Концепція обчислювальних мереж є логічним результатом еволюції комп'ютерної технології. Перші комп'ютери 50-х років - великі, громіздкі і дорогі - призначалися для дуже невеликої кількості обраних користувачів. Такі комп'ютери не призначалися для інтерактивної роботи (режиму діалогу) користувача.
В 60-ті роки почали розвиватися інтерактивні багатотермінальні системи розподілу часу. В таких системах комп'ютер надавався в розпорядження одночасно декільком користувачам. Кожний користувач за допомогою окремого терміналу мав можливість вести діалог з комп'ютером. Термінали вийшли за межі обчислювального центру, і хоча обчислювальна потужність залишалася повністю централізованою, деякі функції, такі як введення та виведення даних, - стали розподіленими. Такі багатотермінальні централізовані системи зовні були дуже схожі з локальними обчислювальними мережами. Дійсно, у користувача створювалася повна ілюзія одноособового володіння комп'ютером, але все ж таки зберігався централізований характер обробки даних.
Однак поява багатотермінальних систем не вирішувала питання об'єднання комп'ютерів, які знаходилися на великій відстані. А така потреба ставала все більш актуальною. Почалося все з вирішення більш простої задачі - доступу до комп'ютера з терміналів, віддалених від нього на багато сотень, а то і тисяч кілометрів. Термінали з'єднувалися з комп'ютерами через телефонні мережі зв'язку за допомогою модемів. Потім з'явилися системи, в яких поряд з віддаленими з'єднаннями типу "термінал-комп'ютер" були реалізовані і віддалені зв'язки типу "комп'ютер-комп'ютер". Комп'ютери отримали можливість обмінюватися даними в автоматичному режимі, що, власне, і є базовим механізмом будь-якої обчислювальної мережі. Таким чином, хронологічно першими з'явились глобальні обчислювальні мережі.
В середині 80-х років з'явилися стандартні технології об'єднання комп'ютерів в мережу - Ethernet, Arcnet, Token Ring. Потужним поштовхом для їх розвитку стали персональні комп'ютери. Швидкість передачі даних мережею становила до 10 МБіт/с. Розробники глобальних мереж мали змогу тільки мріяти про такі швидкості - їм доводилося користуватися тими каналами зв'язку, які були в наявності, а саме: телефонними каналами, які погано пристосовані для високошвидкісної передачі даних. Швидкість в 1200 біт/с була для них хорошим показником.
Сьогодні обчислювальні мережі продовжують розвиватися досить швидко. Розрив між глобальними і локальними мережами постійно скорочується в основному за рахунок появи високошвидкісних територіальних каналів зв'язку, які не поступаються якістю кабельним системам локальних мереж. В глобальних мережах з'являються служби доступу до ресурсів, такі ж зручні і прозорі, як і служби локальних мереж. Подібні приклади у великій кількості демонструє найпопулярніша глобальна мережа Internet.
Змінюються також і локальні мережі. Завдяки сучасному комунікаційному обладнанню з'явилась можливість створення великих корпоративних мереж, які нараховують тисячі комп'ютерів і мають складну структуру. Відродилась зацікавленість великими комп'ютерами, які почали повертатися в корпоративні обчислювальні системи, але вже як повноправні потужні мережеві вузли.
З'явилась ще одна дуже важлива тенденція, яка стосується як глобальних, так і локальних мереж. В мережах почалась обробка голосу, відеозображень, малюнків. Складність передачі такої інформації мережею пов'язана з її чутливістю до затримок передачі, а затримки призводять до перекручення інформації. Сьогодні такі проблеми вирішуються різними способами, в тому числі - за допомогою спеціальної технології ATM.
До локальних мереж - Local Area Networks (LAN) - відносяться мережі комп'ютерів, які розташовані на невеликій території (в радіусі не більше 1-2 км). В загальному випадку локальна мережа являє собою комунікаційну систему, що належить одній організації. Завдяки невеликим відстаням у локальних мережах є можливість використання відносно дорогих, але високоякісних ліній зв'язку, які дозволяють досягати високих швидкостей обміну даними (100 Мбіт/с).
Глобальні мережі - Wide Area Networks (WAN) - об'єднують територіально рознесені комп'ютери, які можуть знаходитися в різних містах і навіть країнах. У зв'язку з тим, що проведення високоякісних ліній зв'язку на великі відстані коштує дуже дорого, в глобальних мережах часто використовуються вже існуючі і первинно призначені зовсім для інших цілей лінії зв'язку. Наприклад, багато глобальних мереж будуються на базі телефонних каналів загального призначення.
