Классификация компьютерных сетей
Для устойчивой передачи дискретных данных по некачественным линиям связи служат методы и оборудование, существенно отличающиеся от методов и оборудования, характерных для локальных сетей. Как правило, здесь применяются сложные процедуры контроля и восстановления данных, поскольку наиболее типичный режим передачи данных по территориальному каналу связи характеризуется значительными искажениями сигналов.
Городские (региональные) сети (или сети мегаполисов) Metropolitan Area Networks (MAN) менее распространены. Они появились сравнительно недавно и предназначены для обслуживания территории крупного города мегаполиса.
В то время как локальные сети наилучшим образом подходят для разделения ресурсов на коротких расстояниях, а глобальные сети обеспечивают работу на больших расстояниях, но с ограниченной скоростью и небогатым набором услуг, сети мегаполисов занимают некоторое промежуточное положение. Они обходятся цифровыми магистральными линиями связи, часто оптоволоконными, со скоростями от 45 Мбит/с, и служат для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными.
Сети мегаполисов являются общественными, и поэтому их услуги оказываются дешевле, чем построение собственной (частной) сети в пределах города.
Отличия локальных сетей от глобальных
Протяженность, качество и способ прокладки линий связи. Класс локальных вычислительных сетей по определению отличается от класса глобальных сетей небольшими расстояниями между узлами сети. Это в принципе делает возможным включение в локальные сети качественных линий связи: коаксиального кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля, которые из-за высокой стоимости не всегда доступны при больших расстояниях, свойственных глобальным сетям.
В глобальных сетях часто применяются уже существующие линии связи (телеграфные или телефонные), а в локальных сетях они прокладываются заново.
Сложность методов передачи и оборудования. В условиях низкой надежности физических каналов в глобальных сетях требуются более сложные, чем в локальных, методы передачи данных и соответствующее оборудование. Так, в глобальных сетях широко применяются модуляция, асинхронные методы, сложные методы контрольного суммирования, квитирование и повторные передачи искаженных кадров.
С другой стороны, качественные линии связи в локальных сетях позволили упростить процедуры передачи данных за счет применения немодулированных сигналов и отказа от обязательного подтверждения получения пакета.
Скорость обмена данными. Одним из главных отличий локальных сетей от глобальных является наличие высокоскоростных каналов обмена данными между компьютерами, скорость которых (10, 16 и 100 Мбит/с) сравнима со скоростями работы устройств и узлов компьютера дисков, внутренних шин обмена данными и т. п. За счет этого у пользователя локальной сети, подключенного к удаленному разделяемому ресурсу (например, диску сервера), складывается впечатление, что он пользуется этим диском, как своим. Для глобальных сетей типичны гораздо более низкие скорости передачи данных 2400, 9600, 28800,
33 600 бит/с, 56 и 64 кбит/с и только на магистральных каналах до 2 Мбит/с.
Разнообразие услуг. Локальные сети предлагают, как правило, широкий набор услуг это различные виды услуг файловой службы, услуги печати, услуги службы передачи факсимильных сообщений, услуги баз данных, электронная почта и другие, в то время как глобальные сети в основном предоставляют почтовые услуги и иногда файловые услуги с ограниченными возможностями передачу файлов из публичных архивов удаленных серверов без предварительного просмотра их содержания.
Оперативность выполнения запросов. Время прохождения пакета через локальную сеть обычно составляет несколько миллисекунд, время же его передачи через глобальную сеть может достигать нескольких секунд.
Низкая скорость передачи данных в глобальных сетях затрудняет реализацию служб в режиме on-line, который является обычным для локальных сетей.
Разделение каналов. В локальных сетях каналы связи используются, как правило, совместно сразу несколькими узлами сети, а в глобальных сетях индивидуально.
Масштабируемость. Классические локальные сети обладают плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых структур, определяющих способ подключения компьютеров и длину линии. В случае применения многих базовых структур характеристики сети резко ухудшаются при достижении определенного предела по числу узлов или протяженности линий связи.
Глобальным же сетям присуща хорошая масштабируемость, так как они изначально разрабатывались в расчете на работу с произвольными аппаратными средствами.
