| На начало урока 1 ## Общая информация по сетям На этой странице: Конспект Классификация компьютерных сетей Локальные компьютерные сети Глобальные компьютерные сети Интернет ### Конспект #### Классификация компьютерных сетей Территориальная распространённость (локальные, глобальные сети). Принадлежность (семейные сети, домовые сети, сети организаций, предприятий, ведомств, региональные сети, государственные сети, международные сети). Скорость передачи информации (низкоскоростные — до 10 Мбит/с, среднескоростные — до 100 Мбит/с, высокоскоростные — свыше 100 Мбит/с). Канал передачи информации (проводные: коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно, телефонная линия, бытовая электросеть; беспроводные: передача в диапазоне радиоволн или инфракрасном диапазоне). Топология (общая шина, звезда, дерево, кольцо, ячеистая сеть). #### Локальные компьютерные сети Локальная сеть — соединение компьютеров внутри здания или в пределах небольшой территории в одну группу для совместного использования информации, устройств и услуг. Небольшая территория позволяет прокладывать дорогие кабельные каналы связи, обладающие высокой скоростью передачи информации: кабели “витая пара” (скорости передачи по разным стандартам: Ethernet — 10 Мбит/с, Fast Ethernet — 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet —1000 Мбит/с), оптоволоконные кабели (скорость передачи в стандарте 10G Ethernet достигает значения в 10 Гбит/с). Сообщение для передачи в сеть делят на небольшие порции (пакеты) во избежании монополизации канала связи одним узлом. Хаб, коммутатор, маршрутизатор — устройства для соединения каналов связи в сети. Хаб — устройство без программного обеспечения; передаёт пакет, полученный с одного порта на все остальные. Коммутатор — устройство c программным обеспечением; передаёт пакет только в порт, на котором находится получатель. Маршрутизатор — устройство c программным обеспечением; определяет оптимальный маршрут и передаёт пакет в соседний узел по этому маршруту. Хабы и коммутаторы могут работать только в сетях без циклов (в сетях с топологиями: общая шина, звезда, дерево). Маршрутизатор может работать в сетях с циклами (в сетях с ячеистой топологией, в частности, в сети, построенной как кольцо). Ethernet-cеть с разделяемой средой — сеть, в которой пакет, переданный одной станцией, передаётся всем остальным станциям, но только станция назначения принимает его полностью (определяя “свой” пакет по адресу получателя, записанному в служебной части пакета). Ethernet-сети с разделяемой средой строятся по топологиям общая шина, звезда или дерево. Иерархическая Ethernet-сеть является сетью с разделяемой средой, если для соединения каналов использованы только хабы. Коммутатор своими портами делит Ethernet-сеть на несколько подсетей с разделяемыми средами (при условии, что в этих подсетях используются только хабы). Сеть с коммутацией пакетов — сеть, в которой пакеты следуют от станции отправления к станции назначения по оптимальному маршруту. Этот маршрут заново вычисляется в каждой узловой точке сети маршрутизаторами. Коммутация пакетов характерна для сетей с ячеистой топологией. В кольцевых сетях Token Ring и FDDI тоже используется разделяемая среда, но алгоритм работы её отличается от алгоритма работы разделяемой среды в Ethernеt-сети. В сетях Token Ring по кольцу передаётся специальное сообщение-маркер (другое название: токен) — признак свободной среды. Узел может начать передачу лишь тогда, когда получает маркер. Теперь вместо маркера по кольцу следует пакет с данными. Получатель пакета выполняет обратную операцию: заменяет пакет маркером — сеть снова свободна. #### Глобальные компьютерные сети Примеры глобальных сетей — международные сети Интернет и Фидонет. #### Интернет В Интернете нет единого центра управления. Сеть имеет ячеистую топологию (узлы связывают более одного маршрута). Сообщения в Интернете передаются маленькими порциями (пакетами). За передачу пакета отвечает маршрутизатор (отдельное устройство или программное устройство в составе универсального компьютера). Маршрутизатор определяет оптимальный маршрут и передаёт пакет соседнему узлу по пути следования. Сетевым протоколом называется согласованный и утверждённый стандарт, содержащий описание форматов данных и правил приёма и передачи. ### Классификация компьютерных сетей Два компьютера можно соединить друг с другом через стандартные компьютерные порты, без каких либо сетевых адаптеров. Для передачи информации по такому соединению требуются только специальные программы, которые обычно входят в состав операционных систем. Такое соединение двух компьютеров называют псевдосетью. Реальные сети можно классифицировать по разным признакам: Территориальная распространённость (локальные, глобальные