Классификация компьютерных сетей

По размеру охваченной территории.

1. Персональная сеть (PAN, Personal Area Network).

2. Локальная сеть (LAN, Local Area Network).

3. Объединение нескольких зданий (CAN, Campus Area Network).

4. Городская сеть (MAN, Metropolitan Area Network).

5. Национальная сеть.

6. Глобальная вычислительная сеть (WAN, Wide Area Network).

В крупных коммерческих и государственных организациях активно используются локальные сети, построенные на основе единых стандартов, принятых в глобальных сетях. В зависимости от решаемых задач и мероприятий, обеспечивающих безопасность работы и доступ к сети, их разделяют на внутренние (Intranet) и внешние (Extranet) корпоративные сети.

Компьютерная сеть Интернет – это глобальная сеть, которая включает сети различных уровней, компьютеры и терминалы (для ввода и отображения данных).

По типу функционального взаимодействия.

1. Одноранговая сеть (все компьютеры равноправны)

2. Многоранговые сети (происходит разделение компьютеров на рабочие станции и серверы).

В многоранговых сетях реализуется принцип «Клиент–сервер». Сервер – компьютер сети, предоставляющий свои программные и аппаратные ресурсы пользователям сети для хранения данных, выполнения программ и других услуг (например, доступ к общей базе, совместное использование устройств ввода/вывода, организацию взаимодействия пользователей и др.).

Клиент – компонент архитектуры «клиент – сервер», пользующийся услугами сервера. Часто в качестве клиента выступают программы, имеющие доступ к информационным ресурсам или устройствам сервера. Для подключения к серверу пользователь рабочей станции должен получить собственное регистрационное имя и пароль.

Термины «клиент» и «сервер» используются для обозначения как программных, так и аппаратных средств.

К преимуществам сетей с архитектурой «клиент – сервер» относятся централизованное управление ресурсами сети, безопасность и скорость доступа.

Топология сетей

Шина (представляет собой общий кабель, к которому подсоединены все рабочие станции; на концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала; достоинства: небольшое время установки сети, дешевизна, простота настройки, выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети; недостатки: обрыв кабеля, выход из строя терминатора полностью уничтожают работу всей сети, сложная локализация неисправностей, с добавлением новых рабочих станций падает производительность сети).

Звезда (базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатору), образуя физический сегмент сети; сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе более сложной сетевой «дерево»; достоинства: выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе сети, хорошая масштабируемость, лёгкий поиск неисправностей, высокая производительность сети, гибкие возможности администрирования; недостатки: выход из строя коммутатора приводит к неработоспособности сети или сегмента сети, для прокладки зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий, конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе).

Кольцо (базовая топология компьютерной сети, в которой рабочие станции подключены последовательно друг к другу, образуя замкнутую сеть; данные передаются по кругу от одного компьютера другому, пока не достигнут адресата или не будет изъят; достоинства: простота установки, практически полное отсутствие дополнительного оборудования, возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети; недостатки: выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети, сложность конфигурирования и настройки, сложность поиска неисправностей).

Решётка

Смешанная топология (сочетает в себе разные топологии).

Полносвязная топология (топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция подключена ко всем остальным; этот вариант является громоздким и неэффективным, несмотря на свою логическую простоту).

Способы коммутации

Существует три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях.

Коммутация каналов (КК, circuit switching) – организация составного канала через несколько транзитных узлов из нескольких последовательно «соединённых» каналов на время передачи сообщения (оперативная коммутация) или на более длительный срок (постоянная/долговременная коммутация – время коммутации определяется административно.

Коммутация сообщений (КС, message switching) – разбиение информации на сообщения, которые передаются последовательно к ближайшему транзитному узлу, который приняв сообщение, запоминает его и передаёт далее сам таким же образом.

Коммутация пакетов (КП, packet switching) – разбиение сообщения на «пакеты», которые передаются отдельно. Разница между сообщением и пакетом: размер пакета ограничен технически, сообщения – логически. При этом, если маршрут движения пакетов между узлами определён заранее, говорят о виртуальном канале (с установлением соединения). Пример: коммутация IP-пакетов. Если же для каждого пакета задача нахождения пути решается заново, говорят о датаграммном (без установления соединения) способе пакетной коммутации.

Коммутация ячеек (КЯ, cell switching) – то же, что и коммутация пакетов, но при коммутации ячеек пакеты имеют фиксированный размер.

Сетевая модель ISO/OSI

При создании компьютерных сетей важным является обеспечение совместимости по электрическим и механическим характеристикам, совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных.

Решение этих проблем основано на так называемой модели взаимодействия открытых систем OSI (Model of Open System Interconnections). Стандарты этой модели разработаны Международным институтом стандартов (International Standards Organization) – ISO.

Согласно модели ISO/OSI архитектуру сети следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней – до семи).

Самый верхний уровень – прикладной, где прикладные программы взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний – физический, он обеспечивает доступ к среде передачи данных между устройствами. Обмен данными в сети происходит в результате их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировка и, наконец, обратное преобразование на компьютере клиента в результате перемещения данных с нижнего уровня на верхний.

Специальные стандарты – протоколы, обеспечивают необходимую совместимость на каждом уровне. Протоколы могут быть реализованы аппаратно-программными средствами.

Сетевое оборудование

Для построения сетей используется сетевое оборудование.

