Компьютерные сети

Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) - это система связи двух или более компьютеров и/или иного компьютерного оборудования (серверы, маршрутизаторы, периферийное и другое оборудование). Без компьютерных сетей в современных условиях теперь не обходятся даже небольшие предприятия и учреждения. По данным специалистов, сегодня около 80% компьютеров либо объединены в локальные и/или корпоративные сети, или они подключены к глобальной информационной сети.

Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило, различные виды электрических сигналов, электромагнитного или оптического излучения.

Компьютерные сети могут классифицироваться по различным основаниям: по территории охвата; по роли компьютера в сети; по топологии (типу соединения компьютеров в сеть); по типу и технологиям передачи данных.

Компьютерные сети по территории охвата подразделяются на персональные, локальные, территориальные и глобальные.

Персональная сеть (англ. Personal Area Network (PAN)) - это сеть, построенная, как правило, «вокруг» человека. PAN призвана объединять все персональные электронные устройства пользователя (стационарные персональные компьютеры, ноутбуки, карманные персональные компьютеры, сотовые телефоны, смартфоны, коммуникаторы, мультимедийные центры, гарнитуры и т.п.), бытовую технику и т.п. в пределах территории проживания человека и его семьи.

Локальная сеть (англ. Local Area Network (LAN)) - компьютерная сеть, объединяющая, как правило, относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт). Но при этом существуют локальные сети одной организаций или одного ведомства, узлы которых разнесены географически на расстояния в несколько тысяч километров.

Территориальная сеть (англ. Metropolitan Area Network (MAN)) объединяет компьютеры в пределах одной территории (обычно одного населенного пункта). Самым простым примером территориальной сети являются городские телекоммуникационные системы кабельного телевидения. Они стали правопреемником обычных антенных сетей в тех местах, где по тем или иным причинам качество эфира было слишком низким. Но MAN это не только кабельное телевидение. Разработки, связанные с высокоскоростным беспроводным доступом в Интернет, привели к созданию широкополосных беспроводных территориальных компьютерных сетей.

Глобальная сеть (англ. Wide Area Network (WAN)) представляет собой компьютерную сеть, охватывающую большие территории (континенты) и включающую в себя сегодня миллионы мэйнфреймов, серверов и компьютеров. WAN служат для объединения разрозненных сетей так, чтобы пользователи и компьютеры, где бы они ни находились, могли взаимодействовать со всеми остальными участниками глобальной сети. Лучшим примером WAN является Интернет, но существуют и другие сети, например FidoNet. Некоторые WAN построены исключительно для частных организаций, другие являются средством коммуникации корпоративных WAN с сетью Интернет или посредством Интернет с удалёнными сетями, входящими в состав LAN или MAN.

По топологии (от греч. τ ο ́ π ο ς - место), т.е. технологиям и схемам расположения и соединения сетевых устройств выделяют пять базовых топологий: линия (шина), «каждый с каждым», кольцо, звезда, ячеистая топология и решётка. Остальные типы объединения компьютеров являются комбинациями базовых. В общем случае такие топологии называются смешанными или гибридными. Иногда, в локальной сети организуются рабочие группы - формальное объединение нескольких компьютеров в группу с единым названием.

Сетевая топология: на физическом уровне описывает реальное расположение сетевых компонентов и технологии связи между узлами сети; на логическом уровне - передачу информации в рамках физической топологии; на информационном уровне - направление потоков информации, передаваемых по сети; на уровне управления обменом описывает принципы прав на передачу информации в пределах компьютерной сети.

По роли компьютера вычислительные сети выделяются одноранговые (типа «клиент-сервер») сети и сети с выделенным сервером.

Клиент-сервер (англ. Client-server) – это сетевая архитектура, в которой устройства одновременно являются либо клиентами, либо серверами. Клиентом (front end) является запрашивающее устройство, а сервером (back end) - устройство, который отвечает на запрос. Оба термина (клиент и сервер) могут применяться как к аппаратным средствам компьютерной и периферийной техники, так и к программному обеспечению.

Сеть с выделенным сервером (англ. Сlient/Server network) - это в основном локальная компьютерная сеть, в которой сетевые устройства централизованы и управляются одним или несколькими серверами. Персональные компьютеры или клиенты («толстые» или «тонкие») могут обращаться к ресурсам сети только через сервер(ы).