сети). Принадлежность (семейные сети, домовые сети, сети организаций, предприятий, ведомств, региональные сети, государственные сети, международные сети). Скорость передачи информации (низкоскоростные — до 10 Мбит/с, среднескоростные — до 100 Мбит/с, высокоскоростные — свыше 100 Мбит/с). Канал передачи информации (проводные: коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно, телефонная линия, бытовая электросеть; беспроводные: передача в диапазоне радиоволн или инфракрасном диапазоне). Топология (общая шина, звезда, дерево, кольцо, ячеистая сеть). Рассмотрим подробнее эти классификации. #### Территориальная распространённость Локальные вычислительные сети (ЛВС, LAN — Local Area Network). Глобальные вычислительные сети (ГВС, WAN — Wide Area Network). Локальная сеть объединяет компьютеры (и другие устройства, например, принтеры, факсы, накопители информации) на небольшой территории. Небольшая территория позволяет прокладывать дорогие кабельные каналы связи, обладающие высокой скоростью передачи информации: кабели “витая пара” (скорости передачи по разным стандартам: Ethernet — 10 Мбит/с, Fast Ethernet — 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet —1000 Мбит/с), оптоволоконные кабели (скорость передачи в стандарте 10G Ethernet достигает значения в 10 Гбит/с). Эти скорости значительно превышает величину, необходимую для передачи звуковой информации без компрессии (около 1,5 мегабит в секунду) и полноэкранного видео в формате MPEG2 (около 4,5 мегабит в секунду). И даже скорость передачи данных современных винчестеров, которая не превышает 800 мегабит в секунду. Таким образом, через локальную сеть можно комфортно (без задержек) работать с данными, расположенными на другом компьютере, например, просматривать по сети видеоролики. Такой способ работы называется режимом онлайн (online, на линии), в отличие от режима офлайн (offline, с отключённой линией), при котором данные сначала копируются по сети на компьютер, а затем сеть отключается, и данные используются автономно. Локальная сеть может быть расположена внутри одной комнаты или покрывать расстояние несколько десятков километров. Глобальная сеть охватывает значительные географические территории и связывает между собой компьютеры и сети компьютеров, расположенные в разных городах и странах. Прокладка дорогих скоростных каналов связи не всегда экономически оправдана, особенно на больших расстояниях. Для связи между компьютерами часто используют телефонные линии (56 килобит в секунду) и спутниковую радиосвязь (до 5 мегабит в секунду). Обычной является ситуация, когда локальная сеть входит в состав глобальной. В этом смысле граница между локальными и глобальными сетями довольно условна. К какой сети принадлежит компьютер школьной сети, которая подключена к Интернету? С одной стороны — это компьютер локальной сети, а с другой — глобальной! #### Принадлежность Семейные сети, домовые сети, сети организаций, предприятий, ведомств, региональные сети, государственные сети, международные сети. #### Скорость передачи информации Низкоскоростные (до 10 Мбит/с). Среднескоростные (до 100 Мбит/с). Высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с). В качестве быстродействия сети указывают скорость передачи данных по каналам связи и измеряют её в килобитах в секунду (1 Кбит/с = 1000 бит/с) и более крупных единицах: мегабитах в секунду (1 Мбит/с = 1000 Кбит/с), гигабитах в секунду (1 Гбит/с = 1000 Мбит/с) и даже в терабитах в секунду (1 Тбит/с = 1000 Гбит/с). Замечание. В сетевых технологиях скорость передачи информации принято измерять в десятичном виде: приставки К, М, Г, Т обозначают умножение одного бит/c соответственно на 103, 106, 109, 1012 (а не на 210, 220, 230, 240). Как это не покажется удивительным, но и “обычные” килобайты бывают не только двоичные (1 Кбайт = 1024 байт), но и десятичные (1 килобайт = 1000 байт). Например, производители жёстких дисков часто указывают объём своих изделий в десятичных гигабайтах. Так, если на жёстком диске написано 100 Гбайт, то реально он может вместить только 93,13 двоичных Гбайт, а 6,87 Гбайт относятся к рекламному трюку! Один символ обычно кодируется 1 байтом. Так как в одном байте восемь бит, то чтобы определить, сколько символов (байт) в секунду способна пропустить сеть, нужно указанную величину быстродействия поделить на 8. Реальная скорость передачи данных по сети всегда ниже скорости канала связи и зависит, как от протокола сети (правил передачи данных), так и от интенсивности работы пользователей в текущий момент. Так в сетях работающих по протоколу Ethernet сообщения передаются небольшими порциями (пакетами) по общей для всех рабочих станций разделяемой среде. Передачу пакета можно начать лишь тогда, когда среда свободна, значит, чем больше желающих