Тема 2. Сеть. Возможности, область применения и виды

     2.1. Понятие и назначение вычислительной (компьютерной) сети

     2.1.1. Вычислительная (компьютерная) сеть
     Это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Линии связи обычно образованы каналами связи, сетевыми адаптерами и другими коммуникационными устройствами. Все сетевое оборудование работает под управлением специального системного и прикладного программного обеспечения.

     Можно считать, что компьютерная сеть образуется уже при физическом соединении всего лишь двух компьютеров. Простейшее соединение двух компьютеров для обмена данными называют прямым соединением.Для прямого соединения двух компьютеров не потребуется даже специального аппаратного и программного обеспечения: стандартные порты ввода-вывода (последовательный или параллельный) послужат аппаратными средствами, соединяющий их кабель - линией связи, а программную поддержку предоставит, к примеру, операционная система семейства Windows.
Вычислительные сети - это результат эволюции компьютерных технологий, главное достижение их развития. Основная цель создания сети - обеспечить потенциальную возможность для пользователей использовать ресурсы всех компьютеров - аппаратных, программных и информационных.

     2.1.2. Назначение ЛВС
     Это типичный вопрос тех, кому вы предложите вступить в свою сеть, да и для себя стоит определиться, зачем тратить своё время, силы и деньги на подобный проект.

     Какие же возможности открывает ЛВС?
    1. Обмен информацией между членами сети: документами, фильмами, играми, музыкой, программами и т.д.
Скорость современных сетевых адаптеров позволяет совершенно свободно смотреть фильмы и слушать музыку с удалённого компьютера, даже не переписывая их себе на жесткий диск, а если это вдруг потребуется, то гигабайт данных можно переписать всего за 5-15 минут, в зависимости от скорости сети. Фактически, все компьютеры вашей сети объединяются в единую систему, что позволяет на порядок повысить интенсивность обмена информацией, к тому же очень удобно иметь постоянное соединение при совместной работе над каким-либо проектом (разработка web-сайтов, видеороликов, программного обеспечения и т.д.).
    2. Возможность совместно использовать такое оборудование как принтеры, CD-RW\DVD\DVD-RW.
Единственное ограничение - согласие владельца устройства на его использование, кроме того, вам все равно придется зайти за отпечатанными листами/дисками. Если все компьютеры находятся в переделах одного помещения, то все намного проще.
    3. Совместное использование и оплата канала доступа в интернет.
Когда канал доступа в интернет достаточно широк - выделенная линия или ADSL, то даже при одновременном доступе большого количества пользователей ощутимого падения скорости не произойдет. При этом ваш телефон будет совершенно свободен, а для тех, у кого нет телефона, это вообще практически единственная возможность получить доступ в Сеть. Даже если у вас нет ресурсов на покупку выделенного канала, можно совместно использовать модемы.
    4. Совершенно новый уровень общения (Голосовая связь, видео и чат)
Это скорее не достоинство, а само собой вытекающее следствие из прокладки сети, ведь членам сети нужно как-то общаться между собой, а для этого есть множество программ. Использование, микрофонов и дешевых Web-камер позволяет легко осуществлять видеосвязь друг с другом.
    5. Мультиплатформность
С помощью ЛВС можно объединять компьютеры разных видов (Например: PC и Macintosh) и с любыми операционными системами поддерживающими протокол TCP/IP. (Разные версии Windows, Linux, и.т.д.).
    6. Распределенные вычисления
Если вы работаете в 3DMax, Maya или любой другой подобной программе, вы сможете использовать сетевой рендерениг (когда над сценой работают все машины, объединенные в сеть) и во много раз ускорить скорость обработки кадров, особенно это важно при работе с рендеренными видеороликами высокого качества. Работа, ранее занимавшая несколько дней, будет выполняться за часы. Пожалуйста, обратитесь к документации вашего 3D программного пакета за дополнительными деталями относительно настройки программного обеспечения для сетевого рендеринга.
    7. Сетевые службы
Создание системы терминалов, установка Windows по локальной сети, удаленное администрирование систем и многое другое.
    8. Многопользовательские игры по локальной сети.

     Практически все современные игры поддерживают тот или иной режим мультиплеер. Играть с другими людьми здорово, это даёт совершенно иные впечатления, появляется азарт, совершенно не присущий одиночной игре. Локальная сеть идеально подходит для разворачивания мультиплеер-баталий. Скорость связи несоизмеримо выше модемной и даже DSL, телефон всегда свободен, участвовать могут все члены сети, игра бесплатна. К тому же, если ваша ЛВС подключена к высокоскоростному каналу доступа в Интернет, никто не мешает вам поискать противников и во всемирной паутине, или даже сразиться целой командой, например с пользователями другой подобной сети.

