физическая схема, отображающая расположение узлов и соединение их кабелем.

Можно выделить четыре основные сетевые топологии:

Шинную

Звездообразную

Кольцевую

Ячеистую (сотовую)

Кроме того, существуют смешанные топологии, которые сочетают отдельные свойства основных топологий.

Рассмотрим каждую топологию отдельно.

1.4.1. Шинная топология

Характеристики шинной топологии

В шинной топологии используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, к которому подключены все компьютеры сети.

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако, информацию принимает только тот компьютер, чей адрес соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Остальные компьютеры отбрасывают сообщение.

В каждый момент времени отправлять сообщение может только один компьютер, поэтому число подключенных к сети машин значительно влияет на ее быстродействие. Перед передачей данных компьютер должен ожидать освобождения шины.

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

Важным фактором в шинной топологии является оконечная нагрузка. Электрический сигнал от передающего компьютера свободно распространяется по всей длине кабеля. Без оконечной нагрузки сигнал достигает конца кабеля, отражается и идет в обратном направлении. Такое эхоотражение и путешествие сигнала туда и обратно по кабелю называется зацикливанием (ringing). Для предотвращения подобного явления к обоим концам кабельного сегмента подключается оконечная нагрузка (терминаторы). Терминаторы поглощают электрический сигнал и предотвращают его отражение. В сетях с шинной топологией кабели нельзя оставлять без оконечной нагрузки.

Примером недорогой сети с шинной топологией является Ethernet 10Base2 (такую сеть называют также “тонкой” Ethernet).

Преимущества шинной топологии

Надежно работает в небольших сетях, проста в использовании и понятна.

Шина требует меньше кабеля для соединения компьютеров и потому дешевле, чем другие схемы кабельных соединений.

Шинную топологию легко расширить. Два кабельных сегмента можно состыковать в один длинный кабель с помощью цилиндрического соединителя BNC (баррел-коннектор). Это позволяет подключить к сети дополнительные компьютеры.

Для расширения сети с шинной топологией можно использовать повторитель. Повторитель (repeater) усиливает сигнал и позволяет передавать его на большие расстояния.

Недостатки шинной топологии

Интенсивный сетевой трафик значительно снижает производительность такой сети. Поскольку любой компьютер может передать данные в произвольный момент времени, и в большинстве сетей они не координируют друг с другом моменты передачи, в сети с шинной топологией с большим числом компьютеров станции часто прерывают друг друга, и немалая часть полосы пропускания (мощность передачи информации) теряется понапрасну. При добавлении компьютеров к сети проблема еще больше усугубляется.

Каждый цилиндрический соединитель ослабляет и искажает электрический сигнал; большое их число будет препятствовать корректной передаче информации по шине.

Сеть с шинной топологией трудно диагностировать. Разрыв кабеля или неправильное функционирование одного из компьютеров может привести к тому, что другие узлы не смогут взаимодействовать друг с другом. В результате вся сеть становится неработоспособной.

1.4.2. Звездообразная топология

Характеристики звездообразной топологии

Все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту – концентратору (hub).

Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным (в звездообразной сети с широковещательной рассылкой) или только к компьютеру адресату (в коммутируемой звездообразной сети).

Концентраторы бывают активными и пассивными. Активный концентратор регенерирует электрический сигнал и посылает его всем подключенным компьютерам. Такой тип концентратора часто называют многопортовым повторителем (multiport repeater). Для работы активных концентраторов и коммутаторов требуется питание от сети. Пассивные концентраторы, например монтажная панель или коммутирующий блок, действуют как точка соединения. Они пропускают через себя сигнал как узлы коммутации, не усиливая и не восстанавливая его. Электропитания такие устройства не требуют.

Для реализации сети с топологией типа “звезда” можно применять несколько типов кабелей. Гибридный концентратор позволяет использовать в одной звездообразной сети разные типы кабелей.

Расширять звездообразную сеть можно путем подключения вместо одного из компьютеров еще одного концентратора и подсоединения к нему дополнительных машин. Так создается гибридная звездообразная сеть.

