Компьютерные сети

Вятский государственных педагогический университет Кафедра информатики и вычислительной техники Дипломная работа Компьютерные сети Киров -2009

1. Компьютерные сети

1.1 Вводные замечания

1.2 Концепция построения локальных компьютерных сетей

1.3 Топология локальной сети

1.4 Сетевой кабель — физическая среда передачи

1.5 Основные сетевые модели

1.6 Глобальные компьютерные сети

1.7 Услуги сети Интернет

2. Преподавание курса «Компьютерные сети»

2.1 Курс «Сетевые технологии» компании Netware

2.2 Курс «Компьютерные сети» компании Microsoft

2.3 Курс «Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций» Вятского государственного политехнического университета

2.4 Курс «Основы сетевых технологий» ЦИТ МГУ

2.5 Курс «Сети ЭВМ с точки зрения пользователя» МФТИ

2.6 Рекомендации по созданию курса «Сетевые технологии»

3. Изучение сети Интернет

3.1 Структура практикума

3.2 Методические рекомендации

3.3 Результаты изучения курса лабораторных работ

4. Заключение

5. Литература

6. Приложения

В последнее время многократно вырос интерес к компьютерным сетям. Компьютерные сети играют немаловажную роль в функционировании современных предприятий, составляют структуру глобальной сети Интернет, используются многочисленными программными средствами для более эффективной и результативной работы.

Задачей образования является подготовка специалистов в области сетевых технологий, которые смогут подготовить проект компьютерной сети, провести реализацию проекта, поддерживать работоспособность сети.

Цель дипломной работы — разработка методических рекомендаций:

по созданию теоретического курса «Сетевые технологии»

по разработке практикума по изучению сети Интернет.

1. Компьютерные сети

1.1 Вводные замечания

Когда в конце 80-х годов компьютеры стали широко применяться во многих сферах деятельности человека, ЭВМ воспринималась, прежде всего, как обособленный инструмент для какой-либо работы. Компьютерные сети существовали и в то время, но использовались они в основном в учебных классах как более дешевый заменитель дисковода. В организациях, использующих компьютеры, не было потребности устанавливать сеть. Обмен файлами между пользователями производился через дискеты, и такая ситуация устраивала многих. В то время не было весомых причин вкладывать деньги в дополнительное сетевое оборудование.

Если обратиться к тезисам Билла Гейтса [10], сформулированные им в книге «Бизнес со скоростью мысли», то можно увидеть что многие пункты этого своеобразного бизнес-плана ссылаются на имеющуюся в организации структуру компьютерной сети. Эти тезисы, по мнению Билла Гейтса, должна выполнять любая организация, желающая модернизировать характер своей работы и добиться успеха в будущем десятилетии.

1. Настоять на том, чтобы поток сообщений передавался только по электронной почте.

2. Распространять в онлайне данные о продажах, так чтобы они были легкодоступны сотрудникам.

3. Стимулировать квалифицированных сотрудников к высокоуровневому мышлению.

4. Пользоваться цифровыми инструментами для создания виртуальных коллективов.

5. Перевести все процессы делопроизводства на цифровую основу.

6. Применять цифровые инструменты для исключения рабочих мест, на решение единственной задачи.

7. Создавать петли цифровой обратной связи.

8. Использовать цифровые системы для немедленного рассмотрения жалоб заказчиков.

9. Использовать цифровую связь для пересмотра границ деятельности компании.

10. Превратить каждый бизнес-процесс в оперативно исполняемый.

11. Пользоваться цифровыми средствами доставки для исключения посредников.

12. Помогать заказчикам самостоятельно решать их собственные задачи при помощи цифровых инструментов.

Тезисы 1, 2, 7, 9 напрямую ссылаются на использование компьютерной сети в деятельности организации. Почему же за столь небольшой промежуток в 10 лет кардинально изменилось отношение к компьютерным сетям? Почему компьютерная сеть стала столь же необходимым атрибутом для организации как, например, телефонная или электрическая сеть?

По мнению В. Ефимова [24], «в условиях рыночной экономики характеризующейся острой конкурентной борьбой, для того, чтобы удержаться на лидирующих позициях (или добиться их), предприятие должно быть готово к оперативному и точному реагированию на любое изменение ситуации на рынке. На крупных предприятиях циркулируют большие и зачастую весьма запутанные потоки информации. Такие предприятия и особенно корпорации, представляющие собой многопрофильные территориально рассредоточенные структуры с распределенным управлением, более других нуждаются в создании единого информационного пространства, устраняющего барьеры между подразделениями. Это и понятно — ведь чем крупнее предприятие, тем дороже обходится неэффективное управление. Единственный способ сделать корпорацию реально и эффективно управляемой — охватить ее информационной системой (ИС)».

ИС представляет собой объединение сложносвязанных, различающихся по своему составу и функциональному назначению систем:

комплексные системы управления деятельностью предприятия;

локальные вычислительные сети;

системы телекоммуникаций;

кабельные системы;

системы жизнеобеспечения, безопасности и контроля;

платежные системы.

Локальные вычислительные сети занимают второе место после программной «начинки» информационных систем. То есть компьютерная сеть играет важное значение в структуре предприятия, применяющего какую-либо ИС. Так как в последнее время предприятия стараются внедрять компьютерные системы управления, то проводится и прокладка локальных сетей.

