Локальные компьютерные сети. Общее понятие

Современный мир сложно представить без участия вычислительных машин, они внедрены во все отрасли промышленности, науки, образования и медиа. Для того чтобы осуществить обмен информацией между компьютерами, их объединяют в единый кластер. Локальная Сеть — это сеть, которая позволяет на уровне физических или программных интерфейсов электронных устройств организовывать передачу данных между ними в пределах указанной полосы адресов. В этой статье представлена информация, дающая наиболее полное представление об этой технологии.

Что такое и для чего нужна локальная Сеть

Почти каждое вычислительное устройство имеет в своем составе встроенный сетевой интерфейс – оборудование, позволяющее производить соединение по заданному протоколу (стандарту). Если объединение состоит из более чем двух единиц техники, оно называется локальной вычислительной Сетью (ЛВС). При такой технологии каждому адаптеру из диапазона разрешенных значений назначается свой адрес (IP-address), по которому и идентифицируется (наряду с MAC-адресом) получатель или отправитель пакета данных.

Теперь несложно понять, что локальная Сеть и компьютерная Сеть — это одно и то же, их основное назначение – предоставлять набор множества сетевых функций, облегчающих обмен информацией и призванных объединить группы пользователей. Среди них наиболее известными являются FTP протокол, файловые хранилища, общий доступ к принтерам и папкам. Также ЛВС может использоваться для организации удаленного управления, игровых серверов, параллельных вычислений, доступа в Интернет и т. д.

Типы локальных сетей

Обзор и настройка модема D-Link Dir-320

ЛВС имеют довольно обширную иерархию свойств, которые определяют ее принадлежность к тому или иному типу. В общем случае это два параметра:

1. Способ связи. Проводной – для создания канала передачи информации используются металлические или оптоволоконные кабели, а сигналы, соответственно, имеют вид электрических или световых импульсов. Беспроводной тип связи (Wi-Fi) – технология, которая предусматривает передачу данных при помощи электромагнитного поля, при этом для защиты используются различные методы шифрования, имеющие закрытый ключ.
2. Ранг Сети. Одноранговые – простейшие ЛВС, в составе которых количество вычислительных машин условно ограничено значением не более 10, при этом сохраняется полная политика равноправия среди пользователей, которые сами устанавливают политику доступа к информации. Многоранговые – основа и центральный элемент такой ЛВС всегда один или несколько серверов, а остальные устройства выступают в роли клиентов.

Основные задачи локальных вычислительных сетей

В чем отличия между сетями 3G и 4G: особенности, преимущества и недостатки

В общих чертах о назначении ЛВС уже было сказано выше, однако для описания полного функционала необходимо более подробно раскрыть эти пункты:

• Объединять активные сетевые устройства в кластер для организации общего доступа к ресурсам. Примером может служить корпоративный документооборот через общую папку (в широком смысле – файловый сервер), который позволяет сотрудникам эффективно обмениваться файлами в пределах ЛВС организации. Также можно сделать общедоступными многофункциональные устройства (принтеры и сканеры), обеспечив офисы собственными серверами печати.
• Создание сервера приложений или игр. Еще одна полезная функция ЛВС – это снижение количества используемой вычислительной мощности на стороне клиента. При этом программа или игра установлены на сервере, а на пользовательском устройстве запускаются лишь  оболочки.
• Использование баз данных. Также для ускорения работы некоторых приложений используются специальные серверы в составе ЛВС для организации информации в виде упорядоченных блоков (например, MSSQL). Наряду с быстрым доступом, это обеспечивает дополнительную безопасность.
• Объединение в группы и использование политик безопасности. Эта функция возможна только благодаря ЛВС, она позволяет централизованно определять принадлежность пользователей к заданному сегменту, а также назначать им права доступа к общим ресурсам без внесения изменений в систему на клиентском ПК.
• Проксирование трафика. Обычно в любой ЛВС, которая имеет доступ к Интернету, установлен прокси-сервер (прозрачный или непрозрачный). Это необходимо, чтобы контролировать исходящие от пользователей соединения и отклонять пакеты данных, которые по какой-либо причине являются запрещенными.

Главные составляющие локальной Сети

Схема подключения витой пары 8 проводов под Интернет

Локальные вычислительные сети кратко делятся на две основные составляющие:

1. аппаратные;
2. программные;

Первые, в свою очередь, делятся на подтипы:

• Автоматизированное рабочее место. Включает в себя все вычислительные устройства, в роли которых могут выступать ПК, серверы, принтеры и сканеры с собственным сервером печати и т. д.
• Активное сетевое оборудование. Включает в себя концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, сетевые мосты и интерфейсы.
• Пассивное сетевое оборудование. Состоит из кабелей, разъемов и прочих вспомогательных комплектующих.