В качестве сервера может выступать не непосредственно сервер как физическое устройство, а специально выделенный в сети персональный компьютер. В задачу сервера входит управление всей сетью или частью сети (например, в комбинированных сетях), прием, хранение, обновление и выдача пользователям общей информации, управление сетевыми периферийными устройствами. Для обеспечения бесперебойной и качественной работы сети к серверу предъявляются более высокие требования по производительности, объему памяти и надежности.

Термином «толстый» клиент обычно обозначают полноценные системные блоки персональных компьютеров, которые могут работать автономно, без подключения к сети. Как правило, на каждом «толстом» клиенте установлена собственная операционная система. При работе в сети «толстые» клиенты могут использовать либо установленное в них собственное прикладное программное обеспечение, либо работать с сетевым программным обеспечением, инсталлированном (установленном) на центральном сервере. Обрабатываемая информация может храниться как на носителях клиента, так и носителях, подключенных к серверу. Но компьютерные сети с «толстыми» клиентами являются достаточно дорогим удовольствием, поскольку в стоимость терминала (рабочего места пользователя) включается цена системного блока.

Терминальная архитектура вычислительных сетей по компьютерным меркам придумана достаточно давно. Она включала единственную электронную вычислительную машину с подключенными к ней несколькими терминалами, установленными в одном или нескольких смежных помещениях. Но это еще была не сеть, а только ее прообраз. Для реализации терминального режима работы, но уже в рамках разнесенных в пространстве терминалов, были предложены специальные технологии, в основу которых было положено специальное устройство, получившим название «тонкий» клиент (англ. Thin Client). Данным термином обозначается аппаратное средство сетевых технологий, представляющее собой бездисковый компьютер-клиент миниатюрных размеров в компьютерных сетях с клиент-серверной или терминальной архитектурой, который переносит все или большую часть задач по обработке информации на сервер[31].

«Тонкий» клиент обеспечивает терминальный доступ к компьютерной сети, организованный так, что каждый терминал не выполняет вычислительной работы, а лишь осуществляет перенаправление ввода информации (от мыши и клавиатуры) на центральную машину (терминальный сервер) и отображает графическую информацию на монитор. Вся вычислительная работа в терминальной системе выполняется на центральной машине. «Тонкий» клиент имеет разъем для подключения монитора, клавиатуры, мыши, микрофона, акустической системы, сетевого кабеля и один или два разъема, для подключения USB-устройств, и иногда картридер флэш-карт различного форм-фактора.

По размещению данных в компонентах компьютерной сети выделяют сети с центральным банком данных, сети с распределенным банком данных и сети с комбинированной системой размещения данных.

По виду коммуникационной среды передачи информации выделяют проводные (кабельные) сети, беспроводные сети и комбинированные сети, совмещающие кабельные линии и радиоканалы.

При построении современных кабельных сетей используется концепция СКС (структурированные кабельные системы). Существуют несколько стандартов на построение подобных систем, но принцип в них заложен один и тот же. Каждое сетевое средство цифровой техники должно быть укомплектовано телекоммуникационным разъемом (и в некоторых случаях и не одним). Существуют два принципиально разных вида сетевых кабелей: одни передают цифровую информацию в виде электрических сигналов, другие - в виде оптических сигналов.

В современных условиях для создания персональных (домашних) сетей в пределах одного жилого помещения уже не требуется применения специальных кабелей. На рынке широко представлено оборудование, которое позволяет коммутировать компьютерные и иные устройства посредством телефонной проводки или проводов обычной электрической сети. Но из-за посторонних наводок накладываются ограничение по дальности соединения в несколько десятков метров.

В ряде случаев развертывание кабельных систем для создания локальной сети либо невозможно либо нецелесообразно. Такая ситуация характерна для быстро растущих компаний, часто меняющих свое местоположение, для офисов, размещенных в исторических зданиях, а также для компаний, персонал которых вынужден перемещаться в пределах здания с мобильными компьютерами. Оптимальным решением в этих ситуациях является либо развертывание полностью беспроводной сети, либо комбинированной проводно/беспроводной сети.

Беспроводная связь (англ. Wireless Fidelity ( Wi-Fi)) позволяет устройствам без проводов связываться между собой с целью обмена данными. Для этих целей используются специальные приемо/передающие устройства, которые могут быть выполнены либо в виде отдельных устройств либо они могут жестко вмонтированы в центральные платы средств цифровой техники (например, ноутбуки).

