Базовые типы топологий сети. Вычислительные локальные, региональные и глобальные сети. Особенности топологии.

Существует три базовые топологии, на основе которых строится большинство сетей.

1.«Шина» (Bus).В этой топологии все компьютеры соединяются друг с другом одним кабелем (Рис. 5.8). Посланные в такую сеть данные передаются всем компьютерам, но обрабатывает их только тот компьютер, аппаратный МАС-адрес сетевого адаптера которого записан в кадре как адрес получателя.

Эта топология исключительно проста в реализации и дешева (требует меньше всего кабеля), однако имеет ряд существенных недостатков.

Недостатки сетей типа «шина»

· Такие сети трудно расширять (увеличивать число компьютеров в сети и количество сегментов — отдельных отрезков кабеля, их соединяющих).

· Поскольку шина используется совместно, в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров. Если передачу одновременно начинают два или больше компьютеров, возникает искажение сигнала {столкновение, иликоллизия), приводящее к повреждению всех кадров. Тогда компьютеры вынуждены приостанавливать передачу, а затем по очереди ретранслировать данные. Влияние столкновений тем заметнее, чем выше объем передаваемой по сети информации и чем больше компьютеров подключено к шине. Оба этих фактора, естественно, снижают как максимально возможную, так и общую производительность сети, замедляя ее работу.

· «Шина» является пассивной топологией— компьютеры только «слушают» кабель и не могут восстанавливать затухающие при передаче по сети сигналы. Чтобы удлинить сеть, нужно использовать повторители (репитеры), усиливающие сигнал перед его передачей в следующий сегмент.

· Надежность сетис топологией «шина» невысока. Когда электрический сигнал достигает конца кабеля, он (если не приняты специальные меры) отражается, нарушая работу всего сегмента сети. Чтобы предотвратить такое отражение сигналов, на концах кабеля устанавливаются специальныерезисторы(терминаторы), поглощающие сигналы. Если же в любом месте кабеля возникает обрыв — например, при нарушении целостности кабеля или просто при отсоединении коннектора, — то возникают два незатерминированных сегмента, на концах которых сигналы начинают отражаться, и вся сеть перестает работать.

Проблемы, характерные для топологии «шина», привели к тому, что эти сети, столь популярные еще десять лет назад, сейчас уже практически не используются.

2. «Кольцо» (Ring). В данной топологии каждый из компьютеров соединяется с двумя другими так, чтобы от одного он получал информацию, а второму — передавал ее (Рис. 5.9). Последний компьютер подключается к первому, и кольцозамыкается.

Преимущества сетей с топологией «кольцо»:

· поскольку у кабелей в этой сети нет свободных концов, терминаторы здесь не нужны;

· каждый из компьютеров выступает в роли повторителя, усиливая сигнал, что позволяет строить сети большой протяженности;

· из-за отсутствия столкновений топология обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивая эффективную работу с большими потоками передаваемой по сети информации

Недостатки:

· сигнал в «кольце» должен пройти последовательно (и только в одном направлении) через все компьютеры, каждый из которых проверяет, не ему ли адресована информация, поэтому время передачи может быть достаточно большим;

· подключение к сети нового компьютера часто требует ее остановки, что нарушает работу всех других компьютеров;

· выход из строя хотя бы одного из компьютеров или устройств нарушает работу всей сети;

· обрыв или короткое замыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной;

· чтобы избежать остановки работы сети при отказе компьютеров или обрыве кабеля, обычно прокладывают два кольца, что существенно удорожает сеть.

Здесь, так же как и для сетей с топологией «шина», недостатки несколько перевешивают достоинства, в результате чего популярные ранее кольцевые сети теперь используются гораздо реже.

3. Активная топология «звезда» (ActiveStar).Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда к мощному центральному компьютеру подключались все остальные абоненты сети. В такой конфигурации все потоки данных шли исключительно через центральный компьютер; он же полностью отвечал за управление информационным обменом между всеми участниками сети. Конфликты при такой организации взаимодействия в сети были невозможны, однако нагрузка на центральный компьютер была столь велика, что ничем другим, кроме обслуживания сети, этот компьютер, как правило, не занимался. Выход его из строя приводил к отказу всей сети, тогда как отказ периферийного компьютера или обрыв связи с ним на работе остальной сети не сказывался. Сейчас такие сети встречаются довольно редко.

