30251

Виды сетей

Реферат

Информатика, кибернетика и программирование

Используя единый кабель каждый компьютер требует только одной точки подключения к сети при этом он может полноценно взаимодействовать с любым другим компьютером в группе. Геометрически ЛВС всегда ограничена по размерам небольшой площадью в силу электрических свойств кабеля используемого для построения сети и относительно небольшим количеством компьютеров которые могут разделять одну сетевую среду передачи данных. Для поддержки вычислительных систем большего размера были разработаны специальные устройства которые позволили объединять две...

Русский

2013-08-24

629.35 KB

15 чел.

Виды сетей

Сеть (network) — это группа компьютеров, соединенных между собой средой передачи данных.

Локальная вычислительная сеть, или, сокращенно, ЛВС (LAN, local area network) — это группа компьютеров, объединенных совместно используемой средой передачи данных, как правило, кабелем. Используя единый кабель, каждый компьютер требует только одной точки подключения к сети, при этом он может полноценно взаимодействовать с любым другим компьютером в группе. Геометрически ЛВС всегда ограничена по размерам небольшой площадью в силу электрических свойств кабеля, используемого для построения сети, и относительно небольшим количеством компьютеров, которые могут разделять одну сетевую среду передачи данных. ЛВС обычно располагается в пределах одного здания или, самое большее, нескольких близко расположенных зданий. Некоторые технологии, такие как волоконная оптика, позволяют увеличить длину линий ЛВС до одного или двух километров, но применение ЛВС для соединения компьютеров, находящихся, например, в удаленных городах, невозможно. Такое ограничение снимается применением глобальных (территориально распределенных) сетей (WAN, wide area network).

Первоначально ЛВС были созданы для сравнительно небольшого количества компьютеров — около 30 для малых и 100 для больших сетей. Для поддержки вычислительных систем большего размера были разработаны специальные устройства, которые позволили объединять две и более ЛВС и образовывать сетевые комплексы (интерсети), по сути являющиеся "сетями сетей", то есть позволяющие компьютерам одной сети взаимодействовать с компьютерами другой. Строго говоря, ЛВС или сегмент сети — это группа компьютеров, соединенных между собой таким образом, что сообщение, посланное одной рабочей станцией, достигает всех остальных даже в том случае, если среда этой сети или сегмента состоит из нескольких участков.

Средства создания сетевых комплексов позволяют организации конструировать сетевую структуру практически неограниченных размеров. Но, в дополнение к возможности комплексирования множества ЛВС в пределах здания (или группы зданий) интерсеть может также объединять в себе ЛВС из отдаленных районов, используя каналы связи глобальной сети. Глобальная сеть (WAN) — это множество ЛВС, разделенных относительно большими расстояниями, и соединенных в различных точках.

Сравнение узкополосных и широкополосных сетей

Узкополосной локальной сетью называется такая сеть, в которой сетевой кабель (или другая сетевая среда) может передавать только один сигнал в любой момент времени. Широкополосная сеть, соответственно, способна передавать несколько сигналов одновременно, используя для каждого из них свою частоту передачи. В качестве распространенного примера широкополосной сети можно привести кабельное телевидение. Несмотря на то, что к телевизору подключен только один кабель, для просмотра можно выбирать любой из множества транслируемых каналов. Понятно, что если к системе кабельного телевидения подключены два или более телевизора, это значит, что сервисная служба установила устройство для разветвления одного кабеля, подведенного к дому, на несколько комнат. А тот факт, что в одно и то же время телевизоры, подключенные к одному кабелю, могут быть настроены на разные программы, свидетельствует о том, что по кабелю одновременно проходят сигналы различной частоты, своей для каждого канала.

Сравнение коммутации пакетов и коммутации каналов

Локальные сети называются сетями с коммутацией пакетов (packet-switching network) по той причине, что компьютеры, входящие в сеть, распределяют данные на отдельные небольшие порции, называемые пакетами (packets), непосредственно перед их передачей. Существует сходная технология, называемая коммутацией ячеек (cell switching), которая отличается от коммутации пакетов только стабильным, постоянным размером ячеек (сот), тогда как размер пакетов варьируется.

