Лекция 6
6. Понятие о сетях ЭВМ, информационных технологиях на сетях. Основы телекоммуникаций и распределенной обработки информации.
6.1. Основы телекоммуникаций и распределенной обработки информации.
6.2. Вычислительные сети. Принципы построение и классификация.
6.3. Программное обеспечение вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети.
Создание высокоэффективных крупных систем обработки данных связано с объединением средств вычислительной техники, обслуживающей отдельные предприятия, организации и их подразделения, с помощью средств связи в единую распределенную вычислительную систему.
Такое комплексирование средств вычислительной техники позволяет повысить эффективность систем обработки информации за счет снижения затрат, повышения надежности и производительности эксплуатируемых ЭВМ, рационального сочетания преимуществ централизованной и децентрализованной обработки информации благодаря приближению средств сбора исходной и выдачи результатной информации непосредственно к местам ее возникновения и потребления, а также комплексного использования единых мощных вычислительных и информационных ресурсов.
Передача информации между территориально удаленными компонентами подобных распределенных систем осуществляется в основном с помощью стандартных телефонных и телеграфных каналов, а также витых пар проводов и коаксиальных кабелей связи. Современный прогресс в области оптоволоконной техники (использование световодов) позволяет резко повысить пропускную способность линий связи. Так, система F6M обеспечивает передачу информации до 6,3 Мбит/с, заменяя до 96 телефонных каналов, а система F400M — передачу до 400 Мбит/с информации, заменяя 5760 телефонных каналов.
Расширение состава и совершенствование аппаратуры приема-передачи, а также резкое снижение стоимости ВТ привели к использованию в качестве абонентских пунктов систем телеобработки данных интеллектуальных терминалов, создаваемых на базе микропроцессоров и микроЭВМ и обеспечивающих частичную обработку информации (главным образом предварительную обработку исходной информации в виде ее логического контроля, агрегирования и т.д.) непосредственно до ее передачи по каналам связи. Использование интеллектуальных терминалов сближает функциональные возможности систем телеобработки данных и вычислительных сетей. В настоящее время вычислительные сети представляют собой высшую организационную форму применения ЭВМ.
Для современных вычислительных сетей характерно:
Ø объединение многих достаточно удаленных друг от друга ЭВМ и (или) отдельных вычислительных систем в единую распределенную систему обработки данных;
Ø применение средств приема-передачи данных и каналов связи для организации обмена информацией в процессе взаимодействия средств ВТ;
Ø наличие широкого спектра периферийного оборудования, используемого в виде абонентских пунктов и терминалов пользователей, подключаемых к узлам сети передачи данных;
Ø использование унифицированных способов сопряжения технических средств и каналов связи, облегчающих процедуру наращивания и замену оборудования;
Ø наличие операционной системы, обеспечивающей надежное и эффективное применение технических и программных средств в процессе решения задач пользователей вычислительной сети.
Особенностью эксплуатации вычислительных сетей является не только приближение аппаратных средств непосредственно к местам возникновения и использования данных, но и разделение функций обработки и управления на отдельные составляющие с целью их эффективного распределения между несколькими ЭВМ, а также обеспечение надежного и быстрого доступа пользователей к вычислительным и информационным ресурсам и организация коллективного использования этих ресурсов.
Вычислительные сети позволяют автоматизировать управление производством, транспортом, материально-техническим снабжением в масштабе отдельных регионов и страны в целом.
Возможность концентрации в вычислительных сетях больших объемов данных, общедоступность этих данных, а также программных и аппаратных средств обработки и высокая надежность их функционирования — все это позволяет улучшить информационное обслуживание пользователей и резко повысить эффективность применения ВТ.
В условиях вычислительной сети предусмотрена возможность:
Ø организовать параллельную обработку данных многими ЭВМ;
Ø создавать распределенные базы данных, размещаемые в памяти различных ЭВМ;
Ø специализировать отдельные ЭВМ (группы ЭВМ) для эффективного решения определенных классов задач;
Ø автоматизировать обмен информацией и программами между отдельными ЭВМ и пользователями сети;
Ø резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных на случай выхода из строя отдельных из них с целью быстрого восстановления нормальной работы сети;
Ø перераспределять вычислительные мощности между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;
Ø стабилизировать и повышать уровень загрузки ЭВМ и дорогостоящего периферийного оборудования;
Ø сочетать работу в широком диапазоне режимов: диалоговом, пакетном, режимах «запрос-ответ», а также сбора, передачи и обмена информацией.
Как показывает практика, за счет расширения возможностей обработки данных, лучшей загрузки ресурсов и повышения надежности функционирования системы в целом стоимость обработки данных в вычислительных сетях не менее чем в полтора раза ниже по сравнению с обработкой аналогичных данных на автономных ЭВМ.
Вычислительные сети классифицируются по различным признакам. Сети, состоящие из программно-совместимых ЭВМ, являются однородными или гомогенными. 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 характеру реализуемых функций сети подразделяются на:
Ø вычислительные, предназначенные для решения задач управления на основе вычислительной обработки исходной информации;
Ø информационные, предназначенные для получения справочных данных по запросу пользователей;
Ø смешанные, в которых реализуются вычислительные и информационные функции.
По способу управления вычислительные сети делятся на сети с децентрализованным, централизованным и смешанным управлением. В первом случае каждая ЭВМ, входящая в состав сети, включает полный набор программных средств для координации выполняемых сетевых операций. Сети такого типа сложны и достаточно дороги, так как операционные системы отдельных ЭВМ разрабатываются с ориентацией на коллективный доступ к общему полю памяти сети. При этом в каждый конкретный момент времени доступ к общему полю памяти предоставляется только для одной ЭВМ. А координация работы ЭВМ осуществляется под управлением единой операционной системы сети.
В условиях смешанных сетей под централизованным управлением ведется решение задач, обладающих высшим приоритетом и, как правило, связанных с обработкой больших объемов информации.
По структуре построения (топологии) сети подразделяются на одноузловые и многоузловые, одноканальные и многоканальные. Топология вычислительной сети во многом определяется структурой сети связи, т.е. способом соединения абонентов друг с другом и ЭВМ. Известны такие структуры сетей: радиальная (звездообразная), кольцевая, многосвязная («каждый с каждым»), иерархическая, «общая шина» и др. (рис. 7.2.1).
Рис. 7.2.1. Основные типы структур сетей ЭВМ:
радиальная (звездообразная) (а); кольцевая (б); многосвязная (в); иерархическая (г); «общая шина» (д);
— узел коммутации; — ЭВМ
СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Основная функция систем передачи данных в условиях функционирования вычислительных сетей заключается в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также в сокращении затрат на передачу данных. Последнее особенно важно, так как за прошедшее десятилетие произошло увеличение доли затрат на передачу данных в общей структуре затрат на организацию сетевой обработки информации. Это объясняется главным образом тем, что затраты на техническое обеспечение вычислительных сетей сократились за этот период примерно в десять раз, тогда как затраты на организацию и эксплуатацию каналов связи сократились только в два раза.
Важнейшая характеристика сетей передачи данных — время доставки информации — зависит от структуры сети передачи данных, пропускной способности линий связи, а также от способа соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети и способа передачи данных по этим каналам. В настоящее время различают системы передачи данных с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и коммутацией на время передачи информации по этим каналам.
При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема передачи абонентских пунктов и ЭВМ постоянно соединены между собой, т.е. находятся в режиме «on-line». В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линий связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.
При коммутации абонентских пунктов и ЭВМ только на время передачи информации (т.е. нормальным режимом, для которых является режим «off-line») принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: каналов, сообщений и пакетов (рис. 7.2.2).
Рис.7.2.2. Схема организации передачи данных в коммутируемых сетях
Коммутация каналов. Способ коммутации каналов заключается в установлении физического канала связи для передачи данных непосредственно между абонентами сети. При использовании коммутируемых каналов тракт (путь) передачи данных образуется из самих каналов связи и устройств коммутации, расположенных в узлах связи.
Установление соединения заключается в том, что абонент посылает в канал связи заданный набор символов, прохождение которых по сети через соответствующие узлы коммутации вызывает установку нужного соединения с вызываемым абонентом. Этот транзитный канал образуется в начале сеанса связи, остается фиксированным на период передачи всей информации и разрывается только после завершения передачи информации.
Такой способ соединения используется в основном в сетях, где требуется обеспечить непрерывность передачи сообщений (например, при использовании телефонных каналов связи и абонентского телеграфа). В этом случае связь абонентов возможна только при условии использования ими однотипной аппаратуры, одинаковых каналов связи, а также единых кодов.
К достоинствам данного способа организации соединения абонентов сети следует отнести:
Ø гибкость системы соединения в зависимости от изменения потребностей;
Ø высокую экономичность использования каналов, достигаемую за счет их эксплуатации только в течение времени установления связи и непосредственно передачи данных;
Ø невысокие расходы на эксплуатацию каналов связи (на порядок меньше, чем при эксплуатации некоммутируемых линий связи).
