Структура, призначення, склад і загальна характеристика основних елементів комп’ютерної мережі.

Склад основних елементів в мережі залежить від її архітектури. Архітектура - це концепція, що визначає взаємозв'язок, структуру і функції взаємодії робочих станцій в мережі. Вона передбачає логічну, функціональну і фізичну організацію технічних і програмних засобів мережі.

Архітектура визначає принципи побудови і функціонування апаратного і програмного забезпечення елементів мережі

3.1 Крайове устаткування лінії зв'язку.

Для підключення комп'ютера або терміналу до мережі потрібне так зване крайове устаткування лінії зв'язку (DCE - англ. Data Circuit - terminating Equipment або Data Communication Equipment або Data Carrier Equipment) - устаткування, що перетворює дані, комп'ютером або терміналом в сигнал для передачі по лінії зв'язку і здійснююче зворотне перетворення. Основними видами такого оборудованя є мережеві адаптери і модеми.

Мережевий адаптер (Network Interface Card, NIC) - це периферійний пристрій комп'ютера, що безпосередньо взаємодіє з середовищем передачі даних, яка прямо або через інше комунікаційне устаткування зв'язує його з іншими комп'ютерами. Цей пристрій вирішує завдання надійного обміну двійковими даними, представленими відповідними електромагнітними сигналами, по зовнішніх лініях зв'язку. Як і будь-який контроллер комп'ютера, мережевий адаптер працює під управлінням драйвера операційної системи.

У більшості сучасних стандартів для локальних мереж передбачається, що між мережевими адаптерами взаємодіючих комп'ютерів встановлюється спеціальний комунікаційний пристрій, який бере на себе деякі функції по управлінню потоком даних.

Мережевий адаптер зазвичай виконує наступні функції:

- Оформлення передаваної інформації у вигляді кадру певного формату. Кадр включає декілька службових полів, серед яких є адреса комп'ютера призначення і контрольна сума кадру.

- Діставання доступу до середовища передачі даних. У локальних мережах в основному застосовуються канали зв'язку (загальна шина, кільце), що розділяються між групою комп'ютерів, доступ до яких надається по спеціальному алгоритму (найчастіше застосовуються метод випадкового доступу або метод з передачею маркера доступу по кільцю).

-Кодування послідовності біт кадру послідовністю електричних сигналів при передачі даних і декодування при їх прийомі. Кодування повинне забезпечити передачу початковою інформацію по лініях зв'язку з певною смугою пропускання і певним рівнем перешкод так, щоб приймаюча сторона змогла розпізнати з високою мірою вірогідності послану інформацію.

- Перетворення інформації з паралельної форми в послідовну і назад. Ця операція пов'язана з тим, що в обчислювальних мережах інформація передається в послідовній формі, біт за бітом, а не побайтно, як усередині комп'ютера.

- Синхронізація бітів, байтів і кадрів. Для стійкого прийому передаваної інформації потрібна підтримка постійного синхронізму приймача і передавача інформації.

Мережеві адаптери розрізняються за типом і розрядністю використовуваної в комп'ютері внутрішньої шини даних - ISA, EISA, PCI, MCA.

Мережеві адаптери розрізняються також за типом прийнятої в мережі мережевої технології і тому подібне. Як правило, конкретна модель мережевого адаптера працює за певною мережевою технологією.У зв'язку з тим, що для кожної технології зараз є можливість використання різних середовищ передачі, мережевий адаптер може підтримувати як одну, так і одночасно декілька середовищ. У разі, коли мережевий адаптер підтримує тільки одне середовище передачі даних, а необхідно використовувати іншу, застосовуються трансивери і конвертори.Трансивер (приймач, transmitter+receiver) - це частина мережевого адаптера, його крайовий пристрій, що виходить на кабель. У деяких варіантах виявилося зручним випускати мережеві адаптери, до яких можна приєднати трансивер для необхідного середовища. Замість підбору відповідного трансивера можна використовувати конвертор, який може погоджувати вихід приймача, призначеного для одного середовища, з іншим середовищем передачі даних.