Информационная система при ее внедрении интегрируется в существующую систему управления предприятием. Как считают специалисты компании АйТи «основа любого интеграционного проекта — компьютерная сеть, объединяющая все компоненты вычислительного комплекса предприятия».

В качестве примера можно привести проект по созданию автоматизированной системы управления на базе компьютерной сети на Таганрогском металлургическом заводе. «Связав между собой службы завода, сеть позволила повысить эффективность всей системы управления предприятием… Необходимость развития сети была продиктована, прежде всего, увеличивающимися внутренними потребностями растущих служб завода в информационных услугах, а также возросшей компьютеризацией его подразделений. Появились новые задачи, потребовавшие групповой работы пользователей и интенсивного обмена данными.

При создании автоматизированной системы управления предприятия концепция первичности телекоммуникационной среды была принята в качестве отправной точки, а предложенная интеграция всех существовавших сетей завода (компьютерной, телефонной, промышленного телевидения, пожарной и охранной сигнализации) в единую кабельную систему обещала многократно сократить затраты на прокладку коммуникаций, их развитие и обслуживание…

После реализации проекта можно отметить конкретные улучшения в деятельности предприятия.

Благодаря прокладке кабельной телекоммуникационной сети с учетом перспектив дальнейшего развития АСУ исключена проблема подключения новых пользователей и целых зданий. Скоростные качества сети позволяют внедрять требовательные к сетевым ресурсам новейшие приложения.

Экспедиции цехов, используя устойчивую и быструю связь с заводоуправлением и железнодорожным цехом, оформляют документы на отгруженную продукцию за несколько минут.

Сократились необходимые производственные запасы материалов и полуфабрикатов, а также сроки хранения готовой продукции на складах, что привело к повышению оборачиваемости финансовых средств.

Уменьшились простои вагонов МПС под загрузкой и разгрузкой и, как следствие, снизились размеры штрафов.

Ускорилось оформление таможенных документов при экспорте продукции, что позволило уменьшить сумму таможенных санкций.

По оценке экспертов предприятия, повысилось качество выпускаемой заводом товарной продукции, а следовательно, и ее конкурентоспособность.

Заметно возросла результативность деятельности управленческого персонала, маркетинговых, сбытовых и снабженческих служб завода. Этому, в частности, способствовало предоставление удобного доступа к информационным ресурсам Internet с каждого компьютера…

Для успешного решения этих задач имелась хорошая основа — надежная высокоскоростная телекоммуникационная инфраструктура на основе волоконной оптики (рис.1). [28]"

В малом бизнесе компьютерные сети также становятся одним из атрибутов современного офиса. Как считает Лес Фрид «с появлением сети в малом офисе все сотрудники могут совместно работать с часто используемыми (и часто изменяемыми) файлами — списками деловых контактов, базами данных по клиентам, заказами на покупку товаров, счетами-фактурами и текстовыми документами. «Объединив в сеть компьютеры, пользователи могут совместно использовать файлы и принтеры, дорогие периферийные устройства вроде накопителей со сменными носителями и ленточные накопители для резервного копирования, и получить единый для всех выход в Интернет.

Существуют сетевые варианты компьютерных бухгалтерских программ. К примеру, «1С-Предприятие» в сетевом варианте позволяет создать рабочие места сотрудников — заведующего складом, директора, менеджера, продавца и других. Все компьютеры соединены в локальную сеть, что позволяет использовать единую информационную среду. Изменения, внесенные одним сотрудником, сразу же отображаются на других рабочих местах.

Как было показано выше, существуют применения компьютерным сетям, как в крупных организациях, так и в мелких и средних предприятиях. А что же компьютерная сеть может принести домашнему пользователю?

По мнению А. Колесова, «количественный рост сегмента домашних персональных компьютеров в ближайшее время должен вызвать качественные изменения — переход от применения отдельных компьютеров к сетевым решениям. Об этом свидетельствуют последние исследование, проведенные в США целым рядом маркетинговых компаний.

Главное, что в домашнем применении ПК произойдет резкий переход к сетевым решениям. По прогнозам Forrester Research рынок сетевых решений для дома должен возрасти практически с нулевой отметки в 1997 г. до 230 млн долл. в 2000;м, а потом начнет увеличиваться еще более ускоренными темпами, превысив в 2002 г. 1 млрд долл.

Вместе с тем домашние компьютерные сети сегодня в США являются экзотикой: они имеются только в 10% многокомпьютерных семей. В остальных домах информационная связь осуществляется тривиальным переносом файлов на дискете. Однако опросы пользователей показывают, что в целом они сознают пользу от объединения ПК в сеть и называют при этом такие доводы:

возможность доступа к принтерам и другому периферийному оборудованию;

одновременный выход в Internet по одной телефонной линии;

совместное использование файлов;

возможность реализации многопользовательских игр. [29]"

В Москве разрабатываются проекты по созданию локальных домашних сетей в микрорайонах. Один из проектов представила компания «Монлайн»: «в единую локальную вычислительную сеть будут подключаться не только домашние персональные компьютеры жителей, но и объекты местной обслуживающей инфраструктуры: поликлиники, почтовые отделения, аптеки, спортивные сооружения, магазины, банки, парикмахерские, детские сады, школы и т. п.