Программная часть ЛВС обязательно включает в себя операционную систему (на сегодня их существует множество), которая должна быть обеспечена минимальным набором служб:

1. драйвер сетевого интерфейса;
2. сетевой протокол;
3. общий доступ к файлам и принтерам;
4. удаленный доступ;
5. сетевые и локальные политики безопасности.

Преимущества пользования локальной Сетью

К основным преимуществам ЛВС относятся следующие возможности:

• Организация распределенного доступа к общим ресурсам, таким как файлы, документы, принтеры, сканеры и даже программное обеспечение.
• Оптимизация всех этапов электронного документооборота за счет увеличения скорости коммуникации между пользователями ЛВС.
• Гибкое распределение доступа к  Интернету между клиентами ЛВС с назначением выделенной скорости, объема трафика и времени работы.

Требования, предъявляемые локальным вычислительным сетям

Как и при работе с любым техническим объектом, для улучшения качества функционирования ЛВС на нее должны накладываться определенные требования. Критерием могут служить следующие показатели, которые тем лучше, чем они выше:

1. Пропускная способность. Определяет то, сколько пользователей могут единовременно выполнять задачи внутри ЛВС. Эквивалентно максимальной скорости передачи данных, для современных сетей удовлетворительное значение порядка 1 Гбит/сек.
2. Отказоустойчивость. Достигается путем тщательной проработки проекта ЛВС еще на начальном этапе. В основном на этот показатель влияет качество монтажа, используемого оборудования, а также расходных материалов. Для файловых хранилищ также важно независимое дублирование информации с условием территориального разнесения.
3. Наличие средств диагностики. Чем больше в узлах ЛВС находится элементов, которые вещают в канал связи информацию о себе, тем легче обнаружить ошибки, возникающие при передаче данных.
4. Возможность расширения и интеграции. Этот фактор включает в себя не только предусмотренное проектом увеличение количество пользователей, но и взаимозаменяемость компонентов ЛВС. Например, если необходимо заменить сервер приложений на более мощный, это не должно повлиять на работу в целом.
5. Совместимость на уровне ОС клиента. Заключается в том, что пользователи с разными ОС должны иметь доступ к общим ресурсам. Например, на уровне Linux при организации файлового хранилища можно использовать службу Samba. При этом для пользователя с ОС Windows эти каталоги будут доступны в привычном виде (папки).

Топологии локальных сетей

Виды локальных вычислительных сетей зависят и от такого понятия, как топология, которая определяет, каким образом объединяются элементы ЛВС, при этом общепринято разделение на четыре вида:

• Соединение типа «шина». На сегодня это редкая реализация, которая подразумевает соединение вычислительных машин при помощи одного коаксиального кабеля, сигнал с которого снимается посредством разъема типа «терминатор».
• «Звездочка». Часто встречается в малых ЛВС, центральный элемент, занимающий самый высокий уровень иерархии – обычный коммутатор, через который ПК или периферия с активным сетевым оборудованием обмениваются пакетами данных.
• «Кольцевой тип». Для его реализации необходимо мостовое соединение, благодаря чему все вычислительные устройства имеют последовательное соединение (закольцованы).

Внимание! В составе многоранговых сетей применение «колец» может (и, скорее всего, приведет) к такому явлению, как широковещательный шторм, при этом во время передачи данных будут возникать постоянные ошибки.

• Смешанная топология. Обычно это многоранговая ЛВС, включающая в себя соединения типа «звезда». Примером может служить задача, когда есть несколько территориально недалеких и обособленных подразделений (в радиусе 300 метров). Чтобы не производить прокладку кабеля от сервера к каждому устройству (крайне неэкономично), в каждом офисе установлен собственный коммутатор.

Кстати! Если обычный «свитч» заменить на более дорогое управляемое активное сетевое оборудование, есть шанс с высокой точностью отслеживать неполадки на линии.

Пример маршрутизации

В целом маршрутизация (или создание таблицы маршрутов) – это процесс, при котором сетевому интерфейсу указывается, через какой адрес получать доступ к удаленному сетевому ресурсу. Для лучшего понимания следует разобрать пример.

1. Допустим, существуют две подсети, 192.168.0.0/24 и 10.0.0.0/8.
2. Во второй подсети имеется файловый сервер с адресом 10.0.0.10, к которому нужно устроить доступ. В первой находится ПК с адресом 192.168.0.33 и сервер с двумя сетевыми интерфейсами (192.168.0.1 и 10.0.0.100), между которыми настроен NAT.
3. Тогда для добавления маршрута в ОС Windows нужно запустить командную строку от имени Администратора и ввести команду «route ADD -p 10.0.0.10 MASK 255.0.0.0 192.168.0.1 METRIC 1».
4. Нажать Enter. В «Пуск»-«Выполнить» или в адресной строке обычной папки ввести \10.0.0.10 и нажать Enter. ПК получит доступ к ресурсам файлового хранилища.