Гораздо более распространенной сегодня топологией является похожий вариант — «звезда-шина» (StarBus), или «пассивная звезда» (Рис. 5.10). Здесь периферийные компьютеры подключаются не к центральному компьютеру, а к пассивному концентратору, или хабу (hub). Последний, в отличие от центрального компьютера, никак не отвечает за управление обменом данными, а выполняет те же функции, что и повторитель, то есть восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их всем остальным подключенным к нему компьютерам и устройствам. Именно поэтому данная топология, хотя физически и выглядит как «звезда», логически является топологией «шина» (что и отражено в ее названии).

Несмотря на больший расход кабеля, характерный для сетей типа «звезда», эта топология имеет существенные преимущества перед остальными, что и обусловило ее широчайшее применение в современных сетях.

Преимущества сетей типа «звезда-шина»:

· Надежность — подключение к центральному концентратору и отключение компьютеров от него никак не отражается на работе остальной сети; обрывы кабеля влияют только на единичные компьютеры;

· Легкость при обслуживании и устранении проблем — все компьютеры и сетевые устройства подключаются к центральному соединительному устройству, что существенно упрощает обслуживание и ремонт сети.

· Защищенность — концентрация точек подключения в одном месте позволяет легко ограничить доступ к жизненно важным объектам сети.

Отметим, что при использовании вместо концентраторов более «интеллектуальных» сетевых устройств (мостов, коммутаторов и маршрутизаторов — подробнее о них будет рассказано позже) получается «промежуточный» тип топологии между активной и пассивной звездой. В этом случае устройство связи не только ретранслирует поступающие сигналы, но и производит управление их обменом.

Другие возможные сетевые топологии

Реальные компьютерные сети постоянно расширяются и модернизируются. Поэтому почти всегда такая сеть является гибридной, т. е. ее топология представляет собой комбинацию нескольких базовых топологий. Легко представить себе гибридные топологии, являющиеся комбинацией «звезды» и «шины», либо «кольца» и «звезды».

Однако особо следует выделить топологию «дерево» (tree),которую можно рассматривать как объединение нескольких «звезд» (рис. 5.4). Именно эта топология сегодня является наиболее популярной при построении локальных сетей.

В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:

• глобальныесети (WAN — Wide Area Network);

• региональныесети (MAN — Metropolitan Area Network);

• локальныесети (LAN — Local Area Network).

Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволят решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам.

Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки — сотни километров.

Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту, это сети предприятий, фирм, банков, офисов и т. д.

Технология работы сети. Методы доступа в сети. Определение и использование коммуникационных протоколов. Модель сетевого взаимодействия. Уровни модели сетевого взаимодействия и их функции. Задачи и примеры сетевых операционных систем.

IP- сети – это сети взаимосвязанных подсетей, основное назначение этой технологии – обеспечить взаимодействие автономных систем, которые соединены маршрутизаторами, называемыми граничными шлюзами. Автономные системы – самостоятельные сети, находящиеся под независимым управлением и использующие самостоятельные внутренние алгоритмы работы. В настоящее время автономные системы часто представляют собой тоже IP – сети. В принятой терминологии пакет данных при передаче от одного хоста (конечного узла) до другого хоста может пройти несколько автономных систем. Таким образом, основное назначение IP – сети заключается в организации межсетевого взаимодействия, основными элементами сети являются автономные системы (подсети), основная задача – передача данных между автономными системами через шлюзы, при условии, что маршруты доставки сообщений заранее неизвестны, и возможных маршрутов может быть несколько.

Коммуникационный протокол совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обменаинформацией между двумя или несколькими независимыми устройствами, компьютерами, программамиили процессами.

Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие

распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорации DigitalEquipment и некоторые другие.

Использование в сети того или иного стека коммуникационных протоколов во многом определяет лицо сети и ее характеристики. В небольших сетях может использоваться исключительно один стек. В крупных корпоративных сетях, объединяющих различные сети, параллельно используются, как правило, несколько стеков.

В коммуникационном оборудовании реализуются протоколы нижних уровней, которые в большей степени стандартизованы, чем протоколы верхних уровней, и это является предпосылкой для успешной совместной работы оборудования различных производителей. Перечень протоколов, поддерживаемых тем или иным коммуникационным устройством, является одной из наиболее важных характеристик этого устройства.

Компьютеры реализуют коммуникационные протоколы в виде соответствующих программных элементов сетевой операционной системы, например, протоколы канального уровня, как правило, выполнены в виде драйверов сетевых адаптеров, а протоколы верхних уровней в виде серверных и клиентских компонент сетевых сервисов.