           2.1.3. Области применения компьютерных сетей
     Одна из первых возникших при развитии вычислительной техники задач, потребовавшая создания сети хотя бы из двух компьютеров, - обеспечение многократно большей, чем могла дать в то время одна машина, надежности при управлении ответственным процессом в режиме реального времени: запуском космического корабля, работой ядерного реактора или любого другого сложного технического  комплекса.

     Сегодня мы регулярно сталкиваемся с ситуациями, в которых необходимо использовать  компьютерные  сети:
    1. В простейшем, самом дешевом учебном компьютерном классе всего лишь один компьютер - рабочее место преподавателя - может быть оснащен дисководом для чтения и записи лазерных дисков, а также принтером, с помощью которого можно распечатывать тексты. Для обмена информацией между преподавателем и учениками нужна сеть.
    2. Для продажи железнодорожных или авиационных билетов, в которой одновременно участвуют сотни кассиров по всей стране, нужна сеть, связывающая все компьютеры на пунктах продажи билетов.
    3. Сегодня существует множество компьютерных баз и банков данных по самым разным аспектам человеческой деятельности. Для доступа к хранимой в них информации нужна компьютерная сеть.
    4. Электронная почта уже прочно заняла свои  позиции среди популярных средств коммуникации. Очевидно, что для обмена электронными сообщениями  компьютеры должны быть связаны сетью.

     2.2. Виды и топология компьютерных сетей

     Компьютерные сети занимают все более важное место в жизни человечества. Сети могут объединять информационные ресурсы как небольших предприятий, так и крупных организаций, занимающих удаленные друг от друга помещения, подчас расположенные даже в разных странах. Это и определяет способ соединения компьютеров между собой и соответственно вид сети:

  • а) локальную;
  • б) региональную и корпоративную;
  • в) глобальную

          2.2.1. Локальные сети
     Представьте себе компьютерную сеть поликлиники с центральным компьютером, содержащим информацию обо всех пациентах. В кабинете каждого врача находится компьютер, на экран которого, при необходимости, выводятся сведения о конкретном больном. Врач обновляет их, сохраняет в базе данных центрального (главного) компьютера, и они становятся доступными другим специалистам, например физиотерапевту, невропатологу, кардиологу. Кроме того, эта же информация выводится и на компьютер регистратуры, где пациент может заказать себе направление на обследование или на прием к нужному врачу. В компьютере можно также хранить информацию о расписании работы специалистов, выдаче талонов на прием к ним и т. п.

Рисунок 2.1. Локальная компьютерная сеть

     Компьютерной сетью может быть оснащено и торговое предприятие. Тут с ее помощью можно хранить сведения о товарах и их стоимости, обрабатывать информацию о продажах, вести учет качества проданного товара и пр. Вся эта информация хранится централизованно, на сервере.

     Компьютерная сеть может объединять компьютеры всей школы, установленные в самых разных рабочих местах: в кабинетах администрации, в библиотеке, в классах информатики и других кабинетах. Можно объединить с помощью сети, например, два или три домашних компьютера учащихся, живущих по соседству.

     В офисе, работая в сети, разные сотрудники имеют доступ к одним и тем же внутренним источникам информации для подготовки различных отчетов, составления расписания и планирования общей деятельности предприятия. Специальные сетевые программы позволяют автоматически планировать собрания, подбирая наиболее подходящее для всех работников время, начальник может проверять, выполнены ли его поручения, которые он разослал по сети, и т. п. Все описанные выше примеры сетей предназначены для обработки информации местного значения. Как правило, такие сети связывают компьютеры, расположенные на небольших расстояниях (порядка 50—100 метров) в пределах здания, и потому называют их локальными (местными). 90 % информации, циркулирующей в таких сетях, — это информация местной организации.
     Локальная сеть — соединение компьютеров, расположенных на небольших расстояниях друг oт друга (смотри рисунок 2.1.).

     2.2.2. Адресация компьютеров в локальной сети
     Каждый сетевой адаптер имеет уникальный цифровой аппаратный адрес, который и используется для адресации в локальной сети. Этот адрес средствами сетевой операционной системы может быть связан с символьным  адресом,  который  удобнее использовать.

     Символьные адреса компьютеров в сети задаются произвольным образом по усмотрению администратора сети в процессе настройки операционной системы для работы с сетью. Обычно вводится некоторая система в символьных адресах компьютеров, чтобы каждый адрес нес смысловую нагрузку. Для сложной сети можно организовать иерархическую систему адресов за счет создания так называемых групп компьютеров в сети.