Сближение глобальных и локальных сетей
В настоящее время наметилось определенное сближение локальных и глобальных сетей, которое привело к значительному взаимопроникновению соответствующих технологий.
Одним из проявлений такого сближения является появление сетей масштаба большого города (MAN), занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. При достаточно больших расстояниях между узлами они обладают качественными линиями связи и скоростями обмена, даже более высокими, чем в классических локальных сетях.
Как и в случае локальных сетей, при построении MAN уже существующие линии связи не используются, а прокладываются заново.
Сближение в методах передачи данных происходит на платформе оптической цифровой передачи данных по оптоволоконным линиям связи. Из-за резкого улучшения качества каналов связи в глобальных сетях начали отказываться от сложных и избыточных процедур обеспечения корректности передачи данных.
За счет новых сетевых технологий и, соответственно, нового оборудования, рассчитанного на более качественные линии связи, скорости передачи данных в уже существующих коммерческих глобальных сетях нового поколения приближаются к традиционным скоростям локальных сетей.
В результате службы для режима on-line становятся обычными и в глобальных сетях. Наиболее яркий пример гипертекстовая информационная служба World Wide Web (WWW), ставшая основным поставщиком информации в сети Интернет.
По своим интерактивным возможностям она превзошла многие аналогичные службы локальных сетей, так что разработчикам последних пришлось просто позаимствовать эту службу у глобальных сетей. Процесс переноса служб и технологий из глобальных сетей в локальные приобрел такой массовый характер, что появился даже специальный термин Интранет-технологии (от intra внутренний), обозначающий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних локальных.
В локальных сетях в последнее время уделяется такое же большое внимание методам обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа, как и в глобальных. Это обусловлено тем, что локальные сети перестали быть изолированными, чаще всего они имеют выход в большой мир через глобальные связи.
К тому же часто используются те же методы шифрование данных, аутентификация пользователей, возведение защитных барьеров, предохраняющих от проникновения в сеть извне.
И, наконец, появляются новые технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Наиболее ярким представителем нового поколения технологий является технология ATM, которая может служить основой не только локальных и глобальных компьютерных сетей, но и телефонных сетей, а также широковещательных видеосетей, объединяя все существующие типы обмена данными в одной транспортной сети.
Классификация компьютерных сетей
Компьютерные сети весьма разнообразны по назначению, составу оборудования, программному обеспечению и функциональным возможностям, поэтому целесообразно классифицировать их по ряду признаков.
По функциональному назначению различают вычислительные, информационные и смешанные (информационно-вычислительные) сети.
Вычислительные сети предназначены главным образом для решения задач пользователей с обменом данными между ее абонентами.
Информационные сети ориентированы на предоставление информационного обслуживания по запросам пользователей.
Информационно-вычислительные сети объединяют функции вычислительных и информационных сетей. В настоящее время к информационно-вычислительным относится большинство современных компьютерных сетей.
По целевому назначению различают компьютерные сети общего пользования (универсальные), обслуживающие круг разнообразных пользователей, и специализированные сети. К последним следует отнести сети управления производством и учрежденческие сети. В настоящее время утвердилось понятие частных компьютерных сетей, которые представляют собой компьютерные сети отдельных компаний или фирм.
Они также обладают своими характерными особенностями.
По типу используемых компьютеров различают однородные (гомогенные) компьютерные сети, содержащие программно-совместимые компьютеры, и неоднородные (гетерогенные), включающие в свой состав программно-несовместимые компьютеры. Однородными являются локальные вычислительные сети.
В свою очередь, сложно найти однородную глобальную компьютерную сеть.
По области использования в качестве автоматизированных систем обработки информации компьютерные сети могут применяться:
в промышленности для планирования и управления в рамках предприятий, объединений, отраслей;
на транспорте для планирования и управления производственным процессом, например воздушным движением, для резервирования и продажи билетов на транспортные средства;
в банковско-финансовой деятельности для различных финансовых расчетов;
в научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности для повышения эффективности обмена и предоставления требуемой информации, объединения отдельных исследователей или проектировщиков, а также коллективов для проведения исследований или проектных работ и использования дополнительных компьютерных мощностей при проведении сложных расчетов;
в области медицины.