Повторитель предназначен для увеличения расстояния сетевого соединения путём повторения электрического сигнала «один в один». В модели OSI работает на физическом уровне. Пример, в рамках технологии Ethernet длина линка может составлять до 100 м. Для увеличения этого расстояния применяются повторители. В качестве повторителей могут выступать обычные концентраторы или коммутаторы.

Коммутатор – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались. Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI.

Маршрутизатор – сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.

Сетевой шлюз – аппаратный маршрутизатор (англ. gateway) или программное обеспечение для сопряжения компьютерных сетей, использующих разные протоколы (например, локальной и глобальной сетей). Сетевой шлюз конвертирует протоколы одного типа физической среды в протоколы другой физической среды (сети).

Сетевые технологии

Сетевая технология – совокупность требований и стандартов к каналам связи, протоколам передачи и интерфейсам компьютерной сети.

Ethernet/IEEE 802.3

Ethernet был разработан в корпорации Xerox в 1970-м году. На сегодняшний день Ethernet и IEEE 802.3 являются наиболее распространенными протоколами локальных вычислительных сетей. Сегодня термин Ethernet чаще всего используется для описания всех ЛВС работающих по принципу множественный доступ с обнаружением несущей (carrier sense multiple access/collision detection (CSMA/CD)), которые соотвествуют Ethernet, включая IEEE 802.3. Ethernet хорошо подходит для приложений, где локальные коммуникации должны выдерживать высокие нагрузки при высоких скоростях в пиках.

Станции, подключённые по технологии Ethernet, использующие метод CSMA/CD могут получить доступ к несущей в любое время. Перед тем как послать данные, станция «прослушивает» сеть, чтобы удостовериться, что никто больше не использует её. Если среда передачи используется, то станция задерживает передачу. Если же – нет, то начинает передавать. Коллизия происходит, когда две станции, прослушав сетевой трафик и обнаружив «тишину», начинают передачу одновременно. В этом случае обе передачи прерываются, и станции должны повторить передачу спустя некоторое время. Специальный алгоритм «задержки» определяет, когда конфликтующие станции повторят передачу. Станции, использующие метод CSMA/CD могут обнаружить коллизии в сети и, следовательно, они знают, когда надо повторять передачу.

Стандарт определяет сеть, как сети с широковещательными сообщениями. Другими словами, все станции видят все кадры. Каждая станция должна проверить принятый пакет, чтобы определить является ли она станцией назначения. Если это так, пакет пропускается к протоколу верхнего уровня для соответствующей обработки.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель и используется топология шина. Скорость передачи данных для коаксиального кабеля составляет 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала 10BASE2 может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала 10BASE5 – не более 100,). Однако сеть, построенная на одном сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

По мере развития технологии в качестве физической среды стали использовать витую пару и оптическое волокно, компьютеры стали соединяться по топологии звезда.

При использовании топологии звезда требуется специальное устройство, к которому подключаются компьютеры. Сегодня, как правило, в качестве такого устройства выступают коммутаторы. При подключении двух компьютеров достаточно только одного кабеля.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet (100BASE-T, 100BASE-SX, 100BASE-FX) со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet (1000BASE-T, 1000BASE-SX и др.) со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптоволокну и еще через два года для передачи по витой паре. Существуют стандарты и для скорости в 10 Гб. 10 Гигабит / секунду – это ещё не предел. Уже ведутся разработки 100 Gigabit Ethernet и выше.

Token ring

Token ring – «маркерное кольцо», технология кольцевой сети с маркерным (эстафетным) доступом в сеть. Сети с передачей маркера перемещают вдоль сети небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максимального времени (по умолчанию – 10 мс).

Если у станции, владеющей маркером, имеется информации для передачи, она захватывает маркер, изменяет у него один бит (в результате чего маркер превращается в последовательность «начало блока данных»), дополняет информацией, которую он хочет передать и, наконец, отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер в сети отсутствует, поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать. Следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий.

Информационный блок циркулирует по кольцу. Станция назначения, получив блок, копирует информацию для дальнейшей обработки, а сам блок продолжает циркулировать по кольцу; он удаляется после достижения станции-отправителя. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения.

Существуют 2 модификации по скоростям передачи: 4 Мб/с и 16 Мб/с.

В прошлом Token Ring обеспечивала высокую надёжность передачи. В настоящее время по надежности Ethernet не уступает Token Ring и существенно выше по производительности.

FDDI

FDDI (англ. Fiber Distributed Data Interface — распределённый волоконный интерфейс данных) — стандарт передачи данных в локальной сети, протянутой на расстоянии до 200 километров. Стандарт основан на протоколе Token Ring. Кроме большой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей.

В качестве среды передачи данных в FDDI рекомендуется использовать оптоволоконный кабель, однако можно использовать и медный кабель, в таком случае используется сокращение CDDI (Copper Distributed Data Interface). В качестве топологии используется схема двойного кольца, при этом данные в кольцах циркулируют в разных направлениях. Одно кольцо считается основным, по нему передаётся информация в обычном состоянии; второе — вспомогательным, по нему данные передаются в случае обрыва на первом кольце. Для контроля за состоянием кольца используется сетевой маркер, как и в технологии Token Ring.

Поскольку такое дублирование повышает надёжность системы, данный стандарт с успехом применяется в магистральных каналах связи.