Призначення та класифікація КМ

Комп'ютерна мережа — це система розподіленого опрацювання інформації, що скла­дається як мінімум із двох комп'ютерів, які взаємодіють між собою за допомогою засобів зв'язку.

Засоби зв'язку мають забезпечувати надійну передачу інформації між комп'ютерами ме­режі. Комп'ютери, що входять до складу мережі, виконують досить широке коло функцій, основними з яких є:

- організація доступу до мережі;

- керування передачею інформації;

- надання обчислювальних ресурсів і послуг абонентам мережі.

Абонент (вузол, хост, станція) — це пристрій, що підключений до мережі і бере активну участь в інформаційному обміні та має свою мережну адресу. Найчастіше абонентом (вузлом) мережі є комп'ютер, але абонентом також може бути, наприклад, мережний принтер або інший периферійний пристрій, що має можливість безпосередньо підключатися до мережі.

Сервером називається абонент (вузол) мережі, який надає свої ресурси іншим абонентам, але сам не використовує їх ресурси. Таким чином, він обслуговує мережу. Серверів в мережі може бути декілька, і зовсім не обов'язково, що сервер — найпотужніший комп'ютер. Виділений (dedicated) сервер — це сервер, що займається тільки мереженими завданнями. Невиділений сервер може крім обслуговування мережі виконувати і інші завдання. Специфічний тип сервера — це мережний принтер.

Клієнтом називається абонент мережі, який тільки використовує мережні ресурси, але сам свої ресурси в мережу не віддає, тобто мережа його обслуговує, а він нею тільки користується. Комп'ютер-клієнт також часто називають робочою станцією. В принципі кожен комп'ютер може бути одночасно як клієнтом, так і сервером.

Комп’ютерні мережі є одним з основних видів телекомунікацій. Комп’ютерна мережа — це сукупність каналів передавання даних і/або засобів комунікації, які з’єднують окремі ЕОМ і дають змогу використовувати спільні програмні й технічні засоби для організації зв’язку.

Основним призначенням комп’ютерних мереж є обмін даними; розподіл ресурсів — спільне використання обчислювальних потужностей (ресурсів процесора), периферійних пристроїв (принтерів, графопобудовників) та ін.; розподіл даних і програмних засобів.

Існування та функціонування мереж визначається протоколами і стандартами. Протокол — це сукупність правил (визначень, домовленостей), які регламентують формат і процедури обміну інформацією між двома або більшою кількістю незалежних пристроїв чи процесів. Іншими словами, протокол — це опис того, як програми, комп’ютери або інші пристрої мають функціонувати у процесі взаємодії між собою — від порядку передавання бітів до формату повідомлень електронної пошти.

Створення протоколів диктується необхідністю організації повноцінної взаємодії технічних і програмних засобів різних вузлів мережі. З’єднати два комп’ютери кабелем — цього ще замало, аби забезпечити комунікацію: кожен учасник зв’язку надсилатиме повідомлення, які не будуть зрозумілі одержувачам. Такий процес можна порівняти із засіданням, де немає головуючого і всі учасники говорять водночас, та до того ж різними мовами без перекладача. Із цього погляду, протокол, затверджений як стандарт, містить правила, дотримуватись яких неодмінно мають розробники мережного технічного та програмного забезпечення.

Будь-яка комп'ютерна мережа характеризується своєю архітектурою, яка визначається (рис. 1.1) її топологією, протоколами, інтерфейсами, мережними технічними і програм­ними засобами. Кожна із складових архітектури комп'ютерної мережі характеризує її окремі властивості, і тільки їх сукупність характеризує всю мережу загалом.

Рисунок 1.1 - Компоненти архітектури комп'ютерної мережі

Топологія комп'ютерної мережі відображає структуру зв'язків між її основними елемен­тами. Через низку причин існує відмінність між топологіями глобальних і локальних мереж. Топологія глобальних мереж характеризується достатньо складною, неоднорідною структу­рою. У свою чергу, топологія локальної мережі, зазвичай, має визначену структуру: лінійну, кільцеву або деревоподібну.