начать работу, тем больше времени уходит на ожидание паузы в сети у каждого передатчика. Пакет, кроме собственно фрагмента данных, содержит служебную информацию: начальную преамбулу (для синхронизации передатчика и приёмника) адрес отправителя и адрес получателя, длину пакета, контрольную сумму (для проверки целостности данных). Кроме того, приёмник посылает передатчику квитанцию о благополучном приёме, а испорченные пакеты приходится передавать заново. В силу этих причин реальная скорость передачи данных (например, компьютерного файла) существенно ниже скорости работы канала связи. #### Канал передачи информации Проводные (передача по коаксиальному кабелю, витой паре, оптоволоконному кабелю, телефонным проводам, проводам бытовых электросетей). Телефонная сеть — самый популярный канал связи для подсоединения к серверу глобальной сети. Скорость передачи данных зависит от типа модема, качества телефонной линии от телефонной розетки пользователя до узла АТС (Автоматической Телефонной Станции) и от типа самой АТС. Обычно, скорость передачи находится в пределах от 14 Кбит/с до 56 Кбит/c. Коаксиальный кабель устроен так же, как телевизионный кабель: в центре — медная жила, затем изоляция, затем металлическая оплётка, наконец — внешний слой изоляции. Коаксиальный кабель обеспечивает скорость передачи данных в 10 Мбит/сек (стандарт Ethernet). Витая пара представляет собой от 2 до 4 пар проводов в изоляции, свитых между собой для уменьшения помех и помещённых в общую изоляционную оболочку. Витая пара обеспечивает скорость передачи данных до 1 000 Мбит/сек (стандарт Gigabit Ethernet). Оптоволоконный кабель похож на коаксиальный кабель, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1–10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции — стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. Информация по оптоволоконному кабелю передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент — прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением. Скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю в стандарте 10G Ethernet составляет 10 Гбит/с, но может быть и больше. Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется, однако иногда её всё-таки применяют для механической защиты от окружающей среды. Обычная бытовая электрическая сеть может быть использована для организации компьютерной локальной сети. Для передачи данных применяют специальные устройства (например, устройства стандарта HomePlug): Основные достоинства такой локальной сети: нет необходимости в проводке специальных сетевых коммуникаций, компьютеры не “привязаны” к сетевым разъёмам, их можно разместить в любом месте, где есть розетка электропитания. Скорость передачи данных для устройств HomePlug составляет от 14 Мбит/с (для HomePlug 1.0) до 200 Мбит/с (для HomePlug AV). Дальность — до 10 км. Беспроводные (передача в диапазоне радиоволн или инфракрасном диапазоне). Спутниковый радиоканал связи обеспечивает передачу данных со скоростью до 5 Мбит/с. Среди беспроводных сетей в последнее время популярны технологии Wi-Fi и BlueTooth. Технология Wi-Fi (от Wireless Fidelity, дословно переводится как беспроводная точность воспроизведения). Передача данных по радиоканалу на частоте около 2,4 ГГц. Скорость передачи данных составляет от 10 до 50 Мбит/с. Зона покрытия каждого узла Wi-Fi-сети составляет около 100-150 метров в помещении и до 500 метров (иногда больше) на открытом пространстве. Чтобы пользователь оказался в сети Wi-Fi, ему достаточно просто попасть в радиус её действия. Все настройки производятся автоматически. Сегодня существует множество устройств, поддерживающих Wi-Fi. Прежде всего — ноутбуки и карманные компьютеры (КПК). Технология Bluetooth (дословно с английского — “синий зуб”). Обеспечивает низкое по стоимости и энергопотреблению, надежное, защищённое сетевое соединение для передачи данных со скоростью до 1 Мбита/с, в радиусе 10 метров (появляются устройства, работающие на расстоянии до 100 метров). Работа ведётся на радиочастоте около 2,45 ГГц. Сегодня эта технология популярна для создания локальных сетей в пределах дома, офиса, а также для беспроводной коммуникации различных электронных устройств (например, компьютера с клавиатурой, мышью, принтером, цифровой камерой, мобильным телефоном, МР3-плеером, и даже микроволновой печью и холодильником). Информационная защищённость соединения обеспечивается специальным шифрованием передачи. “Понять” друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон связи, посторонние приборы воспримут переданную информацию как обычный шум. #### Топология (способ соединения компьютеров в сеть) Популярные топологии: общая шина (все узлы подсоединены к общему каналу связи); звезда (все узлы подсоединены к одному выделенному