В зависимости от способа управления сетевыми ресурсами компьютерные сети делят на централизованные и децентрализованные. В централизованных компьютерных сетях управление всеми сетевыми ресурсами осуществляет один из ее серверов.
Для децентрализованных сетей характерно автономное распределение ресурсов, при котором каждый сервер, используя информацию о состоянии сети, самостоятельно определяет возможность доступа к ее ресурсам.
ГЛОБАЛЬНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ СЕТЬ ИНТЕРНЕТ
4.2.1. Назначение и возможности Интернет
Базой для организации сети Интернет явилась компьютерная сеть министерства обороны США ARPAnet (ARPA Advanced Research Projects Agency), созданная в начале 1970-х годов для связи компьютеров научных организаций, военных учреждений и предприятий оборонной промышленности. Сеть строилась при участии Пентагона как устойчивая к внешним воздействиям закрытая система, способная выжить в условиях ядерного нападения, т. е. огромное внимание уделялось ее надежности.
Со временем сеть утратила стратегическое значение; ее основными клиентами стали частные лица и негосударственные компьютерные сети. Само название Интернет показывает его назначение: объединение отдельных локальных, региональных и глобальных сетей в общее информационное пространство.
Интернет обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, которые входят в состав сетей, подключенных к ней. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют.
Начало сети Интернет в России положило создание в начале 1990 г. компьютерной сети Relcom на базе Института атомной энергии им. И. В. Курчатова.
Уже к концу 1990 г. в сеть интегрировалось более 30 локальных сетей разных организаций, что позволило осуществить ее официальную регистрацию и подключение к мировой сети.
развитие глобальных компьютерных сетей началось еще в 1980-е годы. В 1981 г. в сети Интернет насчитывалось лишь 213 компьютеров, к концу 1980-х число подключенных к сети компьютеров возросло до 150 тыс., однако наиболее быстрый, экспоненциальный рост их числа происходил в 1990-е годы. Чтобы убедиться в этом, достаточно проследить рост числа серверов (млн шт.) в глобальной компьютерной сети Интернет по данным на январь месяц каждого года:
1991.............................................................................................. 0,4
1992.............................................................................................. 0,7
1993.............................................................................................. 1,3
1994.............................................................................................. 2,2
1995.............................................................................................. 4,9
1996.............................................................................................. 9,5
1997............................................................................................ 16,1
1998............................................................................................ 29,7
1999............................................................................................ 43,2
Развитие глобальной компьютерной сети требует наличия каналов связи с высокой пропускной способностью. В 1999 г. началась реализация международного проекта по созданию сети волоконнооптических сверхскоростных каналов связи, общая протяженность которых должна составить 275 тыс. км и которые должны объединить 174 страны.
В настоящее время в десятках миллионов компьютеров, подключенных к Интернету, хранится громадный объем информации (миллионы файлов, документов и т.д.) и сотни миллионов людей пользуются информационными услугами Интернета.
Интернет это всемирная глобальная компьютерная сеть, объединяющая многие глобальные, региональные и локальные сети. Иначе говоря, Интернет это сеть сетей, опутывающих весь земной шар.
До недавнего времени сеть Интернет была ориентирована на научных работников и больше всего напоминала университетский городок с учебными аудиториями, громадной библиотекой и множеством мест, где студенты и преподаватели могли общаться между собой в свободное от работы время и получать любую интересующую их информацию.
Сегодня Интернет похож на огромный мегаполис, в котором есть университет, переставший быть главной достопримечательностью и даже несколько затерявшийся среди виртуальных офисов, магазинов, национальных кварталов и мест для массовых и индивидуальных развлечений. И город этот стал доступен любому обывателю, более того, туда его всячески приглашают и заманивают.
В самом деле, Интернет это общедоступная сеть, открытая для любого пользователя, имеющего компьютер с модемом и некоторое специальное программное обеспечение.