Дополнительная информация. Таким образом, можно не только получать доступ к файлам и папкам, но и создать подключение через LAN к Интернету. Достаточно после прописывания маршрута в сетевых настройках, в качестве дополнительного шлюза указать адрес точки, имеющей общий выход в Глобальную сеть. Также можно добавлять маршруты для определённых сайтов так, что получится устроить некоторое подобие прокси-сервера.

 Как происходит вычисление IP-адреса Сети и компьютера?

Находясь в ЛВС, довольно просто узнать IP-адрес компьютера и пул адресов в целом. Для этого необходимо:

• На ПК под управлением Windows. Запустить командную строку от имени Администратора, в ней ввести команду «ipconfig». В выводе на экран найти нужный сетевой интерфейс, где будут значение IPv4 или IPv6 – текущий адрес ПК и маска подсети, которая определяет общее количество доступных адресов. Например, IP = 192.168.0.59, а маска = 255.255.255.0, это значит, что ПК работает в подсети 192.168.0.0 с диапазоном адресов 192.168.0.1 – 192.168.0.255.
• На ПК с ОС Linux аналогом команды ipconfig будет запуск из терминала утилиты ifconfig, вычисление адресов производится так же, как и в предыдущем пункте.

Из информации, изложенной в статье,  нетрудно понять, какая Сеть называется локальной. Итак, ЛВС – неотъемлемая часть современного цифрового мира, которая уже является необходимостью, нежели какой-то экзотикой. Более того, большинство вычислительных устройств априори нацелены на работу в Интернете, которая, по сути, также является многоранговой ЛВС, отличаться от привычной корпоративной она будет только сложными таблицами маршрутизации и огромным количеством активного сетевого оборудования.

Компьютерные сети принято классифицировать по типам передачи данных (широковещательные, сети с передачей от узла к узлу) и по размеру (локальные, муниципальные и глобальные сети). Далее эти типы сетей рассматриваются более подробнее.

Классификация компьютерных сетей по типу передачи данных

Если смотреть в общих чертах, существует два типа технологии передачи:

• широковещательные сети;
• сети с передачей от узла к узлу.

Широковещательные сети

Широковещательные сети обладают единым каналом связи, совместно используемым всеми машинами сети. Короткие сообщения, называемые в некоторых случаях пакетами, которые посылаются одной машиной, получают все машины. Поле адреса в пакете указывает, кому направляется сообщение. При получении пакета машина проверяет его адресное поле. Если пакет адресован этой машине, она его обрабатывает. Пакеты, адресованные другим машинам, игнорируются.

В качестве иллюстрации представьте себе человека, стоящего в конце коридора с большим количеством комнат и кричащего: «Ватсон, идите сюда. Вы мне нужны». И хотя это сообщение может быть получено (услышано) многими людьми, ответит только Ватсон. Остальные просто не обратят на него внимания. Другим примером может быть объявление в аэропорту, предлагающее всем пассажирам рейса 644 подойти к выходу номер 12.

Широковещательные сети также позволяют адресовать пакет одновременно всем машинам с помощью специального кода в поле адреса. Когда передается пакет с таким кодом, его получают и обрабатывают все машины сети. Такая операция называется широковещательной передачей. Некоторые широковещательные системы также предоставляют возможность посылать сообщения подмножеству машин, и это называется многоадресной передачей. Одной из возможных схем реализации этого может быть резервирование одного бита для признака многоадресной передачи. Оставшиеся n-1 разрядов адреса могут содержать номер группы. Каждая машина может «подписаться» на одну, несколько или все группы. Когда пакет посылается определенной группе, он доставляется всем машинам, являющимся членами этой группы.

Сети с передачей от узла к узлу

Сети с передачей от узла к узлу, напротив, состоят из большого количества соединенных пар машин. В сети подобного типа пакету, чтобы добраться до пункта назначения, необходимо пройти через ряд промежуточных машин. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника до получателя, поэтому алгоритмы вычисления таких путей играют очень важную роль в сетях с передачей от узла к узлу. Обычно (хотя имеются и исключения) небольшие, географически локализованные в одном месте сети используют широковещательную передачу, тогда как в более крупных сетях применяется передача от узла к узлу. В последнем случае имеется один отправитель и один получатель, и такую систему иногда называют однонаправленной передачей.

Классификация компьютерных сетей по размеру

Другим признаком классификации сетей является их размер. На рис. ниже приведена классификация мультипроцессорных систем в зависимости от их размеров. В верхней строке таблицы помещаются персональные сети, то есть сети, предназначенные для одного человека. Примером может служить беспроводная сеть, соединяющая компьютер, мышь, клавиатуру и принтер. Устройство типа PDA, контролирующее работу слухового аппарата или являющееся кардиостимулятором, тоже попадает в эту категорию. Далее в таблице следуют более протяженные сети. Их можно разделить на следующие типы: локальные, муниципальные и глобальные сети. И замыкают таблицу объединения двух и более сетей. Хорошо известным примером такого объединения выступает Интернет. Размеры сетей являются весьма важным классификационным фактором, поскольку в сетях различного размера применяется различная техника.