Способ коммутации каналов более оперативный, так как позволяет вести двусторонний непрерывный обмен информацией между двумя абонентами.
Недостатками коммутируемых каналов связи является необходимость использования специальных и коммутирующих устройств, которые снижают скорость передачи данных и достоверность передаваемой информации. Использование специальных методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности передачи информации в сети, влечет за собой снижение скорости передачи данных за счет:
Ø увеличения объема передаваемой информации, вызванного необходимостью введения избыточных знаков;
Ø потерь времени на кодирование информации в узле-передатчике и декодирование, логический контроль и другие преобразования — в узле-приемнике.
Наконец, сокращение потоков информации ниже пропускной способности аппаратной части и каналов связи ведет к недогрузке канала, а в период пиковой нагрузки может вызвать определенные потери вызовов.
Коммутация сообщений. При коммутации сообщений поступающая на узел связи информация передается в память узла связи, после чего анализируется адрес получателя. В зависимости от занятости требуемого канала сообщение либо передается в память соседнего узла, либо становится в очередь для последующей передачи. Таким образом, способ коммутации сообщений обеспечивает поэтапный характер передачи информации. В этом случае сообщения содержат адресный признак (заголовок), в соответствии, с которым осуществляется автоматическая передача информации в сети от абонента-передатчика к абоненту-приемнику. Все функции согласования работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей сообщений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) коммутации сообщений. Основное функциональное назначение центра коммутации сообщений — обеспечить автоматическую передачу информации от абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и требованиями к качеству и надежности связи.
Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (которая в этом случае может достигать 80 — 90% от максимального значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется одновременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.
К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.
Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования возможно совместное применение перечисленных методов коммутации, основой которого служат следующие условия:
Ø использование в одном и том же узле связи аппаратуры для коммутации каналов и для коммутации сообщении (того или иного способа коммутации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);
Ø организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уровней иерархии и коммутации сообщений для нижних уровней.
Коммутация пакетов. В последние годы появился еще один способ коммутации абонентов сети — так называемая коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ методов коммутации каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В этом отношении указанный метод близок методу коммутации каналов.
При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, т.е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при методе коммутации сообщений.
К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.
Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов:
Ø в системах первого типа устройство коммутации анализирует адрес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необходимый для передачи информации;
Ø в системах второго типа пакеты рассылаются по всем каналам и терминалам, каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализировав адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным, осуществляет прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.
Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип применим для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.
Сопряжение ЭВМ и устройств в сетях. Существенное влияние на организацию систем обработки данных оказывают технические возможности средств, используемых для сопряжения (комплексирования) ЭВМ и других устройств. Основным элементом сопряжения является интерфейс, определяющий число линий, используемых для передачи сигналов и данных, а также способ (алгоритм) передачи информации по линиям связи.
Все интерфейсы, используемые в ВТ и сетях, разделяются на три вида: параллельные, последовательные, связные.
Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий, по которым передача данных осуществляется в параллельном коде (обычно в виде 8—128 разрядных слов). Параллельный интерфейс обладает большой пропускной способностью: порядка 10 4 —10 5 бод (бит/с). Столь большие скорости передачи данных обеспечиваются за счет ограниченной длины интерфейса (обычно от нескольких метров до десятков (очень редко до сотни) метров).
Последовательный интерфейс состоит, как правило, из одной линии, данные по которой передаются в последовательном коде. Пропускная способность последовательного интерфейса составляет 10 3 — 10 4 бит/с при длине линии интерфейса от десятков метров до километра.
Связные интерфейсы содержат каналы связи, работа которых обеспечивается аппаратурой передачи данных, повышающей (в основном с помощью специальных физических методов) достоверность передачи данных. Связные интерфейсы обеспечивают передачу данных на любые расстояния, однако с небольшой скоростью (в пределах 10 2 —10 3 бит/с). Применение связных интерфейсов экономически целесообразно на расстоянии не менее километра.
В многопроцессорных и многомашинных вычислительных системах используются в основном параллельные интерфейсы для сопряжения отдельных устройств в ЭВМ, и только в отдельных случаях применяются последовательные интерфейсы для подключения периферийных устройств. Параллельные интерфейсы обеспечивают в первую очередь передачу сигналов прерывания, а также отдельных слов (команд) и блоков данных между сопрягаемыми ЭВМ и устройствами.
В распределенных системах из-за значительных расстояний между устройствами применяются последовательные и связные интерфейсы, которые исключают возможность передачи отдельных сигналов прерывания между сопрягаемыми устройствами и требуют представления информации в виде операций ввода-вывода.
От организации интерфейсов между устройствами во многом зависит организация программного обеспечения.
6.1. Программное обеспечение вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети.
Компьютерные сети for dummies
После прочтения такого материала как «PHP 7 Д. Котерова», или «byte Of Python», может возникнуть один очень интересный вопрос, и нет, он не будет связан с языком, о котором была книга, он будет взят как правило из первых глав книги, которые обычно посвящаются «устройству интернета», как правило такие книги сильно глубоко пользователя не погружают, и оставляют его на уровне прикладных данных, то есть не дальше чем протокол HTTP, и работа TCP/IP. Но как всем нам известно, есть очень «прожорливые» умы, которым одного только
совершено не хватит. Вариантов занять свою «прожорливость» уйма, и сегодня я расскажу об всех основных моментах компьютерных сетей, кратко.
Сначала то, к чему мы вернемся
Основные термины и понятия компьютерных сетей, грубо говоря, компьютерные сети, это обычные «сети», состоящие из конечных машины. Конечными машинами называться любые компьютеры в сети, которые хотят обмениваться данными.
Такие сети, как правило передают данные по физическим передатчикам, а именно (будут рассмотрены самые популярные/простые в понимании типы):
- Оптоволокно: наивысшая скорость передачи данных, за счет передачи данных с помощью светосигналов.
- Витая пара: более низкая скорость (зависит от типа), переда данных осуществляется с помощью электро сигналов, по восьми медным кабелям.
Но, как вы сами понимаете, это еще не все, не можем же мы напрямую через кабеля быть связаны с провайдерами, а те с провайдерами на уровень выше, и так далее. Нет, это не так, на самом деле, между конечными системами, провайдерами, и прочими узлами, есть специальные комутаторы и километры кабелей, про комутаторы — а именно маршрутизаторы, маршрутизаторы, это специальные блоки, вычислительные машины, которые имеют несколько входов/выходов (может быть и тем и тем, такие входы/выходы называют интерфейсами), и имеют у себя на борту таблицы, в которой описано 1 адрес в сети следующего маршрутизатора или самой конечной системы, для отправки данных на конечную систему на которую сделан запрос, 2 километраж (это не точное определения, там считается специальными единицами), 3 маска под сети (это не все, но в этой статье не будут подробно раскрываться маршрутизаторы).
Теперь сеть выглядит так.
Компьютеры выделенные цветом, хотят связаться друг с другом, на пути у них, есть несколько маршрутизаторов, и других компьютеров. Появляется вопрос, как же маршрутизатор узнает где именно конечная система, есть ли там по адресу маршрутизатор вообще, и какой путь длиннее, а еще на какой маршрутизатор, дальше отправить данные. На вопрос, о том где конечная система, и на какой маршрутизатор дальше отправит данные, отвечает адресация в сети, а именно IP адреса, прим: 192.168.0.1, маршрутизатор принимая данные которые ему пришли от компьютера, или от другого маршрутизатора, смотрит на все 4 блока адреса (блоки разделены точкой), допустим изначальный путь 176.123.82.129 данные приходят на маршрутизатор 176.123.82.130, к нему подключены два маршрутизатора, 176.123.82.120, 176.123.82.125, и один компьютер 176.123.82.129, это маршрутизатор посмотрит на свою таблицу адресов, и отправит данные туда где они «быстрее дойдут» до конечной системы, то есть, он сам туда отправить данные за счет IP в данных, и своей таблицы. Длина пути вычисляется с помощью, таблицы с «километражом» (не точно, ибо есть своя единица исчисления). С маршрутизаторами все, на самом деле они имеют еще очень много неточностей, и функций, но раскрывать их здесь подробно, я не буду, ибо это займет довольно много времени.
Что-же мы получаем в итоге? У нас есть сети, из конечных систем, провайдеров, они связаны между собой кабелями, но через переходники «маршрутизаторы», которые выполняют роль главный маршрутизаторов данных.