3.1.1 Модем (абревіатура, складена із слів модулятор-демодулятор) - пристрій, що застосовується в системах зв'язку і виконує функцію модуляції і демодуляції. Модулятор здійснює модуляцію сигналу, що несе, тобто змінює його характеристики відповідно до змін вхідного інформаційного сигналу, демодулятор здійснює зворотний процес. Часткрвим випадком модему є широко вживаний периферійний пристрій для комп'ютера, що дозволяє йому зв'язуватися з іншим комп'ютером, обладнаним модемом, через телефонну мережу (телефонний модем) або кабельну мережу(кабельний модем).

Модеми діляться на види по виконанню:

- зовнішні - підключаються через COM, USB порт або стандартний роз'єм в мережевій карті RJ45 зазвичай мають зовнішній блок живлення (існують USB модеми, що живляться від USB і LPT-модемы).

- внутрішні - встановлюються всередину комп'ютера в слот ISA, PCI, PCI - E, PCMCIA, AMR, CNR.

- вбудовані - є внутрішньою частиною пристрою, наприклад ноутбука або док-станції.

За принципом роботи:

- апаратні - усі операції перетворення сигналу, підтримка фізичних протоколів обміну, проводяться вбудованим в модем обчислювачем (наприклад з використаннямDSP, контроллера). Так само в апаратному модемі присутній ПЗП, в якому записана мікропрограма, що управляє модемом, вінмодеми - апаратні модеми, позбавлені ПЗП з мікропрограмою. Мікропрограма такого модему зберігається в пам'яті комп'ютера, до якого підключений модем. Працездатний тільки за наявності драйверів, які зазвичай писалися виключно під операційні системи сімейства MS Windows, напівпрограмні (Controller based soft - modem) - модеми, в яких частина функцій модему виконує комп'ютер, до якого підключений модем,

- програмні (Host based soft - modem) - усі операції по кодуванню сигналу, перевірці на помилки і управління протоколами реалізовані програмно і проводяться центральним процесором комп'ютера. При цьому в модемі знаходиться аналогова схема і перетворювачі: АЦП, ЦАП, контроллер інтерфейсу (наприклад USB).

По виду з'єднання:

- ISDN - модеми для цифрових комутованих телефонних ліній

- DSL - використовуються для організації виділених (некомутованих) ліній використовуючи звичайну телефонну мережу. Відрізняються від комутованих модемів тим, що використовують інший частотний діапазон, а також тим, що по телефонних лініях сигнал передається тільки до АТС. Зазвичай дозволяють одночасно з обміном даними здійснювати використання телефонної лінії в звичайному порядку.

- Кабельні-використовуються для обміну даними по спеціалізованих кабелях - приміром, через кабель колективного телебачення.

- Стільникові - працюють по протоколах стільникового зв'язку - GPRS, EDGE, 3G, 4G і тому подібне. Часто мають виконання у вигляді USB -брелока. Як такі модеми також часто використовують термінали мобільного зв'язку (мобільні телефони).

- PLC - використовують технологію передачі даних по дротах побутової електричної мережі.

3.2 Проміжне мережеве устаткування.

Повторювачі і концентратори

Основна функція повторювача (repeater), як це витікає з його назви, - повторення сигналів, що поступають на його порт. Повторитель покращує електричні характеристики сигналів і їх синхронність, і за рахунок цього з'являється можливість збільшувати загальну довжину кабелю між самими видаленими в мережі вузлами.

Багатопортовий повторювач частоназивають концентратором (concentrator) або хабом (hub), що відбиває той факт, що цей пристрій реалізує не лише функцію повторення сигналів, але і концентрує в одному центральному пристрої функції об'єднання комп'ютерів в мережу. Практично в усіх сучасних мережевих стандартах концентратор є необхідним елементом мережі, що сполучає окремі комп'ютери в мережу.

Відрізки кабелю, сполучаючі два комп'ютери або два інших мережевих пристрої, називаються фізичними сегментам, тому концентратори і повторювачі, які використовуються для додавання нових фізичних сегментів, є засобом фізичної структуризації мережі.

Концентратор - пристрій, у якого сумарна пропускна спроможність вхідних каналів вища за пропускну спроможність вихідного каналу. Оскільки потоки вхідних даних в концентраторі більше вихідного потоку, то головним його завданням є концентрація даних. При цьому можливі ситуації, коли число блоків даних, що поступає на входи концентратора, перевищує його можливості. Тоді концентратор ліквідовує частину цих блоків.

