Учебное пособие "Компьютерные сети"

Коммуникационные технологии

Вычислительные компьютерные сети

ЕАДК: преподаватель Неверова И.Ю.

Содержание

• Назначение и характеристика ВС

• Типы взаимодействия абонентов ВС Структура ВС Передача информации Аппаратные средства ВС Классификация ВС
• Типы взаимодействия абонентов ВС
• Структура ВС
• Передача информации
• Аппаратные средства ВС
• Классификация ВС

• Локальные компьютерные сети

• Аппаратные средства (сетевые платы, модем, кабель, соединительные элементы и т.п.) Топологическая структура сети (тип связи компьютеров в группу) Используемый метод доступа компьютеров к сети и физическая среда связи Число уровней сетевого протокола
• Аппаратные средства (сетевые платы, модем, кабель, соединительные элементы и т.п.)
• Топологическая структура сети (тип связи компьютеров в группу)
• Используемый метод доступа компьютеров к сети и физическая среда связи
• Число уровней сетевого протокола

• Глобальная компьютерная сеть Интернет

• Адресация в Интернете Протокол передачи данных TCP/IP Типы сервиса в Интернете
• Адресация в Интернете
• Протокол передачи данных TCP/IP
• Типы сервиса в Интернете

Вычислительные компьютерные сети

• Вычислительная сеть - это объединение двух или более ЭВМ, соединенных посредством каналов передачи данных (линий проводной или радиосвязи, оптической линий связи).
• Абонентами ВС могут быть : пользователи, программисты, администраторы баз данных, операторы терминалов и т.д. При обращении абоненты ВС используют вычислительные, информационные, программные средства, периферийные оборудования и другие объекты, например почтовые ящики электронной почты. Все абоненты должны быть зарегистрированы, т.е. известны по именам, адресам, идентификаторам и. т. Взаимодействие абонентов в ВС может быть различным.
• Основа любой ВС – это система связи, или, коммуникационная подсистема, которая обеспечивает прохождение сигналов между отдельными ЭВМ вычислительной сети.

Типы взаимодействия абонентов в вычислительной сети

• Диалог – это обмен относительно небольшими по объему порциями данных, называемых сообщениями, от содержания и последовательности которых зависит продолжение или завершение диалога.
• Пересылка файлов – односторонняя передача от абонента к абоненту данных, обычно больших объемов, называемых файлами.
• Распределенная обработка – выполнение на разных ЭВМ ВС программ, направленных на решение одной общей производственной задачи. При этом программы могут обрабатывать одни и те же данные (для повышения надежности обработки) или данные, хранящиеся на разных ЭВМ ВС и пересылаемые по мере требования.

Структура вычислительной сети

• Рабочая Станция – аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приёмом информации – персональный компьютер и сетевые устройства (сетевая карта, модем и др.), через которые пользователь получает доступ к сетевым ресурсам.
• Абонент сети (Пользователь) – потребитель или генератор информации в сети подключённый к рабочей станции.
• Физическая передающая среда – средства передачи сигналов между рабочими станциями. К ним относятся линии связи или пространство, по которым передаются сигналы и аппаратура передачи данных. На базе физической передающей среды строится коммуникационная сеть.

Передача информации

Обмен информацией производится по каналам передачи информации. Каналы передачи могут использовать различные физические принципы.

Компьютеры обмениваются информацией с использованием каналов связи различной физической природы : кабельных, оптоволоконных и радиоканалов.

Общая схема передачи включает в себя :

отправителя информации, канал передачи информации и получателя информации.

При двустороннем обмене информацией отправитель и получатель могут меняться местами.

Канал обмена информацией

Отправитель инф-ии

Получатель инф-ии

Канал передачи инф-ии

Основная характеристика каналов передачи информации – их пропускная способность (то есть, скорость передачи).

Типы каналов связи передачи данных

• Проводные каналы (через кабель):

• выделенные телефонные каналы с модемом; специальные выделенные каналы для передачи цифровой информации;
• выделенные телефонные каналы с модемом;
• специальные выделенные каналы для передачи цифровой информации;

• Беспроводные каналы (через частоты и волны):

• радиоканалы; каналы спутниковой связи.
• радиоканалы;
• каналы спутниковой связи.

Режимы передачи данных

• Симплексный – передача данных только в одном направлении;
• Полудуплексный – попеременная передача и приём информации;
• Дуплексный – одновременная передача и приём сообщений.

Характеристики коммуникационной сети

• скорость передачи данных по каналу связи (измеряется количеством битов передаваемой информации в 1 секунду времени);
• пропускная способность канала связи;
• достоверность передачи информации;
• надёжность каналов связи и модемов.