Сеть Интернет ориентирована на конечного пользователя как на компьютерного специалиста, так и на рядового гражданина. В сети есть все, что требуется для нормальной комфортной жизни, равно как и для профессиональной деятельности любого из нас. Журналист найдет самые свежие новости, научный работник материалы последних исследований по интересующей его проблеме, коммерсант узнает котировки валют на любой бирже мира.
Можно забронировать авиабилет или номер в гостинице любого города Европы или Америки; хотите выбрать, купить и поручить вручить подарок вашим знакомым пожалуйста; есть желание принять участие в обсуждении какой-либо животрепещущей проблемы как говорится, нет проблем.
Существует ряд функций, выполнение которых делает Интернет необходимым менеджеру или любому человеку, занимающемуся бизнесом:
информационная, так как по сети можно получить любую интересующую специалиста неконфиденциальную биржевую и коммерческую, научную и политическую информацию и т.п.;
коммуникационная, поскольку сетевые технологии позволяют пользователю поговорить по телефону со своим партнером в любом городе и стране, причем обойдется это дешевле обычной телефонной связи, а также послать ему факс или письмо с затратами, меньшими, нежели при использовании обычной почты, и к тому же существенно более оперативно;
совещательная, ибо сеть Интернет это место, где специалисты и пользователи компьютеров могут встретиться и обсудить интересующие их проблемы, в интерактивном режиме обменяться полезной информацией;
коммерческая, обусловленная интенсивным развитием торговли по сети. Потенциальный покупатель просматривает на экране своего компьютера товары, заказывает и по кредитной карточке оплачивает их, а поступает товар к нему из ближайшего торгового пункта, естественно, уже не по сети;
рекламная, связанная с тем, что реклама по Интернету весьма эффективна, в первую очередь из-за ее массовости и оперативности;
развлекательная, поскольку можно почитать и просмотреть огромное количество развлекательной литературы и фильмов; поиграть в самые увлекательные компьютерные игры, путешествовать и наслаждаться красотами разных музеев и стран и многое другое;
специфично компьютерная функция, в соответствии с которой пользователи имеют возможность получить, причем чаще всего бесплатно, самые новые программные средства, инструкции и рекомендации по работе в сети.
Основные ячейки Интернет локальные вычислительные сети. Но существуют и локальные компьютеры, самостоятельно подключенные к Интернету.
Компьютеры сетевые или локальные, непосредственно подключенные к Интернету, называются хост-компьютерами (host хозяин).
Если некоторая локальная сеть подключена к Интернету, то и у всех рабочих станций этой сети также есть выход в Интернет, но через свой хост-компьютер.
Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.
Структура сети Интернет типичная клиент-серверная, когда одни компьютеры клиенты главным образом получают информацию из сети, а другие серверы снабжают клиентов информацией (естественно, серверы также получают информацию, точнее, накапливают ее, но все же основная их функция отдавать).
Организация взаимодействия в сети Интернет
Сеть Интернет объединяет десятки миллионов компьютеров самых разных типов: от персональных компьютеров разных моделей до больших ЭВМ (мэйнфреймов) и суперкомпьютеров. Найти единый язык общения таких различных машин друг с другом весьма сложная задача.
Она решается благодаря использованию созданной для этой сети системы протоколов общения компьютеров. Протокол совокупность правил, регламентирующая функции управления передачей данных между компонентами компьютерной сети.
Основу этой системы составляют два главных протокола:
Internet Protocol (IP) межсетевой протокол;
Transmission Control Protocol (TCP) протокол управления передачей.
Протокол IP организует разбиение сообщений на электронные пакеты (IP-дейтаграммы), определяет маршруты отправляемых пакетов и обрабатывает поступающие.
TCP управляет потоком данных, обрабатывает ошибки и гарантирует, что информационные пакеты получены и собраны в полном составе и необходимом порядке.
Существует еще один протокол Интернета: протокол дейтаграммы пользователя (UDP User Datagram Protocol) более простой и служащий для неответственных пересылок данных.
Последовательность процедур использования этих протоколов следующая.
Информация для передачи упаковывается средствами прикладной программы в блоки определенного формата. Протокол IP разделяет эти блоки на пакеты, каждый из которых получает номер и заголовок.