Ядром концентратора є процесор. Функції, що виконуються концентратором, близькі до завдань, покладених на мультиплексор. Нарощувані (модульні) концентратори дозволяють вибирати їх компоненти, не думаючи про сумісність із вже використовуваних. Сучасні концентратори мають порти для підключення до різноманітних локальних мереж.

Концентратор є активним устаткуванням. Концентратор служить центром (шиною) зіркоподібної конфігурації мережі і забезпечує підключення мережевих пристроїв. У концентраторі для кожного вузла (ПК, принтери, сервери доступу, телефони і ін.) має бути передбачений окремий порт.

Нарощувані концентратори є окремими модулями, які об'єднуються за допомогою швидкодіючої системи зв'язку. Такі концентратори надають зручний спосіб поетапного розширення можливостей і потужності мережі.

Концентратор здійснює електричну розв'язку відрізків кабелю до кожного вузла, тому коротке замикання на одному з відрізків не виведе з ладу усю мережу.

Загальне середовище передачі даних - логічний сегмент. Логічний сегмент також називають доменом колізій, оскільки при спробі одночасної передачі даних будь-яких двох комп'ютерів цього сегменту, що хоч би і належать різним фізичним сегментам, виникає блокування передавального середовища. Слід особливо підкреслити, що, яку б складну структуру не утворювали концентратори, наприклад шляхом ієрархічного з'єднання, усі комп'ютери, підключені до них, утворюють єдиний логічний сегмент, в якому будь-яка пара взаємодіючих комп'ютерів повністю блокує можливість обміну даними для інших комп'ютерів.

Концентратори підтримують технологію " plug and play" і не вимагають якої-небудь установки параметрів. Необхідно просто спланувати свою мережу і вставити роз'єми в порти хаба і комп'ютерів.

Планування мережі з хабом

При виборі місця для установки концентратора беруть до уваги наступні аспекти: місце

- розташування;

- відстані;

- живлення.

Вибір місця установки концентратора є найбільш важливим етапом планування невеликої мережі. Хаб розумно розташувати поблизу геометричного центру мережі (на однаковій відстані від усіх комп'ютерів). Таке розташування дозволить мінімізувати витрату кабелю. Довжина кабелю від концентратора до будь-якого з комп'ютерів, що підключаються до мережі, або периферійних пристроїв не повинна перевищувати 100м.

При плануванні мережі є можливість нарощування (каскадування) хабів.

Переваги концентратора.

Концентратори мають багато переваг. По-перше, в мережі використовується топологія зірка, при якій з'єднання з комп'ютерами утворюють промені, а хаб є центром зірки. Така топологія спрощує установку і управління мережі. Будь-які переміщення комп'ютерів або додавання в мережу нових вузлів при такій топології дуже нескладно виконати. Крім того, ця топологія значно надійніша, оскільки при будь-якому ушкодженні кабельної системи мережа зберігає працездатність (перестає працювати лише пошкоджений промінь). Світлодіодні індикатори хаба дозволяють контролювати стан мережі і легко виявляти неполадки.

Різні виробники концентраторів реалізують у своїх пристроях різні набори допоміжних функцій, але найчастіше зустрічаються наступні:

- об'єднання сегментів з різними фізичними середовищами (наприклад, з різними видами кабелів);

- автосегментація портів - автоматичне відключення порту при його некоректній поведінці (ушкодження кабелю, інтенсивна генерація пакетів помилкової довжини і тому подібне);

- підтримка між концентраторами резервних зв'язків, які використовуються при відмові основних;

- захист передаваних по мережі даних від несанкціонованого доступу (наприклад, шляхом спотворення поля даних в кадрах, повторюваних на портах, що не містять комп'ютера з адресою призначення);

Мости і комутатори.

Міст (bridge) - ретрансляційна система, що сполучає канали передачі даних, об'єднує різнотипні канали передачі даних в один загальний. Міст(bridge), а також його швидкодіючий аналог - комутатор (switching hub), ділять загальне середовище передачі даних на логічні сегменти. Логічний сегмент утворюється шляхом об'єднання декількох фізичних сегментів (відрізків кабелю) за допомогою одного або декількох концентраторів. Кожен логічний сегмент підключається до окремого порту моста/комутатора. При вступі кадру на який-небудь з портів міст/комутатор повторює цей кадр, але не на усіх портах, як це робить концентратор, а тільки на тому порту, до якого підключений сегмент, комп'ютер-адресат, що містить мости можуть сполучати сегменти, що використовують різні типи носіїв і сполучати мережі з різними методами доступу до каналу.