Приемо/передающее устройство может выполнено и в виде отдельного блока, подключаемого к USB-разъему. С использованием технологии Wi-Fi могут подключаться и иные конечные устройства средств цифровой техники, например, видеокамеры наблюдения, принтеры, акустические системы.

Технология передачи данных Wi-Fi регулируется принятым в 1999 г. стандартом 802.11b, использующим частотный диапазон 2, 4 ГГц. Наиболее популярная и широко используемая версия Wi-Fi - это стандарт 802.11b, который обеспечивает передачу данных со скоростью 11 Мбит/с. Стандарты 802.11а и 802.11g - более новые версии, которые лучше подходят для локальных беспроводных сетей и работают на скорости до 54 Мбит/с.

Технология Wi-Fi в основном используется для подключения к Интернету и WLAN (Wireless LAN), завоевывая популярность как в домашнем, так и в офисном применении. Кроме того, Wi-Fi отлично подходит для мобильного доступа в Интернет, что весьма привлекательно для пользователей мобильных устройств на базе различных платформ. Чтобы подключиться к Интернету таким способом, достаточно иметь персональный компьютер с поддержкой Wi-Fi и находиться в пределах действия беспроводной точки доступа.

Для подключения какого-либо средства цифровой техники к локальной (Ethernet) или внешней (Internet) сети оно должно быть укомплектовано сетевой картой (сетевым адаптером), которое либо выполняется в виде отдельного устройства, либо является встроенным в материнскую или системную плату. Если требуется соединить, например, два компьютера, то каких-либо дополнительных устройств не требуется. Если требуется скоммутировать несколько сетевых устройств, то требуется применение специальных устройств, называемых хабами (концентраторами) или маршрутизаторами. Но в настоящее время хабы почти не выпускаются - им на смену пришли сетевые коммутаторы, выделяющие каждое подключенное устройство в отдельный сегмент. Сетевой коммутатор или «свитч» (англ. Switch - переключатель) - аппаратное устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от хаба, который передает информацию (распространяет трафик) от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно конкретному получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Основной характеристикой хабов и коммутаторов является количество портов, которая определяет максимальное количество устройств, которые могут к ним быть подключены.

Маршрутизатор или роутер (англ. Router) - сетевое устройство, которое на основании информации о топологии сети и определённых правил о пересылке пакетов сетевого уровня между различными сегментами сети, работает на более высоком уровне, чем коммутатор.

Если мы соединяем всего два устройства, то прием/передача информации не вызывает каких-либо особых проблем. Если же в локальной сети более двух устройств, то нужно, как минимум, определить какому устройству предназначается передаваемая информация, или какое устройство ее запросила. Для решения этой проблемы и предназначена одна из самых распространенных сетевых технологий - Ethernet (не путать с Internet), разработанной еще в 1973 г. Основой Ethernet является установление специального уникального адреса для каждого устройства, подключенного к локальной сети.

MAC-адрес (от англ. Media Access Control - управление доступом к среде, также Hardware Address) - это уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице оборудования компьютерных сетей. Адреса в каждом из пространств теоретически должны быть глобально уникальными. В широковещательных сетях (таких, как сети на основе Ethernet) MAC-адрес позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу.

IP-адрес (от англ. Internet Protocol Address) — сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP. При связи через сеть Интернет требуется глобальная уникальность адреса, в случае работы в локальной сети требуется уникальность адреса в пределах сети. Каждый компьютер или иное цифровое устройство, подключаемое к сети Интернет, получает свой уникальный IP-адрес. IP-адреса бывают статическими и динамическими.

Статическим (постоянным, неизменяемым) называют IP-адрес, если он прописывается в настройках устройства пользователем, либо если назначается автоматически при подключении устройства к компьютерной сети, но используется в течение неограниченного промежутка времени и не может быть присвоен другому устройству.

Динамическим (непостоянным, изменяемым) обозначают IP-адрес, если он назначается автоматически при подключении устройства к сети и используется в течение ограниченного промежутка времени, как правило, до завершения сеанса подключения (обычно подобные адреса присваиваются портативным ПЭВМ, владельцы которых подключаются к беспроводным сетям в кафе, ресторанах и т.п.). Пользователям динамических IP-адресов предоставляется возможность беспрепятственно получать информацию из сети Интернет, при этом теряется всякая возможность иного доступа к компьютеру из сети, так например, компьютер с таким IP-адресом не может использоваться в качестве Web-сервера.