Разделение данных указанным образом необходимо, поскольку компьютеры в составе ЛВС используют один общий кабель, и передача по сети неразделенного потока данных одним компьютером займет очень много времени и заблокирует на это время сеть для остальных компьютеров. Если проанализировать данные, передаваемые по сети с коммутацией пакетов, можно увидеть, что здесь поток сигналов состоит из пакетов, сгенерированных разными системами (компьютерами) и перемешанных "внутри" кабеля. Для данного типа сетей характерно, что пакеты, являющиеся частью одного и того же сообщения, передаются по разным маршрутам и порой даже доходят до места назначения в другом порядке, нежели были посланы. Принимающая система, в свою очередь, должна иметь механизм для перестановки пакетов в нужном порядке и отслеживания потерявшихся пакетов, либо поврежденных при пересылке.

Наряду с коммутацией пакетов существует "обратная" технология, называемая коммутацией каналов (circuit switching), при которой одна сторона устанавливает прямой канал связи с другой стороной непосредственно перед передачей данных. Классический пример использования сети с коммутацией каналов — телефонная сеть. Когда вы дозваниваетесь до определенного абонента, между вашими телефонами устанавливается прямой канал связи. Этот канал остается открытым до окончания звонка, и больше никто другой не может его использовать, даже в случае, когда сигналы не передаются (то есть когда вы не разговариваете).

Кабели и топологии

Большинство ЛВС созданы с использованием медных кабелей, применяющих обычный электрический ток для передачи сигналов. Изначально большинство ЛВС состояли из компьютеров, соединенных коаксиальным кабелем, но в итоге прокладка кабеля типа "витая пара" (TP, twisted pair), используемого в телефонных системах, стала наиболее популярной и здесь. Еще один альтернативный тип кабеля — оптоволоконный кабель, не использующий электрические сигналы, при прохождении по нему двоичная информация кодируется импульсами света. Также существуют виды сетевых решений, в принципе не использующие кабеля, и, соответственно, передающие сигналы по так называемым неограниченным средам, таким как радиоволны, инфракрасные волны и излучение микроволнового диапазона.

Различные способы конфигурации соединения кабелей для объединения компьютеров в ЛВС называются топологиями (рис 1.). Они зависят от типа употребляемого кабеля и поддерживаемого протокола. Наиболее распространены следующие топологии.

  1.  Шина. Шинная топология реализуется кабелем, прокладываемым от одного компьютера к другому в виде последовательной цепочки, напоминающей гирлянду на новогодней елке. Все сигналы, передаваемые любым компьютером в сеть, идут по шине в обоих направлениях ко всем остальным компьютерам. Два конца шины должны быть "закрыты" при помощи электрических сопротивлений, для того, чтобы сигналы не отражались и не уходили в обратном направлении. Основной недостаток шинной топологии состоит в том, что, подобно елочной гирлянде, дефект кабеля в любом месте его протяженности делит сеть на две части, не способные общаться между собой. Большая часть сетей, построенных на коаксиальных кабелях, используют шинную архитектуру.
  2.  Звезда. Топология "звезда" использует отдельный кабель для каждого компьютера, проложенный от центрального устройства, называемого хабом (hub) или концентратором. Концентратор транслирует сигналы, поступающие на любой из его портов, на все остальные порты; в результате чего сигналы, посылаемые одним узлом, достигают остальных компьютеров. Сеть на основе "звезды" более устойчива к повреждениям, нежели сеть на базе шинной архитектуры, так как повреждение кабеля затрагивает непосредственно только тот компьютер, к которому он подсоединен, а не всю сеть. Большинство сетей, использующих кабель типа "витая пара", монтируются по топологии "звезда.
  3.  Кольцо. Топология кольца функционально эквивалентна шине, у которой концы соединены друг с другом; таким образом, сигналы передаются от одного компьютера к другому, двигаясь по кругу. Однако коммуникационное кольцо — это только логическая абстракция, а не физическая конструкция. Фактически сеть представляет собой звезду, но при этом специальный концентратор реализует логическое кольцо путем пересылки входящего сигнала только через следующий нисходящий порт (вместо передачи через все порты, как это делает концентратор при применении топологии "звезда"). Каждый компьютер, получив входящий сигнал, обрабатывает его (если это необходимо) и посылает обратно концентратору для передачи следующей рабочей станции в сети. В соответствии с данным принципом работы, система, передающая сигнал в сеть, должна также удалить его после того, как он обошел все кольцо полностью. Сети, сконструированные на основе топологии "кольцо", могут использовать различные типы кабеля. Например, сети Token Ring используют витую пару, в то время как FDDI-сети реализуют топологию "кольцо" с помощью оптоволоконных кабелей.
  4.  Шина-звезда. Данная топология — один из способов расширения одиночной "звезды". Эта схема формируется из множества "звезд”, концентраторы которых соединяются отдельными сегментами общей шины. Каждый компьютер по-прежнему может связываться с любым другим в сети, поскольку связанный с ним концентратор передает входящий трафик через порты "звезды".

Рис 1. Основные виды топологий

Управление доступом к среде передачи данных

Когда множество компьютеров подключены к одной и той же среде с узкополосной передачей, то должен быть реализован механизм управления доступом к среде (MAC, Media Access Control) для осуществления арбитража доступа и предотвращения одновременной передачи данных системами. Механизм управления доступом к среде является основой всех протоколов для любых ЛВС. Два наиболее распространенных механизма: множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMS/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), применяемый в сетях Ethernet, и передача маркера, которая используется сетями Token Ring, FDDI и другими типами ЛВС. Эти два механизма принципиально различны, но выполняют одну и ту же задачу, обеспечивая каждую систему в сети равными возможностями для приема/передачи данных.

Механизм управления доступом к среде CSMA/CD.

Подобно любому методу MAC, CSMA/CD позволяет компьютерам в сети совместно разделять единую узкополосную среду передачи без потери данных. В сети нет приоритетов, поскольку на этом основан метод доступа к среде. Каждый узел имеет равные права на доступ к сетевой среде передачи.

Когда узел в сети хочет передать данные, сначала он "прослушивает" сетевую среду, пытаясь определить, используется ли она. Это — фаза контроля несущей. Если узел выявляет в сети трафик, он выдерживает короткую паузу и снова прослушивает сеть. Если сеть свободна, то любой узел сети может осуществить через нее передачу своих данных. Это — фаза множественного доступа. Описанный механизм сам управляет доступом к среде передачи, но не без ошибок.

Коллизии возникают, когда одна система передает данные, а другая система выполняет контроль несущей в течение короткого промежутка времени до того момента, как первый бит переданного пакета достигнет ее. Этот интервал известен как время состязания (contention time) или временной зазор (slot time), так как каждая вовлеченная в процесс система полагает, что она начала передавать данные первой. Таким образом, каждый узел в сети всегда находится в одном из трех возможных состояний: передаче, соревновании или ожидании. Когда сталкиваются пакеты от двух различных узлов, в кабеле возникает состояние, отличное от нормы, которое распространяется навстречу обеим системам. Когда каждая передающая система выявляет ненормальную ситуацию, она осознает, что имеет место коллизия, немедленно прекращает посылать данные и предпринимает действия, чтобы исправить эту ситуацию. Это — стадия обнаружения коллизии. Из-за того, что столкнувшиеся пакеты считаются поврежденными, обе задействованные системы передают в остальную сеть сигнал задержки (jam pattern), информирующий другие системы в сети о столкновении и предотвращающее возможную передачу ими данных.

После передачи сигнала задержки оба узла, вовлеченные в конфликт, откладывают свою передачу на случайный интервал времени, который вычисляется по алгоритму с использованием их собственных МАС-адресов в качестве уникальных факторов. Этот процесс называется отсрочкой или временной выдержкой. Так как оба узла выполняют независимые вычисления временной паузы, то шанс, что они начнут повторную передачу в одно и то же время, существенно снижается. Однако это по-прежнему возможно, и, если между теми же двумя узлами возникнет очередная коллизия, то они оба увеличат продолжительность интервалов задержки и снова переходят в состояние отсрочки. Как следствие того, что увеличивается количество возможных значений интервала выдержки, вероятность того, что системы снова выберут одинаковые интервалы, уменьшается.

Передача маркера

Когда сеть свободна, рабочие станции находятся в режиме ожидания входящей посылки. Маркер непрерывно циркулирует от узла к узлу до тех пор, пока не достигнет рабочей станции, имеющей данные для передачи. Рабочая станция изменяет в маркере бит настройки монитора (monitor setting bit)  указывая, что сеть занята, и отправляет маркер следующей станции, а сразу после него передает свой пакет данных.

Пакет также циркулирует по кольцу. Каждый узел считывает из заголовка кадра адрес назначения и либо копирует пакет в свой буфер памяти для дальнейшей обработки и передает его следующему узлу, предварительно фиксируя в пакете подтверждение приема, либо просто без какой-либо обработки продвигает пакет дальше. Таким образом, пакет достигает каждого узла в сети, прежде чем вернуться к станции, изначально отправившей его.

При получении пакета узел, отправивший его ранее, сравнивает полученные данные с теми, что были переданы им, для того, чтобы выявить наличие ошибок, которые могли появиться во время передачи. Если выявлены ошибки, станция повторяет передачу пакета. Если ошибок нет, станция удаляет пакет из сети и отбрасывает его, затем изменяет значение бита настройки монитора, освобождая тем самым маркер, и заново посылает его в сеть. Все системы имеют равные шансы на осуществление передачи данных, и описанный процесс точно также повторяется для любой из них, захватившей маркер.

Из-за того, что данные может передавать только система, удерживающая маркер, в таких сетях невозможно возникновение коллизий до тех пор, пока нет серьезных неисправностей.

Адресация

Для эффективного взаимодействия компьютеров через сетевую среду с общим доступом они должны правильно идентифицировать друг друга, обычно это осуществляется с помощью цифрового адреса. В большинстве случаев сетевая плата каждого компьютера имеет жестко "прошитый" при ее изготовлении опознавательный код — так называемый аппаратный адрес (МАС-адрес), уникальный для каждой платы. Любой пакет данных, передаваемый компьютером, содержит адрес этого компьютера и адрес целевого компьютера. Кроме МАС-адресов компьютеры могут иметь адреса для операций, выполняемых на уровнях, отличных от аппаратного. Например, протокол TCP/IP требует, чтобы каждому компьютеру в сети был присвоен уникальный IP-адрес в дополнение к уже имеющемуся встроенному адресу. Сетевые узлы используют различные типы адресации для различных типов взаимодействия.

Повторители, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы

Отдельные ЛВС могут быть связаны друг с другом посредством использования различных типов устройств, одни из которых просто расширяют ЛВС, а другие непосредственно связаны с формированием интерсети. Ниже приведен список таких устройств.

  1.  Повторитель. Представляет собой полностью электрическое устройство, которое увеличивает максимальную протяженность кабеля ЛВС путем усиления сигнала, проходящего через такое устройство. Концентраторы, используемые в сетях, основанных на топологии "звезда", иногда называются многопортовыми повторителями, поскольку сами по себе имеют способность к усилению сигнала. Автономные повторители могут применяться в сетях, созданных с использованием коаксиального кабеля, для увеличения протяженности этих сетей. Употребление повторителя с целью расширения сегмента сети не разделяет последний физически на две ЛВС и не образует сетевого комплекса.
  2.  Мост. Выполняет функцию усиления сигнала, как и повторитель, но вместе с тем имеет способность избирательно отфильтровывать пакеты по их адресам. Пакеты, приходящие на вход моста, пропускаются на выход только в том случае, если они адресованы компьютеру, находящемуся по другую сторону моста. Поскольку мосты не препятствуют прохождению широковещательных сообщений, они также не делят ЛВС на сегменты и не создают интерсети.
  3.  Коммутатор. Коммутаторы — это, как можно выразиться, революционные устройства, которые во многих случаях абсолютно устраняют необходимость наличия среды передачи данных. Коммутатор является многопортовым повторителем, как и концентратор, однако, вместо работы на чисто электрическом уровне он считывает адрес назначения каждого входящего пакета и передает его только через тот порт, с которым соединен компьютер-адресат. Коммутаторы могут функционировать на разных уровнях, объединяя сети с другими сетями или сетевыми комплексами.
  4.  Маршрутизатор. По определению — это устройство, соединяющее различные ЛВС и формирующее интерсеть. Равно как и мост, маршрутизатор пропускает только информацию, предназначенную для сегмента, с которым он соединен. Однако, в отличие от повторителей и мостов, маршрутизаторы препятствуют прохождению широковещательных сообщений. Они могут объединять и сети различных типов (например, Ethernet и Token Ring), в то время как мосты и повторители могут интегрировать только однотипные сети или сетевые сегменты.

Протоколы и стандарты

Взаимодействие компьютеров в сети регламентируется протоколами, то есть формальными наборами правил и соглашений, определяющими, каким образом в сети устройства обмениваются данными. Эти протоколы описывают любой момент взаимодействия — от характеристик сигналов, передаваемых по кабелям, до языков запросов, позволяющих обмениваться сообщениями приложениям, исполняемым на разных компьютерах. Компьютеры сети используют множество протоколов, которое называется "стек" и простирается от пользовательского интерфейса программы, расположенной на "вершине", до физического интерфейса сети на "дне”. Традиционно стек делится на семь уровней, функции которых определяются эталонной моделью взаимодействия открытых систем (OSI, Open System Interconnection) — документом, описывающим как отдельные функции каждого уровня, так и их совместное применение для обеспечения взаимодействия компьютеров сети.

В настоящее время стандартные протоколы для широкого использования разрабатываются специальными международными организациями или группами, некоторые из которых перечислены ниже.

  1.  Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE, Institute of Electrical and Electronic Engineers). Североамериканская организация, опубликовавшая рекомендации рабочей группы 802 (IEEE 802 working group), содержавшие стандарты, определившие протоколы, известные в настоящее время как Ethernet и Token Ring, а также многие другие.
  2.  Международная организация по стандартизации (ISO, International Organi-zation for Standardization). Всемирное объединение организаций по выработке стандартов, включающее более 100 государств. Разработала эталонную модель OSI.
  3.  Проблемная группа проектирования сети Интернет (IETF, Internet Engineering Task Force). Группа разработчиков и консультантов, созданная специально для выработки стандартов Интернет-технологий, включая протокол TCP/IP.
  4.  Ассоциация производителей средств связи/Ассоциация электронной промышленности (TIA/EIA, Telecommunications Industry Association/Electronic Industry Association). Две организации, объединившиеся для разработки и публикации стандартов электронных устройств и передачи данных, таких как электрические характеристики среды передачи данных (EIA/TIA-232) и правила телекоммуникационной проводки в коммерческих зданиях (Commercial Building Telecommunications Wiring Standards), определяющие, как должны прокладываться кабели для информационных сетей.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64742. ИСТОРИЯ ВОЕННОЙ МЕДИЦИНЫ И ФАРМАЦИИ В РУССКОЙ АРМИИИ 332.5 KB
  Различия в понимании специфики военно-медицинской деятельности в дореволюционный и советский периоды развития российской военной системы. Основные источники по истории военной медицины и фармации в русской армии.
64744. КУРС ЛЕКЦІЙ З ДИСЦИПЛІНИ «ІСТОРІЯ УКРАЇНИ» 881.5 KB
  Якщо мати на увазі історію нашої країни то предметом курсу історії України є вивчення розвитку людського суспільства на українських землях з найдавніших часів, тобто з часу появи людини і до наших днів.
64745. ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА. КУРС ЛЕКЦИЙ 992 KB
  Физкультурное физкультурно-спортивное движение форма социального движения целью которого является содействие повышению уровня физической культуры населения целенаправленной деятельности государственных и общественных организаций граждан...
64746. ЛЕКЦИИ ПО ЗАРУБЕЖНОЙ ЛИТЕРАТУРЕ ХХ ВЕКА 1.03 MB
  И в самом деле на определенное время Невидимка завладевает сознанием и руководит действиями Марвела который помогает ему в частности переносить книги и Кемпа который по воле автора повести почти безпрекословно выслушивает довольно длинный рассказ...
64748. Сестринское дело как профессия. Качество медицинской помощи 409 KB
  Стандарты сестринского ухода. Содержание сестринского дела менялось на протяжении веков так же как менялись запросы общества и условия жизни. При этом цель сестринского ухода была сформулирована так: Создать для пациента наилучшие условия для активации его собственных сил.