Не большое уточнения, «данные» это пакет данных, содержащий биты информации, порядок обработки такого «пакета» на маршрутизаторе, примерно так — приходит пакет, как правило пакет, это лишь часть всех данных которые передала конечная система, так вот, маршрутизатор делает обработку, достает заголовки сетевого уровня сети (об этом позже) обратно запаковывает пакет, от отправляет его по принципу который был описан выше. Уточню, маршрутизаторы, есть и те которые дожидаются когда прибудут все данные с конечной системой, и которые сразу отправляют данные, сразу, не дожидаясь остальных, но когда приходят остальные, он отправляет их туда же, куда отправил первые (все эти вычисления делает сам маршрутизатор, за счет заголовков в каждом отдельном пакете), а заниматься дальнейшей обработкой, и склеиванием пакетов должна конечная система на которую пришли пакеты, при этом если пакет был потерян, или произошла ошибка, маршрутизатор обязан прервать соединения, и повторить попытку.
Пятиуровневая модель сети TCP/IP
Как вы понимаете, чтобы все выше описанное работало верно, должен быть некий стандарт, этим де-факто стандартом является стек протоколов TCP/IP + уровень OSI.
Для начала немного терминов.
Что такое протокол? Протокол, это некое правила общения между двумя системами, самый травильный и популярный пример, это взаимодействие двух человек, допустим вы подходите в человеку, что вы обычно ему говорите? «Здравствуйте», человек обработает это, и ответит «Здравствуйте», после этого, как прошло соглашения об общении, вы спрашиваете «сколько времени», человек обработает это и ответит к примеру «14:00», после этого общения закончится на слова «благодарю» и «до свидания». Вот такой тип общения, и есть протокол, а именно из примера выше, у нас был почти что браузера, и хостинг, которые работают через HTTP TCP.
Что такое порт? Как вообще общаться компьютеры, через сети? Компьютеры общаются, через специальные приложения, так вот, эти приложения работают, через специальные интерфейсы «сокеты», для того чтобы, верно обработать веб-серверу HTTP запрос допустим, надо чтобы веб сервер вызвал процесс HTTP находящийся по порту 80, по такому порту заработает хостинг, чтобы веб сервер обработал TCP, надо обращаться с процессу с портом 443. То есть порт, это идентификатор процесса на конечной системе, чтобы к ней мог обратится сокет.
Что такое сокет? Один из самых частых вопросов новичков, сокет, это всего лишь интерфейс между протоколом прикладного уровня сети, и процессом компьютера, грубо говоря, есть два дома друг на против друга, в левом доме живет Иван, в правом Сергей, Иван захотел передать письмо Сергею, тогда Иван выходит из своего дома, через дверь (процесс на компьютере посылает пакет, через сокет, сокет в данном случае дверь), переходи через дорогу, тротуар (компьютерная сеть, маршрутизаторы), стучится в дверь, пожимает руку Сергею, и заходи через дверь к нему в дом (делает запрос «стучится», соглашается об работе «пожимает руку», и пакет приходит через сокет «дверь»).
Что такое процесс? Тут все просто, это «программа», которая работает на фоне, все время, допустим это HTTP обработчик.
Что такое соглашения упомянутое раньше? Это вовсе не обязательная процедура, соглашения двух процессов, об общении на таком порту, по такому IP, пример, браузер и веб сервер, начинают общение только после соглашения типа «трехсторонние рукопожатие», это когда вы вводите в адресной строке браузера адрес сайт, браузер сначала посылает запрос на сервер с вопросом «будем работать», сервер может ответить «да» или «нет», если да, то браузер посылает еще один запрос, и соединения начато, если нет, браузер пишет нам какую то ошибку, об запрете доступа. Замечу что не во всех компьютерных сетях, и протоколах обязательно какое либо «соглашения».
Вернемся к пятиуровневой модели сети, и так, пять уровней сети, это специальные уровни работы сети, которые позволяют легче вычислять на каком уровнен была обнаружена ошибка, это позволяет прикладному приложению, работать легче с данными из сети, и позволяет разработчикам, при надстройке своего протокола, не изучать высшую математику.
Приведу пример, используемый в книге «Компьютерные сети. Наглядно», с некоторой модификацией. Представим аэропорт, аэропорт по сути и есть сетевая модель, только в других реалиях, как работает аэропорт? Человек (будет выступать в роли пакета), заходит в здания, и подходит к кассе, на покупку билета, он покупает билет, и идет на регистрацию багажа, дойдя до регистрации багажа, регистрирует багаж, далее он идет на посадку на самолет, после чего самолет берет разгон на взлетной полосе, и уже потом летит (пакет «летит» по сети), после чего самолет приземляется, и происходит все описанное ранние, только в обратном порядке, а именно, самолет садиться на взлетной полосе, человек выходит из самолета, человек забирает багаж, и по желанию может подать жалобу на билет. А теперь представьте, если бы заместо каждой отдельной службы, была всего одна, которая занималась бы и посадкой на самолет, и продаже билетов, и так далее. Тут просто на ум в первую очередь приходят очереди, были бы огромные очереди. Все тоже самое происходит и с моделью сети.
Пример, у нас есть чат, одно приложения на нашем ПК, и другое на ПК нашего друга, мы отправляем сообщения, и происходит следующие, а именно, пакет собирается процессом клиентской (нашей) конечной машины, и через сокет отправляется на уровень модели под названием «транспортный», тот в свою очередь через протокол TCP составляет пакет (длина данных, данные. ), и отправляет пакет еще ниже на уровень, к сетевому уровню, который через протокол IP добавляет к пакету данные, об получателе пакета (все данные, кроме изначально передаваемых, называются заголовками, далее мы и будем их так называть) (эти данные генерирует, сам процесс), далее процесс отправляет пакет на канальный уровень, этот уровень отвечает за поиск и исправления ошибок, в сети, а так же маршрутизацию в локальной сети, к примеру WI-FI, канальный уровень в свою очередь отправляет на физический уровень, физический уровень, шифрует все данные, и отправляет их через интерфейс (порт в ПК, или через WI-Fi) туда, куда предусмотрел сетевой уровень, после этого на конечной машине получателя, идет обработка данных, а именно, физический уровень на получателе, расшифровывает данные, и передает их на канальный, тот тоже расшифровывает их (убирает свои заголовки, взяв все нужные данные), и отправляет данные на сетевой уровень, тот обрабатывает, верно ли взят адрес, все ли работает, забирает свои заголовки, и отдает данные на транспортный уровень, тот в свою очередь, окончательно все расшифровывает, и отдает данные нашему «чату».
Уточню, если наш процесс вдруг захочет взят только данные из сетевого уровня, то он не как не сможет проскочить первые два уровня, то есть ему надо будет расшифровать сначала физический уровень, отправить данные на канальный, и только после этого дойти до сетевого, перепрыгнуть уровни не возможно. Это важно! Оно понадобится для дальнейшего домашнего задания (ответ будет описан в конце).
Вот как выглядят уровни сети
Уточню, у новичков может возникнуть вопрос, что значат стрелки между уровнями сети? На самом деле, этих стрелок нет, на самом деле, правый столб уровней, работает с пакетом просто на том протоколе, на котором он был отправлен в левом столбе, он не как не общается с уровнем который отправил этот пакет, он работает лишь с пакетом, на том протоколе, на котором работал уровень левого столба.
А теперь подумайте о плюсах, к примеру главный плюс, это если допустим на канальном уровне произошла ошибка, нам будет не трудно это узнать, просто пропустив по сети специальный возвращаемый запрос. Еще плюс, если мы захотим надстроить свой протокол, нам не придется менять все уровни сети, мы просто сделаем протокол, который верно будет работать с текущем уровнем сети. Далее будет более подробно рассмотрен каждый уровень.
Но для начала вопрос — маршрутизаторы, работают ли они с уровнями сети? С какими именно? До каких доходят? Какие читают? (Ответ в конце).
Прикладной уровень, это вовсе не обязательный в использовании сети уровень, он в основном отвечает за форматирования данных которые приходят на транспортный уровень, на конечной системе приемнике, допустим пример это веб сервер и веб браузер, они на прямую работают с HTML разметкой, при разработке веба, решили что передавать на прямую верстку через транспортный уровень, не очень хорошо, и был создан протокол прикладного уровня HTTP, этот протокол специально создан для передачи HTML документов. Но как я упомянул ранее, прикладной уровень вовсе не обязателен, практически все чат программы, еще до популярности онлайн чатов, обменивались данными через транспортный уровень, без использования прикладного.
Транспортный уровень, этот уровень сети, отвечает за транспортировку данных по сети, то есть он принимает сами данные, их длину, и еще некоторые заголовки, и посылает все это на сетевой уровень, данный уровень, эталонно должен повторять отправку при сбое системы, и одним из самых популярных протоколов данного уровня, является TCP, за ним UPD.
Сетевой уровень, данный уровень отвечает за, адресацию пакета, на данном уровне сохраняется, IP адрес, маска под сети, есть еще некоторые заголовки, но мы их рассматривать не будем. Он отвечает за маршрутизацию пакета по сети.