Відмінність між мостом і комутатором

Різниця між мостом і комутатором полягає в тому, що міст в кожен момент часу може здійснювати передачу кадрів тільки між однією парою портів, а комутатор одночасно підтримує потоки даних між усіма своїми портами. Іншими словами, міст передає кадри послідовно, а комутатор паралельно.

Мости використовуються тільки для зв'язку локальних мереж з глобальними, тобто як засоби видаленого доступу, оскільки в цьому випадку необхідність в паралельній передачі між декількома парами портів просто не виникає.

Коли з'явилися перші пристрої, що дозволяють роз'єднувати мережу на декілька сегментів вони були двопортовими і дістали назву мостів (bridge). У міру розвитку цього типу устаткування, вони стали багатопортовими і дістали назву комутаторів (switch).Деякий час обидва поняття існували одночасно, а пізніше замість терміну " міст" стали застосовувати " комутатор".Далі в цій темі використовуватиметься термін " комутатор" для позначення цих обох різновидів пристроїв, оскільки усе сказане нижче в рівній мірі відноситься і до мостів, і до комутаторів. Слід зазначити, що останнім часом локальні мости повністю витиснені комутаторами.Часто мости наділяються додатковими функціями. Такі мости мають певний інтелект (інтелектом в мережах називають дії, що виконуються пристроями) і фільтрують крізь себе блоки даних, адресовані абонентським системам, розташованим в тій же мережі. Для цього в пам'яті кожного моста є адреси систем, включених в кожну з мереж. Блоки, що проходять через інтелектуальний міст, двічі перевіряються, на вході і виході. Це дозволяє запобігати появі помилок усередині моста.

Мости не мають механізмів управління потоками блоків даних. Тому може виявитися, що вхідний потік блоків виявиться більшим, ніж вихідний. В цьому випадку міст не впорається з обробкою вхідного потоку, і його буфери можуть переповнюватися. Щоб цього не сталося, надлишкові блоки викидаються. Специфічні функції виконує міст в радіомережі. Тут він забезпечує взаємодію двох радіоканалів, що працюють на різних частотах. Його іменують ретранслятором.

Мости (bridges) оперують даними на високому рівні і мають абсолютно певне призначення. По-перше, вони призначені для з'єднання мережевих сегментів, що мають різні фізичні середовища, наприклад для з'єднання сегменту з оптоволоконним кабелем і сегменту з коаксіальним кабелем. Мости також можуть бути використані для зв'язку сегментів, що мають різні мережеві протоколи.

Комутатор (switch) - пристрій, що здійснює вибір одного з можливих варіантів напряму передачі даних. У комунікаційній мережі комутатор є ретрансляційною системою (система, призначена для передачі даних або перетворення протоколів), прозорості (тобто комутація здійснюється тут без якої-небудь обробки даних), що має властивість. Комутатор не має буферів і не може накопичувати дані. Тому при використанні комутатора швидкості передачі сигналів в каналах передачі даних, що сполучаються, мають бути однаковими. На відміну від інших видів ретрансляційних систем, тут, як правило, не використовується програмне забезпечення.

Спочатку комутатори використовувалися лише в територіальних мережах. Потім вони з'явилися і в локальних мережах, наприклад, приватні установські комутатори. Пізніше з'явилися комутовані локальні мережі. Їх ядром стали комутатори локальних мереж.

Комутатор (Switch) може сполучати сервери і служити основою для об'єднання декількох робітників груп. Він направляє пакети даних між вузлами мережі. Кожен комутований сегмент дістає доступ до каналу передачі даних без конкуренції і бачить тільки той трафік, який прямує в його сегмент. Комутатор повинен надавати кожному порту можливість з'єднання з максимальною швидкістю без конкуренції з боку інших портів (на відміну від спільно використовуваного концентратора). Зазвичай в комутаторах є один або два високошвидкісні порти, а також хороші інструментальні засоби управління. Комутатором можна замінити маршрутизатор, доповнити їм нарощуваний маршрутизатор або використовувати комутатор як основа для з'єднання декількох концентраторів. Комутатор може служити відмінним пристроєм для напряму трафіку між концентраторами мережі робочої групи і завантаженими файл-серверами.