Преимущества звездообразной топологии

Такая сеть допускает простую модификацию и добавление компьютеров, не нарушая остальной ее части. Достаточно проложить новый кабель от компьютера к центральному узлу и подключить его к концентратору. Если возможности центрального концентратора будут исчерпаны, следует заменить его устройством с большим числом портов.

Центральный концентратор звездообразной сети удобно использовать для диагностики. Интеллектуальные концентраторы (устройства с микропроцессорами, добавленными для повторения сетевых сигналов) обеспечивают также мониторинг (отслеживание сетевого трафика) и управление сетью.

Отказ одного компьютера не приводит к останову всей сети. Концентратор способен выявлять отказы и изолировать такую машину или сетевой кабель, что позволяет остальной сети продолжить работу.

В одной сети допускается применение нескольких типов кабелей (если их позволяет использовать концентратор).

Недостатки звездообразной топологии

При отказе центрального концентратора становится неработоспособной вся сеть.

Многие сети с топологией “звезда” требуют применения на центральном узле устройства для ретрансляции широковещательных сообщений или коммутации сетевого трафика.

Все компьютеры должны соединяться с центральной точкой, это увеличивает расход кабеля, и, следовательно, такие сети обходятся дороже, чем сети с иной топологией.

1.4.3. Кольцевая топология

Характеристики кольцевой топологии

Компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличии от пассивной топологии “шина”, здесь каждый компьютер выступает в роли повторителя, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому сеть является активной.

Некоторые сети с кольцевой топологией используют метод эстафетной передачи. Специальное короткое сообщение-маркер циркулирует по кольцу, пока компьютер не пожелает передать информацию другому узлу. Он модифицирует маркер, добавляет электронный адрес и данные, а затем отправляет его по кольцу. Каждый из компьютеров последовательно получает данный маркер с добавленной информацией и передает его соседней машине, пока электронный адрес не совпадет с адресом компьютера-получателя, или маркер не вернется к отправителю. Получивший сообщение компьютер возвращает отправителю ответ, подтверждающий, что послание принято. Тогда отправитель создает еще один маркер и отправляет его в сеть, что позволяет другой станции перехватить маркер и начать передачу. Маркер циркулирует по кольцу, пока какая-либо из станций не будет готова к передаче и не захватит его.

Скорость движения маркера сопоставима со скоростью света. Маркер может пройти кольцо с диаметром в 200 м примерно 10000 раз в секунду. В некоторых еще более быстрых сетях циркулирует сразу несколько маркеров. В других сетевых средах применяются два кольца с циркуляцией маркеров в противоположных направлениях. Такая структура способствует восстановлению сети в случае возникновения отказов. Примером такой сети является FDDI, Fiber Distributed Data Interface (Распределенный интерфейс передачи данных по оптоволоконному кабелю) со скоростью передачи 100 Мбит/с.

Преимущества кольцевой топологии

Поскольку всем компьютерам предоставляется равный доступ к маркеру, никто из них не сможет монополизировать сеть.

Справедливое совместное использование сети обеспечивает постепенное снижение ее производительности в случае увеличения числа пользователей и перегрузки (лучше, если сеть будет продолжать функционировать, хотя и медленно, чем сразу откажет при превышении пропускной способности).

Недостатки кольцевой топологии

Отказ одного компьютера в сети приводит к прекращению функционирования всей сети.

Кольцевую сеть трудно диагностировать.

Добавление или удаление компьютера вынуждает разрывать сеть.

1.4.4. Топология “звезда-шина”

Несколько сетей с топологией “звезда” объединяются при помощи магистральной линейной шины. Если один из компьютеров отказывает, концентратор может выявить отказавший узел и изолировать неисправную машину. А выход из строя концентратора повлечет за собой отсоединение от сети только подключенных к нему компьютеров и концентраторов.

1.4.5. Топология “звезда-кольцо”

Несколько сетей с топологией подключаются к главному концентратору, образуя “звезду”. Кольцо же реализуется внутри главного концентратора.

Топология “звезда-кольцо” внешне идентична топологии “звезда”, но концентратор представляет собой логическое кольцо.

1.4.6. Ячеистая (сотовая) топология

Характеристики ячеистой топологии

Топология Mesh (Ячеистая) соединяет все компьютеры попарно.