Умение хорошо работать в среде той или иной операционной системы является важной характеристикой коммуникационного оборудования. Часто можно прочитать в рекламе сетевого адаптера или концентратора, что он разрабатывался специально для работы в сети NetWare или UNIX. Это означает, что разработчики аппаратуры оптимизировали ее характеристики применительно к тем протоколам, которые используются в этой сетевой операционной системе, или к данной версии их реализации, если эти протоколы используются в различных ОС. Из-за особенностей реализации протоколов в различных ОС, в качестве одной из характеристик коммуникационного оборудования используется его сертифицированность на возможность работы в среде данной ОС.

На нижних уровнях - физическом и канальном - практически во всех стеках используются одни и те же протоколы. Это хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, TokenRing, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру.

Протоколы сетевого и более высоких уровней существующих стандартных стеков отличаются большим разнообразием и, как правило, не соответствуют рекомендуемому моделью ISO разбиению на уровни. В частности, в этих стеках функции сеансового и представительного уровня чаще всего объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель ISO появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.

При описании практически любого взаимодействия можно выделять различные уровни. Например, представьте себе, что двум людям, проживающим в разных населенных пунктах, необходимо обмениваться какой-либо информацией, и они используют для этого традиционный способ посылки писем. Уже во взаимодействии такого рода можно выделить несколько уровней:

· уровень пользователей, обменивающихся письмами, и использующих для этой цели почтовую службу;

· уровень почтовой службы, осуществляющей пересылку корреспонденции между почтовыми отделениями населенных пунктов и использующей для работы услуги транспортной сети;

· уровень транспортной сети, обеспечивающий доставку грузов по путям сообщения между населенными пунктами;

· уровень путей сообщения, обеспечивающий возможность физической доставки грузов между населенными пунктами.

В случае, если не существует прямых путей сообщения между населенными пунктами, к этой схеме между уровнями почтовой службы и транспортной сети добавляется еще один уровень – уровень отделений по перевозке почты, обеспечивающих правильную перегрузку почтовых

отправлений на транспортных узлах, а также выбор альтернативных путей пересылки в случае выхода из строя транспортных линий.

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (InternationalStandardOrganization, ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (OpenSystemsInterconnection, OSI). Модель представляет собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению сетей. Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия. Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу оборудования и программного обеспечения. Модель OSI разделяет сетевые функции на семь уровней: прикладной, уровень представления, сессионный, транспортный, сетевой, канальный и физический.

· Физический уровень (Physicallayer) определяет способ физического соединения компьютеров в сети. Функциями средств, относящихся к данному уровню, являются побитовое преобразование цифровых данных в сигналы, передаваемые по физической среде (например, по кабелю), а также собственно передача сигналов.

· Канальный уровень(DataLinklayer) отвечает за организацию передачи данных между абонентами через физический уровень, поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации, позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем множестве абонентов, подключенных к обще линии связи. В функции данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного использования одной линии связи несколькими парами абонентов. Кроме того, средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок, которые могут возникать при передаче данных физическим уровнем.

· Сетевой уровень(Networklayer) обеспечивает доставку данных между компьютерами сети, представляющей собой объединение различных физических сетей. Данный уровень предполагает наличие средств логической адресации, позволяющих однозначно идентифицировать компьютер в объединенной сети. Одной из главных функций, выполняемых средствами данного уровня, является целенаправленная передача данных конкретному получателю.

· Транспортный уровень(Transportlayer) реализует передачу данных между двумя программами, функционирующими на разных компьютерах, обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования информации, которые могут возникать в результате ошибок передачи нижних уровней. В случае, если данные, передаваемые через транспортный уровень, подвергаются фрагментации, то средства данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке.

· Сессионный (или сеансовый) уровень (Sessionlayer) позволяет двум программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети, называемое сессией (session) или сеансом. Этот уровень управляет установлением сеанса, обменом информацией и завершением сеанса. Он также отвечает за идентификацию, позволяя тем самым только определенным абонентам принимать участие в сеансе, и обеспечивает работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии.

· Уровень представления(Presentationlayer) осуществляет промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в общий формат, который предусмотрен средствами нижних уровней, а также обратное преобразование входящих данных из общего формата в формат, понятный получающей программе.

· Прикладной уровень (Applicationlayer) предоставляет высокоуровневые функции сетевого взаимодействия, такие, как передача файлов, отправка сообщений по электронной почте и т.п.

