Файл: Цифровая экономика средствами компьютерных сетей, Internet, киберфизические систем, виртуальных облачных.pdf

Вопрос 3. Принципы построения, архитектура компьютерных сетей. (КС)
Назначение. Классификация КС. Технология открытых сетей: OSI/ISO. 7-ми
уровневая модель. Протоколы, иерархия протоколов, режимы работы.
Инфокоммуникационная среда
С момента появления ЭВМ возник вопрос о передаче данных между отдельными компьютерами и рациональном распределении ресурсов ЭВМ.
Первые ЭВМ были очень сложны в эксплуатации и имели дорогостоящие аппаратные компоненты, отсутствовали единые стандарты построения ЭВМ.
С развитием аппаратной и программной базы компьютеров совершенствовались и сетевые технологии. Сначала были созданы системы передачи данных первоначально в коммерческих, военных и научных целях, затем сфера применения сетей расширилась.
В настоящее время использование компьютерных сетей является неотъемлемой частью нашей жизни, область их применения охватывает все сферы человеческой деятельности.
Под компьютерной сетью понимается любое множество ЭВМ, связанных между собой средствами передачи данных (средствами телекоммуникаций).
Рассмотрим преимущества, получаемые при сетевом объединении
персональных компьютеров.
 Разделение ресурсов. Разделение ресурсов позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающие устройства, со всех присоединенных рабочих станций.
 Разделение данных. Разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.
 Разделение программных средств. Разделение программных средств предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств.
 Разделение ресурсов процессора. При разделении ресурсов процессора возможно использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть. Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не «набрасываются» моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции.
 Многопользовательский режим. Многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных и управляемых, например, если пользователь системы работает с другим заданием, то текущая выполняемая работа отодвигается на задний план.
Классификация компьютерных сетей
 Искусственные и реальные сети;
 Территориальная распространенность;
 Ведомственная принадлежность;
 Скорость передачи информации;
 Тип среды передачи информации;
 Топология компьютерных сетей;
 Одноранговые и иерархические сети.

Искусственные и реальные сети
По способу организации сети подразделяются на реальные и искусственные.
Искусственные сети (псевдосети) позволяют связывать компьютеры вместе через последовательные или параллельные порты и не нуждаются в дополнительных устройствах. Иногда связь в такой сети называют связью по нуль-модему (не используется модем). Само соединение называют нуль- модемным. Искусственные сети используются, когда необходимо перекачать информацию с одного компьютера на другой. Основной недостаток – низкая скорость передачи данных и возможность соединения только двух компьютеров.
Реальные сети позволяют связывать компьютеры с помощью специальных устройств коммутации и физической среда передачи данных. Основной
недостаток – необходимость в дополнительных устройствах.
Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков:
 территориальная распространенность;
 ведомственная принадлежность;
 скорость передачи информации;
 тип среды передачи;
 топология;
 организация взаимодействия компьютеров.
По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, и региональными.
Локальные сети – это сети, перекрывающие территорию не более 10 км
2
Региональные сети – расположенные на территории города или области.
Глобальные сети – на территории государства или группы государств, например, всемирная сеть Internet.
В классификации сетей существует два основных термина: LAN и wAN.
LAN (Local Area Network) – локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку – около шести миль (10 км) в радиусе; использование высокоскоростных каналов.
wAN (wide Area Network) – глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример wAN – сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети.
Термин «корпоративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.
Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.
Введем определения.
Узел сети представляет собой компьютер, либо коммутирующее устройство сети.
Ветвь сети – это путь, соединяющий два смежных узла. Узлы сети бывают трех типов:
 оконечный узел – расположен в конце только одной ветви;

 промежуточный узел – расположен на концах более чем одной ветви;
 смежный узел – такие узлы соединены по крайней мере одним путем, не содержащим никаких других узлов.
Способ соединения компьютеров в сеть называется ее топологией.
Наиболее распространенные виды топологий сетей:
 Линейная сеть
Содержит только два оконечных узла, любое число промежуточных узлов и имеет только один путь между любыми двумя узлами.
 Кольцевая сеть
Сеть, в которой к каждому узлу присоединены две и только две ветви.
 Звездообразная сеть
Сеть, в которой имеется только один промежуточный узел.
 Общая шина
В этом случае подключение и обмен данными производится через общий канал связи, называемый общей шиной.
 Древовидная сеть
Сеть, которая содержит более двух оконечных узлов и по крайней мере два промежуточных узла, и в которой между двумя узлами имеется только один путь.

 Ячеистая сеть
Сеть, которая содержит по крайней мере два узла, имеющих два или более пути между ними.
 Полносвязная сеть
Сеть, в которой имеется ветвь между любыми двумя узлами.
С точки зрения организации взаимодействия компьютеров, сети делят на одноранговые (Peer-to-Peer Network) и с выделенным сервером (Dedicated Server
Network).
Все компьютеры одноранговой сети равноправны. Любой пользователь сети может получить доступ к данным, хранящимся на любом компьютере.
В иерархической сети при установке сети заранее выделяются один или несколько компьютеров, управляющих обменом данных по сети и распределением ресурсов.
Такой компьютер называют сервером.
Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера называют клиентом
сети или рабочей станцией.
Сервер в иерархических сетях – это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети иногда называются сетями с выделенным сервером.
Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, с винчестерами большой емкости, с высокоскоростной сетевой картой (100 Мбит/с и более).
Иерархическая модель сети является наиболее предпочтительной, так как позволяет создать наиболее устойчивую структуру сети и более рационально распределить ресурсы.
Также достоинством иерархической сети является более высокий уровень защиты данных.
К недостаткам иерархической сети, по сравнению с одноранговыми сетями, относятся:
 необходимость дополнительной ос для сервера;
 более высокая сложность установки и модернизации сети;
 необходимость выделения отдельного компьютера в качестве сервера.
Различают две технологии использования сервера: технологию файл-
сервера и архитектуру клиент-сервер.
В первой модели используется файловый сервер, на котором хранится большинство программ и данных. По требованию пользователя ему пересылаются необходимая программа и данные. Обработка информации выполняется на рабочей станции.
В системах с архитектурой клиент-сервер обмен данными осуществляется между приложением-клиентом (front-end) и приложением-сервером (back-end).
Хранение данных и их обработка производится на мощном сервере, который выполняет также контроль за доступом к ресурсам и данным. Рабочая станция