Аппаратные средства ВС

1) Технические устройства, выполняющие функции сопряжения ЭВМ с каналами связи:

Сетевые адаптеры – одноканальные устройства передачи данных;

Мультиплексоры – многоканальные устройства передачи данных.

2) Для передачи цифровой информации по каналу связи необходимо поток битов преобразовать в аналоговые сигналы через специальное устройство Модем.

Модем – это устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию информационных сигналов при передаче их из ЭВМ в канал связи и при приёме их в ЭВМ из канала связи.

Аппаратные средства ВС

3) Для экономии внутренние каналы связи коммутируют на один внешний:

Концентратор – это устройство, коммутирующее несколько каналов связи на один, путём частотного разделения.

4) В ЛВС для увеличения протяжённости сети используют повторители.

Повторитель – это устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние. Они бывают: локальные – до 50 метров и дистанционные – до 2000 м.

Аппаратные средства ВС

5) Для соединения сетей передачи данных используют:

• Мост – устройство, соединяющее две сети одинаковой передачи данных;
• Маршрутизатор (Роутер) – устройство соединения сетей разного типа, но одной операционной системы.
• Шлюз – устройство для обмена данными между двумя различными сетями, использующих различные протоколы взаимодействия.

Классификация вычислительных сетей

В зависимости от территориального расположения абонентских систем ВС можно разделить на три типа:

• Локальная вычислительная сеть (ЛВС) – объединяет абонентов расположенных в пределах небольшой территории протяжённостью до 2,5 км – это сети фирм, банков, офисов и т.п.
• Региональная вычислительная сеть (РВС) – связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга – это сети большого города, экономического региона и отдельной страны.
• Глобальная вычислительная сеть (ГВС) – объединяет абонентов, расположенных на большом расстоянии друг от друга – это сети различных стран и континентов.

Объединение ЛВС, РВС и ГВС позволяет создавать многосетевые иерархии для обработки огромных информационных массивов и обеспечивать доступ к неограниченным информационным ресурсам, образуя сложные структуры.

Классификация сетей

В зависимости от территориального расположения компьютеров, по масштабу доступа к ресурсам

По типу организации передачи

данных

С коммутацией каналов

С коммутацией пакетов

Региональнаявычислите-льная сеть

Глобальная вычислите-льная сеть

Локальная вычислите-льная сеть

Классификация сетей

• Способ коммутации каналов заключается в установлении физического канала связи между абонентами сети.
• При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на пакеты фиксированной длины, которые потом передаются по сети. А в пункте назначения эти пакеты объединяются.

• Примеры локальных компьютерных сетей – сеть в классе, в школе, в офисе.
• Региональные вычислительные сети строятся из компьютеров и локальных сетей в пределах крупного города или региона.
• Глобальные вычислительные сети являются общемировыми сетями и структурно состоят из региональных и локальных сетей. Глобальные сети представляют возможность обмена информацией в масштабах всего мира.

Локальные сети

Локальная сеть объединяет несколько компьютеров и дает возможность пользователям совместно использовать ресурсы компьютеров и периферийных устройств (принтеров, плоттеров, дисков, модемов).

• Локальные сети можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций.

Сервер - компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей, определенными услугами. Это источник ресурсов сети.

Рабочая станция – компьютер, подключенный к сети, через него пользователь получает доступ к ресурсам сети.

По распределению функций компьютеров различают сети

Одноранговые сети

Сети с выделенным сервером

Типы ЛВС

• Одноранговая сеть – все рабочие станции выполняют функции сервера и клиента (все компьютеры равноправны), т.е. может обслуживать другие станции и направлять свои запросы на обслуживание в сеть - это сети, имеющие несколько серверов.
• Сеть с выделенным сервером – это сеть где один из ПК выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, имеет функции управления взаимодействием между станциями и выполняет ряд сервисных функций.

Основная цель ЛВС – совместное использование ресурсов вычислительной техники, а именно: дисковой памяти, программ, принтеров и т.д. Что дает нам совместное использование ресурсов?