Таким образом, помимо доступа в Интернет жители смогут получать на экране домашнего ПК информацию о часах работы нужного учреждения, направлять заявки в любую службу или магазин, записываться на прием к врачам или на сеанс в бассейне, получать данные об успеваемости детей в школе, пользоваться видеоконференциями, играть с соседями в компьютерные игры…

Жильцы совместно используют библиотеку программного обеспечения, хранящуюся на сервере, лазерный принтер, возможности факс-сервера и электронную доску объявлений. Сообщения из РЭУ, квитанции для расчетов за коммунальные услуги и т. п. поступают непосредственно в электронные почтовые ящики жильцов. [30]"

В г. Кирове также существуют локальные домашние сети, как правило, самостоятельно организованные группой энтузиастов.

Выше были рассмотрены некоторые аспекты применения сетей в организациях и среди частных пользователей. По этим примерам уже можно сделать выводы о целесообразности изучения сетевых технологий для компьютерных специалистов. Приведенные примеры описывают только локальные сети, и не касаются глобальных сетей. Для того, чтобы рассмотреть программу по изучению компьютерных сетей, следует изучить их структуру. Далее будет рассмотрена структура компьютерных сетей.

1.2 Концепция построения локальных компьютерных сетей

Простейшую компьютерную сеть можно составить из двух компьютеров, соединив их друг с другом кабелем. Это позволяет совместно использовать данные. Все сети, независимо от их сложности, основаны на этом простом принципе. В свое время идея соединения компьютеров с помощью кабеля явилась значительным достижением в области коммуникаций.

Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью — иметь возможность для совместного использования данных. Персональный компьютер — прекрасный инструмент для создания документа, подготовки таблиц, графических данных и других видов информации, но при этом нет возможности быстро поделиться своей информацией с другими. Без компьютерной сети приходилось распечатывать каждый документ, чтобы другие пользователи могли работать с ним, или в лучшем случае — копировать информацию на дискеты. Одновременная обработка документа несколькими пользователями исключалась. Подобная схема работы называется работой в автономной среде. 14]

Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно использовать:

данные

принтеры

факсимильные аппараты

модемы

другие устройства.

Данный список постоянно пополняется, т.к. возникают новые способы совместного использования ресурсов.

Первоначально компьютерные сети были небольшими и объединяли до десяти компьютеров и один принтер. Технология ограничивала размеры сети, в том числе количество компьютеров в сети и ее физическую длину. Например, в начале 1980;х годов наиболее популярный тип сетей состоял не более чем из 30 компьютеров, а длина кабеля не превышала 185 м. Такие сети легко располагались в пределах одного этажа здания или небольшой организации. Для маленьких фирм подобная конфигурация подходит и сегодня. Эти сети называются локальными вычислительными сетями (ЛВС или LAN). Локальная сеть — это комбинация компьютерного оборудования и носителя для передачи данных, которая относительно невелика по размеру. Как правило, размер локальных сетей не превышает 10 км, и в них применяется только один тип кабеля. Типичная локальная сеть охватывает одно здание или группу.

Компьютеры, составляющие локальную сеть, принято называть узлами (node). Каждый узел может представлять собой сервер (server) или рабочую станцию, клиент (workstation). Иногда рабочие станции называются просто станциями (station). Отдельные узлы подключаются к сети посредством сетевых плат (NIC, Network Interface Card), которые называются, также, сетевыми адаптерами или просто сетевыми платами. Эти платы устанавливаются в разъемы расширения системы на материнской плате компьютера и подключаются (напрямую или через дополнительные устройства) к сетевому кабелю. Каждый узел сети располагает собственной интерфейсной платой. На сервере может быть установлено сразу несколько сетевых плат, каждая из которых будет предназначена для подключения к сети определенного типа.

Несмотря на определенные сходства, сети разделяются на два типа:

одноранговые (peer-to-peer);

на основе сервера (server based).

Различия между одноранговыми сетями и сетями на основе сервера имеют принципиальное значение, поскольку определяют разные возможности этих сетей. Выбор типа сети зависит от многих факторов:

размера предприятия;

необходимого уровня безопасности;

вида бизнеса;

уровня доступности административной поддержки;

объема сетевого трафика;

потребностей сетевых пользователей;

финансовых затрат.

Одноранговые сети

В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного (dedicated) сервера. Как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер; иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Все пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступными по сети.

Размеры

Одноранговые сети называют также рабочими группами. Рабочая группа — это небольшой коллектив, поэтому в одноранговых сетях чаще всего не более 10 компьютеров.

Стоимость

Одноранговые сети относительно просты. Поскольку каждый компьютер является одновременно и клиентом, и сервером, нет необходимости в мощном центральном сервере или в других компонентах, обязательных для более сложных сетей. Одноранговые сети обычно дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных (и более дорогих) компьютеров.

Операционные системы

В одноранговой сети требования к производительности и к уровню защиты для сетевого программного обеспечения, как правило, ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Выделенные серверы функционируют исключительно в качестве серверов, но не клиентов или рабочих станций (workstation).

В большинство сетевых операционных систем, встроена поддержка одноранговых сетей. Поэтому, чтобы установить одноранговую сеть, дополнительного программного обеспечения не требуется.