Міські мережі - Metropolitan Area Networks (MAN) - є менш розповсюдженим типом мереж. Вони з'явились зовсім недавно і призначені для обслуговування території великого міста - мегаполіса. Ці мережі займають проміжне положення між локальними і глобальними мережами, використовують цифрові магістральні лінії зв'язку зі швидкостями від 45 МБіт/с і призначені для зв'язку локальних мереж в межах міста, а також об'єднання локальних мереж з глобальними.
Корпоративні мережі - це мережі в межах одного підприємства чи установи. Вони об'єднують велику кількість комп'ютерів на всіх територіях окремого підприємства, можуть покривати місто, регіон і навіть континент. Число користувачів і комп'ютерів може вимірюватися тисячами, а відстані між мережами окремих територій можуть бути такими, що необхідне використання глобальних зв'язків.
Головною вимогою сучасних комп'ютерних мереж є виконання мережею її основної функції - забезпечення користувачам потенційної можливості доступу до розподілених ресурсів всіх комп'ютерів, об'єднаних в мережу.
Інші вимоги:
1. Продуктивність;
2. Надійність;
3. Сумісність;
4. Розширюваність і масштабованість - пов'язані з якістю виконання цієї головної задачі.
Існує декілька характеристик продуктивності мережі:
- час реакції;
- пропускна спроможність;
- затримка передачі даних.
Час реакції визначається як інтервал часу між виникненням запиту користувача до будь-якої мережевої служби і отриманням відповіді на цей запит.
Пропускна спроможність відображає обсяг даних, що передається мережею за одиницю часу. Вимірюється або в бітах за секунду, або в пакетах за секунду.
Затримка передачі визначається як затримка між моментом надходження пакета даних на вхід будь-якого мережевого пристрою і моментом появи його на виході цього пристрою.
Мережу можна вважати надійною, якщо вона може бути використана протягом досить тривалого часу. Крім того, вона має забезпечити збереження даних і їх захист від перекручувань, а також бути спроможною захистити дані від несанкціонованого доступу.
Сумісність означає, що мережа здатна включати в себе різноманітне програмне і апаратне забезпечення, тобто, в ній можуть співіснувати різні операційні системи і апаратні засоби і додатки від різних виробників.
Розширюваність і масштабованість означає можливість додавання окремих елементів мережі (користувачів, комп'ютерів, додатків), а також нарощування кількості вузлів і довжини зв'язків. Ці дії не повинні знижувати продуктивності мережі.
Отже, комп'ютерна мережа - це комплекс взаємопов'язаних і узгоджено функціонуючих програмних і апаратних компонентів: комп'ютерів, комунікаційного обладнання, операційних систем та мережевих додатків.
До мережевих додатків відносять мережеві бази даних, поштові системи, засоби архівування даних, системи автоматизації колективної роботи та ін.
Будь-яка комп'ютерна мережа повинна забезпечити надійну і швидку передачу дискретних даних лініями зв'язку.
Залежно від середовища передачі даних лінії зв'язку поділяються на:
1. Повітряні;
2. Кабельні;
3. Радіоканали наземного та супутникового зв'язку.
Повітряні лінії зв'язку - це неізольовані проводи, що прокладені між стовпами і висять в повітрі. Традиційно по таких проводах передаються телефонні або телеграфні сигнали, але за відсутності інших можливостей ці лінії використовуються також і для передачі комп'ютерних даних. Сьогодні провідні (повітряні) лінії зв'язку швидко витісняються кабельними.
Кабельні лінії зв'язку комп'ютерних мереж створюються на основі трьох видів кабелю:
1. Кабелі на основі скручених пар мідних проводів;
2. Коаксіальні кабелі з мідною жилою;
3. Волокняно-оптичні кабелі.
Скручена пара проводів має назву витої пари. Вита пара існує в двох варіантах: екранованому, коли пара мідних проводів обгортається в ізоляційний екран, і неекранованому, коли ізоляційна обгортка відсутня. Скручення проводів знижує вплив зовнішніх перешкод на корисні сигнали, що передаються по кабелю.
Коаксіальний кабель складається з внутрішньої мідної жили і обплетення, що відокремлюється від жили шаром ізоляції.
Волокняно-оптичний кабель складається з тонких волокон (5-60 мікрон), по яких передаються світлові сигнали. Це найбільш якісний тип кабелю, він забезпечує передачу даних з високою швидкістю (до 10 ГБіт/с і вище), до того ж краще за всі типи середовища забезпечує захист даних від зовнішніх перешкод.
Радіоканали наземного і супутникового зв'язку створюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль. Існує велика кількість різних типів радіоканалів, які відрізняються частотним діапазоном і дальністю каналу. Супутникові канали і радіозв'язок використовується найчастіше в тих випадках, коли кабельний зв'язок використати не можна - наприклад, коли канал проходить через малонаселену місцевість, або для зв'язку з мобільним користувачем.
До апаратури передачі даних відносяться, зокрема, модеми.