• Экономия затрат на приобретение и эксплуатацию дорогостоящих аппаратных средств. Представьте, что в офисе фирмы шесть ПК, и шесть человек постоянно решают примерно одинаковые задачи, с применением мощных профессиональных программ. Без сети придется иметь полные копии этих программ на всех ПК, а это ведет к излишнему расходу дорогостоящей дисковой памяти. Кроме того, понадобится шесть принтеров, а если не шесть, то пользователь, обделенный принтером, будет испытывать постоянные неудобства и терять массу времени.
• Экономия затрат на приобретение программного обеспечения. Если, например, в какой-либо фирме имеется 10 ПК и все 10 пользователей должны использовать табличный процессор, то необходимо приобрести 10 копий этой программы (сделать 10 копий самому – незаконно). Объединив компьютеры в сеть, можно пользоваться одной копией программного продукта, установленной на один из компьютеров.
• Удобство работы с большими информационными массивами. Существуют очень большие базы данных, с которыми работают несколько десятков человек одновременно (например, резервирование мест на поездах). Нет необходимости объяснять неудобства работы с такими информационными массивами на автономных компьютерах. Преимущества же компьютерной сети здесь очевидны.
• Удобство и высокая скорость обмена информацией. Допустим, что нам нужно передать какой-либо файл своему коллеге, находящемуся в соседнем кабинете. При отсутствии сети мы воспользовались бы дискетами. При наличии сети достаточно просто переслать нужный файл на компьютер своего коллеги.

Основные характеристики ЛВС

• Аппаратные средства (сетевые платы, модем, кабель, соединительные элементы и т.п.)
• Топологическая структура сети (тип связи компьютеров в группу)
• Используемый метод доступа компьютеров к сети и физическая среда связи
• Число уровней сетевого протокола

Архитектура и структура вычислительной сети

• Архитектура сети определяет скорость передачи данных, стоимость и тип кабеля для сети. Существует множество различных архитектур сетей: Ethernet , Token Ring , ARCnet и др.
• Топология - это физическое расположение кабеля сети и способ соединения компьютеров в сеть. Существуют три основные топологии.

I. Одноранговые сети

1. Шинная топология – ПК соединяют в одну линию, по концам которой расположены терминаторы (отражатели). Самая простая топология. При этом каждый узел подключается к отрезку кабеля, который соединяет все станции последовательно. Концы кабеля обычно замыкаются специальными колпачками (терминаторами). Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано.

Преимущества : удобство монтажа и наращивания.

Недостатки : обрыв кабеля в любом месте выводит из строя всю сеть.

Одноранговые сети

2. Кольцевая топология – ПК соединяют к общему кабелю, так, чтобы концы кабеля были соединены друг с другом в виде кольца. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

Преимущества : ретрансляция информации позволяет использовать любые типы кабелей.

Недостатки : обрыв кольцевого кабеля выводит из строя всю сеть.

Структуры сетей: шинная и её разновидности

1.1. Шинная топология

( “ Общая шина ”)

1.2. Иерархическая топология

( “ Дерево ”)

1.3. Радиальная топология ( “ Солнце ”)

23

II. Сеть с выделенным сервером

3. Звездообразная топология – ПК подключают к центру – модулю ( hub ) или концентратору, который является посредником в процессе передачи информации от одного узла к другому.

Преимущества : при обрыве связи между одним из узлов и центром оставшаяся часть сети продолжает работать, т.е. имеет устойчивость к повреждению кабеля, т.к. выпадает только один узел.

Недостатки : абсолютная зависимость от центрального узла; при его отказе выходит из строя вся сеть.

Структуры сетей: кольцевая и звезда

hub

3. Многосвязная топология с выделенным сервером - концентратором сигналов ( hub)

(” Звезда ”)

2. Кольцевая топология

(” Кольцо ”)

25

Физическая передающая среда ЛВС (типы кабеля)

Существуют три типа кабеля для соединения компьютеров в сеть:

• Витая пара (twisted pair cable). Коаксиальный кабель ( coaxial cable , сокращенно coax ). Волоконно-оптический, или оптоволоконный кабель ( fiber - optic cable ).
• Витая пара (twisted pair cable).
• Коаксиальный кабель ( coaxial cable , сокращенно coax ).
• Волоконно-оптический, или оптоволоконный кабель ( fiber - optic cable ).

1. Витая пара (twisted pair cable).

Внешняя пластиковая оболочка

Изолированные провода

Состоит из двух изолированных медных или алюминиевых проводов, свитых между собой и заключенных в пластиковую оболочку. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые электрические сигналы.

Преимущества : дешевизна, простота установки.

Недостатки: высокая чувствительность к электромагнитным помехам, низкая скорость передачи данных.

2. Коаксиальный кабель ( coaxial cable , сокращенно coax ).

