Комп’ютерні мережі та їх класифікація
Перші ЕОМ були призначені лише для швидкої обробки даних. Згодом обчислювальна техніка почала широко використовуватися у наукових дослідженнях, виробництві, освіті. У користувачів віддалених один від одного комп’ютерів з’явилася потреба у швидкому обміні даних. Для цього було запропоновано об’єднати комп’ютери у єдину систему і таким чином передавати дані від одного комп’ютера до іншого. Об’єднання комп’ютерів у єдину мережу надає користувачам нові можливості, які були неможливими при використанні окремих комп’ютерів. Комп’ютерна мережа забезпечує: колективне опрацювання даних, обмін даними між користувачами, спільне використання програм та периферійних пристроїв. Практичні потреби лікарів у спільній обробці медичних даних, спонукали впровадження комп’ютерних мереж у медичні заклади.
При розгляді комп’ютерних мереж доцільно, насамперед, з’ясувати сутність фізичного рівня взаємодії комп’ютерів. Фізичний рівень мережевої взаємодії визначає спосіб фізичного з’єднання комп’ютерів у мережі. Центральним поняттям даного рівня є поняття середовища передачі.
Середовище передачі – це фізичне середовище, в якому відбувається поширення інформаційних сигналів у вигляді електричних, мережевих імпульсів.
Лінія зв’язку – це обладнання, за допомогою якого здійснюється об’єднання комп’ютерів у мережу. Лінії зв’язку залежно від середовища передачі даних поділяються на:
повітряні – традиційно по таких проводах передають телефонні або телеграфні сигнали, але за відсутності інших можливостей ці лінії використовуються також і для передачі комп’ютерних даних;
кабельні – представляє складну конструкцію, яка складається із провідників; використовуються такі типи: вита пара, коаксіальний кабель, волокняно-оптичний кабель;
радіоканали наземного та супутникового зв’язку – створюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль. Існує велика кількість різних типів радіоканалів, які відрізняються частотним діапазоном і дальністю каналу.
Для підключення комп’ютерів до середовища передачі використовується спеціальне комунікаційне обладнання. Основні функції цього обладнання полягають у фізичному кодуванні і декодуванні даних, а також синхронізації прийому і передачі даних.
Комунікаційне або мережеве обладнання – це периферійні пристрої, що здійснюють перетворення сигналів, які використовуються у комп’ютері, на сигнали, що передаються через лінії зв’язку, і навпаки. Такими пристроями є мережеві адаптери, модеми та ін.
Мережевий адаптер (або мережева інтерфейсна плата) – спеціальний апаратний засіб для ефективної взаємодії персональних комп’ютерів у мережі. Встановлюється в одне з вільних гнізд розширення шини комп’ютера, а кабель передачі даних під’єднується до роз’єму на цій платі. Мережевий адаптер використовуються при кабельних лініях зв’язку. З погляду комп’ютера, адаптер повинен ідентифікувати ПК у мережі і виконувати буферизацію даних між комп’ютером і кабелем. З погляду комп’ютерної мережі, ця плата повинна генерувати електричні сигнали, що проходять по мережі, управляти доступом до мережі і забезпечувати фізичний контакт з кабелем.
Для організації комп’ютерної мережі необхідно встановити на кожний ПК мережеву плату і об’єднати всі комп’ютери за допомогою спеціального кабелю. Інколи необхідні для зв’язку компоненти вже встановлені на системній платі і тоді мережева плата не потрібна. У цьому випадку гніздо для мережевого кабелю розміщено на задній стінці системного блоку. Кабель для з’єднання мережевих компонентів визначає максимальну швидкість передачі даних та можливу віддаленість комп’ютерів один від одного.
Модем –обладнання для передачі даних, яке здійснює узгоджене перетворення цифрового сигналу комп’ютера в модульований аналоговий і навпаки. Застосовуються при телефонних лінях зв’язку.