Использует значительно большее количество кабеля, чем любая другая топология, что делает ее дороже.

Устойчивость к сбоям – способность работать при наличии повреждений. В сети с поврежденным сегментом это означает обход сегмента. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другим компьютером по сети, так что отдельный обрыв кабеля не приведет к потере соединения между любыми двумя компьютерами.

Преимущества ячеистой топологии

Отказоустойчивость.

Гарантированная пропускная способность канала связи

Простота в диагностике.

Недостатки ячеистой топологии

Сложность инсталляции и реконфигурации. При увеличении числа устройств сложность увеличивается в геометрической прогрессии, что связано с большим числом соединений. Например, для объединения шести устройств потребуется 15 соединений, семи устройств – 21 соединение и т.д.

Стоимость поддержки избыточных каналов.

1.4.7. Гибридная сотовая топология

Содержит некоторые избыточные связи (но не между всеми узлами). Такая сеть должна стоить меньше, чем сеть полностью построенная на сотовой топологии, но будет не столь защищенной от сбоев.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44863. Great Britain 17.81 KB
  The two min islnds re Gret Britin in which re Scotlnd Wles nd Englnd to the est nd Irelnd in which re Northern Irelnd nd the independent Irish Republish to the west. In everydy speech “Gret Britin†is used to men the United Kingdom. Gret Britin is mde up Scotlnd Wles nd Englnd; it does not include Northern Irelnd.
44864. Запуск системы X Window 24.6 KB
  Несколько более успешный но все еще не самый правильный способ выхода в графический режим состоит в выполнении команды xinit. Программа xinit она расположена в каталоге usr X11R6 bin предназначена для запуска сервера системы X Window и хотя бы одной программы-клиента. Если в командной строке не указано какой именно Xсервер запускать xinit ищет в домашнем каталоге пользователя файл . Если такого файла нет xinit по умолчанию выполняет следующий скрипт: X :0 т.
44865. Биография Исаака Бродского 19.23 KB
  В 1909 году Бродский едет на полгода во Францию по программной поездке предоставленной Академией. В период с 1910 по 1911 год Бродский живет на Капри в гостях у М. Вернувшись из поездки Бродский участвовал на выставках передвижников Академии и Союза русских художников.
44866. Обобщение методического наследия. Краткие сведения из истории развития методики как науки 20.07 KB
  Первый известный печатный учебник русского языка Азбука Ивана Федорова 1574 в ней даны 45 букв кирилловского алфавита грамматика орфография элементы просодии. Из числа учебников русского языка в XVIIXVIII вв. и оказавшая сильное влияние как на развитие нормированного русского языка так и на школьные учебники. Возникновение методики РЯ как науки связывается с появлением книги Буслаева выдающегося лингвиста историка педагога О преподавании отечественного языка 1844.
44867. Позиционные чередования гласных и согласных в РЯ. Слог. Типология слогов. Принципы слогообразования и слогоделния 41 KB
  При морфологических чередованиях в качестве особой позиции может выступать не только суффикс но и окончание. Фонетические и морфологические чередования могут образовывать целые ряды позиционно чередующихся звуков. Позиционно-обусловленные чередования.
44868. Орфоэпические нормы 16.12 KB
  Фонетическая система языка диктует только один вариант реализации звуков в потоке речи. Иное произношение звуков воспринимается как неправильное приводит к нарушению законов фонетического языка. Русский литературный язык характеризуется такими явлениями как аканье и иканье Аканье – неразличение в безударных слогах после твердых гласных звуков а ОЭ Иканье – неразличие в 1 предударном слоге после мягких согласных этих же гласных .
44870. СОЦИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ 15.05 KB
  А так же устойчивый комплекс формальных и неформальных правил норм установок регулирующие различные сферы жизни. удовлетворять свои потребности и интересы; 2 регулирует действия членов общества в рамках социальных отношений; 3 обеспечивает устойчивость общественной жизни; 4 обеспечивает интеграцию стремлений действий и интересов индивидов; 5 осуществляет социальный контроль. Института: Значимость в политической жизни стран.