Комутатор локальної мережі

Комутатор локальної мережі (local - area network switch) - пристрій, що забезпечує взаємодію сегментів одній або групи локальних мереж.

Комутатор локальної мережі, як і звичайний комутатор, забезпечує взаємодію підключених до нього локальних мереж. Але на додаток до цього він здійснює перетворення інтерфейсів, якщо з'єднуються різні типи сегментів локальної мережі. У перелік функцій, що виконуються комутатором локальної мережі, входять забезпечення крізної комутації, наявність засобів маршрутизації, підтримка простого протоколу управління мережею, імітація моста або маршрутизатора, організація віртуальних мереж, швидкісна ретрансляція блоків даних.

Маршрутизатор (router) - ретрансляційна система, що сполучає дві комунікаційні мережі або їх частини. З'єднання пар комунікаційних мереж здійснюється через маршрутизатори, які здійснюють необхідне перетворення вказаних протоколів. Маршрутизатор працює з декількома каналами, направляючи в який-небудь з них черговий блок даних. Маршрутизатори обмінюються інформацією про зміни структури мереж, трафік і їх стан. Завдяки цьому, вибирається оптимальний маршрут дотримання блоку даних в різних мережах від абонентської системи-відправника до системи-одержувача. Маршрутизатори забезпечують також з'єднання адміністративно незалежних комунікаційних мереж. Маршрутизатором може бути як спеціальний електронний пристрій, так і спеціалізований комп'ютер, підключений до декількох мережевих сегментів за допомогою декількох мережевих карт.

Відмінність між маршрутизаторами і мостами

Маршрутизатори перевершують мости своєю здатністю фільтрувати і направляти пакети даних на мережі. Маршрутизатори можуть сполучати мережі, що використовують різну мережеву архітектуру, методи доступу до каналів зв'язку і протоколи. Маршрутизатори не мають такої здатності до аналізу повідомлень як мости, та зате можуть приймати рішення про вибір оптимального шляху для даних між двома мережевими сегментами. Мости приймають рішення з приводу адресації кожного з пакетів даних, що поступили, переправляти його через міст або немає залежно від адреси призначення. Маршрутизатори ж вибирають з таблиці маршрутів найкращий для цього пакету. У полі зору маршрутизаторів знаходяться тільки пакети, адресовані до них попередніми маршрутизаторами, тоді як мости повинні обробляти усі пакети повідомлень в сегменті мережі, до якого вони підключені. Тип топології або протоколу рівня доступу до мережі не має значення для маршрутизаторів.

Маршрутизатори часто використовуються для зв'язку між сегментами з однаковими протоколами Необхідно запам'ятати, що для роботи маршрутизаторів вимагається один і той же протокол в усіх сегментах, з якими він пов'язаний. При зв'язуванні мереж з різними протоколами краще використовувати мости. Для управління завантаженістю трафіку сегменту мережі також можна використовувати мости.

Шлюз (gateway) - ретрансляційна система, що забезпечує взаємодію інформаційних мереж.

Шлюз є найбільш складною ретрансляційною системою, що забезпечує взаємодію мереж з різними наборами протоколів. У свою чергу, набори протоколів можуть спиратися на різні типи фізичних засобів з'єднання. У тих випадках, коли з'єднуються інформаційні мережі, то в них частина рівнів може мати одні і ті ж протоколи. Тоді мережі з'єднуються не за допомогою шлюзу, а на основі простіших ретрансляційних систем, наприклад маршрутизаторами і мостами. Необхідність в мережевих шлюзах виникає при об'єднанні двох систем, що мають різну архітектуру. Як шлюз зазвичай використовується виділений комп'ютер, на якому запущено програмне забезпечення шлюзу і проводяться перетворення, що дозволяють взаємодіяти декільком системам в мережі.

Іншою функцією шлюзів є перетворення протоколів. Шлюзи складні в установці і налаштуванні.Шлюзи працюють повільніше, ніж маршрутизатори.