Классификация многопроцессорных систем по размеру

Локальные сети

Локальными сетями (Local Area Network — LAN) называют частные сети, размещающиеся, как правило, в одном здании или на территории какой-либо организации площадью до нескольких квадратных километров. Их часто используют для объединения компьютеров и рабочих станций в офисах компании или предприятия для предоставления совместного доступа к ресурсам (например, принтерам) и обмена информацией. Локальные сети отличаются от других сетей тремя характеристиками:

• размерами,
• технологией передачи данных,
• топологией.

Локальные сети ограничены в размерах — это означает, что время пересылки пакета ограничено сверху и этот предел заранее известен. Знание этого предела позволяет применять определенные типы разработки, которые были бы невозможны в противоположном случае. Кроме того, это упрощает управление локальной сетью.

Локальная сеть на основе концентратора

Локальная сеть создается для того, чтобы:

• функционировать в ограниченной географической области;
• обеспечить доступ многих пользователей к передающей среде с широкой полосой пропускания;
• обеспечить постоянную доступность удаленных ресурсов, подсоединенных к локальным службам;
• обеспечить физическое соединение смежных сетевых устройств.

Типичными технологиями локальных сетей являются следующие:

• Ethernet;
• Token Ring;
• FDDI.

В локальных сетях часто применяется технология передачи данных, состоящая из единственного кабеля, к которому присоединены все машины. Это подобно тому, как раньше в сельской местности использовались телефонные линии. Обычные локальные сети имеют пропускную способность канала связи от 10 до 100 Мбит/с, невысокую задержку (десятые доли микросекунды) и очень мало ошибок. Наиболее современные локальные сети могут обмениваться информацией на более высоких скоростях, доходящих до 10 Гбит/с.

В широковещательных локальных сетях могут применяться различные топологические структуры. На рис. ниже показаны две из них. В сети с общей шиной (линейный кабель) в каждый момент одна из машин является хозяином шины (master) и имеет право на передачу.

Широковещательные сети: шина (а); кольцо (б)

Все остальные машины должны в этот момент воздержаться от передачи. Если две машины захотят что-нибудь передавать одновременно, то возникнет конфликт, для разрешения которого требуется специальный механизм. Этот механизм может быть централизованным или распределенным. Например, стандарт IEEE 802.3, называемый Ethernet, описывает широковещательную сеть с топологией общей шины с децентрализованным управлением, работающую на скоростях от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с. Компьютеры в сети Ethernet могут выполнять передачу в любое время. При столкновении двух или более пакетов каждый компьютер просто ждет в течение случайного интервала времени, после которого снова пытается передать пакет.

Вторым типом широковещательных сетей является кольцо. В кольце каждый бит передается по цепочке, не ожидая остальной части пакета. Обычно каждый бит успевает обойти все кольцо, прежде чем будет передан весь пакет. Как и во всех широковещательных сетях, требуется некая система арбитража для управления доступом к линии. Применяемые для этого методы будут описаны далее в этой книге. Стандарт IEEE 802.5 (маркерное кольцо) описывает популярную кольцевую локальную сеть, работающую на скоростях 4 и 16 Мбит/с. Еще одним примером кольцевой сети является FDDI (оптоволоконная сеть).

В зависимости от способа назначения канала широковещательные сети подразделяются на статические и динамические. При статическом назначении используется циклический алгоритм и все время делится между всеми машинами на равные интервалы, так что машина может передавать данные только в течение выделенного ей интервала времени. При этом емкость канала расходуется неэкономно, так как временной интервал предоставляется машинам независимо от того, есть им что сказать или нет. Поэтому чаще используется динамическое (то есть по требованию) предоставление доступа к каналу.

Методы динамического предоставления доступа к каналу также могут быть централизованными либо децентрализованными. При централизованном методе предоставления доступа к каналу должен существовать арбитр шины, определяющий машину, получающую право на передачу. Арбитр должен принимать решение на основании получаемых запросов и некоего внутреннего алгоритма. При децентрализованном методе каждая машина должна сама решать, передавать ей что-нибудь или нет. Можно подумать, что подобный метод обязательно приводит к беспорядку, однако это не так.

Муниципальные, региональные или городские сети

Муниципальные, региональные или городские сети (metropolitan area network — MAN) объединяют компьютеры в пределах города. Самым распространенным примером муниципальной сети является система кабельного телевидения. Она стала правопреемником обычных антенных телесетей в тех местах, где по тем или иным причинам качество эфира было слишком низким. Общая антенна в этих системах устанавливалась на вершине какого-нибудь холма, и сигнал передавался в дома абонентов.

