1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ

1.1. Назначение вычислительных систем.

Вычислительные системы (ВС) появились давно. Еще на заре появления компьютеров (в эпоху больших ЭВМ) существовали огромные системы, известные как системы разделения времени. Они позволяли использовать центральную ЭВМ с помощью удаленных терминалов.


Рис. 1.1. Терминальный доступ к ресурсам большой ЭВМ.

Такой терминал состоял из дисплея и клавиатуры. Внешне он выглядел как обычный ПК, но не имел собственного процессорного блока. Пользуясь такими терминалами, сотни, а иногда тысячи сотрудников имели доступ к центральной ЭВМ.


Рис. 1.2. Система IBM 360.

Такой режим обеспечивался благодаря тому, что система разделения времени разбивала время работы центральной ЭВМ на короткие интервалы времени, распределяя их между пользователями. При этом создавалась иллюзия одновременного использования центральной ЭВМ многими сотрудниками.


Рис. 1.3. Режим разделения времени.

В 70-х годах большие ЭВМ уступили место мини компьютерным системам, использующим тот же режим разделения времени.


Рис. 1.4. Мини-компьютерные системы 70-80х годов.

Но технология развивалась, и с конца 70-х годов на рабочих местах появились персональные компьютеры (ПК). Однако, автономно работающие компьютеры:

С этого момента начинается современное развитие компьютерных сетей. Вычислительной сетью называется система, состоящая из двух или более удаленных ЭВМ, соединенных с помощью специальной аппаратуры и взаимодействующих между собой по каналам передачи данных. Самая простая сеть (Network) состоит из нескольких ПК, соединенных между собой сетевым кабелем (рис. 1.5). При этом в каждом ПК устанавливается специальная плата сетевого адаптера (NIC), осуществляющая связь между системной шиной компьютера и сетевым кабелем.


Рис. 1.5. Простейшая вычислительная сеть.

Кроме этого, все компьютерные сети работают под управлением специальной сетевой операционной системы (NOS – Network Operation System). Основное назначение компьютерных сетей – совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами (рис. 1.6).


Рис. 1.6 Назначение вычислительных сетей.

Ресурсы – представляют собой данные (корпоративные базы данных и знаний), приложение (различные сетевые программы), а также периферийные устройства, такие как принтер, сканер, модем и т. д.

До объединения ПК в сеть каждый пользователь должен был иметь свой принтер, плоттер и другие периферийные устройства, а также на каждом из ПК должны были быть установлены одни и те же программные средства, используемые группой пользователей.

Другой привлекательной стороной сети является наличие программ электронной почты и планирования рабочего дня. Благодаря им, сотрудники эффективно взаимодействуют между собой и партнерами по бизнесу, а планирование и корректировка деятельности всей компании осуществляется значительно проще. Использование компьютерных сетей позволяет:

1.2. Классификация сетей по охвату территории.

Персональная сеть (PAN, Personal Area Network). Это сеть (рис. 1.7), построенная «вокруг» человека, которая объединяет все персональные электронные устройства пользователя (телефоны, КПК, смартфоны, ноутбуки, гарнитуры и т.п.). К стандартам таких сетей в настоящее время относят Bluetooth и Wi-Fi. Линии связи в таких сетях – частные.


Рис. 1.7. Пример организации персональной сети.

Компьютеры глобальной сети могут находиться в других городах или даже странах. Информация проделывает длинный путь, перемещаясь в данной сети. Интернет состоит из тысячи компьютерных сетей, разбросанных по всему миру. Однако, пользователь должен рассматривать Интернет как единую глобальную сеть.

Соединяя компьютеры между собой и давая им возможность общаться друг с другом, вы создаете сеть. Соединяя две и более сетей, вы создаете межсетевое объединение, называющееся «интернет» (internet – первая буква строчная). На рис.1.8 показано как соотносятся сети и межсетевое объединение.


Рис. 1.8. Межсетевое объединение.

Интернет (с заглавной буквы) – самое большое и популярное межсетевое объединение в мире. Оно объединяет более 20 тыс. компьютерных сетей, расположенных в 130 странах. При этом объединены компьютеры тысяч различных видов, оснащенных различным программным обеспечением. Однако, пользуясь сетью, можно не обращать внимания на эти различия. 

1.3. Пакет как основная единица информации в ВС.

При обмене данными как между ПК в ЛВС, так и между ЛВС любое информационное сообщение разбивается программами передачи данных на небольшие блоки данных, которые называются пакетами (рис. 1.9).


Рис. 1.9. Разделение информационного сообщения на пакеты.

Связано это с тем, что данные обычно содержатся в больших по размерам файлах, и если передающий компьютер пошлет его целиком, то он надолго заполнит канал связи и «свяжет» работу всей сети, т. е. будет препятствовать взаимодействию других участников сети. Кроме этого, возникновение ошибок при передаче крупных блоков вызовет большие затраты времени на их повторную передачу.

Пакет – основная единица информации в компьютерных сетях. При разбиении данных на пакеты скорость их передачи возрастает настолько, что каждый компьютер сети получает возможность принимать и передавать данные практически одновременно с остальными ПК.