Реализация

Одноранговая сеть характеризуется рядом стандартных решений:

компьютеры расположены на рабочих столах пользователей;

пользователи сами выступают в роли администраторов и обеспечивают защиту информации;

для объединения компьютеров в сеть применяется простая кабельная система.

Целесообразность применения

Одноранговая сеть вполне подходит там, где:

количество пользователей не превышает 10 человек;

пользователи расположены компактно;

вопросы защиты данных не критичны;

в обозримом будущем не ожидается значительного расширения сети.

Если эти условия выполняются, то, скорее всего, выбор одноранговой сети будет правильным (чем сети на основе сервера).

Некоторые соображения

Несмотря на то, что одноранговые сети вполне удовлетворяют потребностям небольших организаций, иногда возникают ситуации, когда их использование может оказаться неуместным. Рассмотрим некоторые замечания относительно одноранговых сетей.

Администрирование

Сетевое администрирование (administration) решает ряд задач, в том числе:

управление работой пользователей и защитой данных;

обеспечение доступа к ресурсам;

поддержка приложений и данных;

установка и модернизация прикладного программного обеспечения.

В типичной одноранговой сети системный администратор, контролирующий всю сеть, не выделяется. Каждый пользователь сам администрирует свой компьютер.

Разделяемые ресурсы

Все пользователи могут «поделиться» своими ресурсами с другими. К совместно используемым ресурсам относятся каталоги, принтеры, факс-модемы и т. п.

Требования к серверу

В одноранговой сети каждый компьютер должен:

большую часть своих вычислительных ресурсов предоставлять локальному пользователю (сидящему за этим компьютером);

для поддержки доступа к ресурсам удаленного пользователя (обращающегося к серверу по сети) подключать дополнительные вычислительные ресурсы.

Сеть на основе сервера требует более мощных серверов, поскольку они должны обрабатывать запросы всех клиентов сети.

Защита

Защита подразумевает установку пароля на разделяемый ресурс, например на каталог. Централизованно управлять защитой в одноранговой сети очень сложно, так как каждый пользователь устанавливает ее самостоятельно, да и «общие» ресурсы могут находиться на всех компьютерах, а не только на центральном сервере. Такая ситуация представляет серьезную угрозу для всей сети, кроме того, некоторые пользователи могут вообще не установить защиту. Если вопросы конфиденциальности являются принципиальными, следует выбрать сеть на основе сервера.

Подготовка пользователя

Поскольку в одноранговой сети каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер, пользователи должны обладать достаточным уровнем знаний, чтобы работать и как пользователи, и как администраторы своего компьютера.

Сети на основе сервера

Если к сети подключено более 10 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей использует выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом, и именно они будут приводиться обычно в качестве примера в этом пособии.

С увеличением размеров сети и объема сетевого трафика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач среди нескольких серверов гарантирует, что каждая задача будет выполняться самым эффективным способом из всех возможных.

Специализированные серверы

Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в больших сетях стали специализированными (specialized). Например, существуют следующие типы серверов.

Файл-серверы и принт-серверы.

Файл-серверы и принт-серверы управляют доступом пользователей соответственно к файлам и принтерам. Например, чтобы работать с текстовым процессором, его прежде всего нужно запустить на рабочей станции. Документ текстового процессора, хранящийся на файл-сервере, загружается в память рабочей станции, и, таким образом, пользователь может работать с этим документом на своем компьютере. Другими словами, файл-сервер предназначен для хранения файлов и данных.

Серверы приложений

На серверах приложений выполняются прикладные части клиент-серверных приложений, а также находятся данные, доступные клиентам. Например, чтобы упростить извлечение данных, серверы хранят большие объемы информации в структурированном виде. Эти серверы отличаются от файли принт-серверов. В последних файл или данные целиком копируются на запрашивающий компьютер. А в сервере приложений на запрашивающий компьютер пересылаются только результаты запроса.

Приложение-клиент на удаленном компьютере получает доступ к данным, хранимым на сервере приложений. Однако вместо всей базы данных на рабочую станцию с сервера загружаются только результаты запроса. Например, пользователь может получить список работников, родившихся в ноябре.

Почтовые серверы

Почтовые серверы управляют передачей электронных сообщений между пользователями сети.

Факс-серверы

Факс-серверы управляют потоком входящих и исходящих факсимильных сообщений через один или несколько факс-модемов.

Коммуникационные серверы.

Коммуникационные серверы управляют потоком данных и почтовых сообщений между этой сетью и другими сетями, или удаленными пользователями через модем и телефонную линию.

Служба каталогов предназначена для поиска, хранения и защиты информации в сети. Windows NT Server объединяет компьютеры в логические группы — домены (domain), — система защиты которых наделяет пользователей различными правами доступа к любому сетевому ресурсу.

В расширенной сети использование серверов разных типов приобретает особую актуальность. Необходимо поэтому учитывать все возможные нюансы, которые могут проявиться при разрастании сети, с тем чтобы изменение роли определенного сервера в дальнейшем не отразилось на работе всей сети.

Значение программного обеспечения

Сетевой сервер и операционная система работают как единое целое. Без операционной системы даже самый мощный сервер представляет собой лишь груду железа. А операционная система позволяет реализовать потенциал аппаратных ресурсов сервера.