Вначале стали появляться специализированные, разработанные прямо на объектах сетевые структуры. Затем компании-разработчики занялись продвижением своих систем на рынке, начали заключать договоры с городским правительством и в итоге охватили целые города. Следующим шагом стало создание телевизионных программ и даже целых каналов, предназначенных только для кабельного телевидения. Зачастую они представляли какую-то область интересов. Можно было подписаться на новостной канал, спортивный, посвященный кулинарии, сацу-огороду и т. д. До конца 90-х годов эти системы были предназначены исключительно для телевизионного приема.

Когда Интернет стал привлекать к себе массовую аудиторию, операторы кабельного телевидения поняли, что, внеся небольшие изменения в систему, можно сделать так, чтобы по тем же каналам в неиспользуемой части спектра передавались (причем в обе стороны) цифровые данные. С этого момента кабельное телевидение стало постепенно превращаться в муниципальную компьютерную сеть. В первом приближении систему MAN можно представить себе такой, как она изображена на рис. ниже. На этом рисунке видно, что по одним и тем же линиям передается и телевизионный, и цифровой сигналы. Во входном устройстве они смешиваются и передаются абонентам. Мы еще вернемся к этому вопросу позднее.

Муниципальная сеть на базе кабельного ТВ

Впрочем, муниципальные сети — это не только кабельное телевидение. Недавние разработки, связанные с высокоскоростным беспроводным доступом в Интернет, привели к созданию других MAN, которые описаны в стандарте IEEE 802.16.

MAN-сеть может быть создана с использованием беспроводной мостовой технологии путем передачи сигналов через открытые телекоммуникационные инфраструктуры. Широкая полоса пропускания, предоставляемая доступными в настоящее время оптическими каналами, делает MAN-сети более функциональным и экономически доступным средством, чем раньше. MAN-сети отличаются от LAN- и WAN-сетей следующими функциями:

• MAN-сети соединяют друг с другом пользователей, находящихся в географической зоне или области большей, чем область LAN-сети, но меньшей, чем WAN-сети;
• MAN-сети соединяют сети города в одну сеть большего размера (которая может также обеспечивать эффективное соединение с WAN-сетью);
• MAN-сети также используются для соединения между собой нескольких локальных сетей LAN путем создания мостовых соединений через магистральные линии.

Сеть масштаба города

Глобальные сети

Глобальная сеть (wide area network — WAN) охватывает значительную географическую область, часто целую страну или даже континент. Она объединяет машины, предназначенные для выполнения программ пользователя (то есть приложений). Мы будем следовать традиционной терминологии и называть эти машины хостами. Хосты соединяются коммуникационными подсетями, называемыми для краткости просто подсетями. Хосты обычно являются собственностью клиентов (то есть просто клиентскими компьютерами), в то время как коммуникационной подсетью чаще всего владеет и управляет телефонная компания или поставщик услуг Интернета. Задачей подсети является передача сообщений от хоста хосту, подобно тому как телефонная система переносит слова от говорящего слушающему. Таким образом, коммуникативный аспект сети (подсеть) отделен от прикладного аспекта (хостов), что значительно упрощает структуру сети.

Распределенная сеть (WAN)

Распределенные сети WAN предназначены для выполнения следующих функций:

• осуществления связи в больших, географически разделенных областях;
• предоставления пользователям возможности коммуникации в реальном времени с другими пользователями;
• непрерывного обеспечения доступа к удаленным ресурсам через соединения с локальными службами;
• обеспечения службы электронной почты, World Wide Web, передачи файлов и средств электронной коммерции в сети Internet.

Типовые технологии распределенных сетей включают в себя:

• соединения через модемы;
• цифровую сеть с комплексным обслуживанием (Integrated Services Digital Network — ISDN);
• цифровые абонентские каналы (Digital Subscriber Line — DSL);
• технологию, основанную на использовании протокола Frame Relay;
• линии носителей T-типа (США) и E-типа (Европа) — T1, E1, T3, E3 и т.д.;
• синхронную оптическую сеть (Synchronous Optical Network — SONET) — синхронный транспортный сигнал 1-го уровня (STS-1) (оптический носитель
• [OC]-1), STS-3 (OC-3) и т.д.

В большинстве глобальных сетей подсеть состоит из двух раздельных компонентов: линий связи и переключающих элементов. Линии связи, также называемые каналами или магистралями, переносят данные от машины к машине. Переключающие элементы являются специализированными компьютерами, используемыми для соединения трех или более линий связи. Когда данные появляются на входной линии, переключающий элемент должен выбрать выходную линию — дальнейший маршрут этих данных. В прошлом для названия этих компьютеров не было стандартной терминологии. Сейчас их называют маршрутизаторами (router).

В модели, показанной на рис. ниже, каждый хост соединен с локальной сетью, в которой присутствует маршрутизатор, хотя в некоторых случаях хост может быть связан с маршрутизатором напрямую. Набор линий связи и маршрутизаторов (но не хостов) образует подсеть.