Модем - це пристрій, який виконує модуляцію і демодуляцію дискретних сигналів. При модуляції дискретна інформація представляється синусоїдальним сигналом заданої частоти. Демодуляція - процес зворотного перетворення.
Комп'ютери, що об'єднані в мережу, часто називають робочими станціями або вузлами мережі. При об'єднанні комп'ютерів в мережу перш за все необхідно визначити спосіб організації фізичних зв'язків (топологію).
Розглянемо основні види топологій.
Топологія "загальна шина" була донедавна дуже поширеною топологією для локальних мереж. Основні переваги цієї схеми - дешевизна і простота. А недоліками є низька надійність та невисока продуктивність, тому що при такому підключенні в кожний момент часу тільки один комп'ютер може передавати дані в мережу.
Топологія "зірка" передбачає підключення кожного комп'ютера окремим кабелем до загального пристрою, який називається концентратором і знаходиться в центрі мережі. В функції концентратора входить направлення інформації, що передається комп'ютером, одному або всім іншим комп'ютерам мережі. Головна перевага цієї топології - більш висока надійність, тому що будь-які неприємності відносно кабелю стосуються лише того комп'ютера, до якого цей кабель приєднаний, і тільки несправність концентратора може вивести з ладу всю мережу. Недоліками є більш висока вартість, а також те, що можливості нарощування кількості вузлів в мережі обмежуються кількістю портів концентратора.
Іноді доцільно будувати так звану "ієрархічну зірку", в якій використовується декілька концентраторів, ієрархічно об'єднаних між собою зв'язками типу "зірка".
При кільцевій топології мережі робочі станції зв'язані одна з іншою по колу, тобто робоча станція 1 з робочою станцією 2, робоча станція 3 з робочою станцією 4 і т. д. Остання робоча станція зв'язана з першою. Комунікаційний зв'язок замикається в кільце. В мережах, побудованих відповідно до топології "кільце", передбачається передача даних від одного комп'ютера до іншого, як правило, в одному напрямку. Якщо комп'ютер розпізнає інформацію як свою, то він копіює її до себе у внутрішній буфер. Це дуже зручно для організації зворотного зв'язку.
В той час як невеликі мережі, як правило, мають типову топологію "зірка", "кільце" або "загальна шина", для великих мереж більш характерною є змішана топологія.
При об'єднанні комп'ютерів в мережу виникає багато проблем, які вирішуються на рівні мережевої технології. В загальному випадку мережева технологія - це узгоджений набір стандартних протоколів і програмно-апаратних засобів (адаптерів, драйверів, кабелів і т.д.), які їх реалізують.
Найбільш поширеними мережевими технологіями є Ethernet, Token Ring, FDDI.
Стандарт Ethernet був прийнятий у 1980 році. Головний принцип, який покладений в основу Ethernet - це випадковий метод доступу до розподіленого середовища передачі даних. Як таке середовище може використовуватися коаксіальний кабель, вита пара, оптоволокно або радіохвилі. В стандарті Ethernet комп'ютери підключаються відповідно до топології "загальна шина". Управління доступом до лінії зв'язку здійснюється мережевими адаптерами Ethernet. Передача даних відбувається зі швидкістю до 100 МБіт/с.
Одиниця даних, якими обмінюються комп'ютери в мережі Ethernet, називається кадром.
Мережа Ethernet побудована таким чином, що коли кадр потрапляє в розподілене середовище передачі даних, всі мережеві адаптери одночасно починають приймати цей кадр. Всі вони аналізують адресу призначення і якщо ця адреса співпадає з їх власною адресою, кадр розміщується у внутрішньому буфері мережевого адаптера. Таким чином, комп'ютер-адресат отримує призначені для нього дані. Іноді може виникати ситуація, коли одночасно два або більше комп'ютерів вирішують, що мережа вільна, і починають передавати інформацію. Така ситуація називається колізією і заважає правильній передачі даних. Після виявлення колізії мережеві адаптери, які намагалися передавати свої кадри, припиняють передачу і після паузи випадкової тривалості намагаються знову отримати доступ до середовища і передати той кадр, що викликав колізію.
В мережах із значною кількістю комп'ютерів виникають обмеження на довжину зв'язку між вузлами, а також обмеження на кількість вузлів в мережі. Наприклад, технологія Ethernet на тонкому коаксіальному кабелі дозволяє використовувати кабель довжиною не більше 185 метрів, до якого можна підключити не більше ніж 30 комп'ютерів. Крім того, якщо комп'ютери обмінюються між собою інформацією з досить високою інтенсивністю, доводиться знижувати кількість комп'ютерів до 10-20, щоб кожному комп'ютеру діставалася допустима частка пропускної спроможності мережі. Для зняття цих обмежень використовується спеціальне обладнання, яке називають комунікаційним.