При разбиении данных на пакеты сетевая ОС к собственно передаваемым данным добавляет специальную управляющую информацию, которая содержит:

1.4. Переключение соединений.

Современные компьютерные сети - это коммутируемые сети, в основе функционирования которых лежит принцип переключение соединений. Коммутация, или переключение соединения, позволяет аппаратным средствам использовать один и тот же физический канал для соединения со множеством устройств.

Этот принцип лежит в основе работы телефонных сетей общего пользования. При отсутствии механизма коммутации, необходимо было бы иметь тысячу соединительных линий чтобы позвонить тысяче абонентов. Однако, механизм коммутации позволяет легко обойтись всего одной линией передачи данных. По этой же причине коммутация используется и в компьютерных сетях.

Переключение соединений используется сетями для передачи данных. Оно позволяет средством сети разделить один и тот же физический канал связи между многими устройствами. Различают два основных способа переключения соединений:

Переключение цепей создает единое непрерывное соединение между двумя сетевыми устройствами. Пока эти устройства взаимодействуют, ни одно другое не может воспользоваться этим соединением для передачи собственной информации – оно вынуждено ждать, пока соединение освободится и наступит его очередь принимать данные. Т.е. устройства делят между собой физический канал связи и вынуждены ждать, пока он не освободится.

В телефонной сети используют именно этот способ коммутации. Что касается компьютерных сетей, то простейшим примером использования переключения цепей являются переключатели для принтеров, позволяющие нескольким ПК использовать один принтер (рис. 1.10).


Рис. 1.10. Пример переключение цепей

Одновременно с принтером может работать только один ПК. Какой именно, решит переключатель, который прослушивает сигналы ПК, и как только поступает сигнал с одного из них, он автоматически его подсоединяет и сохраняет это соединение, пока не закончится печатная серия этого ПК. Образуется соединение типа «точка-точка» (point to point), при котором другие ПК не могут воспользоваться соединением, пока оно не освободится и не наступит их очередь.


Рис. 1.10a. Переключение каналов и пакетов.

Однако, большинство современных сетей, в том числе и Интернет, используют переключение соединений, являясь сетями с пакетной коммуникацией. Переключение пакетов позволяет не поддерживать постоянный физический канал между двумя устройствами. Информация при этом способе коммутации делится на части и каждый пакет передается отдельно, по свободным в данный момент каналам связи. При этом каждый пакет может проходить по своему маршруту.

Исходное информационное сообщение от ПК1 к ПК2 в зависимости от его размера может следовать одновременно одним пакетом или несколькими. Но т. к. в заголовке каждого из них есть адрес получателя, все они прибудут в одно и то же место назначения, несмотря на то, что они следовали совершенно различными маршрутами (рис. 1.11).


Рис. 1.11. Пример сети с пакетной коммутацией.

Для сравнения переключения цепей и пакетов допустим, что мы прервали канал в каждом из них. Например, отключив принтер от ПК1 мы вовсе лишили его возможности печатать. Соединение с переключением цепей требует непрерывного канала связи.

Наоборот, данные в сети с переключением пакетов могут двигаться разными путями, и разрыв не приведет к потере соединения, т. к. есть множество альтернативных маршрутов. Концепция адресации пакетов и их маршрутиризации – одна из важнейших в ГВС, в том числе и в Интернет.

1.5. Способы организации передачи данных между ПК.

Есть три основных способа организации межкомпьютерной связи:




Рис. 1.12. Способы организации межкомпьютерной связи.

Передача данных между компьютерами и прочими устройствами происходит параллельно или последовательно. Так, до недавнего времени большинство ПК для работы с принтером пользовали параллельный порт. Термин «параллельно» означает, что данные передаются одновременно по нескольким проводам.

Чтобы послать байт данных по параллельному соединению, ПК одновременно устанавливает восемь бит на восьми проводах. Схему параллельного соединения можно иллюстрировать рис. 1.13. Как видно из рисунка, параллельное соединение по восьми проводам позволяет передать байт данных одновременно.



Рис. 1.13. Параллельное соединение.

Напротив, последовательное соединение подразумевает передачи данных по очереди, бит за битом. В сетях чаще всего используется именно такой способ работы, когда биты выстраиваются друг за другом и последовательно передаются (и принимаются тоже), что иллюстрирует рис. 1.14.



Рис. 1.14. Последовательное соединение.

При соединении по сетевым каналам используют три различных метода соединения компьютеров. Различают следующие типы соединений: симплексное, полудуплексное и дуплексное (рис. 1.15).



Рис. 1.15. Типы соединений.

О симплексном соединении говорят, когда данные перемещаются только в одном направлении. Полудуплексное соединение позволяет данным перемещаться в обоих направлениях, но в разное время. И, наконец, дуплексное соединение позволяет данным перемещаться в обоих направлениях одновременно. 

1.6 Основные характеристики вычислительных сетей.

К разряду основных характеристик, по которым сравнивают и выбирают те или иные вычислительные сети, относятся:

Операционные возможности сети характеризуются такими условиями, как:

Временные характеристики сети определяют продолжительность обслуживания запросов пользователей:

Надежностные характеризуют надежность как отдельных элементов сети, так и сеть в целом.