Преимущества сети на основе сервера

Разделение ресурсов

Сервер спроектирован так, чтобы предоставлять доступ к множеству файлов и принтеров, обеспечивая при этом высокую производительность и защиту.

Администрирование и управление доступом к данным осуществляется централизованно. Ресурсы, как правило, расположены также централизованно, что облегчает их поиск и поддержку.

Защита

Основным аргументом при выборе сети на основе сервера является, как правило, защита данных. Проблемами безопасности может заниматься один администратор: он формирует политику безопасности (security policy) и применяет ее в отношении каждого пользователя сети.

Резервное копирование данных

Поскольку жизненно важная информация расположена централизованно, т. е. сосредоточена на одном или нескольких серверах, нетрудно обеспечить ее регулярное резервное копирование (backup).

Избыточность

Благодаря избыточным системам данные на любом сервере могут дублироваться в реальном времени, поэтому в случае повреждения основной области хранения данных информация не будет потеряна — легко воспользоваться резервной копией.

Количество пользователей

Сети на основе сервера способны поддерживать тысячи пользователей. Сетями такою размера, будь они одноранговыми, было бы невозможно управлять.

Аппаратное обеспечение

Так как компьютер пользователя не выполняет функций сервера, требования к его характеристикам зависят от потребностей самого пользователя.

1.3 Топология локальной сети

Структура локальной сети определяются топологией. Топология представляет собой географическое упорядочение сетевой аппаратуры. Топология — это стандартный термин, который используется профессионалами при описании основной компоновки сети. Она организует элементы локальной сети согласно заранее спланированной схемы. Благодаря этому становится возможными коммуникации между отдельными точками локальной сети. Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки.

Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет на:

состав необходимого сетевого оборудования;

характеристики сетевого оборудования;

возможности расширения сети;

способ управления сетью.

Топология определяет схему географического расположения сетевых устройств. Эти устройства организуются согласно различным факторам, включая скорость работы, надежность, установку и диагностику. От топологии зависит и тип сетевой связи. Существуют два основных типа связи в сети, которые определяет топологическая схема.

Двухточечное (прямое) соединение.

Многоточечное соединение.

Двухточечная связь — прямое соединение двух устройств. Когда принтер подключается непосредственно к персональному компьютеру, то создается двухточечное соединение. Другой пример — связь между двумя антеннами микроволновой радиосвязи. Двухточечная связь быстро работает, относительно не дорога, надежна и проста в диагностике. К сожалению, ее нельзя использовать в большинстве сетевых установок. Однако, поскольку в такой связи участвуют лишь два устройства, нарушается сам принцип разделения ресурсов в сети.

Некоторые пользователи настаивают на использовании прямого соединения, что вряд ли оправдано. Рис. 8 иллюстрирует двухточечное соединения семи рабочих станций. Такая структура называется «сеткой». Название говорит само за себя. Подобная структура непрактична, поскольку требует слишком большого расхода носителя. Однако такие сети чрезвычайно отказоустойчивы, и каждая связь реализует выделенный маршрут соединения с другим устройством. Сеточные структуры сложны в инсталляции и их очень трудно переконфигурировать.

С другой стороны, такие схемы очень легко проверять, поскольку каждая связь не зависит от других. Сеточные топологии лучше выдерживают отказ носителя, чем другие схемы. Если одна связь выходит из строя, можно маршрутизировать передачу по другим линиям. Сегодня единственным практическим применением сеточной схемы является гибридная топология, при которой между файловыми серверами реализуется двухточечная связь, а между серверами и рабочими станциями — многоточечное соединение.

В многоточечном соединении сетевые устройства могут быть связаны друг с другом не напрямую, а через некоторое число других сетевых устройств. В современных локальных сетевых средах многоточечное соединение связывает множество сетевых устройств в различных конфигурациях. Такую схему сегодня используют 99.9% локальных сетей.

Исследуем четыре наиболее популярных сетевых топологии:

шинную

звездообразную

кольцевую

сотовую.

Шинная топология

Шинная топология является простейшей и наиболее распространенной сетевой схемой. Она состоит из одной кабельной магистрали локальной сети, которая на каждом конце завершается резистором (терминатором). Коммуникационные сообщения, переносящие данные, передаются по шине в одном или в обоих направлениях, пока их не перехватит сетевое устройство. Типичная шинная топология показана на рис. 9. Если сообщение не находит адресата или не распознается, то оно поглощается терминатором. При отсутствии терминатора на конце магистрали сообщение будет отражаться и начнет путешествие в обратном направлении, что приведет к нежелательным конфликтам. Сетевые устройства подключаются к магистрали шины с помощью коротких кабелей (отводков) или Т-разъемов.

Все узлы шинной топологии имеют равноправный доступ к магистрали. Такую схему легко устанавливать, поскольку базовая магистраль проходит через всю локальную сеть как один кабельный сегмент. Это сводит к минимуму затраты кабеля. Число устройств и длину магистрали легко расширить. Однако существуют ограничения. Например, в случае обрыва кабеля большое число узлов сети сразу станут недоступным — вся сеть выходит из строя. Очень трудно изолировать место неисправности, поскольку все устройства совместно используют один кабель.

