ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ И КОММУНИКАЦИЙ

PAGE 1

Лекция

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

И КОММУНИКАЦИЙ

1 Глобальные и локальные компьютерные сети

1.1. Назначение и классификация компьютерных сетей

Современное производство требует высоких скоростей обработки информации, удобных форм ее хранения и передачи. Необходимо также иметь динамические способы обращения к информации, способы поиска данных в заданные временные интервалы; реализовывать сложную математическую и логическую обработку данных. Управление войсками требует участие в этом процессе достаточно крупных коллективов. Такие коллективы могут располагаться в различных местах дислокации. Для решения задач управления становятся важными и актуальными скорость и удобство обмена информацией, а также возможность тесного взаимодействия всех участвующих в процессе выработки управленческих решений.

В эпоху централизованного использования ЭВМ с пакетной обработкой информации пользователи предпочитали приобретать компьютеры, на которых можно было бы решать почти все классы их задач обратно пропорциональна их количеству, и это приводило к неэффективному использованию вычислительной мощности ЭВМ при значительных материальных затратах. Нельзя не учитывать и тот факт, что доступ к ресурсам компьютеров был затруднен из-за существующей политики централизации вычислительных средств в одном месте.

Принцип централизованной обработки данных (Рис.1) не отвечал высоким требованиям к надежности процесса обработки, затруднял развитие систем и не мог обеспечить необходимые временные параметры при диалоговой обработке данных в многопользовательском режиме. Кратковременный выход из строя централизованной ЭВМ приводил к роковым последствиям для системы в целом, так как приходилось дублировать функции центральной ЭВМ, значительно увеличивая затраты на создание и эксплуатацию систем обработки данных.

Центральная ЭВМ

Терминал Терминал Терминал Терминал

Рис. 1. Система централизованной обработки данных

Появление малых ЭВМ, микроЭВМ и ПЭВМ потребовало нового подхода к организации систем обработки данных, к созданию новых информационных технологий. Возникло логическое обоснованное требование перехода от использования отдельных ЭВМ в системах централизованной обработки данных к распределенной обработке данных (Рис. 2).

ЭВМ 1 ЭВМ 2

ЭВМ 3

Терминал Терминал Терминал Терминал

Рис. 2. Система распределенной обработки данных

Распределенная обработка данных - обработка данных, выполняемая на независимых, но связанных между собой компьютерах, представляющих распределенную систему.

Для реализации распределенной обработки данных были созданы многомашинные ассоциации, структура которых разрабатывается по одному из следующих направлений;

многомашинные вычислительные комплексы (МВК);

компьютерные (вычислительные) сети.

Многомашинный вычислительный комплекс - группа установленных рядом вычислительных машин, объединенных с помощью специальных средств сопряжения и выполняющих совместно единый вычислительный процесс.

Под процессом понимается некоторая последовательность действий для решения задачи, определяемая программой.

Многомашинные вычислительные комплексы могут быть:

локальными при условии установки компьютеров в одном помещении, не требующих для взаимосвязи специального оборудования и каналов связи;

дистанционными, если некоторые компьютеры комплекса установлены на значительном расстоянии от центральной ЭВМ и для передачи данных используются телефонные каналы связи.

Компьютерная (вычислительная) сеть - совокупность компьютеров и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределенной обработки данных.

Основные отличия компьютерной сети от многомашинного вычислительного комплекса:

1. Размерность. В состав МВК могут входить обычно две, максимум три ЭВМ, расположенные преимущественно в одном помещении. Вычислительная сеть может состоять из десятков и даже сотен ЭВМ расположенных на расстоянии от нескольких метров до тысяч км.

2. Разделение функций между ЭВМ. Если в многомашинном комплексе функции обработки данных, передачи данных и управления системой могут быть использованы в одной ЭВМ, то в вычислительных сетях эти функции распределены между различными ЭВМ.

3. Необходимость решения в сети задачи маршрутизации сообщений. Сообщение от одной ЭВМ к другой в сети может быть передано по различным маршрутам в зависимости от состояния каналов связи, соединяющих ЭВМ друг с другом.