Сетевая операционная система — операционная система со встроенными возможностями для работы в компьютерных сетях. К таким возможностям можно отнести:

· поддержку сетевого оборудования

· поддержку сетевых протоколов

· поддержку протоколов маршрутизации

· поддержку фильтрации сетевого трафика

· поддержку доступа к удалённым ресурсам, таким как принтеры, диски и т. п. по сети

· поддержку сетевых протоколов авторизации

· наличие в системе сетевых служб позволяющих удалённым пользователям использовать ресурсы компьютера

Примеры сетевых операционных систем:

· NovellNetWare

· LANtastic

· Microsoft Windows (NT, XP, Vista, 7, 8)

· Различные UNIX системы, такие как Solaris, FreeBSD

· Различные GNU/Linux системы

· IOS

· ZyNOS компании ZyXEL

Основное назначение

Главными задачами являются разделение ресурсов сети (например, дисковые пространства) и администрирование сети. С помощью сетевых функций системный администратор определяет разделяемые ресурсы, задаёт пароли, определяет права доступа для каждого пользователя или группы пользователей. Отсюда деление:

· сетевые ОС для серверов;

· сетевые ОС для пользователей.

Существуют специальные сетевые ОС, которым приданы функции обычных систем (Пр.: Windows NT) и обычные ОС (Пр.: Windows XP), которым приданы сетевые функции. Сегодня практически все современные ОС имеют встроенные сетевые функции.

23. Интернет как глобальная информационная сеть и ее применение. WWW – как всемирная информационная паутина. Принципы, лежащие в основе организации Интернет. Протоколы (TCP/IP), основные службы и сервисы Интернет. Адресация в Интернете. Использование Интернет в информационных системах и областях деятельности.

1. Internet представляет собой глобальную компьютерную сеть. Само её название означает «между сетей». Это сеть, объединяющая отдельные сети. Internet — это общемировая совокупность сетей, связывающая между собой миллионы компьютеров. С технической точки зрения это объединение транснациональных компьютерных сетей, связывающих всевозможные типы компьютеров, физически передающих данные всеми доступными типами носителей: по телефонным проводам и оптоволокну, через спутниковые каналы и радиомодемы.

2. WWW (WorldWideWeb, всемирная паутина) — содержащаяся в Internet всемирная распределенная база гипертекстовых документов. Каждый компьютер, имеющий постоянное подключение в Internet, можно использовать в качестве Web- сервера (или даже нескольких Web-серверов). Любой пользователь, имеющий диалоговое (онлайновое или dial-up IP) соединение к Internet, может поговорить (обычно — путем набора сообщений на клавиатуре) с другим пользователем или группой пользователей в реальном времени, проводить видеотелеконференции и т.д. Кроме того, пользователь может соединиться с любым Web-сервером с помощью программы просмотра WWW (Web-браузера). Для этого необходимо указать только электронный адрес Web-сервера.

WWW работает по принципу «клиент-сервер», точнее сказать «клиент-серверы»: существует множество серверов, которые по запросу клиента возвращают ему интересующую информацию.

3. Интернет — метасеть, состоящая из многих сетей, которые работают согласно протоколам семейства ТСР/IР, объединены через шлюзы, используют единое адресное пространство и пространство имен.

Набор правил и соглашений, используемый при передаче данных между компьютерами в сети, называется протоколом. В основе протокола ТСР/IР (ТгаnsmissionControlProtocol)лежит технология, известная как коммутация пакетов: передаваемая информация разбивается на фрагменты — пакеты, каждый из которых передается адресату независимо от остальных (часто даже по разным маршрутам). Когда все пакеты поступают на принимающий компьютер, осуществляется их преобразование к исходному виду. Принимающий компьютер контролирует целостность и полноту поступившей информации, автоматически отправляя запрос на дублирование пакетов и повторную пересылку в случае утраты одного или нескольких из них.

Протокол IР отвечает за адресацию сетевых узлов, а протокол ТСР обеспечивает доставку сообщений по нужному адресу (т. е. контролирует установление надежного соединения между двумя машинами, выбирает оптимальный размер пакета передаваемых данных и осуществляет повторную пересылку информации в случае сбоя).

У сети Интернет нет владельца, как нет и единоличного руководителя. Высший координирующий орган — ISOC(InternetSOCiety— Сообщество Интернет). В Интернет нет единого пункта подписки или регистрации. Пользователь контактирует с провайдером. Провайдер —поставщик услуг Интернет (реализует роль посредника между конечным пользователем и Интернет).