Канальный уровень, данный уровень отвечает за маршрутизацию пакета в локальной сети, к примеру для определения на какой компьютер послать пакет, в сети WI-FI, а так же, этот уровень отвечает за обнаружения, исправления ошибок при передаче пакета.
Физический уровень, этот уровень на прямую работает с интерфейсами ПК, и занимается шифровкой данных, в разного типа частоты, подробно мы его рассматривать не будем.
Какие типы сетей бывают?
Типов сетей бывает много, начиная от прикладных, заканчивая низкоуровневыми. Я рассмотрю тут два самых популярных типа сетей, это «P2P», и «client server». Но для начала термины.
Что такое клиент? Клиент этот как правила конечная машина (или процесс конечной машины), который запрашивает данные у сервера.
Что такое сервер? Сервер, этот как правило конечная машина (или процесс конечной машины), который по запросу отдает запрашиваемые данные, или любой другой ответ, в общем сервером называется то, что обрабатывает запросы которые на него поступают, и отвечает на них.
P2P (расшифровка — «peer-to-peer»), это тип сетей когда в, в компьютерной сети, все конечные машины, могут быть и серверами, и клиентами, пример группа скайп, когда вы звоните кому-то, вы становитесь клиентом (ваш скайп), который запрашивает у сервера видео обмен (у скайпа того кому вы звоните), теперь вы отключились от звонка, и резко вам позвонил тот с кем вы только что говорили, теперь вы не клиент, а сервер (ваш скайп теперь не делает запросы, а отвечает на них), а скайп того кто позвонил, не сервер а клиент (не отвечает на запросы, а посылает их). Так то и работает P2P, когда все машины потенциально и клиенты, и сервера. Опять же, пример такой сети это — Скайп.
Клиент сервер, это тип сети, когда у нас строго на строго есть клиенты, и сервер/сервера. То есть вы всегда можете лишь посылать запросы, а сервер отвечать на них, так может работать чат, ваш клиент (процесс) посылает запросы, на проверку нету ли, новых сообщений в базе, если есть, сервер вернет их, если нет, вернет другой ответ, когда вы отправляете сообщения, то оно летит на сервер с запросом типа «сохрани в базу новое сообщения». То есть у нас есть группа клиентов, и сервер, если два клиента захотят связаться, все будет проходить через сервер, а клиенты только будут делать запросы на сервер, с просьбой «верни все новые сообщения», а сервер лишь будет отвечать. Пример такой сети, это самая прикладная на данный момент сеть, это веб. Все ваши действия в браузере, вроде ввода адреса в адресную строку, делают запрос на сервер, а сервер лишь отвечает. Ваш браузер не может стать сервером, а сервер не может стать браузером. (Браузер процесс клиента, сервер процесс сервера).
И лишь совсем чуть чуть, о безопасности в сетях.
Безопасность в компьютерных сетях, это сейчас одна из самых популярных тем, информационной безопасности, и коротенькой статьи не хватит чтобы объяснить даже самые основные аспекты. Тут я лишь расскажу о паре самых популярных уязвимостей, и атак на компьютерные сети.
Перехват пакетов, как говорилось раньше, конечные машины обмениваются данными, через пакеты, проходящие по сети. Как вы понимаете в реалиях нашего мира, есть очень много виртуальных структур, которые связаны с финансами к примеру, это могут быть и банки, и просто оплата книги в интернет магазине, не важно. Все ваши данные, в любом случае будут переданы другой конечной машине (серверу), и обработаны, так вот, суть данной уязвимости в том, что данные которые передаются к серверу, а именно пакеты, могут быть перехвачены.
Соответственно могут быть украдены пароли, или номера кредитных карт. Это могут быть что пакеты веб браузера, что пакеты какой либо P2P сети. Решить данную уязвимость, можно сделав между клиентами, и серверами обязательное соглашения о котором шла речь раньше
И в этом обязательном соглашении договариваться о работе по протоколу, который шифрует данные к примеру это HTTPS, а процесс его обработчика находиться по порту 443 (это порт и для TCP). То есть договориться общаться по порту 443, это TCP с наработкой, которая работает с HTTPS. Что такое HTTPS? Это протокол, а именно HTTP который шифруется специальной утилитой «SSL, TSL», а главное что шифруется такой пакет и на клиенте, и на сервере, соответственно перехватив такой пакет, злоумышленик не сможет ничего расшифровать, и обнаружить пароли и прочие…
DDoS атака, это атака, которая в данный момент является одной из самых популярных в компьютерных сетях. Работает она так, на больше количество конечных систем, путем рекламы, спама, и прочих методов рекламы, устанавливается вредоносное программное обеспечение(процесс), которое не видно, и работает он как правило без каких либо действий пользователя, в фоновом режиме, в определенный час «Ч», все компьютеры зараженные данным процессом, начинают посылать огромное количество запросов на определенный сервер, с целью выведения данного сервера, или маршрутизатора на пути к серверу, из строя. В запросе, как правило летит не много весовая (для обширности атаки), при этом максимально сложная информация для обработки сервером.
Атаки такого типа выводят сервера из строя, тем самым, что у сервера пропадает возможность отвечать на все более и более новые запросы, таким образом сервер падает, и стает не работа способным, так же, очень часты случаи что из строя выходи маршрутизатор на пути к серверу, ибо у них забивается буфер, и пропадает возможность дальше отправлять пакеты. Такие атаки как правило очень быстро исправляются, но, когда такие атаки происходят на какие то интернет биржи, или банки, что пользователи, что сами структуры, терпят убытки.
Защититься от такой атаки, можно анализируя количество запросов в секунду, от одного и того же IP. Минимальный при этом опасный размер атаки на данный момент это 100 тысяч запросов в секунду. Так же существует родитель DDoS атаки, а именно DoS, но на данный момент эта атака не так страшна, ибо мощность даже самых ушлых серверов, позволяет обработать столь не значительную нагрузку.
Заключения
В заключение я хочу сказать некоторые детали об этой статье.
- Ни в коем случае не используйте эту статью как учебник по компьютерным сетям, ибо это всего лишь «перекус» для сознания новичка в веб программировании, перед специальным изучением компьютерных сетей, не более того.
- В этой статье показаны лишь основы основами, все граничащие с основами моменты, были упущены, так же были показаны не все протоколы уровней сети.
- В этой статье, не рассказано о некоторых вещах, которые вы можете принять за основы, такие как буферизация маршрутизатора, или задержки передачи данных, или единицы измерения данных на разных уровнях, или подробная работа маршрутизатор, так далее и тому подобное… Они были упущены, ибо сложные, и могут запутать новичка.
UPD: статья рассчитана на тех, кто о сетях и знать ничего не знал, но хочет начать хотя бы не со сложных книг, а с общего обзора.
Лекция «Понятие компьютерной сети, ее назначение. Классификация компьютерных сетей»
Компьютерные сети — это системы компьютеров, объединенных каналами передачи данных, обеспечивающие эффективное предоставление различных информационно-вычислительных услуг пользователям посредством реализации удобного и надежного доступа к ресурсам сети.
Информационные системы, использующие возможности компьютерных сетей, обеспечивают выполнение следующих задач:
ü хранение и обработка данных;
ü организация доступа пользователей к данным;
ü передача данных и результатов обработки данных пользователям.
Эффективность решения перечисленных задач обеспечивается:
ü дистанционным доступом пользователей к аппаратным, программным и информационным ресурсам;
ü высокой надежностью системы;
ü возможностью оперативного перераспределения нагрузки;
ü специализацией отдельных узлов сети для решения определенного класса задач;
ü решением сложных задач совместными усилиями нескольких узлов сети;
ü возможностью осуществления оперативного контроля всех узлов сети.
Основные показатели качества компьютерных сетей включают следующие элементы: полнота выполняемых функций, производительность, пропускная способность, надежность сети, безопасность информации, прозрачность сети, масштабируемость, интегрируемость, универсальность сети.
Виды компьютерных сетей
Компьютерные сети, в зависимости от охватываемой территории, подразделяются на:
ü локальные ( ЛВС , LAN — Local Area Network);
ü региональные (PBC, MAN — Metropolitan Area Network);
ü глобальные ( ГВС , WAN — Wide Area Network).
В локальной сети абоненты находятся на небольшом (до 10-15 км) расстоянии друг от друга. К ЛВС относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов, корпораций и т. д.
РВС связывают абонентов города, района, области. Обычно расстояния между абонентами РВС составляют десятки-сотни километров.
Глобальные сети соединяют абонентов, удаленных друг от друга на значительное расстояние, часто расположенных в различных странах или на разных континентах.
По признакам организации передачи данных компьютерные сети можно разделить на две группы:
В последовательных сетях передача данных осуществляется последовательно от одного узла к другому. Каждый узел ретранслирует принятые данные дальше. Практически все виды сетей относятся к этому типу.
В широковещательных сетях в конкретный момент времени передачу может вести только один узел, остальные узлы могут только принимать информацию.