Внутренний

проводник (медь)

Внешний

проводник

Пластиковая

оболочка

Толстая пластиковая

изоляция

По сравнению с витой парой обладает более высокой механической прочностью, помехозащищенностью, обеспечивает более высокую скорость передачи информации. Широко используется в кабельном телевидении.

В центре коаксиального кабеля находится жесткий медный проводник. Этот проводник окружен толстым слоем изолирующего пластика. Одна из задач этого слоя – предохранять проводник от излома. Без этого проводник может легко сломаться, если его несколько раз согнуть и разогнуть. Для защиты от электромагнитных помех поверх пластиковой изоляции надевается проволочная оплетка (внешний проводник). И, наконец, кабель заключается в пластиковую оболочку, которая действует как дополнительная защита от электромагнитных помех и защищает кабель от повреждений.

Преимущества : простота установки, более надежная защита от электромагнитных помех.

Недостатки : относительная дороговизна (более чем вдвое дороже витой пары), легко ломается и существует подверженность электромагнитным помехам.

3. Оптоволоконный кабель ( fiber - optic cable ).

Внешняя пластиковая

оболочка

Защитный

отражатель

Стеклянный или пластиковый

оптический сердечник

Новейший тип кабеля для сети. Идеальная передающая среда. Сердечник такого кабеля изготовлен из стекла или пластика. Для передачи данных вместо электричества используются световые импульсы через Сердечник, где Отражатель направляет импульсы вдоль кабеля.

Преимущества : не подвержен действию электромагнитных полей, обеспечивает высокую скорость и безопасность передачи данных.

Недостатки : дороговизна, сложность установки (только с помощью специальных инструментов).

Сетевые протоколы

• Сетевые протоколы – это соглашение правил и рекомендации, принятых для эффективной организации процессов взаимодействия элементов сети и предусматривающих определенный порядок действий, процедур и применения установленных форматов данных.
• Протоколы определяют порядок взаимодействия различных устройств и программ сети. Протоколы разбиваются на уровни. Каждый уровень протоколов реализует определенный набор функции передачи данных в вычислительной сети и за исключением самого верхнего, обеспечивает функционирование смежного с ним верхнего уровня.
• В эталонной модели семь уровней иерархии. Есть сети, в которых число уровней больше семи, но есть и такие, в которых это число меньше. Разбиение сетевых протоколов на семь уровней связано с чисто прагматическими соображениями, и оно стало тем стандартом, к которому в настоящее время стремятся разработчики вычислительных сетей.

Функциональные уровни сетевых протоколов

Уровни протокола

Уровень программ пользователя сети

7

Прикладной

6

Представительный

5

Сеансовый

4

Транспортный

3

Сетевой

2

Канальный

1

Физический

Физическая среда пользователя

1. Физический уровень

• Определяет вид и характеристики линий связи между рабочими станциями.
• Определяет электрические и механические стандарты, а также процедуры, обеспечивающие соединение различных устройств вычислительной сети каналами связи, т.е. Физический уровень представляет возможность осуществлять передачу электрических сигналов по каналу связи между двумя абонентами.

2. Канальный уровень

• Управляет передачей информации по каналу связи с помощью пакетных драйверов.
• Обычно в сетях сообщения, подлежащие передаче между процессами – абонентами, разбивается на блоки информации определенного размера. Эти блоки называются пакетами. Пакеты обрамляются служебными полями, образуя кадры.

3. Сетевой уровень

• Устанавливает соединения между каждым источником и потребителем информации, определяет маршрут, по которому должна проходить информация, и устанавливает связь между узлами по этому маршруту.

4. Транспортный уровень

• Управляет передачей данных из одной программы в другую и защищает сети от перегрузок.
• Важная функция транспортного уровня – защита сетей от перегрузок. Она реализуется главным образом путем введения ограничений на максимальную нагрузку сети или число используемых буферов (массивов памяти, в которые записывается или из которых считывается информация).

5. Сеансовый уровень

• Отвечает за установку, поддержание и уничтожение соответствующих каналов связи, обеспечивает синхронизацию диалога и управление обменом данных (сеансом) между взаимодействующими абонентами.

6. Уровень представлений

• Определяет единый протокол, который позволял бы применять любой синтаксис (правила написания) сообщений, независимо от того, является ли он стандартным или нет.
• Уровень представлений гарантирует, что данные, которыми обмениваются устройства, поступают к процессорам и к пользователям в понятном для них виде.

7. Прикладной уровень

• Это сетевые услуги и программы их предоставления абонентам сети.
• Обеспечивает различные формы и форматы взаимодействия прикладных программ сети.

Демонстрация слайдов закончена.

Спасибо за внимание.