Учебное пособие -> Глава 12. Компьютерные сети

Глава 12. Компьютерные сети

Развитие компьютерных сетей

Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции компьютерной технологии. Первые компьютеры 50-х годов большие, громоздкие и дорогие,  предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Часто эти монстры занимали целые здания. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки.

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма - мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр. Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали обычно только на следующий день.

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких системах компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в свое распоряжение терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Причем время реакции вычислительной системы было достаточно мало для того, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером и других пользователей. Разделяя таким образом компьютер, пользователи получили возможность за сравнительно небольшую плату пользоваться преимуществами компьютеризации.

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной, некоторые функции стали распределенными. Такие многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети.

Тем не менее потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к этому времени вполне назрела. Началось все с решения более простой задачи - доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что, собственно, и является базовым механизмом любой вычислительной сети. Используя этот механизм, в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевые службы.

В начале 70-х годов произошел технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов - появились большие интегральные схемы. Их сравнительно невысокая стоимость и высокие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов.

Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность покупать для себя компьютеры. Мини-компьютеры выполняли задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня подразделения предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно.

Автономное использование нескольких

мини-компьютеров на одном предприятии

Пользователей стало недостаточно собственных компьютеров, требовалась возможность обмена данными с другими близко расположенными компьютерами. В ответ на эту потребность предприятия и организации стали соединять свои мини-компьютеры вместе и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их взаимодействия. В результате появились первые локальные вычислительные сети. Они во многом отличались от современных локальных сетей, в первую очередь - своими устройствами сопряжения.

На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались самые разнообразные нестандартные устройства со своим способом представления данных на линиях связи, своими типами кабелей и т. п. Эти устройства могли соединять только те типы компьютеров, для которых были разработаны, например, мини-компьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360.

В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально меняться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring. Мощным стимулом для их развития послужили персональные компьютеры. Эти массовые продукты явились идеальными элементами для построения сетей: с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой - явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. Поэтому персональные компьютеры стали преобладать в локальных сетях, причем не только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих ролей мэйнфреймы.

Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на-компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например, NetWare. После этого сеть начинала работать и присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем,  естественно, если на нем был установлен сетевой адаптер той же технологии.

Разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам. Подобные примеры в большом количестве демонстрирует самая популярная глобальная сеть - Internet.

Изменяются и локальные сети. Вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них появилось разнообразное коммуникационное оборудование - коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому оборудованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей, насчитывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру.

Возродился интерес к крупным компьютерам - выяснилось, что системы, состоящие из сотен серверов, обслуживать сложнее, чем несколько больших компьютеров. Поэтому на новом витке эволюционной спирали мэйнфреймы стали возвращаться в корпоративные вычислительные системы, но уже как полноправные сетевые узлы, поддерживающие Ethernet или Token Ring, а также стек протоколов TCP/IP, ставший благодаря Internet сетевым стандартом де-факто.

Физическая среда передачи данных

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

Коаксиальный кабель

Типы коаксиальных кабелей

Тонкий коаксиальный кабель — гибкий кабель диаметром около 0,5 см. Он прост в применении и годится практически  для любого типа сети. Подключается непосредственно к  платам сетевого адаптера компьютеров.

Тонкий коаксиальный кабель способен передавать сигнал на  расстояние до 185 м

Толстый коаксиальный кабель — относительно жесткий кабель с диаметром около 1 см толстый коаксиальный кабель передает сигналы на расстояние до 500 м). иногда используют в качестве основного кабеля [магистрали], который соединяет несколько небольших сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле.

Рисунок 1 – Примеры коаксиального кабеля

Для подключения тонкого коаксиального кабеля к компьютерам используются так называемые ВNС-коннекторы (British Naval Connector, BNC). В семействе BNC несколько основных компонентов:

-       BNC-коннектор. BNC-коннектор либо припаивается, либо обжимается на конце кабеля.

-       BNC Т-коннектор. Т-коннектор соединяет сетевой кабель с сетевой платой компьютера.

-       BNC баррел-коннектор. Баррел-коннектор применяется для сращивания двух отрезков тонкого коаксиального

-       BNC-терминатор. В сети с топологией “шина” для поглощения “свободных” сигналов терминаторы устанавливаются на каждом конце кабеля. Иначе сеть не будет работать.

Рисунок 2 – BNC T-коннектор

Рисунок 3 – Сетевая карта с разъемом для подключения
 коаксиального кабеля

Витая пара

Витая пара — это два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Существует два типа тонкого кабеля: неэкранированная витая пара (UTP) и экранированная витая пара (STP).

Витая пара представляет собой вид кабеля связи, из одной или нескольких пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой. Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодического сближения проводников различных пар) в кабелях UTP категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом. Витая пара — один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet и Token ring. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в монтаже, является самым распространённым решением для построения проводных (кабельных) локальных сетей.

Рисунок 4 – Витая пара, коннекторы,
инструмент для обжатия витой пары (кримпер)

Существует несколько категорий кабеля витая пара, которые нумеруются от Категории 1 до Категории 7 и определяют эффективный пропускаемый частотный диапазон. Кабель более высокой категории обычно содержит больше пар проводов и каждая пара имеет больше витков на единицу длины. Категории неэкранированной витой пары описываются в стандарте EIA/TIA 568 и в международном стандарте ISO/IEC 11801.

Категория 1.

Традиционный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь, но не данные. Большинство телефонных кабелей, произведенных до 1983 года, относится к категории 1 (до 20 Кбит/с).

Категория 2.

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 4 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар.

Категория 3.

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар с девятью витками на метр.

Категория 4.