Топология представляет физическое расположение сетевых компонентов (компьютеров, кабелей и др.). Выбором топологии определяется состав сетевого оборудования, возможности расширения сети, способ управления сетью.
Существуют следующие топологии компьютерных сетей:
ü шинные (линейные, bus);
ü кольцевые (петлевые, ring);
ü радиальные (звездообразные, star);
ü смешанные (гибридные).
Практически все сети строятся на основе трех базовых топологий: топологии «шина», «звезда» и «кольцо». Базовые топологии достаточно просты, однако на практике часто встречаются довольно сложные комбинации, сочетающие свойства и характеристики нескольких топологий.
В топологии «шина», или «линейная шина» (linear bus), используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, к которому подключены все компьютеры сети (рис. 1). Эта топология является наиболее простой и распространенной реализацией сети.
Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, производительность сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, тем медленнее сеть.
Зависимость пропускной способности сети от количества компьютеров в ней не является прямой, так как, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество других факторов: тип аппаратного обеспечения, частота передачи данных, тип сетевых приложений, тип сетевого кабеля, расстояние между компьютерами в сети.
Рисунок 1. Сеть с шинной топологией
«Шина» является пассивной топологией — компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не передают их от отправителя к получателю. Выход из строя какого-либо компьютера не оказывает влияния на работу всей сети. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы с последующей передачей их по сети.
Основой последовательной сети с радиальной топологией (топологией «звезда») является специальный компьютер — сервер, к которому подключаются рабочие станции, каждая по своей линии связи. Вся информация передается через сервер, в задачи которого входит ретрансляция, переключение и маршрутизация информационных потоков в сети (рис. 2). Такая сеть является аналогом системы телеобработки, в которой все абонентские пункты содержат в своем составе компьютер.
Рисунок 2. Сеть с топологией «звезда»
Недостатками такой сети являются: высокие требования к вычислительным ресурсам центральной аппаратуры, потеря работоспособности сети при отказе центральной аппаратуры, большая протяженность линий связи, отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации. Если выйдет из строя рабочая станция (или кабель, соединяющий ее с концентратором), то лишь эта станция не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные рабочие станции в сети этот сбой не повлияет.
При использовании топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо (рис. 3). Сигналы передаются в одном направлении и проходят через каждый компьютер. Каждый компьютер является повторителем, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.
Рисунок 3. Сеть с кольцевой топологией
Способ передачи данных по кольцевой сети называется передачей маркера. Маркер последовательно, от компьютера к компьютеру, передается до тех пор, пока его не получит тот компьютер, который должен передать данные. Передающий компьютер добавляет к маркеру данные и адрес получателя и отправляет его дальше по кольцу.
Данные передаются через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя. Далее принимающий компьютер посылает передающему сообщение — подтверждение о приеме данных. Получив сообщение — подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.
Техническое обеспечение компьютерных сетей включает следующие компоненты:
ü серверы, рабочие станции;
ü каналы передачи данных;
ü интерфейсные платы и устройства преобразования сигналов;
ü маршрутизаторы и коммутационное оборудование.
Рабочая станция — компьютер, через который пользователь получает доступ к ресурсам сети. Часто рабочую станцию, так же как и пользователя сети, называют клиентом сети.
Сервер — это предназначенный для обработки запросов от всех рабочих станций сети многопользовательский компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам. Сервер работает под управлением сетевой операционной системы. Наиболее важным требованием, которое предъявляется к серверу, является высокая производительность и надежность работы.
Сервер приложений — это работающий в сети компьютер большой мощности, имеющий программное обеспечение (приложения), с которым могут работать клиенты сети.
Служба — это пара программ, взаимодействующих между собой согласно определенным правилам, протоколам. Одна из программ этой пары называется сервером, а вторая — клиентом. При работе служб Интернета происходит взаимодействие серверного клиентского оборудования и программного обеспечения.
Электронная почта (E-Mail) является одной из наиболее ранних служб Интернета. Ее обеспечением занимаются специальные почтовые серверы. Они получают сообщения от клиентов и пересылают их по цепочке к почтовым серверам адресатов, где эти сообщения накапливаются. При установлении соединения между адресатом и его почтовым сервером происходит автоматическая передача поступивших сообщений на компьютер адресата. Почтовая служба использует два прикладных протокола: SMTP и РОРЗ. Первый определяет порядок отправки корреспонденции с компьютера на сервер, а второй — порядок приема поступивших сообщений.
Списки рассылки (Mailing List) — это специальные тематические серверы, собирающие информацию по определенным темам и переправляющие ее подписчикам в виде сообщений электронной почты.
Служба World Wide Web (WWW). Это самая популярная служба современной сети Интернет. Основу службы WWW составляют три технологии: гипертекст, язык разметки гипертекста — HTML (Hypertext Markup Language), универсальный адрес ресурса.
Гипертекст — это организация текстовой информации, при которой текст представляет собой множество фрагментов с явно указанными ассоциативными связями между этими фрагментами.
Основная идея гипертекстовых технологий заключается в том, что поиск документальной информации происходит с учетом множества взаимосвязей, имеющихся между документами, а значит более эффективно, чем при традиционных методах поиска.
Доступ к информации осуществляется не путем последовательного просмотра текста, как в обычных информационно-поисковых системах, а путем движения от одного фрагмента к другому.
Универсальный адрес ресурса — URL (Universal Resource Locator) дополнительно к доменному адресу содержит указания на используемую технологию доступа к ресурсам и спецификацию ресурса внутри файловой структуры компьютера. Например, в URL http://www.tsure.ru/ University/Faculties/Femp/index.htm указаны:
http — протокол передачи гипертекста, используемый для доступа. В подавляющем большинстве случаев в WWW используется именно гипертекстовый протокол. При доступе по другому протоколу, например через службы FTP или Gopher, указываются соответственно ftp:// или gopher://;
www.tsure.ru — доменный адрес веб-сервера университета. Адреса большей части серверов начинаются с префикса www, указывающего на то, что веб-сервер на данном компьютере запущен;
University/Faculties/Femp/index.htm — спецификация файла index.htm.
Указывается путь к интересующему нас файлу в файловой системе компьютера и имя этого файла. В этой части адреса может быть помещена и другая информация, отражающая, например, параметры запроса пользователя и обрабатывающей запрос программы. Если спецификация файла не указана, то пользователю буден выдан файл, по умолчанию назначенный для представления сервера (сайта).
Служба передачи файлов (FTP). Необходимость в передаче файлов возникает при приеме файлов программ, при пересылке крупных документов, а также при передаче больших по объему архивных файлов.
Служба World Wide Web (WWW или Web) представляет собой миллионы связанных между собой документов — Web-страниц.
Web-страница — это документ (например, текстовый), размеченный с помощью специальных элементов HTML — тегов, или html-тегов, языка. Такие страницы часто называют html-страницами. Они имеют расширение .html или .htm. Например: about.html или about.htm
Специальные программы — браузеры служат для интерпретации html-тегов и отображения содержимого Web-страниц. На экран html-теги не выводятся, они только указывают браузеру, как отображать содержимое документа.
Для просмотра html-кода в браузере необходимо в верхнем меню браузера Internet Explorer найти пункт Вид/Просмотр HTML-кода.
Иными словами, в браузер встроен интерпретатор языка HTML. Интерпретаторы, встроенные в различные браузеры, работают неодинаково, и одна и та же html-страница может отображаться в них по-разному.
Что же такое HTML — Hyper Text Markup Language ? Это язык гипертекстовой разметки, разработанный специально для создания Web-документов. Отметим два важных момента:
1) HTML не является языком программирования! В нем нет логических последовательностей. Это именно язык разметки документов (текста).
2) HTML определяет логическую структуру документа.
Существует два способа формирования HTML-документа. Первый состоит в разметке документа вручную. Для этого можно использовать текстовый редактор, например Блокнот. Второй способ предполагает использование специальных редакторов для языка HTML, например FrontPage Express, HomeSite. Этот способ проще освоить, т.к. он не требует знания языка HTML.
Разметка документа осуществляется с помощью тегов (англ. tag — отметка).
Все документы HTML имеют одну и ту же структуру. Документ всегда должен начинаться с тега <HTML> и заканчиваться соответствующим закрывающим тегом </HTML>.
<TITLE> Заголовок документа </TITLE>
Тело документа
По структуре видно, что документ состоит из двух частей – заголовка и тела (пары тегов <HEAD>…</HEAD> и <BODY>…</BODY> соответственно). В заголовке документа размещается некоторая информация о документе. В нашем случае это будет название документа. Оно выделяется тегами <TITLE>…</TITLE>.
