Компьютерные сети

     Компьютерные сети 

     Понятие компьютерной сети 

     Компьютерная сеть - это совокупность ПК и других устройств (концентраторов, принтеров, модемов и т. д.), объединяемых вместе с помощью сетевых кабелей. Устройства сети могут взаимодействовать друг с другом с целью совместного использования информации и ресурсов.

     Принципы сетевого взаимодействия не зависят от количества компьютеров. Чтобы понять принципы общения сотен компьютеров достаточно понять, как это делает пара.

     Сеть, которая организует взаимодействие в ограниченной области, называется локальной вычислительной сетью (ЛВС, LAN). Достаточно часто ЛВС размещается в одном месте (например, в офисе). Глобальная вычислительная сеть (ГВС, WAN) - это группа устройств или ЛВС, которые располагаются в разных удаленных друг от друга местах и связываются между собой телефонными каналами, высокоскоростными выделенными линиями, оптоволоконными и спутниковыми каналами. Компьютеры в ГВС могут находиться на расстоянии десятков километров. Но подобное разделение достаточно условно - одни и те же технологии могут применяться и в пределах одного офиса, и в пределах города, и для связи между городами. Самый известный пример ГВС - Internet.

     Существует несколько способов подключения компьютера к сети: с помощью кабеля USB, кабеля Ethernet, волоконно-оптического кабеля, беспроводной сети или персональной сети Bluetooth. Ниже будут рассмотрены особенности обеспечения связи между двумя компьютерами с использованием этих средств.

Кабель USB

Порты USB позволяют подавать питание на определенные устройства и одновременно осуществлять передачу данных. Внутри кабеля USB имеется четыре провода, два из которых предназначены для подачи питания, а другие два - для передачи данных. Во избежание путаницы стандарты USB предусматривают использование разъемов типа A и B и связь компьютеров с помощью кабелей USB обеспечивает сравнительно невысокую скорость передачи данных. Скорость передачи зависит также от качества кабеля, операционной системы, протоколов, сетевых устройств, центрального процессора и других электронных узлов.

Кабели Ethernet с прямыми и перекрестными проводниками

     Для соединения компьютеров в локальных сетях чаще всего используются кабели Ethernet. Ethernet - стандарт связи, предназначенный для локальных сетей. Наиболее часто встречаются кабели Ethernet с прямыми (straight), перекрестными (cross over) и перевернутыми (roll over) соединениями. Кабель с прямыми соединениями предназначен для соединения компьютера с хабом или коммутатором, кабель с перекрестными соединениями используется для соединения двух компьютеров напрямую, а с перевернутыми соединениями - для соединения хабов или коммутаторов. Кабель с перевернутыми соединениями используется также для подключения компьютера к порту консоли маршрутизатора.

Персональная сеть (PAN) на базе Bluetooth

     Персональная беспроводная сеть на базе Bluetooth представляет собой технологию, использующуюся для создания сети Ethernet с применением беспроводной связи с мобильными компьютерами. В такую сеть можно соединить до восьми компьютеров, мобильных устройств, например мобильных телефонов и карманных компьютеров, и т.п. При этом ноутбук со встроенной системой Bluetooth может связываться с компьютером, снабженным внешним портом связи типа Bluetooth.

Беспроводная (Wi-Fi) сеть компьютер-компьютер

     Беспроводную связь возможно осуществлять также по протоколу IEEE Wireless 802.11b/g, который еще называют Wi-Fi или беспроводным Ethernet. Компьютеры, снабженные платами локальной беспроводной сети, получают возможность обмениваться данными с точками доступа. Главными компонентами, используемыми в локальной беспроводной сети, являются беспроводные маршрутизаторы, платы локальной беспроводной сети, точки доступа и т.п. Для настройки настольного компьютера необходимо подсоединить к нему беспроводную точку доступа и далее действовать по инструкции.  
Волоконно-оптический кабель

     Волоконно-оптический кабель состоит из нескольких стеклянных волокон, позволяющих передавать данные со скоростью света. Волоконно-оптические кабели обладают большой пропускной способностью и характеризуются скоростью передачи порядка Гбайт/с. Сигналы, передаваемые по волоконно-оптическим кабелям не нуждаются в регенерации. Они очень стойки к воздействию электромагнитных сигналов, возникающих рядом с различными силовыми кабелями, электродвигателями и источниками электромагнитных помех. Технология внедрения волоконно-оптической связи в быту FTTH стала общепринятым стандартом благодаря очень высокой скорости подключения к Интернету - до 100 Мбайт/с и выше. 