Связь хостов и подсети в ЛВС

Следует также сделать замечание по поводу термина «подсеть» (subnet). Изначально его единственным значением являлся набор маршрутизаторов и линий связи, используемый для передачи пакета от одного хоста к другому. Однако спустя несколько лет этот термин приобрел второй смысл, связанный с адресацией в сети. Таким образом, имеется некая двусмысленность, связанная с термином «подсеть». К сожалению, этому термину в его изначальном смысле нет никакой альтернативы, поэтому нам придется использовать его в обоих смыслах. По контексту всегда будет ясно, что имеется в виду.

Большинство глобальных сетей содержат большое количество кабелей или телефонных линий, соединяющих пару маршрутизаторов. Если какие-либо два маршрутизатора не связаны линией связи напрямую, то они должны общаться при помощи других маршрутизаторов. Когда пакет посылается от одного маршрутизатора другому через несколько промежуточных маршрутизаторов, он получается каждым промежуточным маршрутизатором целиком, хранится на нем, пока требуемая линия связи не освободится, а затем пересылается дальше. Подсеть, работающая по такому принципу, называется подсетью с промежуточным хранением (store-and-forward) или подсетью с коммутацией пакетов (packet-switched). Почти у всех глобальных сетей (кроме использующих спутники связи) есть подсети с промежуточным хранением. Небольшие пакеты фиксированного размера часто называют ячейками (cell).

О принципе организации сетей с коммутацией пакетов стоит сказать еще несколько слов, поскольку они используются очень широко. В общем случае, когда у процесса какого-нибудь хоста появляется сообщение, которое он собирается отправить процессу другого хоста, первым делом отправляющий хост разбивает последовательность на пакеты, каждый из которых имеет свой порядковый номер. Пакеты один за другим направляются в линию связи и по отдельности передаются по сети. Принимающий хост собирает пакеты в исходное сообщение и передает процессу. Продвижение потока пакетов наглядно показано на рис. ниже.

Маршрутизация пакетов в глобальной компьютерной сети

На рисунке видно, что все пакеты следуют по пути АСЕ, а не ABDE или ACDE. В некоторых сетях путь всех пакетов данного сообщения вообще является строго определенным. В других сетях путь пакетов может прокладываться независимо.

Решения о выборе маршрута принимается на локальном уровне. Когда пакет приходит на маршрутизатор А, именно последний решает, куда его перенаправить — на В или на С. Метод принятия решения называется алгоритмом маршрутизации. Их существует огромное множество.

Не все глобальные сети используют коммутацию пакетов. Второй возможностью соединить маршрутизаторы глобальной сети является радиосвязь с использованием спутников. Каждый маршрутизатор снабжается антенной, при помощи которой он может принимать и посылать сигнал. Все маршрутизаторы могут принимать сигналы со спутника, а в некоторых случаях они могут также слышать передачи соседних маршрутизаторов, передающих данные на спутник. Иногда все маршрутизаторы соединяются обычной двухточечной подсетью, и только некоторые из них снабжаются спутниковой антенной. Спутниковые сети являются широковещательными и наиболее полезны там, где требуется широковещание.

В этой записи были использованы материалы книги Э. Танненбаума «Компьютерные сети», 4-е издание.

before—>

Очень просто построить сеть, которая соединяет два персональных компьютера (ПК), расположенных на вашем столе. Но представьте, что ваша задача построить крупную сеть, которая объединяет все ПК в мире. 

p, blockquote<dp>1,0,0,0,0—>

p, blockquote<dp>2,0,0,0,0—>

Сложность создания сетей

h2<dp>1,0,0,0,0—>

Эта задача намного сложнее, нужно подумать, как работать с большим количеством разной аппаратуры, которая будет подключаться к этой сети. О программном обеспечении, которое будет использоваться. Такая сеть должна быть надёжной и работать, даже если сломаются некоторые из её устройств. 

p, blockquote<dp>3,0,0,0,0—>

Сеть должна иметь возможность развиваться, вы можете добавлять в сеть новые компьютеры или подключать к вашей сети, существующие большие сети целых стран или континентов. 

p, blockquote<dp>4,0,0,0,0—>

Как правило, невозможно построить такую компьютерную сеть, в которой хватает ресурсов для объединения всех пользователей и со всеми одновременно. В результате вам нужно будет решать, как распределять между пользователями ограниченные, имеющиеся ресурсы и что делать, если в сети происходит перегрузка. Например, сотовая сеть работает стабильно почти всегда, но бывает время, например новый год, когда много людей начинают звонить друг другу и поздравлять с праздником. В это время сеть практически не работает. 

p, blockquote<dp>5,0,0,0,0—>

В такой большой сети нужно обеспечить качество обслуживания, некоторые данные требуется передавать без искажения. Например, вы закачиваете большой файл, но для таких данных возможна задержка. Для других типов данных, для голосовой связи, для видеоконференций необходимо передавать данные, как можно быстрее, пусть даже часть из них потеряется. Если пропадет один из кадров видеоконференции, то человек скорей всего этого не заметит. 