     К примеру, в школе есть три компьютерных класса, объединенных в локальную сеть, в кабинетах 10, 15 и 25, в каждом но 12 машин. При настройке параметров операционной системы можно объявить компьютеры из одного кабинета принадлежащими соответствующей группе, например. Class 10, Class 15, Class 20. Каждому компьютеру в кабинете может быть присвоен адрес с порядковым номером, например, Compl, Comp2,...,   Compl2.

     Для доступа в сети к ресурсам определенного компьютера пользователю проще найти в оглавлении, предлагаемом операционной системой, нужную группу (к примеру. Class 15) и в ней выбрать требуемый компьютер по соответствующему имени (например, Comp2), чем указать цифровой адрес, определяемый  сетевым  адаптером.

     Наиболее распространенная топология сети
      - "Шина" (смотри рисунок 2.2.)

     Плюсы: Распространенность и популярность, низкая стоимость, высокая гибкость и скорость передачи данных, легкость расширения сети;

     Минусы: Уязвимость в отношении физических повреждений кабеля, т.к. место неисправности трудно обнаружить.

Рисунок 2.2. Шина

 

      - " Звезда" (смотри рисунок 2.3.)

     Плюсы: Высокий уровень защиты данных в центральном узле, упрощение поиска по локализации неисправности.

     Минусы: Значительное потребление   кабеля

Рисунок 2.3. Звезда


     2.2.3. Концепции управления сетевыми ресурсами
     Ресурсы локальной сети - это все, чем располагают объединенные в сеть компьютеры. Сетевые ресурсы можно разделить на три группы:

    а) аппаратные ресурсы - что, в первую очередь, периферийные устройства компьютеров (принтеры, дисководы разных видов и др.);

    б) информационные ресурсы - логические диски, папки, файлы, документы;

    в) программные ресурсы - установленные на компьютерах программы.

     В небольших локальных сетях все компьютеры могут быть равноправными по своим сетевым функциям. Пользователи вправе решать самостоятельно, какие ресурсы своего компьютера сделать общедоступными по сети. В свою очередь, с каждого сетевого компьютера пользователь может получить доступ к общим ресурсам других компьютеров. Такие сети называются одноранговыми. (смотри рисунок 2.4..)

Рисунок 2.4. Одноранговая сеть

     Однако в крупных сетях с большим числом компьютеров оказывается целесообразным выделять один (или несколько) мощных компьютеров для обслуживания потребностей сети (хранение и передачу данных, печать на сетевом принтере). Такие выделенные компьютеры называют серверами. В качестве сервера обычно используется высокопроизводительный компьютер с большим ОЗУ и винчестером большой емкости. Все остальные компьютеры называются клиентами или рабочими станциями. (смотри рисунок 2.5.)

Рисунок 2.5. Сеть с сервером

     Сети с выделенным сервером называют иерархическими, двухранговыми или функционально несимметричными, хотя чаще можно встретить указание «сеть типа клиент-сервер». Работа таких сетей строится на основе четкого разделения функций клиентов и серверов, что реализуется через разное программное обеспечение, устанавливаемое на соответствующих   компьютерах.
     Функции клиента:
    1. предоставление пользователям интерфейса для формулировки запросов на сетевые ресурсы;
    2. отправка запросов серверу;
    3. получение ответов от сервера, их интерпретация и представление пользователю в доступной форме.
     Функции  сервера:
    1. получение от клиентов запросов на сетевые ресурсы;
    2. выяснение полномочий клиента на выполнение определенного запроса;
    3. выполнение  полномочных запросов  клиентов:
    4. передача клиентам  результатов выполненных запросов.

     И на сервере, и на клиенте должна быть установлена сетевая операционная система (ОС). Операционные системы на клиенте и сервере могут быть разными (к примеру, на сервере - Windows NT, а на клиенте -Windows 95). Могут быть отличающимися по функциям модификации одной операционной системы (например. Windows NT Server и Windows NT    Workstation).

     Кроме того, на сервере устанавливаются специальные серверные программы  для  выполнения  специфических  функций:  например,  proxy-сервер для коллективного доступа в Интернет, или программа - почтовый сервер для хранения электронных почтовых ящиков клиентов. А на компьютерах-клиентах устанавливаются соответствующие клиентские программы: браузер MS Internet Explorer для выхода в Интернет или программа MS Outlook Express для работы с электронной почтой.

     К основным функциям сетевых ОС относят управление каталогами и файлами; управление ресурсами; коммуникационные функции; защиту от несанкционированного доступа; обеспечение отказоустойчивости; управление  сетью.