1.2. Классификация вычислительных сетей

Абоненты сети - это объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети.

Абонентами сети могут быть отдельные ЭВМ, комплексы ЭВМ, отдельные терминалы. Любой абонент сети подключается к станции.

Станция - аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом .

Совокупность абонента и станции принято называть абонентской системой. Для организации взаимодействия абонентов необходимы линии связи и аппаратура передачи данных, которые называют коммутационной сетью.

Такой переход позволяет рассматривать любую компьютерную сеть как совокупность абонентных систем и коммуникационной сети.

Абонентная Абонентная

система 1 система 2

Коммуникационная

сеть

Абонентная Абонентная

система N . . . система 3

Рис. 3. Обобщенная структура компьютерной сети

В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:

глобальные сети (WAN - Wide Area Network);

региональные сети (MAN - Metropolitan Area Network);

локальные сети ( LAN - Local Area Network).

Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволят решать проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам.

Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки - сотни километров.

Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу отдельных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т.д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 - 2,5 км.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам.

Одна из возможных иерархий вычислительной сети приведена на рис.4. Локальные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети - объединяться в составе глобальной сети и, наконец глобальные сети могут также образовывать сложные структуры.

1. Локальные вычислительные сети

Если в одном помещении, здании или комплексе близлежащих зданий имеется несколько компьютеров, пользователи которых должны решать какие то задачи, обмениваться данными или использовать общие данные, то эти компьютеры целесообразно объединить в локальную сеть (ЛВС).

Основное назначение любой компьютерной сети - представление информационных вычислительных ресурсов подключенных к ней пользователям.

Региональная ЛВС

сеть 2

Глобальная

сеть ЛВС

ЛВС

Региональная

сеть 1

ЛВС ЛВС

Рис. 4. Иерархия компьютерных сетей

В локальной сети каждый персональный компьютер называется рабочей станцией за исключением одного или нескольких компьютеров, называемых файл-серверами (или просто серверами).

В каждой рабочей станции и файл сервере установлены платы сетевых адаптеров. Все рабочие станции и серверы соединены между собой. Для обеспечения функционирования локальной сети необходимо соответствующее программное обеспечение. Операционные системы Windows for Workgroups, Windows 95, Windows NT Workstation, Windows 2000/ME/XP имеют встроенные возможности по организации локальных сетей без выделенного сервера. Обычно такие сети называют одно-ранговыми, поскольку в них все компьютеры равноправны, каждый из них выполняет как роль рабочего места пользователя, так и роль сервера по обеспечению доступа к своим данным и ресурсам. Правда, при использовании Windows for Workgroups или Windows 95 защиту данных обеспечить не удается, поэтому такие сети можно использовать только в коллективах, где ни у кого нет секретов друг от друга.

Но часто одно-ранговая сеть - это не лучший выход. Ведь пользовательская ОС мало приспособлена для выполнения функций сервера сети, которую ей приходится выполнять. И если на каком то компьютере пользователь играет в DUVP, а другие пользователи работают с файлами на этом компьютере, то они будут сильно мешать друг другу - скорость их работы резко снизится. Да и многие другие особенности одноранговой сети весьма неудобны - и отсутствие защиты информации, и децентрализованное хранение данных, усложняющее их резервирование, и недостаточная надежность, и многое другое. Поэтому обычно в локальных сетях применяются выделенные компьютеры, занимающиеся только обслуживанием локальной сети и совместно используемых данных - серверы.

В локальных сетях с выделенным сервером на сервере используются специальные операционные системы, обеспечивающие надежную и эффективную обработку многих запросов от рабочих мест пользователей. На рабочих станциях такой локальной сети может использоваться любая операционная система, например DOS ,Windows и т.д., и должен быть запущен драйвер, обеспечивающий доступ к локальной сети.

На серверах, в сети до 100 компьютеров, используется операционная система Novell Netware или Windows NT Server.