p, blockquote<dp>6,0,0,0,0—>

Также важно обеспечивать безопасность, чтобы злоумышленники не украли через сеть деньги у пользователей или персональные данные и многое другое. 

p, blockquote<dp>7,0,0,0,0—>

В целом построение сети является сложной задачей с которой справиться практически невозможно. Для решения таких задач, обычно применяется методика декомпозиции. Одна сложная задача делится на несколько более простых задач. Эти простые задачи, человек вполне способен решить. В компьютерных сетях был применен метод с использованием шаблона “Уровни”. 

p, blockquote<dp>8,0,0,0,0—>

Декомпозиция: шаблон “Уровни”

h2<dp>2,0,0,0,0—>

Компьютерные сети строятся в виде набора уровней организованного один над другим. Каждый уровень решает одну или несколько тесно связанных между собой задач.

p, blockquote<dp>9,0,0,0,0—>

p, blockquote<dp>10,0,0,0,0—>

Например, уровень 1, который находится само близко к среде передачи данных, обеспечивает просто передачу данных по этой среде не вникая в их содержание. 

p, blockquote<dp>11,0,1,0,0—>

Уровень предоставляет сервис вышестоящему уровню, вышестоящие уровни уже могут решать более сложные задачи. например, поиск маршрутов составной сети. 

p, blockquote<dp>12,0,0,0,0—>

Что хорошего даёт подход в организации сети на основе уровней? о-первых уровень решает, в основном одну, конкретную задачу с которой вполне можно справиться. Или это может быть набор связанных между собой задач. Во-вторых выполняется изоляция решении друг от друга. Если в сети происходят какие-то изменения, вам не нужно менять все, оборудование, ПО, а только то, что относится к уровню в котором произошли изменения. Например, если вы решили поменять проводную сеть на беспроводную, то вам нужно поменять оборудование, которое обеспечивает беспроводную передачу данных, возможно поменять адаптеры в компьютерах, а всё остальное останется без изменений. 

p, blockquote<dp>13,0,0,0,0—>

Базовые понятия компьютерных сетей

h2<dp>3,0,0,0,0—>

В многоуровневой модели организации компьютерной сети используются некоторые понятия, которые необходимо обязательно усвоить. Это понятия сервис, интерфейс и протокол.

p, blockquote<dp>14,0,0,0,0—>

Сервис это те функции, которые реализует уровень. Например, уровень может обеспечивать гарантированную доставку данных, от одного приложения к другому или поиск маршрутов большой составной сети, некоторые узлы, которых могут выходить из строя, а также появляться новые. 

p, blockquote<dp>15,0,0,0,0—>

Интерфейс это набор примитивных операций, которые нижний уровень предоставляет верхнему. На картинке интерфейс помечен красной стрелкой. 

p, blockquote<dp>16,0,0,0,0—>

p, blockquote<dp>17,0,0,0,0—>

Уровень N предоставляет некоторые операции верхнему уровню и пользуется операциями, которые ему в свою очередь предоставляет нижний уровень через интерфейс уровня N-1. 

p, blockquote<dp>18,0,0,0,0—>

Протокол это правила и соглашения, используемые для связи N одного компьютера с уровнем N другого компьютера. 

p, blockquote<dp>19,0,0,0,0—>

Почему важно разделять эти понятия? Этот традиционный подход в проектировании связан с необходимостью разделения интерфейса и реализации. Пользователи или вышестоящие уровни взаимодействуют с интерфейсом уровня. Они понимают, что должен делать этот уровень в описании его сервиса и вызывают некоторые функции интерфейса. Протокол же является реализацией этого взаимодействия и он скрыт от вышестоящих уровней и от пользователей. Это означает, что можно заменить один протокол другим и в работе вышестоящих уровней ничего менять не придется. С другой стороны можно вносить некоторые изменения в интерфейсы внутри одного компьютера, но он все равно может взаимодействовать с другими компьютерами, если использует один и тот же протокол. Благодаря этому, по сети между собой, успешно взаимодействуют компьютеры работающие на разных платформах, например windows или linux, которые содержат внутри себя совершенно разные наборы интерфейсов. 

p, blockquote<dp>20,0,0,0,0—>

Протокол и интерфейс

h2<dp>4,0,0,0,0—>

Интерфейс предполагает реальное взаимодействие внутри одного компьютера, где уровень N вызывает функции нижележащего уровня. Например, программист может использовать интерфейс сокетов, создать сокет и записать в него данные.  

p, blockquote<dp>21,0,0,0,0—>

В отличии от интерфейса, протокол использует виртуальное взаимодействие. Уровни на разных компьютерах не имеют возможности взаимодействовать друг с другом напрямую, кроме тех уровней, которые непосредственно взаимодействуют с физической средой. Единственный способ передать какую-то информацию, это использовать заголовок протокола соответствующего уровня. 