Протоколами називають правила взаємодії функціональних елементів мережі.

Інтерфейси — це засоби сполучення функціональних елементів мережі. Варто звернути увагу, що у ролі функціональних елементів можуть виступати як окремі пристрої, так і про­грамні модулі. Відповідно до цього, існують апаратні і програмні інтерфейси.

Під мережними технічними засобами мають на увазі різноманітні пристрої, що за­безпечують об'єднання комп'ютерів в єдину комп'ютерну мережу. До цих пристроїв відно­сяться мережні контролери, вузли комутації та ін.

Мережні програмні засоби керують роботою комп'ютерної мережі і забезпечують від­повідний інтерфейс з користувачами. До мережних програмних засобів належать мережні операційні системи і допоміжні (сервісні) програми.

Основні програмні і апаратні компоненти мережі. Весь комплекс програмно-апаратних засобів мережі може бути описаний багатошаровою моделлю. У основі будь-якої мережі лежить апаратний шар стандартизованных комп'ютерних платформ. В даний час в мережах широко і успішно застосовуються комп'ютери різних класів - від персональних комп'ютерів до мейнфреймів і супер ЕОМ. Набір комп'ютерів в мережі повинен відповідати набору різноманітних завдань, що вирішуються мережею.

Другий шар - це комунікаційне устаткування. Хоча комп'ютери і є центральними елементами обробки даних в мережах, останнім часом не менш важливу роль почали грати комунікаційні пристрої. Кабельні системи, повторювачи, мости, комутатори, маршрутизатори і модульні концентратори з допоміжних компонентів мережі перетворилися на основних разом з комп'ютерами і системним програмним забезпеченням як по впливу на характеристики мережі, так і за вартістю. Сьогодні комунікаційний пристрій може бути складним спеціалізованим мультипроцесором, який потрібно конфігурувати, оптимізувати і адмініструвати.

Третім шаром, при створенні програмної платформи мережі, є операційні системи (ОС). Від того, які концепції управління локальними і розподіленими ресурсами покладені в основу мережевої ОС, залежить ефективність роботи всієї мережі. При проектуванні мережі важливо враховувати, наскільки просто дана операційна система може взаємодіяти з іншими ОС мережі, наскільки вона забезпечує безпеку і захищеність даних, до якого ступеня вона дозволяє нарощувати число користувачів, чи можна перенести її на комп'ютер іншого типу і багато інших міркувань.

Самим верхнім шаром мережевих засобів є різні мережеві застосування, такі як мережні бази даних, поштові системи, засоби архівації даних, системи автоматизації колективної роботи і ін.

Таким чином, вибір комп'ютерної мережі може бути зведений до вибору її топології, протоколів, апаратних засобів і мережного програмного забезпечення. Кожен з цих компонентів є відносно незалежним. Наприклад, мережі з однаковою топологією можуть використовувати різні методи доступу, протоколи і мережне програмне забезпечення. У різних мережах можуть застосовуватись однакові про­токоли і (або) мережне програмне забезпечення. Це розширює можливість вибору най­більш оптимальної архітектури комп'ютерної мережі.

Призначення мережі. Перше призначення мереж - сумісне використання інформації. При цьому слід звернути увагу на те, яка інформація має життєво важливе значення для вашої організації та які дані вимагають обмеження доступу або постійного доступу для всіх співробітників.

Класифікація комп’ютерних мереж.Сьогодні у світі налічуються сотні тисяч обчислювальних мереж. Загальноприйнятої стійкої класифікації мереж не існує, тому в цьому розділі розглянуто класифікацію за найважливішими й найчастіше використовуваними ознаками.

За розмірами розрізняють локальні та глобальні мережі. Локальна обчислювальна мережа (ЛОМ), як правило, зв’язує не більш ніж сотню вузлів в одній локальній зоні (не більш ніж кілька кілометрів). Глобальна мережа може охоплювати територію регіону, держави чи кількох країн, з’єднувати як окремі ЕОМ, так і локальні мережі. Проміжним класом є міські (муніципальні) мережі, зорієнтовані на географічні області невеликих розмірів. Відмінність між названими класами мереж полягає не тільки в розмірах охоплюваних ними територій, а й у швидкості передавання даних — технології, які забезпечують більші швидкості, працюють на менших відстанях. Існують і інші відмінності щодо використовуваного обладнання та принципів побудови мереж.