Використовуючи лінію зв’язку і мережевий адаптер можна побудувати найпростішу мережу, але надійність і продуктивність такої мережі буде невисокою. Суттєво покращити характеристики мережі дозволять наступні мережеві пристрої:
комутатори(англ. Switch – перемикач) – обладнання, яке призначене для об’єднання декількох комп’ютерів комп’ютерної мережі у межах одного сегмента мережі. Концентратор може мати різну кількість портів (зазвичай від 8 до 32);
концентратори – об’єднуючий компонент, до якого підключаються всі комп’ютери в мережі. Нині майже не використовуються – їх змінили комутатори, які виділяють кожен підключений пристрій в окремий сегмент;
мости – це пристрої, що з’єднують дві мережі, які побудовані за різними технологіями. Міст виконує перерозподіл інформаційних потоків між мережами;
повторювачі – мережевий пристрій, який відновлює сигнали, спотворені при передачі;
маршрутизатори – мережеве обладнання, яке на основі інформації про топологію мережі і визначених правил приймає рішення про пересилання пакетів мережевого рівня між різними сегментами мережі. Маршрутизатор визначає оптимальний маршрут передачі даних. Він допомагає зменшити навантаження мережі, завдяки поділу на домени, а також завдяки фільтрації пакетів. Їх застосовують для об’єднання мереж різних типів, зокрема, несумісних по архітектурі і протоколам, а також для забезпечення доступу із локальної мережі у глобальну мережу Інтернет.
Для реалізації обміну даними у мережі, окрім наявності комунікаційного обладнання, необхідно встановити відповідне комунікаційне програмне забезпечення.
Комунікаційне або мережеве програмне забезпечення – це набір програм, що забезпечують роботу мережевого обладнання і обмін інформацією між комп’ютерами в мережі.
Мережеве програмне забезпечення поділяється на:
програми, які працюють з мережею на низькому рівні, вони забезпечують управління мережевим обладнанням з метою перетворення сигналів з одного виду на інші;
програми, які працюють з мережею на високому рівні, вони призначені для розпізнавання та опрацювання інформації залежно від її характеру та способу організації.
До комунікаційного програмного забезпечення входять:
мережеві операційні системи – забезпечують доступ користувачів до ресурсів комп’ютерної мережі (наприклад, Windows NT, UNIX, Netware та ін);
програми управління мережами (наприклад, Proxy, Anyplace Control, MyChat та ін.).
Комп’ютерна мережа – це сукупність комп’ютерів, які з’єднані лініями зв’язку і оснащені комунікаційним обладнанням та комунікаційним програмним забезпеченням.
З метою стандартизації взаємодії компонентів комп’ютерних мереж (принципів та правил) була розроблена модель мережевої архітектури під назвою «еталонна модель взаємодії відкритих систем» (OSI). OSI базується на моделі, яка була запропонована Міжнародним інститутом стандартів (ISO). Відповідно до цієї моделі мережа поділяється на 7 рівнів, кожному з яких відповідає протокол, одиниця виміру, певний набір функцій.
Протокол – це набір правил, які визначають взаємодію комп’ютерів мережі і описують спосіб виконання визначеного класу функцій.
Відповідно до цієї структури протоколів потік інформації в мережах має дискретну структуру, логічною одиницею якої є пакет (кадр). Вся інформації між вузлами мережі передається у вигляді пакетів, що мають інформаційні і керуючі поля: порядковий номер, адреса одержувача, контрольна сума і т.д. Розглянемо структуру протоколів:
Фізичний рівень складається з фізичних елементів, які використовуються безпосередньо для передачі інформації по мережевим каналам зв’язку. До фізичного рівня відносяться також методи електричного перетворення сигналів, що залежать від мережевої технології, яка застосовується (Ethernet, Fddi тощо).
Рівень з’єднування призначений для передачі даних від фізичного рівня до мережевого та навпаки. Мережева плата в комп’ютері – приклад реалізації рівня з’єднування. Вона залежить від мережевої технології.
Мережевий рівень визначає шлях переміщення даних по мережі, дозволяючи їм знайти отримувача. Мережевий рівень можна розглядати як службу доставки.
Транспортний рівень пересилає дані між самими комп’ютерами. Після доставляння даних мережевим рівнем комп’ютеру-отримувачу активізується транспортний протокол, доставляючи дані до прикладного процесу.
Сеансовий рівень використовується як інтерфейс користувача і вирішує такі завдання, як обробка імен, паролів, прав доступу.