     Управление каталогами и файлами в сетях заключается в обеспечении доступа к данным, физически расположенным в других узлах сети. Управление осуществляется с помощью специальной сетевой файловой системы. Файловая система позволяет обращаться к файлам путем применения привычных для локальной работы языковых средств. При обмене файлами должен быть обеспечен необходимый уровень конфиденциальности  обмена (секретности данных)

     Управление ресурсами включает обслуживание запросов на предоставление ресурсов, доступных по сети.

     Коммуникационные функции обеспечивают адресацию, буферизацию, выбор направления для движения данных в разветвленной сети (маршрутизацию), управление потоками данных  и др.

     Защита от несанкционированного доступа - важная функция, способствующая поддержанию целостности данных и их конфиденциальности. Средства защиты могут разрешать доступ к определенным данным только с некоторых терминалов, в оговоренное время, определенное число раз и т.п. У каждого пользователя в корпоративной сети могут быть свои права доступа с ограничением совокупности доступных директорий или списка возможных действий, например, может быть запрещено  изменение содержимого  некоторых файлов.

     Отказоустойчивость характеризуется сохранением работоспособности системы при воздействии дестабилизирующих факторов. Отказоустойчивость обеспечивается применением для серверов автономных источников питания, отображением или дублированием информации в дисковых накопителях. Под отображением обычно понимают наличие в системе двух копий данных, расположенных на разных дисках, но подключенных к одному контроллеру. Дублирование отличается тем, что для каждого из дисков с копиями используются разные контроллеры. Очевидно, что дублирование более надежно. Дальнейшее повышение отказоустойчивости связано с дублированием серверов, что, однако, требует дополнительных  затрат  на приобретение оборудования.

     Управление сетью связано с применением соответствующих протоколов управления. Программное обеспечение управления сетью обычно состоит из менеджеров и агентов. Менеджером называется программа, вырабатывающая сетевые команды. Агенты представляют собой программы, расположенные в различных узлах сети. Они выполняют команды менеджеров, следят за состоянием узлов, собирают информацию о параметрах их функционирования, сигнализируют о происходящих событиях, фиксируют аномалии, следят за передачей данных, обеспечивают защиту от вирусов. Агенты с достаточной степенью интеллектуальности могут участвовать в восстановлении информации после сбоев, в корректировке параметров управления и т.п. Программное обеспечение сетевых ОС распределено по узлам сети. Имеется ядро ОС, выполняющее большинство из охарактеризованных выше функций, дополнительные программы (службы), ориентированные на реализацию протоколов  верхних  уровней, выполнение специфических функций для коммутационных серверов, организацию распределенных вычислений и т.п. К сетевому программному обеспечению относят также драйверы сетевых  плат. Для каждого типа локальных сетей разработаны разные типы плат и драйверов, внутри каждого типа локальной сети может быть много разновидностей плат с разными характеристиками интеллектуальности, скорости, объема буферной памяти. В настоящее время  наибольшее распространение получили сетевые ОС двух семейств: UNIX (Linux, FreeBSD, OpcnBSD, NctBSD, Sun Solaris, HP-UX и др.) и Windows (Windows 95 / 98 / NT / ME / 2000 / XP).
     ОС UNIX применяют преимущественно в глобальных и в крупных корпоративных сетях, поскольку  эта система характеризуется высокой надежностью и защищенностью, возможностью легкою масштабирования сети.
     ОС Windows используют обычно в небольших и средних по масштабам сетях, в частности в локальных  сетях учебного  назначения - из-за простоты пользовательского интерфейса, а также возможности оперативно локализовать вновь появляющиеся  версий ОС т.е.  перевести интерфейс этих программных продуктов на языки многих стран-потребителей.

     2.2.4. Региональные и корпоративные сети
     Нередко в том же офисе, школе или поликлинике возникает необходимость получить информацию от других аналогичных организаций.

     В таких случаях между собой соединяют  компьютеры,   расположенные не только в одном или нескольких помещениях. Представьте   себе   систему хранения информации в библиотеках. Тут необходимо по каждой книге иметь самые разные сведения: название, данные об авторах, издательстве, количество имеющихся экземпляров, аннотацию содержания и пр. Если сделать такую информацию доступной большому количеству библиотек, то можно улучшить обслуживание читателей, усовершенствовать  организацию  межбиблиотечного фонда для обмена книгами. Объединение библиотек в централизованную компьютерную сеть позволяет обеспечить всем библиотекам доступ к любой необходимой информации о книгах.