получает только результаты запроса. Разработчики приложений по обработке информации обычно используют эту технологию.
Использование больших по объему и сложных приложений привело к развитию многоуровневой, в первую очередь трехуровневой архитектуры с размещением данных на отдельном сервере базы данных (БД). Все обращения к базе данных идут через сервер приложений, где они объединяются.
Модель OSI
Международной организацией стандартов утверждены определенные требования к организации взаимодействия между системами сети. Эти требования получили название OSI (Open System Interconnection) – «эталонная модель взаимодействия открытых систем».
Согласно требованиям эталонной модели, каждая система сети должна осуществлять взаимодействие посредствам передачи кадра данных. Согласно модели OSI образование и передача кадра осуществляется с помощью 7-ми последовательных действий, получивших название «уровень обработки».
Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная ролью в том числе и транспортной среде. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные легко обозримые задачи.
Так как пользователи нуждаются в эффективном управлении, система вычислительной сети представляется как комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользователей.
Отдельные уровни базовой модели проходят в направлении вниз от источника данных (от уровня 7 к уровню 1) и в направлении вверх от приемника данных (от уровня 1 к уровню 7). Пользовательские данные передаются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет достигнут последний уровень.
На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надобности, передаются далее в вышерасположенный уровень, пока информация не будет передана в пользовательский прикладной уровень.
Уровень 1. Физический
На физическом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах.
Физическая связь и неразрывная с ней эксплуатационная готовность являются основной функцией 1-го уровня. Стандарты физического уровня включают рекомендации V.24 МККТТ (CCITT), EIA rS232 и Х.21. Стандарт ISDN (Integrated
Services Digital Network) в будущем сыграет определяющую роль для функций передачи данных. В качестве среды передачи данных используют трехжильный медный провод (экранированная витая пара), коаксиальный кабель, оптоволоконный проводник и радиорелейную линию.
Уровень 2. Канальный
Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-м уровнем, так называемые «кадры», последовательности кадров. На этом уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, используемой несколькими ЭВМ, синхронизация, обнаружение и исправление ошибок.
Уровень 3. Сетевой
Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя абонентами. Соединение происходит благодаря функциям маршрутизации, которые требуют наличия сетевого адреса в пакете. Сетевой уровень должен также обеспечивать обработку ошибок, мультиплексирование, управление потоками данных. Самый известный стандарт, относящийся к этому уровню, – рекомендация
Х.25 МККТТ (для сетей общего пользования с коммутацией пакетов).

Уровень 4. Транспортный
Транспортный уровень поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом пользовательскими процессами.
Качество транспортировки, безошибочность передачи, независимость вычислительных сетей, сервис транспортировки из конца в конец, минимизация затрат и адресация связи гарантируют непрерывную и безошибочную передачу данных.
Уровень 5. Сеансовый
Сеансовый уровень координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Для координации необходимы контроль рабочих параметров, управление потоками данных промежуточных накопителей и диалоговый контроль, гарантирующий передачу, имеющихся в распоряжении данных. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях.
Уровень 6. Представления данных
Уровень представления данных предназначен для интерпретации данных; а также подготовки данных для пользовательского прикладного уровня. На этом уровне происходит преобразование данных из кадров, используемых для передачи данных в экранный формат или формат для печатающих устройств оконечной системы.
Уровень 7. Прикладной
В прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское прикладное программное обеспечение.
Компоненты компьютерной сети
Для организации компьютерной сети необходимо наличие:
 сетевого программного обеспечения;
 физической среды передачи данных;
 коммутирующих устройств.
Самое распространенное решение – Ethernet. Появилась технология
Ethernet – во второй половине 70-х гг. Ее разработали совместно фирмы DEC, Intel и Xerox. В настоящее время эта технология наиболее доступна и популярна.
 Топология – шина, звезда;
 Среда передачи данных – коаксиал, витая пара;
 Скорость передачи данных – до 50 Гбит/с;
 Длина кабельного сегмента сети – не более 100 м до хаба.
Принципы работы сети Ethernet:
1. Никому не разрешается посылать сообщения в то время, когда этим занят уже кто-то другой (слушай перед тем, как отправить).
2. Если два или несколько отправителей начинают посылать сообщения примерно в один и тот же момент, рано или поздно их сообщения «столкнутся» друг с другом в проводе, что называется коллизией. Коллизии нетрудно распознать, поскольку они всегда вызывают сигнал помехи, который не похож на допустимое сообщение. Ethernet может распознать помехи и заставляет отправителя приостановить передачу, подождать некоторое время прежде, чем повторно отправить сообщение.