узлу); кольцо (каждый узел соединён с двумя другими; соединения образуют кольцо); дерево (иерархическая структура); ячеистая сеть (сообщение от одного узла к другому может проходить по нескольким маршрутам). ### Локальные компьютерные сети Локальная сеть — соединение компьютеров, как правило, внутри здания или в пределах небольшой территории в одну группу для совместного использования информации, устройств и услуг. Локальная сеть соединяет между собой несколько (возможно несколько тысяч) компьютеров при помощи сетевых кабелей, реже другим способом (например, с использованием радиосвязи или бытовой электросети). Для работы локальной сети каждый её компьютер должен иметь сетевой адаптер, который, подобно видеоадаптеру, устанавливается в разъём материнской платы компьютера. Сетевой адаптер играет роль преобразователя информации, поступающей от компьютера, в форму, пригодную для передачи по каналу связи и обратно. При построении сетей со сложной структурой используют дополнительные коммуникационные устройства: хабы, коммутаторы и маршрутизаторы (см. раздел Академии Локальные сети Ethernet). #### Топология ЛВС Топология ЛВС — способ соединения компьютеров сети. Популярные топологии: общая шина, звезда, дерево, кольцо, ячеистая. ##### Общая шина Ниже показан пример соединения компьютеров по схеме общая шина. При таком соединении все рабочие станции и сервер подсоединяются к общему кабелю. Рабочие станции обмениваются данными друг с другом, сервер оказывает дополнительные услуги: предлагает место на своём жёстком диске, принтеры, сканеры, факсы, другие подключённые к нему устройства, организует различные сетевые службы (почта, файловые архивы, тематические страницы, доски объявлений, новостные группы, форумы, чаты, конференции…). По протоколу Ethernet сигнал от одного сетевого узла (рабочей станции или сервера) передаётся по общему кабелю, и его “слышат” все другие узлы. Передачу узел начинает лишь тогда, когда в сети “тихо” — мешать чужой передаче запрещено. Сеть с такой организацией называется Ethernet-сетью с разделяемой средой (разделяемой средой здесь является общий кабель). Чтобы один узел не занял сеть надолго, информация передаётся небольшими порциями (пакетами). После передачи пакета узел делает паузу, и ей может воспользоваться другой сетевой участник для начала своей передачи. Сервер может и отсутствовать — он не управляет работой сети, но полезен, так как предлагает пользователям дополнительные услуги. Подробнее о том, как работает сеть с разделяемой средой в стандарте Ethernet можно прочитать в разделе Академии Локальные сети Ethernet. Сети, имеющие топологию общая шина, требуют небольшого количества кабеля, но труднее поддаются диагностике и ремонту по сравнению с сетями, построенными по схеме звезда. ##### Звезда На рисунке показан пример построения Ethernet-сети по схеме звезда. Все рабочие станции сети и сервер подсоединяются к портам (разъёмам) специального устройства под названием хаб (от английского hub — концентратор). Поступающий на порт хаба пакет транслируется на все остальные его порты, поэтому сеть с хабом тоже является сетью с разделяемой средой, как и сеть с общей шиной (разделяемая среда состоит из сегментов кабеля, соединённых хабом). Сети с топологией звезда надёжны, ведь разрыв кабеля на отдельном узле никак не влияет на работу остальной части сети. ##### Дерево Дерево — иерархическое соединение узлов, исходящее из общего узла-корня. Между двумя любыми узлами существует только один маршрут. Пример Ethernet-сети с иерархической структурой показан на рисунке. Корневой хаб объединяет подсети подразделений одного предприятия: Иерархическая сеть, построенная на хабах, по-прежнему остаётся сетью с одной разделяемой средой и принцип её работы такой же, как у сети с общей шиной: пакет от одного узла транслируется на все остальные узлы этой сети. Когда среду разделяют много пользователей, дождаться “тишины” для начала передачи может оказаться сложно. Поэтому, для больших сетей вместо хаба используют другое устройство — коммутатор. Коммутатор, как и хаб соединяет узлы сети своими портами. Но в отличие от хаба устройство наделено “интеллектом” (программным обеспечением): коммутатор передаёт данные только в тот порт, на котором расположен получатель. Таким образом, коммутатор делит сеть на отдельные разделяемые среды, повышая скорость работы сети в целом. На рисунке показан вариант сети предприятия. В ней корневой хаб заменён коммутатором. Теперь каждое подразделение имеет свою разделяемую среду, независимую от разделяемых сред других подразделений: Сообщение передаётся за пределы подразделения лишь тогда, когда это действительно необходимо (серверу или пользователю другого подразделения). ##### Кольцо Кольцо — топология, в которой каждый узел