1. Глобальная вычислительная сеть

В конце 60-х годов по заказу МО США была создана сеть ARPAnet для связи между собой компьютеров этого министерства. При разработке сети ARPAnet ставилась задача обеспечить связь между собой множества удаленных друг от друга разнородных компьютеров, причем эта связь не должна нарушаться при частичных повреждениях сети (например, при бомбардировке одного или нескольких узлов сети). Разработанные принципы организации таких сетей оказались насколько удачными, что многие другие организации стали создавать собственные сети на тех же принципах. Эти сети стали объединяться между собой, образуя единую сеть с общим адресным пространством (подобно тому, как все телефонные станции одного города поддерживают единую систему телефонных номеров). Эта единая сеть (или сеть сетей, совокупность сетей) и стала пользоваться Internet.

Итак, Internet представляет глобальную компьютерную сеть. Само ее название означает «между сетей». Это сеть соединяющая отдельные сети.

Internet обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, подключенными в сеть. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют.

Соединения сетей обладает громадными возможностями. С собственного компьютера любой абонент Internet может передавать сообщения в другой город, просматривать каталог библиотеки Конгресса в Вашингтоне, знакомиться с картинами на последней выставке в музее Метрополитен в Нью-Йорке, участвовать в играх с абонентами сети из разных стран.

Основные ячейки Internet - локальные вычислительные сети. Это означает, что Internet не просто устанавливает связь между отдельными компьютерами, а создает пути соединения для более крупных единиц - групп компьютеров. Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к Internet, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к Internet . Существуют также компьютеры, самостоятельно подключенные к Internet. Они называются хост - компьютерами (host - хозяин). Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.

Схема соединения различных сетей приведена на рис. 5.

К адресам станций предъявляются специальные требования. Адрес должен иметь формат, позволяющий вести его обработку автоматически, и должен нести некоторую информацию о своем владельце.

С этой целью для каждого компьютера устанавливаются два адреса: цифровой IP - адрес ( IP-Internet work Protocol - межсетевой протокол) и доменный адрес.

Оба эти адреса могут применяться равноценно. Цифровой адрес удобен для обработки на компьютере, а доменный адрес - для восприятия пользователем.

ЛВС

Internet Глобальная сеть 1

ЛВС ЛВС

Глобальная сеть 2

ЛВС ЛВС

Рис. 5. Подключение различных сетей к Internet

Цифровой адрес имеет длину 32 бита. Для удобства он разделяется на четыре блока по 8 бит, которые можно записать в десятичном виде. Адрес содержит полную информацию, необходимую для идентификации компьютера.

Два блока определяют адрес сети, а два другие - адрес компьютера внутри этой сети.

Адрес сети Адрес компьютера

внутри сети

8 бит 8 бит 8 бит 8 бит

Адрес Адрес компьютера

подсети в подсети

Доменный адрес, в отличие от цифрового адреса читается в обратном порядке. Вначале идет имя компьютера, затем имя сети в которой он находится. Компьютерное имя включает, как минимум, два уровня, каждый уровень отделяется от другого точкой. Слева от домена верхнего уровня располагаются другие имена. Все имена, находящиеся слева, - поддомены для общего домена.

Существует имя tutor. sptu. edu. Здесь edu - общий домен для школ и университетов. Tutor - поддомен sptu, который является поддоменом edu.

Для пользователей Internet адресами могут быть просто их регистрационные имена на компьютере, подключенном к сети. За именем следует знак @ . Все это слева подсоединяется к имени компьютера.

Пример. Пользователь, зарегистрировавшийся под именем Victor на компьютере, имеющем в Internet имя tutor. sptu. edu, будет иметь адрес:

Victor @ tutor. sptu. edu.

Рассмотрим реальный адрес доменного типа для российского отделения Relcom сети Internet:

UK @ python. misa. ac. ru,

где UK, или все что находится левее символа «@» - имя абонента, в данном случае это сокращение;

python. misa. ac. ru, т.е. все, что находится справа от знака «@» - это адрес машины, на которой установлена система;

python - название машины;

misa - название организации - Московский институт стали и сплавов;

ас - обычно, здесь стоит сокращенное название региона или города, в данном случае Академия наук;

ru - код страны (Russia).