Содержание документа размещается в теле документа. Заголовок первого уровня (Главы) выделяется тегами <H1> и </H1>. Заголовки последующих уровней (параграфы, пункты, подпункты и т.п.) выделяются тегами <Hx> и </Hx>, где x – числа 2, 3,… При отображении Web-обозревателем эти заголовки показываются при помощи шрифтов разного размера.
Для создания абзаца недостаточно нажать на клавишу ENTER. Язык HTML рассматривает символ конца строки, как обычный пробел. Поэтому текст, являющийся абзацем, помещается между тегами <P> и </P>. Закрывающий тег </P> является необязательным. Язык HTML не содержит средств для создания красной строки, поэтому при отображении на экране абзацы разделяются пустой строкой.
Теги html бывают двух типов — контейнерные и одиночные — и заключаются в угловые скобки <Имя_тега>
Контейнерные теги состоят из пары — открывающий и закрывающий тег. Перед именем закрывающего тега необходимо ставить косую черту «/» (прямой слэш). <Имя_тега> Содержимое, обрабатываемое данным тегом </Имя_тега>.
Одиночный тег состоит только из открывающего и не требует закрывающего.
Главное преимущество HTML состоит в его способности связываться с другими документами с помощью ключевых слов, являющихся гипертекстовыми ссылками (гиперссылками). Описывается ссылка на другой документ следующим образом:
< A HREF =”имя файла”> Текст, который будет служить как обращение к другому документу </ A >.
Современные компьютерные сети
Современные компьютерные сети представляют собой совокупность узлов, имеющих возможность информационного взаимодействия друг с другом, различного коммутационного оборудования и совремённого программного обеспечения.
Узлами (хостами) современных компьютерных сетей являются оконечные и промежуточные устройства, имеющие сетевые адреса и способные обмениваться информацией друг с другом. К этим устройствам относятся:
— современные персональные компьютеры
(PERSONAL COMPUTERS);
— концентраторы (HAB);
— маршрутизаторы (ROUTERS);
Рекомендуемые материалы
— мосты (BRIDGIE)
— шлюзы (GATEWAY)
Концентраторы (HAB) – это сетевые устройства, служащие для объединения отдельных участков единой компьютерной сети и не преобразующие передаваемую информацию.
Маршрутизаторы (ROUTERS) – это сетевые устройства (компьютеры) служащие для определения маршрута, по которому наиболее целесообразно передавать пакеты информации.
Мосты (BRIDGIE) – это сетевые устройства (компьютеры) служащие для объединения в единую сеть нескольких компьютерных сетей различных типов, а также для снижении нагрузки в сети.
Шлюзы (GATEWAY) – это сетевые устройства (компьютеры), служащие для объединения отдельных сетей с различными протоколами обмена.
Обмен информацией между отдельными узлами современных компьютерных сетей может происходить только при наличии среды (или канала) передачи.
Средой передачи (или каналом) может быть телефонная кабельная линия или радиоканал.
К преимуществам использования современных компьютерных сетей относятся:
— общий доступ к информационным ресурсам;
— быстрый обмен информацией между отдельными пользователями;
— оптимальное распределение нагрузки между отдельными компьютерами;
— создание гибкой рабочей среды;
— быстрое и качественное принятие решений;
— возможность резервирования для повышения надежности всей системы в целом;
— совместное использование дорогостоящего оборудования (например, цветных лазерных принтеров);
— исключение несанкционированного доступа к информации.
Современные компьютерные сети можно классифицировать по различным признакам, однако наиболее распространенной является классификация по степени территориальной распределенности. По этому признаку различаются следующие компьютерные сети:
Локальные компьютерные сети – это сети, которые объединяют абонентов одного или нескольких подразделений отдельного предприятия, учреждения.
Региональные (корпоративные) компьютерные сети – это сети, которые объединяют локальные компьютерные сети одного географического района (одного промышленного, строительного, финансового и т.д. объединения).
Глобальные компьютерные сети – это сети, которые объединяют локальные и региональные (корпоративные) компьютерные сети в пределах одного или нескольких континентов земного шара.
3.2. Типовые уровни сетевой архитектуры.
Любая компьютерная сеть является одной из разновидностей распределенных открытых систем, преимуществом которых является возможность распараллеливания отдельных операций и, следовательно, возможность значительного повышения производительности и надежности всей системы в целом.
Для того чтобы любая компьютерная сеть эффективно работала, необходимо использовать одинаковую форму представления информации, передаваемой по сетевым каналам связи.
Для решения вопросов, связанных с единообразной формой представления информации была сформирована международная организация по стандартизации – ISO (International standard organization). Эта международная организация разработала базовую модель взаимодействия открытых систем – OSI (Open system interconnection). Эта модель содержит семь уровней взаимодействия (рис. 3.2.1).
Прикладной уровень
Прикладной уровень
Представительный уровень
Представительный уровень
Сеансовый уровень
Сеансовый уровень
Транспортный уровень
Транспортный уровень
Сетевой уровень
Сетевой уровень
Канальный уровень
Канальный уровень
Физический уровень
Физический уровень
Рис. 3.2.1. Базовая модель взаимодействия открытых систем.
Рассмотрим эти уровни более подробно:
Уровень 1 – прикладной
На этом уровне с помощью специальных приложений операционной системы Windows (текстового процессора Word, табличного процессора Excel и т.д.) пользователь создает исходный документ для последующей передачи по компьютерной сети.
Уровень 2 – представительский
На этом уровне операционная система персонального компьютера пользователя фиксирует местонахождение созданного документа (в оперативной памяти, на жестком диске и т.д.) и обеспечивает его взаимодействие со следующим, более низким, сеансовым уровнем.
Уровень 3 – сеансовый
На этом уровне персональный компьютер пользователя взаимодействует с компьютерной сетью. Здесь проверяется право пользователя на «выход » в сеть и передается документ на следующий, более низкий, транспортный уровень.
Уровень 4 – транспортный
На этом уровне документ преобразуется в форму, принятую для передачи данных в используемой сети. Например, он «нарезается » на небольшие пакеты стандартного размера.
Уровень 5 – сетевой
На этом уровне каждый нарезанный пакет получает адрес, по которому он должен быть доставлен независимо от других пакетов.
Уровень 6 – канальный
На этом уровне происходит модулирование передаваемых данных перед непосредственной их передачей по каналу связи.
Уровень 7 – физический
На этом уровне происходит непосредственная передача данных по каналам связи. Здесь нет ни документов, ни пакетов, нет даже байтов – здесь передаются только биты, т.е. элементарные единицы представления данных.
Восстановление документа происходит на компьютере получателя при постепенном переходе от самого низшего (физического) уровня до самого верхнего (прикладного) уровня.
3.3. Основные сетевые протоколы.
В общем случае протоколом называется набор стандартов и правил взаимодействия в компьютерных сетях. Так как в современных компьютерных сетях существует несколько уровней такого взаимодействия, то, следовательно, существует и несколько уровней протоколов. Рассмотрим основные сетевые протоколы.
На самом нижнем уровне используются два типовых протокола: протокол TCP и протокол IP.
Протокол TCP (TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL) – это протокол транспортного уровня. Он определяет форму передачи данных в современных компьютерных сетях. Согласно протоколу ТСР отправляемые данные «нарезаются » на компьютере отправителя на отдельные небольшие пакеты, после чего каждый пакет маркируется таким образом, чтобы в нем были данные, необходимые для правильной сборки всего документа на персональном компьютере получателя.
Протокол IP (INTERNET PROTOCOL) – это протокол сетевого уровня. Он определяет направление передачи данных по сетевому адресу, имеющемуся в каждом пакете. Исходя из этого данный протокол называется еще адресным протоколом. Суть этого протокола заключается в том, что каждый узел современной компьютерной сети должен иметь свой уникальный адрес (IP-адрес). Без этого нельзя говорить о точной доставке ТСР-пакетов на нужное рабочее место.
Структура IP-адреса организована таким образом, что каждый компьютер, через который проходит какой-либо ТСР-пакет, мог определить, кому из ближайших соседей надо переслать этот пакет, чтобы он оказался «ближе » к получателю. Слово «ближе » не случайно взято в кавычки. В данном случае оценивается не географическая «близость » . В расчет принимаются условия установления связи и пропускная способность линии. Например, два компьютера, находящиеся на разных континентах, но связанные между собой высокоскоростной линией космической связи, считаются более «близкими » друг к другу, чем два компьютера из соседних населенных пунктов, связанных между собой простой телефонной линией.
Решение вопроса, что считать «ближе » , а что «дальше » , осуществляют специальные технические средства – маршрутизаторы (ROUTER).
Оба протокола ТСР и IP тесно связаны друг с другом и поэтому они называются стеком протоколов ТСР/IP.
На основе стека протоколов ТСР/IP построено много дополнительных протоколов: протоколы DNS, HTTP, FTR.
Протокол DNS (DOMAIN NAME SYSTEM – протокол поддержки сетевого адреса). Этот протокол обеспечивает идентификацию персонального компьютера с уникальным сетевым адресом и именем.