Рівень уявлення створює інтерфейс мережі до ресурсів комп’ютера: принтерів, моніторів, дисків; виконує перетворення форматів файлів.
Прикладний рівень забезпечує виконання прикладних задач користувачів: електронної пошти; розподілених баз даних; усіх програм, що функціонують у середовищі Internet.
Ресурс мережі – це пристрої, які входять до апаратної частини деяких комп’ютерів мережі, доступні і можуть використовуватися будь-яким користувачем мережі. Наприклад, принтери, сканери та ін.
У комп’ютерній мережі кожен ПК називається робочою станцією, за винятком одного чи кількох комп’ютерів, які називаються серверами.
Сервер (serve – постачати, обслуговувати) – комп’ютер, ресурси якого призначені для спільного використання. Призначення сервера – доставляти програми до робочих станцій. Сервери мають бути високоякісними та високонадійними, адже при обслуговуванні всієї комп’ютерної мережі вони багаторазово виконують роботу звичайної робочої станції.
Робочі станції – комп’ютери, які використовують ресурси мережі. Призначення робочої станції – виконувати програми, одержані з мережі.
Кожна робоча станція і сервер містять карти адаптерів, які за допомогою мережевих кабелів з’єднуються між собою. До операційної системи на кожній робочій станції встановлюється програмне забезпечення, яке дає можливість станції взаємодіяти з сервером. Аналогічно, на сервері встановлюється програмне забезпечення, яке дає йому можливість взаємодіяти з робочою станцією та забезпечувати їй доступ до своїх файлів.
Розрізняють дві технології використання сервера:
технологія «файл-сервер» (розподілене опрацювання) – схема роботи, коли робочі станції виконують велику частину опрацювання даних, а файл-сервер надає файли для цього опрацювання.
технологія «клієнт-сервер» – схема опрацювання, за якої робота розподіляється між робочою станцією і файлом-сервером рівномірно.
При об’єднані комп’ютерів у мережу перш за все необхідно визначити спосіб організації фізичних зв’язків (топологію).
Топологія комп’ютерної мережі – це її геометрична форма або фізичне розташування комп’ютерів по відношенню один до одного. Топологія визначає вимоги до устаткування, тип кабелю, який використовується, можливі й найбільш зручні методи керування обміном, надійність роботи, можливості розширення мережі. Топологія характеризує властивості мереж, які не залежать від їх розмірів, при цьому не враховується продуктивність і принцип роботи цих об’єктів, їх типи, довжини каналів. Існують такі типи топологій:
«шина» (bus) – всі комп’ютери паралельно підключаються до однієї лінії зв’язку й інформація від кожного комп’ютера одночасно передається всім іншим комп’ютерам.
Топологія «шина» передбачає ідентичність мережевого устаткування комп’ютерів, а також рівноправність всіх абонентів. Комп’ютери можуть передавати дані тільки по черзі, тому що лінія зв’язку у них єдина, у противному випадку передана інформація буде спотворюватися в результаті конфлікту. У топологія «шина» відсутній сервер, через який передається вся інформація.
Переваги топології «шина»:
додавання нових абонентів у «шину» досить просте і можливе навіть під час роботи мережі;
при використанні «шини» потрібна мінімальна кількість сполучного кабелю в порівнянні з іншими топологіями, проте до кожного комп’ютера (крім двох крайніх) підходить два кабелі, що не завжди зручно;
вартість мережного устаткування є не занадто високою;
відмова окремих комп’ютерів не впливає на роботу мережі;
простота налаштування мережі.
Недоліки топології «шина»:
при розриві або ушкодженні кабелю порушується узгодження лінії зв’язку, і припиняється обмін даними навіть між тими комп’ютерами, які залишилися з’єднаними між собою;
коротке замикання в будь-якому сегменті кабелю «шини» виводить із ладу всю мережу;
складна локалізація несправностей та складна діагностика несправностей.
«зірка» (star) – до одного центрального комп’ютера приєднуються інші периферійні комп’ютери, причому кожний з них використовує свою окрему лінію зв’язку.