Часть адреса, обозначенная здесь «ru», называется доменом первого уровня, «ас» - второго уровня и т.д. Одним из принципиальных отличий технологий доменного типа от Filomit подобного типа является то, что количество доменов в адресе абонента не регламентируется и может варьироваться в широких пределах. Так, абонент Joe, подключенный к машине «Python» через свой компьютер, названный «Mysh» имеет адрес:

joe @ mysh, pethon. misa. ac. ru

Необходимо помнить, что домены первого и второго уровней стандартизированы, а остальные на совести владельца адреса. Например, домены первого уровня обычно являются кодом страны, но могут служить и названием сети, например dov - правительственные учреждения США, edu - сеть образовательных учреждений.

Для обработки пути поиска в доменах имеются специальные серверы имен. Они преобразовывают доменное имя в соответствующий цифровой адрес.

Локальный сервер передает запрос на глобальный сервер, имеющий связь с другими локальными серверами имен. Поэтому пользователю просто нет никакой необходимости знать цифровые адреса.

Для выхода в Internet необходимо знать адрес домена, с которым хотите установить связь.

2.Компьютерные коммуникации

Для соединения компьютеров в сеть требуется сетевое оборудование и программное обеспечение.

Любая коммуникационная сеть должна включать следующие основные компоненты: сообщение, передатчик, средства передачи, приемник.

Передатчик - устройство, являющееся источником данных.

Приемник - устройство, принимающее данные.

Приемником могут быть компьютер, терминал или какое-либо цифровое устройство.

Сообщение - цифровые данные определенного формата, предназначенные для передачи. Это может быть файл базы данных, таблица, ответ на запрос, текст или изображение.

Средства передачи - физическая передающая среда и специальная аппаратура, обеспечивающая передачу сообщений.

Для передачи сообщений в вычислительных сетях используются различные типы каналов связи. Наиболее распространены выделенные телефонные каналы и специальные каналы для передачи цифровой информации. Применяются также радиоканалы и каналы спутниковой связи.

Особняком в этом отношении стоят локальные вычислительные сети (ЛВС), где в качестве передающей среды используются витая пара проводов, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель.

Информацию можно передавать в цифровом (узкополосном способе передачи) или аналоговом виде. Цифровой способ передачи позволяет в каждый момент времени использовать передающую среду только двумя пользователями и допускает нормальную работу только на ограниченном расстоянии (длина линии связи не более 1000 м).

Аналоговый способ передачи цифровых данных обеспечивает широкополосную передачу за счет использования в одном канале сигналов различных несущих частот. При аналоговом способе передачи цифровых данных происходят изменения одного из параметров несущего сигнала (амплитуда, фазы, частоты) по закону передаваемого сообщения.

В сетях высокого уровня иерархии - глобальных и региональных используется широкополосная передача, которая предусматривает работу для каждого абонента по своей частоте в пределах одного канала. Это обеспечивает взаимодействие большого количества абонентов при такой скорости передачи данных. Широкополосная передача позволяет совмещать в одном канале передачу цифровых данных, изображения и звука.

Типичным аналоговым каналом является телефонный канал. Когда абонент снимает трубку, то слышит равномерный звуковой сигнал - это и есть сигнал несущей частоты. Так как он лежит в диапазоне звуковых частот, то его называют тональным сигналом. Для передачи по телефонному накалу речи необходимо управлять сигналом несущей частоты - модулировать его. Воспринимаемые микрофоном звуки преобразуются в электрические сигналы, а то, в свою очередь, и модулируют сигнал несущей частоты. При передачи цифровой информации управление производят информационные байты - последовательность единиц и нулей.

Чтобы обеспечить передачу информации из ЭВМ в коммуникационную среду, необходимо согласовывать сигналы с выхода ЭВМ с параметрами сигналов передаваемых по каналам связи. При этом должно быть выполнено как физическое согласование (форма, амплитуда и длительность сигнала), так и кодовые.