сети соединён с двумя другими узлами, образуя кольцо (петлю). Данные передаются от одного узла к другому в одном направлении (по кольцу). Каждый компьютер работает как повторитель, ретранслируя сообщение к следующему компьютеру. В такой сети одна разделяемая среда, но принцип её работы отличается от принципа работы разделяемой среды Ethernet. Изначально по кольцу передаётся специальное сообщение-маркер (другое название: токен) — признак свободной среды. Узел может начать передачу лишь тогда, когда получает маркер. Теперь вместо маркера по кольцу следует пакет с данными. Получатель копирует пакет в свой буфер и передаёт его дальше по сети с пометкой о получении. Узел-отправитель, получив пакет с пометкой о приёме, заменяет пакет маркером — сеть снова свободна. Рисунок, приведённый ниже демонстрирует передачу пакета от станции 1 к станции 3: Шаг 1. Узел 1 получил токен (от узла 4) и отправляет пакет по кольцу для узла 3. Шаг 2. Узел 3 скопировал полученный пакет и отправил его дальше по кольцу с пометкой о получении. Шаг 3. Узел 1, получив назад свой пакет с уведомлением о вручении, изымает пакет и отправляет токен узлу 2. По протоколу кольца узел, владеющий токеном, может отправить не один, а несколько пакетов в течение времени удержания токена (фиксированная величина). По истечению этого времени передающая станция обязана прекратить передачу (передача текущего пакета разрешается) и передать токен далее по кольцу. По описанному выше алгоритму работают сети, построенные по технологиям Token Ring и FDDI. В кольцо можно включить и сервер, тогда он будет оказывать пользователям дополнительные услуги. ##### Ячеистая сеть Топология, которая более характерна для глобальных сетей. Её отличительный признак: между парой узлов существует более одного маршрута. Для выбора оптимального пути применяются специальные устройства — маршрутизаторы (хабы и коммутаторы не работают, когда в сети есть петли). Ячеистые сети — это сети с коммутацией пакетов, то есть такие, в которых пакеты не “разбрасываются” по всем направлениям (как в сетях Ethernet с разделяемой средой), а целенаправленно “проталкиваются” от узла к узлу по направлению к пункту назначения. За продвижение пакетов в такой сети отвечают маршрутизаторы. Они определяют соседний узел, в который нужно передвинуть пакет для приближения его к пункту назначения. Маршрутизатор — сетевое устройство (отдельное или на обычном компьютере), которое подобно коммутатору соединяет (коммутирует) узлы сети в том случае, когда это необходимо для передачи пакета. Но в отличие от коммутатора, маршрутизатор способен работать в ячеистых сетях и выбирать из разных вариантов наиболее рациональный маршрут для продвижения пакета к пункту назначения. ### Глобальные компьютерные сети Глобальные сети охватывают большие географические пространства. Примеры глобальных сетей — международные сети Интернет и Фидонет. ### Интернет Интернет — наиболее популярная глобальная компьютерная сеть. В состав её входят и отдельные компьютеры, но большей частью локальные сети по всему миру. #### Общие принципы В Интернете нет единого центра управления. Каждый Интернет-сервер берёт на себя ответственность за передачу данных от своих клиентов другим Интернет-серверам, а также за приём сообщений, предназначенных для своих клиентов. Кроме того, каждый Интернет-сервер обязан принимать и передавать дальше транзитные сообщения, которые передают ему другие Интернет-серверы, обеспечивая сквозное прохождение данных по глобальной сети. Все эти сетевые обязанности сервер выполняет при помощи специального программного обеспечения, которое использует сетевые протоколы передачи данных. Сетевым протоколом называется согласованный и утверждённый стандарт, содержащий описание форматов данных и правил приёма и передачи. Протоколы служат для синхронизации работы сети. Подробнее о сетевых протоколах Интернета будет рассказано в следующем уроке. В Интернете нет единого центра управления, и каждый Интернет-сервер самостоятельно решает, какому из связанному с ним соседей передать данные, чтобы они дошли до конечного адресата, не заблудившись в сети. В уроке 2 будет рассказано о принципах маршрутизации сетевых сообщений. В Интернете нет центра управления, но существует международная неправительственная организация Internet Society (ISOC), которая утверждает сетевые стандарты (протоколы) и следит за адресной дисциплиной в сети (о системе адресов в сети рассказывается в уроке 2). Сообщения в Интернете передаются маленькими порциями (пакетами). Важным свойством Интернета является многовариантность маршрутов прохождения данных (Интернет имеет ячеистую топологию). Эта вариативность позволяет доставлять сообщения даже тогда, когда отдельные узлы Интернета выходят из строя. На начало урока 1