У топології «зірка» весь обмін інформацією відбувається через центральний комп’ютер, на який розподіляється значне навантаження. Як правило, центральний комп’ютер повинен бути найпотужнішим, адже саме на нього покладаються всі функції з управління обміном даних. Необхідно вживати спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального комп’ютера і його мережевої апаратури. Ніякі конфлікти у мережі з топологією «зірка» неможливі, тому що керування повністю централізоване.
Переваги топології «зірка»:
вихід з ладу периферійного комп’ютера ніяк не відбивається на функціонуванні частини мережі, що залишилася, але будь-яка відмова центрального комп’ютера робить мережу повністю непрацездатною;
пошкодження будь-якого кабелю або коротке замикання в ньому порушує роботу тільки одного комп’ютера, а всі інші комп’ютери можуть продовжувати працювати;
висока продуктивність мережі;
у «зірці» на кожній лінії зв’язку перебувають тільки два абоненти: центральний і один з периферійних. Найчастіше для їхнього з’єднання використовується дві лінії зв’язку, кожна з яких передає інформацію тільки в одному напрямку. Все це істотно спрощує мережеве обладнання в порівнянні із «шиною» і не потребує застосування додаткових зовнішніх термінаторів.
можливість легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності шляхом простого відключення від центра абонентів (що неможливо, наприклад, у випадку «шини»).
Недоліки топології «зірка»:
жорстке обмеження кількості абонентів, адже центральний абонент може обслуговувати не більше 8-16 периферійних абонентів. Якщо в топології «зірка» підключення нових абонентів є досить простим, то при їхньому перевищенні воно просто неможливе. Хоча, іноді в «зірці» передбачається можливість нарощування, тобто підключення замість одного з периферійних абонентів ще одного центрального абонента (у результаті отримуємо топологію з декількох з’єднаних між собою «зірок»).
значна витрата кабелю, ніж при інших топологіях, це істотно впливає на вартість всієї мережі в цілому.
Розрізняють два види топології «зірка»:
активна «зірка» – у центрі мережі міститься комп’ютер, який виступає у ролі сервера;
пасивна «зірка» – у центрі мережі міститься не комп’ютер, а концентратор або комутатор, який відновлює сигнали і відправляє їх в інші лінії зв’язку. Таким чином, ми фактично маємо справу із шинною топологією, тому що інформація від кожного комп’ютера одночасно передається до всіх інших комп’ютерів, а центрального абонента не існує. Топологія пасивна «зірка» надає цілий ряд додаткових можливостей
«кільце» (ring) – кожний комп’ютер передає інформацію завжди тільки одному комп’ютеру, наступному в ланцюжку, а одержує інформацію тільки від попереднього комп’ютера в ланцюжку, і цей ланцюжок замкнутий в «кільце».
У топології «кільце» чітко виділеного центрального комп’ютера немає, проте комп’ютери не є повністю рівноправними, на відмінну, від шинної топології. Однак досить часто в «кільці» виділяється спеціальний абонент, який управляє обміном або контролює обмін. Зрозуміло, що наявність такого керуючого абонента знижує надійність мережі, тому що вихід його з ладу відразу ж паралізує всю мережу.
Переваги топології «кільце»:
додавання нових абонентів у «кільце» досить просте, хоча й вимагає обов’язкової зупинки роботи всієї мережі на час підключення;
максимальна кількість абонентів у «кільці» може бути досить велика, аналогічно, як у випадку топології «шина»;
кільцева топологія є досить стійкою до перевантажень, вона забезпечує впевнену роботу із великими потоками переданої по мережі інформації, тому що в ній, як правило, немає конфліктів (на відміну від «шини»), а також відсутній центральний абонент (на відміну від «зірки»);
відсутність додаткового обладнання.
Недоліки топології «зірка»:
вихід з ладу хоча б одного з комп’ютерів (або ж його мережевого обладнання) порушує роботу всієї мережі;
будь-яке пошкодження або коротке замикання в кожному з кабелів «кільця» робить роботу всієї мережі неможливою;
складність пошуку несправностей.
Подвійне «кільце» – це топологія, побудована на двох «кільцях», перше «кільце» використовується як основний шлях для передачі даних, друге – резервний шлях, який використовується при виході з ладу першого «кільця».