Технические устройства, выполняющие функции сопряжения ЭВМ с каналами связи называют адаптерами или сетевыми адаптерами. Один адаптер обеспечивает сопряжение с ЭВМ одного канала связи.

Кроме одноканальных адаптеров используются и многоканальные устройства - мультиплексоры передачи данных или просто мультиплексоры.

Мультиплексор передачи данных - устройство сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи.

Как уже говорилось ранее, для передачи цифровой информации по каналу связи необходимо поток битов преобразовывать в аналоговые сигналы, а при приеме информации из канала связи в ЭВМ выполнить обратное действие - преобразовывать аналоговые сигналы в поток битов, которые может обрабатывать ЭВМ. Такие преобразования выполняет специальное устройство - модем.

Модем - устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию информационных сигналов при передачи их из ЭВМ в канал связи и при приеме в ЭВМ из канала связи.

Наиболее дорогим компонентом вычислительной сети является канал связи. Поэтому при построении ряда вычислительных сетей стараются сэкономить на каналах связи, коммутируя несколько внутренних каналов связи на один внешний. Для выполнения функций коммутации используются специальные устройства - концентраторы (или хабы).

Концентратор - устройство, коммутирующее несколько каналов связи на один путем частотного разделения.

В ЛВС, где физическая передающая среда представляет собой кабель ограниченной длины, для увеличения протяженности сети используются специальные устройства - повторители.

Повторитель - устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние.

Существуют локальные и дистанционные повторители. Локальные повторители позволяют соединять фрагменты сетей, расположенные на расстоянии до 50 м, а дистанционные - до 2000.

Сеть сложной конфигурации, представляющая собой соединение нескольких сетей, нуждается в специальном устройстве. Задача этого устройства - отправить сообщение адресату в нужную сеть. Называется такое устройство маршрутизатор.

Маршрутизатор или роутер - устройство, соединяющее сети разного типа, но использующее одну операционную систему.

С помощью двух адресов - адреса сети и адреса узла маршрутизатор однозначно выбирает определенную станцию.

Узел - любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети.

Например, необходимо установить связь с абонентом телефонной сети, находящимся в другом городе. Сначала набирается адрес телефонной сети этого города - код города. Затем - адрес узла этой сети - телефонный номер абонента. Функции маршрутизатора выполняет оператор АТС.

1. Электронная почта

Электронная почта - выполняет функции обычной почты. Она обеспечивает передачу сообщений из одного пункта в другой. Электронная почта, основываясь на сетевом использовании компьютеров, дает возможность пользователю получать, хранить и отправлять сообщения своим партнерам по сети. Здесь имеет место только однонаправленная связь. Это ограничение не является слишком важным, поскольку в пятидесяти случаев из ста служебные переговоры по телефону имеют целью лишь получение информации. Для обеспечения двухсторонней связи придется многократно посылать и принимать сообщения по электронной почте или воспользоваться другим способом коммуникации.

Основным преимуществом электронной почты является независимость от времени. Электронное письмо приходит сразу же после его отправления и хранится в почтовом ящике до получения адресатом. Кроме текста оно может содержать графические и звуковые файлы, а также двоичные файлы - программы.

При отправлении сообщений по электронной почте необходимо указывать в адресе не только имя хост - компьютера, но и имя абонента, которому сообщение предназначено.

Формат адреса электронной почты должен иметь вид:

имя пользователя @ адрес - хост компьютера.

Необходимо помнить, что различные сети применяют различную адресацию пользователей. Отправляя сообщение по электронной почте в другую сеть, следует использовать принятую там систему адресов.

Электронная почта может предоставлять пользователю различные возможности в зависимости от программного обеспечения.

Чтобы посылаемое сообщение стало доступно всем пользователям электронной почты, его следует поместить на компьютерную доску объявлений, при желании можно указать, что это частная корреспонденция. Можно послать отправление с уведомлением о его получении адресатом.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ И КОММУНИКАЦИЙ