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т. е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть.

Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;

частота, с которой компьютеры передают данные;

тип работающих сетевых приложений;

тип сетевого кабеля;

расстояние между компьютерами в сети.

Шина — пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Шинная топология является достаточно гибкой и недорогой. Она идеально подходит для локальных сетей малого и среднего размера или выделенных базовых сетей, связывающих серверы или маршрутизаторы.

Звездообразная топология

Топологическая схема «физическая звезда» считается идеальной по двум основным причинам — скорости и надежности. В такой схеме каждый узел находится на конце выделенного отводка (которые напоминают лучи звезды). Рабочие станции получают все преимущества выделенной связи с сервером, что позволяет избежать конфликтов и таким образом устранить возникающие из-за этого задержки в сети. Как показано на рис. 11, центральное устройство обычно является концентратором (hub) или маршрутизатором. Концентратор воспринимает пакеты от множества рабочих станций и ретранслирует их в другие кабельные отводки (лучи). Если отводок кабеля выходит из строя, сеть продолжает функционировать. Поскольку все данные проходят через центральный концентратор, такие сети легко диагностировать. Кабельные отводки легко изолировать — это не повлияет на другие сетевые устройства. Данная схема повышает надежность и отказоустойчивость. В сетях со звездообразной конфигурацией может использоваться любой кабель, применяемый в локальных сетях.

Звездообразная топология — недорогая и гибкая схема, что делает ее идеальным выбором для средних и больших локальных сетей. Для управления коммуникациями в сетях со звездообразными топологиями может применяться несколько протоколов доступа к носителю, которые будут рассмотрены позднее.

Кольцевая топология

Кольцевая топология упорядочивает сетевые узлы в круговой канал. Сообщения организованно передаются по кольцу от узла к узлу. Это кольцо можно рассматривать как замкнутые двухточечные линии или шинную топологию с соединенными концами шины. В любом случае она является структурированной, организованной и более надежной. Кольцевую топологическую схему иллюстрирует рис. 12.

В кольце сообщения передаются от одной рабочей станции к другой в одном направлении. Каждая рабочая станция проверяет сообщение на соответствие целевому адресу. Если адрес не совпадает, то узел регенерирует сообщение и передает его дальше. Если адрес совпадает с адресом данного узла, то узел воспринимает сообщение и посылает ответ на передавшую его рабочую станцию.

В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли повторителя, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который «хочет» передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.

Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных.

После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приема данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.

На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Кольцевую схему относительно просто устанавливать. Для нее требуется несколько больше кабеля, чем для шинной топологии, но меньше, чем для звезды. Кольцевая топология очень стабильна. Этот маршрут между узлами устраняет многие проблемы, связанные с более ранними топологиями, — конфликты и необходимость в центральном управляющем концентраторе. С другой стороны, кольцевые схемы трудно реконфигурировать, а их отказоустойчивость ограничена. Однако с этой целью можно использовать двойные кольца, по которым сообщения передаются в противоположных направлениях.

В целом кольцевая топология является дорогостоящей и устойчивой. Она идеально подходит для больших локальных сетей и базовых глобальных.

Сотовая топология

Сотовая топология используется исключительно в сетях с неограниченным носителем, в которых применяются радиоволны. Сотовая топология комбинирует двухточечное соединение и многоточечную схему, разбивая сеть на ячейки. Каждая ячейка представляет часть общей сети и управляется специальным концентратором. Это многоточечная часть. Концентраторы для маршрутизации сообщений между ячейками объединяются затем в сеточную структуру. Как показывает рис. 14, сотовая топология отличается от описанных выше кабельных схем. Одно из основных различий состоит в том, что в сотовой схеме устройства могут переходить из ячейки в ячейку, сохраняя связь с сетью. Это делает сотовую топологию идеально подходящей для мобильных вычислений.

Как правило, сети с сотовой топологией легко устанавливать. Если концентратор доступен, неограниченные характеристики сотовой сети преодолевают многие физические ограничения других топологий. Неудобством является прокладка кабеля. Поскольку сотовые коммуникации кабеля не требуют, рабочие станции и пользователи могут легко перемещаться. Облегчается диагностика, поскольку все коммуникации основаны на концентраторах и одноточечных связях между ними. Однако отказоустойчивость является здесь проблемой. Если концентратор выходит из строя, то все рабочие станции данной ячейки теряют связь. Тем не менее эту проблему легко решить путем временного перемещения рабочих станций и пользователей. Другая проблема — защита, поскольку радиоволны легко перехватить. Некоторые «подслушивают» телефонные разговоры по сотовой связи и торгуют этой информацией.

Так почему бы повсеместно не устанавливать сотовые сети? Этому мешают стоимость и скорость. Коммуникации, использующие неограниченный носитель, не достигают скорости сетей с традиционным ограниченным носителем, хотя и приближаются к ней. Это относительно новая радиотехнология, которая стоит дорого. Тем не менее, сотовая технология с каждым днем становится все более практичной.

Различные топологические схемы имеют свои преимущества и недостатки. Сравнение трех из них приведены в таблице 1.

Таблица 1

1.4 Сетевой кабель — физическая среда передачи

На сегодняшний день подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения провода или кабели. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами. Существуют различные типы кабелей, которые удовлетворяют потребности всевозможных сетей, от малых до больших.