За типом з’єднуваних ЕОМ розрізняють однорідні (гомогенні, з однотипним складом технічних засобів) та неоднорідні (гетерогенні) мережі. Вузли ЛОМ здебільшого комплектуються однотипним апаратним i програмним забезпеченням, що практично неможливо забезпечити у глобальних мережах.

Доступ до комерційних мереж та послуги їхніх сервісних служб є платними. У некомерційних мережах («умовно безплатних») користувач платить тільки за підключення, експлуатацію системи зв’язку, використання мережних служб. Комерційні мережі підтримуються професійними організаціями, які існують з метою надання мережних послуг, а некомерційні, як правило, — навчальними закладами, інформаційними структурами та громадськими організаціями.

Якщо всі ЕОМ мережі мають однакову продуктивність і рівні права, мережа називається одноранговою. Однак у процесі нарощування мережі один або кілька комп’ютерів роблять більш потужними, їм надаються додаткові права — створюється мережа з виділеним сервером.

Проблема визначення рангів тісно пов’язана з вибором способу організації оброблення інформації. За цією ознакою мережі поділяються на централізовані, розподілені, із серверами.

У розподіленій мережі всі вузли виконують подібні між собою функції, причому кожний окремий вузол може використовувати ресурси інших вузлів і надавати у спільне використання свої ресурси. Такий підхід забезпечує оптимальність використання ресурсів, стійкість мережі до відказів (вихід із ладу одного вузла не призводить до фатальних наслідків — його легко можна замінити), але при цьому постають проблеми забезпечення розподілу ресурсів, безпеки та прозорості.

Централізовані мережі (із хост-машиною) складаються з особливо надійного й потужного центральною вузла та неінтелектуальних терміналів. На центральному вузлі здійснюється обробка даних, виконуються функції керування мережею (діагностування, збирання статистики і т. ін.), установлюється зв’язок з іншими мережами. Термінали називаються неінтелектуальними, оскільки вони позбавлені обчислювальних можливостей, на них виконуються тільки функції введення i виведення інформації та керування процесом її оброблення. Роль терміналів можуть виконувати персональні комп’ютери і навіть дисплейні станції. Нині централізовані мережі практично не застосовуються.
Проміжне місце між централізованими і розподіленими мережами посідають мережі із серверами. Сервер — це потужний комп’ютер, призначений для виконання певних завдань за допомогою відповідного ПЗ. Решта машин у мережі, які звертаються до послуг сервера, називаються клієнтськими (клієнтами), інша назва — робочі станції.

Залежно від виконуваних завдань розрізняють:

- принт-сервер (сервер друку) — активний мережний пристрій (комп’ютер), який дає змогу підмикати кілька принтерів для створення єдиного вузла друку та сортування документів у разі великого документообігу. До різних портів принт-сервера можна підмикати лазерні, матричні, струменеві принтери, копіри;

- файл-сервер (файловий сервер) — центральний вузол мережі, на якому зберігаються файли даних, доступні всім користувачам. Файл-сервер не бере участі у виконанні додатків — файл (або його частина) передається на робочу станцію, а після оброблення дані копіюються на файл-сервер. Він може не лише виконувати основні функції, а й бути засобом для спільного використання периферійних пристроїв. Мережі з файл-сервером мають два основні недоліки. По-перше, не забезпечується одночасний доступ кількох користувачів до одного набору даних (файл, з яким працює один користувач, блокується і стає недоступним для інших). По-друге, за великої кількості запитів до файл-сервера мережа швидко насичується і продуктивність системи різко знижується;