4. Система адресации в Internet:

Уникальные номера, которые применяются для идентификации компьютеров в Интернет, называются 1Р-адре­сами. IP-адрес состоит из 32-разрядного битового слова, которое для удобства записывается в виде четырех чисел, отделенных друг от друга точками. Например, 192.67.113.33.Крайнее слева число обозначает крупную сеть; числа, которые стоят правее,

указывают на более мелкие участки внутри этой сети, и так до конкретного компьютера. Такая адресация используется компьютерами, а для удобства пользователя разработана параллельная система адресов, называемая доменной.

Система доменных имен (DNS),определяющая компьютеры и организации, в которых они установлены, также имеет иерархическую структуру, но устроена по-другому. Если в IР-адресе наиболее общая информация указана слева, то в доменных именах она стоит справа. Полное доменное имя, как и IР-адрес, позволяет однозначно идентифицировать любой хост или домен в Интернет, однако оно информативней для пользователя. Многие сокращения в доменных именах общеизвестны: com— коммерческие домены; edu— образовательные организации и тд.

5. ОСНОВНЫЕ СЛУЖБЫ ИНТЕРНЕТ

К основным службам (видам сервиса) сети Интернет относят WWW, электронную почту, телеконференции, TELNET, FTP,

WWW наиболее динамичная и быстро развивающаяся. В ее основе лежит система гипертекста. Любое слово в гипертекстовом документе может быть указателем или ссылкой на другой документ (как правило, такие указатели выделяются цветом), содержащий более подробную информацию по данной теме. Для того чтобы открыть следующий документ, достаточно выбрать нужную ссылку. WWW — наиболее мощное средство поиска и представления информации в Интернет. Это универсальная база данных, где можно найти практически все. Программное обеспечение для WWW позволяет получать и отправлять электронную почту, просматривать конференции, загружать файлы. Для пересылки сложных документов WWW использует протокол передачи гипертекста — НТТР.

Электронная почта. Одной из самых доступных и самых популярных служб Интернет является электронная почта. (е-mail)— современное телекоммуникационное средство, позволяющее отправить сообщение прак­тически в любую точку земного шара. Среди основных преимуществ е-mail можно выделить: высокую скорость связи; дешевизну; широкое распространение. Для работы с е-mail используются такие прикладные протоколы, как SМТР, РОР, IМАР.

Система телеконференций — исторически один из первых видов сервиса в Интернет. Возможность общаться с тысячами людей на разнообразные темы до сих пор делает телеконференции одной из самых популярных услуг Интернет. В отличие от электронной почты, где, как правило, один пользователь общается с другим, Usenet— это «разговор многих со многими». Для обмена сообщениями в системе Usenetиспользуется сетевой протокол передачи новостей NNTP. Каждая из телеконференций содержит статьи на определенную тему. Статья представляет собой обычное сообщение, только в отличие от письма электронной почты ее может прочитать любой подписавшийся на данную группу новостей. К системе телеконференций примыкает чат (IRC)— своего рода эмулятор телефона (так как диалог ведется в реальном времени), который позволяет поддерживать живой разговор по Интернет с пользователями в любой точке земного шара. Ввод информации осуществляется с клавиатуры, но возможна и мультимедиа-поддержка (передача звуковой и видеоинформации в реальном масштабе времени).

6. Разнообразно применение Интернета в медицине. В прессе нередки сообщения о сложной операции, проведенной при участии виртуального консилиума врачей. Проводились даже эксперименты по применению дистанционно управляемых хирургических роботов. Еще одно применение Интернета в науке – дистанционное управление. Ученый, желающий провести эксперимент или серию наблюдений, через Интернет получает в свое распоряжение виртуальную модель установки, которой управляет в соответствии со своими целями. Команды управления поступают на центральный компьютер, который объединяет их, оптимизирует, распределяет по

времени и проводит реальные эксперименты. Результаты по Интернету рассылаются исследователям.

7. Одним из важных свойств компьютера является его способность принимать и передавать информацию по линиям связи. Несколько соединенных между собой компьютеров могут образовывать сеть, что позволяет им обмениваться данными, эффективнее использовать ресурсы, дает возможность дистанционного управления из одного центра.

Сети в пределах одного здания называются локальными (LAN – LocalAreaNet – локальная сеть) и работают, как правило, под управлением специально выделенного компьютера – сервера. Глобальные или территориальные сети (WAN – WideAreaNet – территориальная сеть) объединяют компьютеры, находящиеся на значительном расстоянии друг от друга. В них применяется специализированное сетевое оборудование (маршрутизаторы, роутеры, мосты), используются как собственные линии связи, так и средства других телекоммуникационных систем – городской телефонной сети, кабельного телевидения.