     С центральной библиотекой может быть связана как библиотека, где имеется только один компьютер, так и библиотека, в которой установлена локальная сеть. Для связи компьютеров может быть использована телефонная линия. Такая сеть уже имеет региональное значение. В качестве примера можно привести сеть библиотек Петербурга и Ленинградской области.

     Региональная сеть — объединение компьютеров и локальных сетей для решения общих проблем регионального масштаба.

     Вспомним и о том, как заказываются железнодорожные билеты. По запросу любого кассира-оператора на его монитор выводится информация о наличии свободных мест в поезде, стоимости проездных билетов и т. п. По указанию пассажира кассир через сеть вводит в центральный компьютер запрос на приобретение билета и оформляет его продажу. Причем оплаченное место сразу же изымается из дальнейшей продажи. Представьте себе, что все эти компьютеры не были бы соединены в сеть. Тогда бы совершенно утрачивался смысл их использования, так как после каждого рабочего дня приходилось бы делать общие изменения о наличии свободных мест в каждом отдельном компьютере, сообщать другим кассирам о непроданных билетах и думать, как организовывать продажу билетов на следующий день.

     Централизованная сеть легко решает такие проблемы. Продажа билетов на одни и те же маршруты может вестись из нескольких городов. И такую сеть уже нельзя назвать локальной. Она служит для обработки информации одной фирмы или объединения фирм и потому называется корпоративной (от слова «корпорация» — объединение).
     Корпоративная сеть — объединение локальных сетей в пределах одной корпорации. (смотри рисунок 2.6.)
     Корпоративные сети предназначаются для обслуживания клиентов в различных удаленных друг от друга пунктах, например в гостиницах. Они могут связывать в пределах одной корпорации филиалы, находящиеся в разных странах. Информация может изменяться работниками, имеющими доступ к ней. Описанные выше сети могут иметь выход в другие внешние сети, например для того, чтобы получить информацию из удаленных баз данных глобального значения или переслать сообщения по электронной почте в другую сеть, отправить факс.

Рисунок 2.6. Корпоративная сеть

           2.2.5. Глобальные сети
     Централизованная обработка данных не всегда надежна, так как выход из строя центрального компьютера может привести к потере важной информации или вообще парализовать на некоторое время работу сети. Поэтому возникла необходимость децентрализованной обработки информации в сети. Разработка средств и методов передачи информации на большие расстояния сделала возможным появление глобальных сетей. Идея их построения заключается в том, что мощные компьютеры связаны между собой и могут обмениваться информацией в трансконтинентальных масштабах.

     Серверы глобальных сетей предоставляют другим компьютерам, зарегистрированным на них, доступ не только к своим ресурсам (информационным и программным, электронной почте, компьютерным конференциям), но и других серверов сети и обеспечивают их пользователям возможность работы с информацией за пределами своего компьютера, открывая доступ к ресурсам удаленных машин.
За последние годы глобальные сети объединились между собой, и такое объединение носит название Интернет (Internet). Пользователи Интернета могут найти в этой сети все, что только не пожелают. Это файлы, изображения, звуки, созданные в различных компьютерных средах и хранящиеся в файловых архивах серверов. Их можно копировать на свой компьютер и открывать с помощью приложений, в которых они созданы. Из Интернета можно получать ежедневно меняющуюся информацию: прогнозы погоды, курсы валют, статистические сводки, репертуар театров и меню ресторанов, любые программы и т. д.

     Удаленный доступ (доступ к информации с большого расстояния по сети) позволяет организовать обучение на любом расстоянии (дистанционное обучение). Например, можно проводить урок одновременно в разных школах мира, общаясь непосредственно с каждым присутствующим на таком уроке, или организовать лекции известных профессоров для широкого круга слушателей из разных стран мира. Связь на расстоянии делает реальными консультации крупных специалистов при проведении хирургических операций, консилиумов, демонстраций этих операций для обучения медицинского персонала.

     Особенно привлекательным стало использование глобальных сетей в связи с развитием мультимедийных средств, то есть графики, видео и звукового сопровождения. Документы, содержащие такие компоненты, стали наиболее популярными среди доступной информации в Интернете.

     Чтобы не запутаться в огромных потоках информации, на серверах сети существуют специальные поисковые системы. Они осуществляют поиск информации, ее анализ и предоставление пользователю по его запросу адресов местонахождения нужной информации.
     Глобальная сеть обеспечивает эффективный доступ к информации в мировых масштабах.
     Глобальная сеть — объединения компьютеров, расположенных на удаленном расстоянии, для общего использования мировых информационных ресурсов. (смотри рисунок 2.7.)

Рисунок 2.7. Спутниковая сеть