- клієнт-сервер — це спосіб не стільки організації мережі, скільки логічного подання й обробки інформації, згідно з яким сервери виконують оброблення даних, а клієнтські машини — функції формування запитів, відображення результатів та їх обробки. Окремим випадком організації такого середовища є використання серверів баз даних, які мають таке призначення: управління єдиною базою даних і доступом до неї багатьох користувачів; захист бази даних за допомогою засобів відновлення та створення резервних копій; контроль за дотриманням правил глобальної цілісності даних. Оскільки клієнт і сервер працюють спільно і розподіляють завантаження (звідси термін «розподілена обробка»), така система може забезпечити більшу продуктивність порівняно з файл-серверною. До того ж клієнтська частина додатка працює не з цілими файлами, а з невеликими наборами даних (рядками таблиць), що забезпечує паралельність роботи користувачів і мінімальний мережний трафік. Перевагами таких систем є також гнучкість, адаптованість до вимог додатків, оптимальне використання ресурсів, нарощуваність.

Залежно від фізичного середовища передавання даних розрізняють мережі на основі витої пари, коаксіального кабелю, оптоволоконного кабелю, радіозв’язку, супутникового зв’язку.

За способом використання каналу передавання даних розрізняють мережі з комутацією каналів і мережі з комутацією пакетів. Комутація каналів — це процес з’єднання двох або більшої кількості станцій з монопольним використанням каналу до його роз’єднання. У разі комутації пакетів повідомлення розбивається на частини — пакети, канал зайнятий тільки на час пересилання окремого пакета, після чого звільняється для передавання інших пакетів.

Іншою важливою характеристикою мережі є її топологія — конфігурація з’єднання елементів. Від топології мережі багато в чому залежать такі її характеристики, як надійність, продуктивність і т. ін. Найпростішим способом організації мережі є безпосереднє з’єднання всіх вузлів, які мають взаємодіяти, за допомогою ліній зв’язку від пристрою до пристрою. Таку мережу називають повнозв’язаною. Але цей спосіб прийнятний тільки для небагатьох вузлів, оскільки має такі недоліки, як висока вартість і велика кількість каналів зв’язку. Тому основними видами топологій сучасних мереж є «зірка», кільцева, шинна, деревоподібна.

Набори технічних засобів і правила їх з’єднання для організації мережі певної топології описано у відповідних стандартах. Таким чином регламентується припустима мережна архітектура — кабельна система мережі, кодування сигналів, швидкість передавання, формат мережних кадрів, топологія і метод доступу до каналу. Іншими словами, мережна архітектура визначає реалізацію фізичного і канального рівнів моделі OSI. Найпоширенішими архітектурами мереж є Ethernet та її модифікації, Token Ring (маркерне кільце), ARCnet, FDDI (інтерфейс передавання даних за оптоволоконними лініями) та її модифікації, ATM (технологія асинхронного передавання даних), ISDN (цифрова мережа з інтеграцією сервісу).

Мережі також можна класифікувати за операційними системами, які забезпечують їх функціонування. До найпоширеніших мережних операційних систем належать Microsoft Windows, Microsoft Windows NT, IBM OS/2 та UNIX-системи (BSD, LINUX та ін.).

Види мереж залежно від кола користувачів та призначення:

- мережа зв’язку загального користування — мережа зв’язку, яку експлуатують підприємства та об’єднання зв’язку для забезпечення потреб у послугах зв’язку всіх споживачів;

- мережа спеціального зв’язку (спеціальна мережа зв’язку) — мережа зв’язку, яка забезпечує обмін інформацією з обмеженим доступом;

- відомча мережа зв’язку — мережа зв’язку, яку експлуатує юридична або фізична особа для задоволення власних потреб;

- мережа технологічного зв’язку — відомча мережа зв’язку для обміну інформацією з метою забезпечення технологічних процесів у виробничій діяльності;

- мережа зв’язку подвійного призначення — мережа зв’язку, яку експлуатує юридична або фізична особа для задоволення власних потреб та надання (на умовах ліцензування) послуг зв’язку всім споживачам;

- спеціальна мережа зв’язку подвійного призначення — спеціальна мережа зв’язку, призначена для забезпечення зв’язку в інтересах органів державної влади та органів місцевого самоврядування, з використанням частини її ресурсу для надання послуг іншим споживачам;