В широком ассортименте кабелей нетрудно запутаться. Так, фирма Belden, ведущий производитель кабелей, публикует каталог, где предлагает более 2200 их типов. В большинстве сетей применяются только три основные группы кабелей:

коаксиальный кабель (coaxial cable);

витая пара (twisted pair):

неэкранированная (unshielded);

экранированная (shielded);

оптоволоконный кабель (fiber optic).

Рассмотрим более подробно характеристики и основные компоненты этих кабелей.

Коаксиальный кабель

Не так давно коаксиальный кабель был самым распространенным типом кабеля. Это объяснялось двумя причинами. Во-первых, он был относительно недорогим, легким, гибким и удобным в применении. А во-вторых, широкая популярность коаксиального кабеля привела к тому, что он стал безопасным и простым в установке.

Самый простой коаксиальный кабель состоит из медной жилы (core), изоляции, ее окружающей, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки (рис. 15). Если кабель, кроме металлической оплетки, имеет и слой фольги, он называется кабелем с двойной экранизацией. При наличии сильных помех можно воспользоваться кабелем с учетверенной экранизацией. Он состоит из двойного слоя фольги и двойного слоя металлической оплетки.

Некоторые типы кабелей покрывает металлическая сетка — экран (shield). Он защищает передаваемые по кабелю данные, поглощая внешние электромагнитные сигналы, называемые помехами или шумом. Таким образом, экран не позволяет помехам исказить данные.

Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Жила — это один провод (сплошная) или пучок проводов. Сплошная жила изготавливается, как правило, из меди.

Жила окружена изоляционным слоем, который отделяет ее от металлической оплетки. Оплетка играет роль заземления и защищает жилу от электрических шумов (noise) и перекрестных помех (crosstalk). Перекрестные помехи — это электрические наводки, вызванные сигналами в соседних проводах.

Проводящая жила и металлическая оплетка не должны соприкасаться, иначе произойдет короткое замыкание, помехи проникнут в жилу, и данные разрушатся.

Снаружи кабель покрыт непроводящим слоем — из резины, тефлона или пластика.

Коаксиальный кабель более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше, чем в витой паре. Затухание (attenuation) — это уменьшение величины сигнала при его перемещении по кабелю.

Как уже говорилось, плетеная защитная оболочка поглощает внешние электромагнитные сигналы, не позволяя им влиять на передаваемые по жиле данные, поэтому коаксиальный кабель можно использовать при передаче на большие расстояния и в тех случаях, когда высокоскоростная передача данных осуществляется на несложном оборудовании.

Типы коаксиальных кабелей

Существует два типа коаксиальных кабелей:

тонкий коаксиальный кабель;

толстый коаксиальный кабель.

Выбор того или иного типа кабеля зависит от потребностей конкретной сети.

Тонкий коаксиальный кабель

Тонкий коаксиальный кабель — гибкий кабель диаметром около 0,5 см (около 0,25 дюймов). Он прост в применении и годится практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к платам сетевого адаптера компьютеров.

Тонкий (thin) коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстояние до 185 м (около 607 футов) без его заметного искажения, вызванного затуханием.

Производители оборудования выработали специальную маркировку для различных типов кабелей. Тонкий коаксиальный кабель относится к группе, которая называется семейством RG-58, его волновое сопротивление равно 50 Ом. Волновое сопротивление (impedance) — это сопротивление переменному току, выраженное в омах. Основная отличительная особенность этого семейства — медная жила. Она может быть сплошной или состоять из нескольких переплетенных проводов (рис. 16).

Толстый коаксиальный кабель

Толстый (thick) коаксиальный кабель — относительно жесткий кабель с диаметром около 1 см (около 0,5 дюймов). Иногда его называют «стандартный Ethernet», поскольку он был первым типом кабеля, применяемым в Ethernet — популярной сетевой архитектуре. Медная жила этого кабеля толще, чем у тонкого коаксиального кабеля.

Чем толще жила у кабеля, тем большее расстояние способен преодолеть сигнал. Следовательно, толстый коаксиальный кабель передает сигналы дальше, чем тонкий, — до 500 м (около 1 640 футов). Поэтому толстый коаксиальный кабель иногда используют в качестве основного кабеля [магистрали (backbone)], который соединяет несколько небольших сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле.

Сравнение двух типов коаксиальных кабелей

Как правило, чем толще кабель, тем сложнее с ним работать. Тонкий коаксиальный кабель гибок, прост в установке и относительно недорог. Толстый кабель трудно гнуть, и, следовательно, его сложнее устанавливать. Это очень существенный недостаток, особенно если необходимо проложить кабель по трубам или желобам. Толстый коаксиальный кабель дороже тонкого, но при этом он передаст сигналы на большие расстояния.

Рекомендуется использовать коаксиальный кабель если требуется:

среда для передачи речи, видео и двоичных данных;

передавать данные на большие расстояния (по сравнению с менее дорогим кабелем);

знакомая технология, предлагающая достаточный уровень защиты.

Витая пара

Самая простая витая пара (twisted pair) — это два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Существует два типа тонкого кабеля: неэкранированная (unshielded) витая пара (UTP) и экранированная (shielded) витая пара (STP).