p, blockquote<dp>22,1,0,0,0—>

Архитектура сети

h2<dp>5,0,0,0,0—>

Для решения сложной задачи, построения большой, крупной составной сети используется декомпозиция. Но здесь есть ряд вопросов, а именно, сколько уровней должно быть в сети? 

p, blockquote<dp>23,0,0,0,0—>

Какие уровни должны быть? 

p, blockquote<dp>24,0,0,0,0—>

Какие функции должны выполняться и на какому ровне? 

p, blockquote<dp>25,0,0,0,0—>

Это всё задаётся архитектурой сети, которая задает набор уровней и протоколы, которые на них используются. Интерфейсы не входят в архитектуру, так как они могут быть разные на разных программно аппаратных платформах. 

p, blockquote<dp>26,0,0,0,0—>

Другое полезное понятие это стек протоколов, иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия по сети. 

p, blockquote<dp>27,0,0,0,0—>

Эталонные модели организации сетей

h2<dp>6,0,0,0,0—>

Можно придумать большое количество архитектур сети, которые будут хороши для той или иной ситуации. Но если мы хотим строить крупные сети, которые могут соединяться друг с другом, нам необходимо соблюдать стандарты на организации сетей. Такие стандарты называются эталонными моделями.  

p, blockquote<dp>28,0,0,0,0—>

Сейчас популярны две эталонные модели это модель взаимодействия открытых систем (ISO OSI). Это юридический стандарт международной организации стандартизации. Она включает 7 уровней, но не включает протоколы. Модель отличается хорошей теоретической проработкой. Именно в этой модели впервые были разделены понятия сервиса, интерфейса и протокола. На практике эта модель не используется. 

p, blockquote<dp>29,0,0,0,0—>

Другая эталонная модель TCP/IP это De facto стандарт на основе одноименного, популярного стека протоколов. В этой модели всего 4 уровня. Основную ценность модели tcp ip составляют протоколы. Так как они широко используются на практике и составляют основу интернет. 

p, blockquote<dp>30,0,0,0,0—>

Инкапсуляция

h2<dp>7,0,0,0,0—>

Включение сообщения вышестоящего уровня в сообщение нижестоящего уровня. Сообщение, при передаче по сети, состоит из 3-х частей: заголовок, данные и концевик (не обязателен). 

p, blockquote<dp>31,0,0,0,0—>

Рассмотрим, как используется инкапсуляция в некоторой гипотетической сети состоящей из 3-х уровней. Третий уровень сети формирует сообщение и передает его на нижестоящий второй уровень. 

p, blockquote<dp>32,0,0,0,0—>

p, blockquote<dp>33,0,0,1,0—>

Второй уровень понимает, что такое большое сообщение по сети за один раз передать не удастся, поэтому разбивает одно сообщение на две маленькие части. Кроме того, второй уровень добавляет к сообщениям заголовки, показан зеленым цветом. 

p, blockquote<dp>34,0,0,0,0—>

p, blockquote<dp>35,0,0,0,0—>

В таком виде два сообщения передаются на первый уровень сети. Первый уровень, в свою очередь добавляет заголовок, и так как этот уровень непосредственно взаимодействует со средой передачи данных, он еще добавляет концевик. 

p, blockquote<dp>36,0,0,0,0—>

p, blockquote<dp>37,0,0,0,0—>

Таким образом, сообщение, которое передается по сети состоит из следующих частей: заголовок первого уровня, внутри расположены данные 1-го уровня и концевик. Но внутри того, что первый уровень считает данными, на самом деле, сначала находится в заголовке второго уровня, потом сообщение 3-го уровня. 

p, blockquote<dp>38,0,0,0,0—>

Сообщения по среде передачи данных передаются на второй компьютер, первый уровень на 2-ом компьютере получает эти сообщения, удаляет заголовки и концевики и передает сообщения в таком виде на второй уровень. 

p, blockquote<dp>39,0,0,0,0—>

p, blockquote<dp>40,0,0,0,0—>

Второй уровень удаляет заголовки, объединяет два сообщения в одно большое и передаёт на третий уровень. 

p, blockquote<dp>41,0,0,0,0—>

p, blockquote<dp>42,0,0,0,0—>

Третий уровень получает большое сообщение, извлекает оттуда полезные данные и передаёт его приложению. 

p, blockquote<dp>43,0,0,0,0—>

Заключение

h2<dp>8,0,0,0,0—> p, blockquote<dp>44,0,0,0,1—>

Создание компьютерных сетей это тяжелая задача, целиком решить которую, практически невозможно. Поэтому выполняется декомпозиция сложной задачи на отдельные, более простые части с помощью шаблона “Уровень”. 

after—></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp></dp>Используемые источники:

• https://vpautine.ru/internet/ponyatie-i-vidy-lokalnyh-vychislitelnyh-setej
• https://itandlife.ru/technology/computer-networks/tipy-kompyuternyx-setej-klassifikaciya-kompyuternyx-setej/
• https://zvondozvon.ru/tehnologii/kompyuternye-seti/osnovi-organizatsii