- єдина національна система зв’язку — сукупність мереж зв’язку загального користування, відомчих та подвійного призначення, які забезпечують задоволення потреб споживачів (підприємств, установ, організацій, населення та ін.) у послугах зв’язку;

- державна система урядового зв’язку — система спеціального зв’язку, яка забезпечує передавання інформації, що містить державну таємницю, і функціонує в інтересах управління державою в мирний та воєнний час;

- національна система конфіденційного зв’язку — сукупність спеціальних систем (мереж) зв’язку подвійного призначення, які за допомогою криптографічних і/або технічних засобів забезпечують обмін конфіденційною інформацією в інтересах органів державної влади та органів місцевого самоврядування, створюють належні умови для їх взаємодії в мирний час та в разі впровадження надзвичайного і воєнного стану.

Для класифікації комп’ютерних мереж використовуються різні ознаки, вибір яких полягає в тім, щоб виділити з існуючого різноманіття такі, які дозволили б забезпечити даній класифікаційній схемі такі обов’язкові якості:

- можливість класифікації всіх, як існуючих, так і перс пектив них КМ;

- диференціацію істотно різних мереж;

- однозначність класифікації будь-якої комп’ютерної мережі;

- наочність, простоту й практичну доцільність класифікаційної схеми.

Певна невідповідність цих вимог робить завдання вибору раціональної схеми класифікації КМ досить складної, такою, котра не знайшла до цього часу однозначного рішення. В основному КМ класифікують за ознаками структурної й функціональної організації.

По призначенню КМ розподіляються на:

- обчислювальні;

- інформаційні;

- змішані (інформаційно-обчислювальні).

Обчислювальні мережі призначені головним чином для рішення завдань користувачів з обміном даними між їхніми абонентами. Інформаційні мережі орієнтовані в основному на надання інформаційних послуг користувачам. Змішані мережі поєднують функції перших двох.

Особливе значення займає класифікація по територіальній ознаці, тобто по величині території, що покриває мережа. І для цього є вагомі причини, тому що відмінності технологій локальних і глобальних мереж дуже значні, незважаючи на їхнє постійне зближення.

Класифікуючи мережі по територіальній ознаці, розрізняють:

- локальні (Local Area Networks – LAN) мережі;

- глобальні (Wide Area Networks – WAN) мережі;

- міські (Metropolitan Area Networks – MAN) мережі.

LAN– зосереджені на території не більше 1–2 км; побудовані з використанням дорогих високоякісних ліній зв’язку, які дозволяють, застосовуючи прості методи передачі даних, досягати високих швидкостей обміну даними порядку 100 Мбіт/с, Надавані послуги відрізняються широкою розмаїтістю й звичайно передбачають реалізацію в режимі on-line.

WAN – поєднують комп’ютери, розосереджені на відстані сотень і тисяч кілометрів. Часто використовуються вже існуючі не дуже якісні лінії зв’язку. Більше низькі, чим у локальних мережах, швидкості передачі даних (десятки кілобит у секунду) обмежують набір надаваних послуг передачею файлів, переважно не в оперативному, а у фоновому режимі, з використанням електронної пошти. Для стійкої передачі дискретних даних застосовуються більш складні методи й устаткування, чим у локальних мережах.

MAN– займають проміжне положення між локальними й глобальними мережами. При досить більших відстанях між вузлами (десятки кілометрів) вони мають якісні лінії зв’язку й високих швидкостей обміну, іноді навіть більше високими, чим у класичних локальних мережах. Як і у випадку локальних мереж, при побудові MAN уже існуючі лінії зв’язку не використовуються, а прокладаються заново.

Також додатково виділяють:

- кампусні мережі (CampusArea Network – CAN), які поєднують значно віддалені одна від однієї абонентські системи або локальні мережі, але ще не вимагають віддалених комунікацій через телефонні лінії й модеми;

- широкомасштабні мережі (Wide Area Network – WAN), які використовують віддалені мости й маршрутизатори з можливо невисокими швидкостями передачі даних.