Состоит из четырех витых пар. Кабель, способный передавать данные со скоростью до 16 Мбит/с по одной паре проводов.

Категория 5.

Скорость передачи данных зависит от используемого протокола: 100 Мбит/с - FDDI, 155 Мбит/с - ATM , 1000 Мбит/с - Gigabit Ethernet) Состоит из четырех витых пар медного провода.

Категория 5e.

4-парный кабель, усовершенствованная категория 5. Скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар.

Категория 6.

Применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 1000 Мбит/с.

Категория 6а.

Применяется в сетях Ethernet, состоит из 4 пар проводников. Скорость передачи до 10 Гбит/с.

Категория 7.

Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары. Скорость передачи данных до 100 Гбит/с.

Волоконно-оптические кабели

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. При распространении лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

-       многомодовое волокно со ступенчатым изменение показателя преломления

-       многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления

-       одномодовое волокно

Сигналом называют физический процесс, несущий информацию. Информация сосредоточена в изменениях параметров физического процесса:

-       громкости и тона звука

-       яркости и цвета светового излучения

-       амплитуды

-       частоты

-       фазы

-       появление или окончание, например, электрического колебания

Виды сигналов:

1. Аналоговый называется сигнал действие которого на различные датчики аналогично воздействию звукового давления, распределения освещенности, температуры и т.д.

2. Под цифровым сигналом понимают отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня, наблюдаемое в течение времени, меньшего или сравнимого с длительностью переходных процессов в схеме.

Модуляция

В зависимости от способа передачи информации различают два основных типа физического кодирования. Это модуляция – для аналогового сигнала и цифровое кодирование - для  цифрового.

Аналоговая модуляция применяется для передачи данных по каналам с узкой полосой частот. При аналоговой модуляции информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.

Топология сетей

Термин “топология” или «топология сети», характеризует физическое (а в ряде случаев и логическое) расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети.

Топология сети обуславливает ее характеристики и влияет:

-       на состав необходимого сетевого оборудования

-       характеристики сетевого оборудования

-       возможности расширения сети

-       способ управления сетью

Шина

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля, то топология называется шиной.

В сети с топологией шина компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов.

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.          

Звезда

При топологии “звезда” все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому «концентратором» (hub). Сигналы передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

Виды концентраторов

-       Активные концентраторы. Регенерируют и передают сигналы так же, как это делают репитеры. Иногда их называют многопортовыми репитерами — они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров.

-       Пассивные концентраторы. Они просто пропускают через себя сигнал как узлы коммутации, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивные концентраторы не надо подключать к источнику питания.

-       Гибридные концентраторы. Гибридными (hybrid) называются концентраторы, к которым можно подключать кабели различных типов. Сети, построенные на концентраторах, легко расширить, если подключить дополнительные концентраторы.

Кольцо

При топологии “кольцо” компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии “шина”, здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру.

Комбинированные топологии

Звезда-кольцо (star-ring) кажется несколько похожей на звезду-шину. И в той, и в другой топологии компьютеры подключены к концентратору, который фактически и формирует кольцо или шину. Отличие в том, что концентраторы в звезде-шине соединены магистральной линейной шиной, а в звезде-кольце на основе главного концентратора они образуют звезду

Звезда-шина

Сравнение преимуществ и недостатков сетевых топологий

Метод доступа к сети

Метод доступа — набор правил, которые определяют, как компьютер должен отправлять и принимать данные по сетевому кабелю

Методы доступа служат для предотвращения одновременного доступа к кабелю нескольких компьютеров, упорядочивая передачу и прием данных по сети и гарантируя, что в каждый момент времени, что только один компьютер может работать на передачу.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий.

При множественном доступе с контролем несущей и обнаружением коллизий (сокращенно CSMA/CD) все компьютеры в сети — и клиенты, и серверы — “прослушивают” кабель, стремясь обнаружить передаваемые данные (т.е. трафик).

1.     Компьютер “понимает”, что кабель свободен (т.е. трафик отсутствует).

2.     Компьютер может начать передачу данных.

3.     Пока кабель не освободится (в течение передачи данных), ни один из сетевых компьютеров не может вести передачу.

Доступ с передачей маркера

Суть доступа с передачей маркера заключается в следующем: пакет особого типа, маркер (token), циркулирует по кольцу от компьютера к компьютеру.

Чтобы послать данные в сеть, любой из компьютеров сначала должен дождаться прихода свободного маркера и захватить его

Доступ по приоритету запроса

Доступом к кабелю управляют концентраторы. Доступ на передачу получает тот компьютер, приоритет которого в данных момент самый большой.

Сетевые архитектуры

Сетевая архитектура — это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной локальной вычислительной сети.

Ethernet

Разработана в 1976 году Меткальфом и Боггсом (фирма Ксерокс).

Ethernet совместно со своей скоростной версией Fast Ethernet, GigaEthernet (1Гбит/с) и 10GE (10Гигабит/с) занимает в настоящее время абсолютно лидирующую позицию.

Единственным недостатком данной сети является отсутствие гарантии времени доступа к среде.

Первоначально в качестве среды передачи данных использовался толстый коаксиальный кабель. Позднее сети начали строиться на основе тонкого коаксиального кабеля. Следующим этапом стало использование витой пары. В настоящее время витая пара уступают свои позиции оптоволоконным кабелям.

Формат кадра

Архитектура сетей Ethernet

Возможности различных схем реализации Ethernet

Token Ring

 Версия сети Token Ring была представлена фирмой IBM в 1984 году.

Сеть Token Ring имеет следующие характеристики:

Архитектура сети Token Ring

Формат кадра