     Передача данных по сети 

     Передача данных может осуществляться последовательно или параллельно. При параллельной передаче биты данных передаются одновременно по нескольким проводникам (по шине).

     Напротив, последовательное соединение подразумевает передачу данных по очереди бит за битом. В сетях чаще всего используется именно этот способ.

     При передаче используют три различных метода, обозначаемых разными терминами: симплексный (simplex), дуплексный(duplex) и полудуплексный(half-duplex). При симплексном методе данные предаются только в одном направлении. При полудуплексном - в обоих направлениях, но в разное время, а в дуплексном - одновременно в обоих направлениях. 

     Коммутируемые сети 

     Коммутация, или переключение соединения позволяет аппаратным средствам использовать один и тот же физический канал для соединения со множеством устройств. Этот принцип лежит в основе телефонной сети общего пользования (ТФОП). При отсутствии механизма коммутации, вам необходимо иметь тысячу соединительных линий чтобы позвонить тысяче абонентов. Используя механизм коммутации можно обойтись одной единственной линией. По этой же причине коммутация используется в компьютерных сетях. Существует два вида коммутации: коммутация цепей и коммутация пакетов.

     Переключение цепей создает единое непрерывное соединение между двумя сетевыми устройствами. Пока эти устройства взаимодействуют, другие не могут воспользоваться этим соединением. Т.е. устройства делят между собой физический канал связи и вынуждены ждать, пока он не освободится. В телефонной сети используют именно этот способ коммутации.

     Переключение пакетов позволяет не поддерживать постоянный физический канал между двумя устройствами. Информация при этом способе коммутации делится на части, называющиеся пакетами, и каждый пакет передается отдельно, по свободным в данный момент каналом связи. При этом каждый пакет может проходить по своему маршруту. 

     Топология сети 

     Термин «топология», или «топология сети», характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология -- это стандартный термин, который используется при описании основной компоновки сети. Если Вы поймете, как используются различные топологии, Вы сумеете понять, какими возможностями обладают различные типы сетей.

     Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель. Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров. Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, и эти методы оказывают большое влияние на сеть. 

     Базовые топологии 

     Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

     - шина (bus);

     - звезда (star);

     - кольцо (ring).

     Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля [сегмента (segment)], топология называется шиной.

     В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора, топология называется звездой.

     Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца.

     Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий. 

     Топология типа «шина» 

     Топологию «шина» часто называют «линейной шиной» (linear bus). Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети (рис. 1.1). 

     Взаимодействие компьютеров 

     В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, Вы должны уяснить следующие понятия:

     - передача сигнала;

     - отражение сигнала; терминатор.

 

      Передача сигнала 

     Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу. Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

     - характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;

     - частота, с которой компьютеры передают данные;

     - тип работающих сетевых приложений;

     - тип сетевого кабеля;

     - расстояние между компьютерами в сети.

     Шина -- пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.  

     Отражение сигнала 

     Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети - от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.  

     Терминатор 

     Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают заглушки (терминаторы, terminators), поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел-коннектору -- для увеличения длины кабеля. К любому свободному -- неподключенному -- концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов. 

     Нарушение целостности сети 

     Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть «падает». Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом. 

     Расширение ЛВС 

     Увеличение участка, охватываемого сетью, вызывает необходимость ее расширения. В сети с топологией ``шина'' кабель обычно удлиняется двумя способами.