Несколько витых пар часто помещают в одну защитную оболочку. Их количество в таком кабеле может быть разным. Завивка проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними парами и другими источниками, например двигателями, реле и трансформаторами.

Неэкранированная витая пара

Неэкранированная витая пара (спецификация 10BaseT) широко используется в ЛВС, максимальная длина сегмента составляет 100 м (328 футов).

Неэкранированная витая пара состоит из двух изолированных медных проводов. Существует несколько спецификаций, которые регулируют количество витков на единицу длины — в зависимости от назначения кабеля. В Северной Америке UTP повсеместно используется в телефонных сетях.

Неэкранированная витая пара определена в особом стандарте — Electronic Industries Association and the Telecommunications Industries Association (EIA/TIA) 568 Commercial Building Wiring Standart. EIA/TIA 568 — на основе UTP — устанавливает стандарты для различных случаев, гарантируя единообразие продукции. Эти стандарты включают пять категорий UTP.

Категория 1.

Традиционный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь, но не данные. Большинство телефонных кабелей, произведенных до 1983 года, относится к категории 1.

Категория 2.

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 4 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар.

Категория 3.

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар с девятью витками на метр.

Категория 4.

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 16 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар.

Категория 5.

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар медного провода.

Большинство телефонных систем использует неэкранированную витую пару. Это одна из причин ее широкой популярности. Причем во многих зданиях, при строительстве, UTP прокладывают не только для сегодняшних нужд телефонизации, но и, предусматривая запас кабеля, в расчете на будущие потребности. Если установленные во время строительства провода рассчитаны на передачу данных, их можно использовать и в компьютерной сети. Однако надо быть осторожным, так как обычный телефонный провод не имеет витков, и его электрические характеристики могут не соответствовать тем, какие требуются для надежной и безопасной передачи данных между компьютерами.

Одной из потенциальных проблем для всех типов кабелей являются перекрестные помехи. Перекрестные помехи — это электрические наводки, вызванные сигналами в смежных проводах. Неэкранированная витая пара особенно страдает от перекрестных помех. Для уменьшения их влияния используют экран.

Экранированная витая пара

Кабель экранированной витой пары (STP) имеет медную оплетку, которая обеспечивает большую защиту, чем неэкранированная витая пара. Кроме того, пары проводов STP обмотаны фольгой. В результате экранированная витая пара обладает прекрасной изоляцией, защищающей передаваемые данные от внешних помех.

Витую пару следует использовать, если:

есть ограничение в денежных средствах при организации ЛВС;

нужна достаточно простая установка, при которой подключение компьютеров — несложная операция.

Оптоволоконный кабель

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно надежный (защищенный) способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы.

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается.

Оптическое волокно — чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой (core), покрытый слоем стекла, называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Иногда оптоволокно производят из пластика. Пластик проще в использовании, но он передает световые импульсы на меньшие расстояния по сравнению со стеклянным оптоволокном.

Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами (рис. 19). Одно из них служит для передачи, а другое — для приема. Жесткость волокон увеличена покрытием из пластика, а прочность — волокнами из кевлара. На рис. 19 представлен пример кевларового покрытия. Кевларовые волокна располагаются между двумя кабелями, заключенными в пластик.

Передача по оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости (в настоящее время до 100 Мбит/с, теоретически возможная скорость — 200 000 Мбит/с). По нему можно передавать световой импульс на многие километры.

Рекомендуется использовать оптоволоконный кабель, если:

планируется посылать данные с очень высокой скоростью, на большие расстояния и по надежной (защищенной) среде передачи.

Сравнение кабелей

Чем надежнее защищен кабель от внешних и внутренних электрических помех, тем дальше и на большей скорости он сможет передавать данные. Но чем выше скорость передачи, надежность и безопасность кабеля, тем выше и его стоимость.

Кабельная система должна соответствовать условиям ее применения. Требования, выдвигаемые небольшими фирмами, могут значительно отличаться от требований со стороны крупных организаций, например банков.

К числу факторов, влияющих на стоимость и пропускную способность кабеля, относятся следующие.

Простота установки.

Насколько прост кабель в установке, насколько просто работать с ним? В небольших сетях, с небольшими расстояниями, где безопасность данных не самый главный вопрос, нет смысла прокладывать толстый, громоздкий и дорогой кабель.

Экранирование.

Экранирование кабеля приводит к его удорожанию, тем не менее практически любая сеть использует одну из форм экранированного кабеля. Чем больше помех в месте прокладки кабеля, тем большее экранирование требуется.

Перекрестные помехи.

Перекрестные помехи и внешние шумы могут вызвать серьезные проблемы в больших сетях, где критическим вопросом является вопрос защиты данных. Недорогие кабели слабо защищены от внешних электрических полей, генерируемых электропроводкой, двигателями, реле и радиопередатчиками.

Скорость передачи (часть полосы пропускания).

Скорость передачи измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). Для медных кабелей сегодня самым распространенным значением является 10 Мбит/с, хотя последние стандарты позволяют передавать данные со скоростью 100 Мбит/с.

Толстый коаксиальный кабель передает сигналы на большие расстояния, чем тонкий. Но с ним сложнее работать.