Механизм работы межсетевых протоколов TCP/IP подобен действиям почтовой службы.
1. Пересылаемые по обычной почте письменные сообщения упаковываются в конверты (письма), на которых должны стоять адреса отправителя и получателя. Точно так же действуют и компьютеры: разделяют и упаковывают информационные блоки в электронные пакеты и передают их оптимальным путем от одного компьютера к другому. У этих электронных информационных пакетов, как и у почтовых, есть стандартная упаковка: текст информационного сообщения запаковывается в кодовый конверт, формируемый из специальных символов начала и конца и заголовка сообщения, в котором указываются адреса отправителя и получателя (так называемые IP-адреса).
Такой кодовый конверт обеспечивает целостность сообщения и служит его проводником в сети.
2. Отправленное письмо поступает в распоряжение почтовой службы. В каждом почтовом отделении читается адрес получателя, определяется, через какие другие почтовые отделения следует отправить письмо получателю оптимальным образом, после чего письмо пересылается следующему выбранному отделению связи.
Примерно такой же алгоритм передачи электронных пакетов реализован и в сети Интернет. Роль почтовых отделений выполняют компьютеры-маршрутизаторы, объединяющие отдельные участки сети между собой.
Электронные пакеты имеют стандартный размер: одно длинное сообщение нередко размещается в нескольких пакетах и, наоборот, в одном пакете может содержаться несколько коротких сообщений, если у них одинаковый адрес получателя. Каждый пакет доставляется адресату независимо от всех других по оптимальному на текущий момент маршруту. Иначе говоря, взаимосвязанные пакеты и пакеты от одного компьютера к другому могут передаваться разными путями.
При этом по одному каналу допускается передавать пакеты, направляющиеся в совершенно разные части сети. Это позволяет наиболее эффективно использовать ресурсы системы телекоммуникаций и обходить поврежденные ее участки.
На приемном конце у получателя проверяется качество каждого поступившего пакета (не произошло ли искажения информации при передаче), все пакеты одного длинного сообщения собираются вместе, проверяется наличие всех пакетов этого сообщения и в случае полноты и достоверности пакеты объединяются в одно сообщение. Если пакет информации потерялся или исказился, запрашивается его копия.
Поскольку сообщение восстанавливается только после получения всех неискаженных пакетов, последовательность их поступления значения не имеет.
Протоколы IP и TCP настолько тесно связаны, что их часто приводят под одним названием протоколы TCP/IP.
На основе этих протоколов разработаны многие сетевые сервисные протоколы, среди которых следует отметить:
File Transfer Protocol (FTP) протокол передачи файлов;
Telnet протокол удаленного доступа, т.е. дистанционного исполнения команд на удаленном компьютере;
Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) простой протокол пересылки электронной почты;
Hyper Text Transfer Protocol (HTTP) протокол передачи гипертекста (используется при передаче сообщений в World Wide Web);
Network News Transfer Protocol (NNTP) протокол передачи новостей (телеконференций).
Адресация в Интернет
К адресам хост-компьютеров в сети предъявляются специальные требования. Адрес, с одной стороны, должен иметь формат,
позволяющий просто выполнять его автоматическую обработку, а с другой иметь семантическую окраску, т. е. нести некоторую информацию об адресуемом объекте.
Поэтому адреса хост-компьютеров в сети Интернет могут иметь двойную кодировку:
обязательную, удобную для работы системы телекоммуникации в сети дружественный компьютеру цифровой IP-адрес;
необязательную, удобную для абонента сети дружественный пользователю доменный DNS-адрес (DNS Domain Name System).
Система IP-адресации учитывает структуру Интернета, т.е. то, что Интернет является сетью сетей, а не объединением отдельных компьютеров. IP-адрес состоит из двух частей, одна из которых является адресом сети, а другая адресом компьютера в данной сети.
Чтобы обеспечить максимальную гибкость в процессе распределения IP-адресов, адреса в зависимости от числа компьютеров в сети относятся к одному из трех классов А, В или С. Первые биты адреса отводятся для идентификации класса, а остальные разделяются на адрес сети и адрес компьютера (табл. 4.1).