Протокол HTTP (HYPER TEXT TRANSFER PROTOCOL – протокол передачи гипертекста) является одним из самых популярных протоколов. Этот протокол обслуживает службу WWW (WORD WIDE WEB – Всемирная паутина).
Протокол FTP (FILE TRANSFER PROTOKOL) – протокол передачи файлов. Этот протокол используется для приема из INTERNET программ и данных, а также для отправки через INTERNET отдельных файлов. Необходимость в этом возникает у тех, кто арендует место на WEB- WEB сервера, для перемещения своих WEB-страниц и WEB-узлов. Здесь необходимы как FTP-клиенты, так и FTP-серверы.
Простейший FTP-клиент (ftp.еxe) уже находятся в составе операционной системы WINDOUS (С:\ WINDOUS)
3.4. Современная система адресации.
В общем случае в современных компьютерных сетях может осуществляться обмен информацией между любыми двумя компьютерами, включенными в сеть. Отсюда следует, что каждый компьютер должен иметь уникальный индивидуальный адрес (IP-адрес).
Современная система адресации разработана применительно к глобальной компьютерной сети INTERNET. Однако, и все другие компьютерные сети: локальные, региональные и глобальные – должны придерживаться этой системы. Это необходимо для того, чтобы при включении их в INTERNET не потребовалось бы изменения существующей системы адресации.
Указанная система адресации использует адреса (IP-адреса), состоящие из четырех частей, каждая из которых состоит из восьми двоичных разрядов, т.е. из одного байта.
В соответствии с современной сетевой терминологией каждая часть сетевого IP-адреса называется октетом (Оktet), значение которой обычно записывается в десятичной системе счисления. Очевидно, что каждый октет может принимать значения от 0 до 255 (2 8 – 1 = 255).
Исходя из вышеуказанных ограничений любой IP-адрес состоит из двух частей:
— адреса сети (идентификатора сети);
— адреса хоста (идентификатора хоста).
В соответствии со структурой IP-адресов все компьютеры сети делятся на три класса: А, В и С.
В классе А – номер сети занимает один байт, а номер узла – три байта. При этом номер сети находится в диапазоне 1 – 126, а количество узлов в сети достигает 16777216.
В классе В – и номер сети и номер узла занимают по два байта. При этом номер сети меняется в диапозоне от 1 – 16384, а количество узлов достигает 65534.
В классе С – номер сети занимает 3 байта, а номер узла – 1 байт, при этом номера сети меняются в диапазоне 1 – 2097151, а количество узлов в сети достигает 254. Например:
120. 97.25.38 – сеть класса А
102.85.37.48 – сеть класса В
170.185.58.185 – сеть класса С
Благодаря такой структуре IP-адреса персональных компьютеров, включенных в различных сетях, могут совпадать. Однако поскольку адреса сетей будут различны, то эти компьютеры будут идентифицироваться однозначно и не могут быть спутаны друг с другом.
Для удобства пользователей кроме цифровых IP-адресов для идентификации конкретных хостов в современных компьютерных сетях используется так называемая доменная система имен (адресов) – DOMAIN HOST NAME.
Так же как и цифровые IP-адреса, эти имена являются уникальными для каждого компьютера (хоста). Только здесь вместо цифровых значений применяются слова.
В данном случае понятие домена означает совокупность хостов, объединенных по какому-то признаку (например, по территориальному, когда речь идет о домене целого государства).
Доменный адрес компьютера – это уникальное имя, несущее, как правило, смысловую нагрузку, и гораздо легче запоминающееся, чем цифровой IP-адрес.
Доменный адрес хоста (компьютера) состоит из нескольких доменов разного уровня, причем домен верхнего уровня находится в адресе справа, а домен нижнего уровня – слева.
Домены верхнего уровня можно условно разделить на две категории: стандартные домены и региональные домены.
В стандартных доменах их имена состоят из трех букв и устанавливаются специальной организацией, контролирующей подключение к INTERNET, организацией NIC (Netword Information Center – Всемирный сетевой центр).
Таких доменов шесть:
— com – коммерческие организации
— edu – образовательные учреждения
— gov – правительственные учреждения
— mil – военные учреждения
— net – сетевые организации
— org – прочие организации.
Эти домены в основном используются в Америке.
В региональных доменах имена состоят из двух битов:
— ru – Россия — dn – Дания
— us – США — fr – Франция
— uk – Великобритания — de – Германия и т.д.
Имена доменов второго уровня, как правило, совпадают с названием фирмы или организации.
Имена доменов третьего уровня – это названия отдельных подразделений внутри фирмы или организации.
Рассмотрим конкретный пример.
 |
 |
 |
В этом имени представлены домены трех уровней:
— com – домен верхнего уровня (коммерческая организация)
— msn – домен среднего уровня (фирма Майкрософт)
— home – домен нижнего уровня (подразделение фирмы Майкрософт)
3.5. Локальные компьютерные сети.
Локальными компьютерными сетями – ЛВС (английское название LAN — Local area network) называются такие сети, которые имеют небольшие, локальные размеры, и которые объединяют близко расположенные компьютеры одного предприятия, учреждения.
Важное значение в локальных компьютерных сетях имеет физическое расположение персональных компьютеров в сети. Топология локальной сети определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможность расширения сети.
В настоящее время существует три основных топологии локальных компьютерных сетей: шина, звезда, кольцо.
В топологии «шина » (BUS) все компьютеры подключаются параллельно к одной линии связи, и информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 3.5.1)
 |
Рис. 3.5.1. Топология «шина » .
При таком соединении отдельные компьютеры могут передавать информацию только по очереди, так как линия связи единственная. В противном случае передаваемая информация будет искажаться в результате наложения (конфликта) композиции.
Топология «шина » требует минимального количества соединительных проводов по сравнению с другими топологиями. Однако необходимо учитывать, что к каждому компьютеру подходит два кабеля.
В топологии «звезда » (STAR) все компьютеры подключаются к одному центральному узлу(компьютеру или концентратору), причем каждый компьютер использует свою отдельную линию связи (рис. 3.5.2).
 |
Рис. 3.5.2. Топология «звезда »
Данная топология обладает высокой надежностью, т.к. выход из строя любого периферийного компьютера не приводит к отказу всей сети в целом.
Однако выход из строя центрального узла (компьютера или концентратора) приводит к выходу из строя всей сети.
Серьезным недостатком топологии «звезда » является жесткое количество ограничение количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8-16 периферийных абонентов.
Существуют топологии «активная звезда » и «пассивная звезда » . В топологии «активная звезда » центральным элементом является компьютер, а в топологии «пассивная звезда » — концентратор или хаб (hub).
Большим достоинством топологии «звезда » , как активной, так и пассивной, является то, что все подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко проконтролировать работу сети, локализовать отдельные неисправности путем простого отключения от сети отдельных абонентов, а также ограничить доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения.
При топологии «кольцо » (RING) каждый компьютер подключен к двум соседним компьютерам и передает информацию только одному компьютеру, следующему в цепочке, и получает информацию только от предыдущего компьютера в цепочке и эта цепочка замкнута в кольцо (рис. 3.5.3).
 |
Рис. 3.5.3. Топология «кольцо »
На каждой линии связи работает только один передатчик и только один приемник. Важной особенностью топологии «кольцо » является то, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает) приходящий к нему сигнал, т.е. выступает в роли усилителя.
Как и в случае топологии «шина » максимальное количество компьютеров в сети может быть довольно большим (до тысячи и более).
Недостатком топологии «кольцо » является то, что выход из строя хотя бы одного компьютера нарушит работу всей сети в целом.
Достоинством топологии «кольцо » является то, что ретрансляция сигнала каждым абонентом позволяет существенно увеличить размеры всей сети в целом (до нескольких десятков километров). Топология «кольцо » в этом отношении значительно превосходит топологии «шина » и «звезда » .
1.6. Региональные и глобальные компьютерные сети.
Региональной (корпоративной) компьютерной сетью – РВС (английское название MAN – METROPOLITAN AREA NETWORK) называется такая компьютерная сеть, которая объединяет отдельные локальные компьютерные сети в пределах одного географического района. Разновидностью региональных компьютерных сетей являются корпоративные компьютерные сети. Слово «корпорация » означает объединение предприятий, работающих под централизованным управлением и решающих общие задачи.
В состав корпоративной компьютерной сети входят магистральные каналы передачи данных, предназначенные для связи отдельных предприятий и административных офисов корпорации. Обязательными компонентами региональных (корпоративных) компьютерных сетей являются локальные компьютерные сети, связанные между собой. Обобщенная структурная схема региональной (корпоративной) компьютерной сети имеет следующий вид:
 |
Рис. 3.6.1. Обобщенная структурная схема региональной (корпоративной)
Протяженность региональных компьютерных сетей составляет от десятков до сотен километров. Эти сети работают на скоростях передачи от средних до высоких.
Глобальной компьютерной сетью – ГВС (английское название WAN – Wide area network) называется такая сеть, которая объединяет абонентов региональных (корпоративных) и локальных компьютерных сетей на больших расстояниях (в пределах отдельных континентов и земного шара в целом). Обобщенная структурная схема глобальной компьютерной сети имеет следующий вид (рис. 3.6.2).
Рис. 3.6.2. Обобщенная структурная схема глобальной компьютерной сети.
В идеале любая глобальная компьютерная сеть должна передавать данные от абонентов любых типов, которые есть на предприятиях, объединенных этой сетью. Для этого глобальная сеть должна предоставлять абонентам целый комплекс разнообразных услуг, основными из которых являются:
— передача пакетов локальных компьютерных сетей;
— передача трафика офисных АТС;
— выход на городские, междугородние и международные телефонные сети.
Из рассмотренного списка услуг, которые глобальные компьютерные сети предоставляют конечным пользователям, видно, что в основном они используются как транзитный, транспортный механизм, предоставляющий услуги трех нижних уровней модели взаимодействия открытых систем (OSI) действительно. При построении локальных и корпоративных компьютерных сетей сами данные хранятся и вырабатываются в компьютерах, а глобальная сеть их только передает из одной локальной сети в другую. Поэтому в локальных компьютерных сетях реализуются все семь уровней модели OSI, включая прикладной.
Однако в последнее время функции глобальной сети, относящиеся к верхним уровням взаимодействия, стали играть заметную роль в компьютерных сетях. Это связано, в первую очередь, с популярностью информации, предоставляемой глобальной компьютерной сетью INTERNET.
3.7. Глобальная компьютерная сеть INTERNET.
В дословном переводе английское слово INTERNET на русский язык означает межсеть, т.е. объединение сетей. Однако в последние годы у этого понятия появился и более широкий смысл – Всемирная компьютерная сеть.
С физической точки зрения INTERNET представляет собой громадную совокупность отдельных компьютеров и компьютерных сетей, объединяющих сотни миллионов компьютеров во всем мире.
С логической точки зрения INTERNET представляет собой всемирную информационную систему – огромное информационное пространство, охватывающее весь земной шар.
Со времени своего возникновения (60-е годы прошлого столетия) INTERNET неуклонно расширялась как количественно, так и качественно.
Количественное увеличение характеризуется подключением к INTERNET миллионов новых компьютеров ежегодно.
Качественное увеличение – это увеличение количества предоставляемых услуг и расширение их номенклатуры.
Когда говорят от INTERNET или об использовании INTERNET, то на самом деле речь идет не об INTERNET в целом, а только об одной или нескольких ее многочисленных служб.
В зависимости от конкретных целей и задач пользователи сети используют те службы, которые им необходимы. Разные службы имеют разные протоколы. Они называются прикладными протоколами, и их соблюдение обеспечивается и поддерживается работой специальных программ.
Таким образом, чтобы воспользоваться какой-либо службой INTERNET, необходимо, чтобы на соответствующем компьютере была установлена специальная программа, способная работать по протоколу данной службы. Такие программы называются клиентскими программами или просто клиентами.
Основными службами INTERNET являются:
— служба Всемирной паутины (служба WWW);
— служба электронной почты (служба E—MAIL);
— служба телеконференций (служба USENET);
— служба имен доменов (служба DNS);
— служба передачи файлов (служба FTR);
— служба общения в реальном масштабе времени (служба IRC);
— служба поиска сетевого адреса (служба ISQ);
— служба удаленного доступа (TELNET).
Из всех перечисленных выше служб INTERNET самыми популярными являются:
— служба Всемирной паутины (служба WWW);
— служба электронной почты (служба E—MAIL);
— служба телеконференций (служба USENET).
Эти службы мы и рассмотрим далее.
служба WWW ( Всемирной паутины.) – включает в себя три компонента.
Со стороны INTERNET WWW основывается на программах которые называются WEB-серверами.
Со стороны пользователя WWW основывается на программах, которые называются WEB – браузерами.
Работая в паре серверы и браузеры обеспечивают доступ к WEB-документам, которые также называются WEB-страницами. WEB-документы формируются на основе новой сетевой технологи WWW – технологии гипертекста.
При использовании этой технологии исходный текст какого-либо документа структурируется, и в нем выделяются отдельные слова – ссылки. При активизации отдельной ссылки (например, манипулятором мышь) происходит переход на заданный в ссылке фрагмент текста или на другой документ.
Особенностью технологии WWW является возможность осуществлять переходы не только внутри исходного документа, но и на любой документ, находящийся на данном компьютере и, что самое главное, на любой документ любого компьютера, подключенного в данный момент к сети INTERNET.
Документы, реализованные по технологии WWW, называются Web-страницами. Создание Web-страниц осуществляется с помощью языка разметки гипертекста – языка HTML (HTML – HYPER TEXT MARKUP LANGUAGE).
Глобальная компьютерная сеть INTERNET растет очень быстрыми темпами, и поиск нужной информации среди десятков миллионов документов становится все сложнее. Для этой цели в сети INTERNET используются специальные серверы: Web-серверы, которые содержат точную и постоянно обновляемую информацию о содержании десятков миллионов Web-страниц.
Служба E—MAIL (электронная почта) – эта служба обеспечивает почтовый обмен абонента INTERNЕT с другими абонентами. Для организации почтового обмена в операционной системе WINDOUS имеется специальная почтовая программа OUTLOOK EXPRESS
3.8.1. Современные компьютерные сети являются открытыми распределенными системами обработки информации, которые обеспечивают:
— общий доступ к информационным ресурсам;
— быстрый обмен информацией между отдельными пользователями;
— оптимальное распределение нагрузки между отдельными компьютерами;
— совместное использование дорогостоящего оборудования;
— возможность резервирования для повышения надежности всей системы в целом.
3.8.2. Современные компьютерные сети классифицируются в основном по степени территориальной распределенности. По этому признаку различаются следующие компьютерные сети:
3.8.3. Для решения вопросов, связанных с единообразной формой представления информации международной организацией по стандартизации ISO (International standard organization) была разработана базовая модель взаимодействия открытых систем – OSI (OPEN SYSTEM INTERCONNECTION). Модель семь уровней взаимодействия:
3.8.4. На основе предложенных сети типовых уровней взаимодействия разработаны специальные стандарты и правила взаимодействия в компьютерных сетях, которые называются протоколами.
На самом нижнем уровне взаимодействия используется два типовых протокола: протокол ТСР и протокол IP.
Протокол TCP (TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL) – это протокол транспортного уровня, который определяет форму передачи данных.
Протокол IP (INTERNET PROTOCOL) – это протокол сетевого уровня, который определяет направление передачи данных.
Оба протокола TCP и IP тесно связаны друг с другом, и поэтому они называются еще стеком протоколов TCP/IP.
3.8.5. В общем случае в современных компьютерных сетях может осуществляться обмен информации между любыми двумя компьютерами, включенными в сеть. Отсюда следует, что каждый компьютер, включенный в сеть, должен иметь свой уникальный индивидуальный адрес (IP-адрес).
IP-адрес состоит из четырех частей, каждая из которых состоит из восьми двоичных разрядов (октетов).
Любой IP-адрес состоит из двух частей:
— адреса сети (идентификатора сети);
— адреса хоста (идентификатора хоста).
В соответствии со структурой IP-адресов все компьютеры сети делятся на три класса: А, В и С.
В классе А – номер сети занимает один байт, а номер узла – три байта. При этом номер сети находится в диапазоне 1 – 126, а количество узлов в сети достигает 16777216.
В классе В – и номер сети и номер узла занимают по два байта. При этом номер сети меняется в диапазоне от 1 – 16384, а количество узлов достигает 65534.
В классе С – номер сети занимает 3 байта, а номер узла – 1 байт, при этом номера сети меняются в диапазоне 1 – 2097151, а количество узлов в сети достигает 254. Например:
120. 97.25.38 – сеть класса А
102.85.37.48 – сеть класса В
170.185.58.185 – сеть класса С
3.8.6. Для удобства пользователей, кроме цифровых IP –адресов, используется так называемая доменная система имен – DHN (DOMAIN HOST NAME)
Понятие домена означает совокупность хостов, объединенных по какому либо признаку: региональному( например ru – Россия), по виду деятельности (например com – коммерческая организация) и т.д.
Доменное имя (адрес) хоста (компьютера) – это уникальное имя, несущее как правило смысловую нагрузку и гораздо легче запоминаемы, чем цифровой IP – адрес.
Вам также может быть полезна лекция «3. Прикладные системы и технологии».
Доменный адрес хоста ( компьютера) состоит из нескольких доменов различных уровней, причем домен верхнего уровня находится в адресе справа, а домен нижнего уровня – слева. Например: