Лекція 1 на тему Комп’ютерні та інформаційні мережі, НУДПСУ, Національний університет державної податкової служби України

Лекція 1. Комп’ютерні та інформаційні мережі

План лекції:

1. Передумови та історія створення комп’ютерних мереж

2. Класифікація комп’ютерних мереж

3. Принципи побудови мережі та основні терміни

4. Загальні поняття про призначення, типи та топологію комп’ютерних мереж

5. Основні відомості про методи та процедури обміну даними (протоколи обміну даними)

6. Загальні поняття про модель взаємодії відкритих систем (OSI)

7. Характеристика мережних пристроїв

8. Сервер та робоча станція

1. Передумови та історія створення комп’ютерних мереж

З глибокої давнини людство намагалося винайти засоби організації зв’язку на далеку відстань. До таких засобів можна віднести димовий телеграф, тим-тами, сигнальні вогні та інші. Безпосереднім провісником сучасних комп’ютерних мереж були телеграфна та телефонна мережі ХІХ століття. Створення мереж для передачі даних та розподіленого їх опрацювання було результатом науково-технічної революції та розвитку мікроелектроніки. Ще в 50-х роках ХХ століття, коли з’явилися досить потужні ЕОМ, виникла потреба сполучати їх з одним або з багатьма терміналами для ефективного використання їхніх ресурсів. Було створено системи з розподілом часу роботи центрального процесора, де кожному терміналу по черзі виділявся квант часу.

Канали зв'язку в такій системі були досить дорогими і використовувались терміналами неефективно. Тому згодом учені зробили спеціальні пристрої (мультиплексори та концентратори), які збирали інформаційні потоки з розташованих поблизу терміналів для спрямування його до центрального процесора. Елементом такої системи також був фронтальний процесор, який виконував функції організації зв'язку.

Внаслідок еволюції мережа поступово набула свого сучасного вигляду. Тепер вона має не один, а багато центральних процесорів, терміналів та мережу зв'язку, яка складається з вузлів, які спеціалізовані на виконанні комунікаційних функцій ЕОМ. Для передачі даних між вузлами використовують призначені канали наявної телефонної мережі. Замість терміналів щораз частіше застосовують персональні комп'ютери.

Найважливішим застосуванням комп'ютерів стає створення мереж ,що забезпечують єдиний інформаційний простір для багатьох користувачів.

Основним призначенням комп'ютерної мережі є забезпечення простого, зручного і надійного доступу користувача до спільних розподілених ресурсів мережі та організація їх колективного використання з надійним захистом від несанкціонованого доступу , а також забезпечення зручними і надійними засобами передачі даних між: користувачами мережі.

За допомогою мережі ці проблеми вирішуються незалежно від територіального розташування користувача.

2. Класифікація комп’ютерних мереж

В цілому, комп’ютерні мережі зараз можна класифікувати за такими ознаками:

• за територіальним розподілом – локальні, регіональні, глобальні мережі;

• за сферою застосування – офісні, промислові, побутові мережі;

• за типом комплексу архітектурних вирішень, що виражається у фірмовій назві – Ethernet, Token Ring, Arcnet;

• за топологією – шинна, кільцева, зіркоподібна, деревоподібна, повно-зв’язна мережі;

• за фізичним середовищем передавання – мережа із симетричним, коаксіальним, волоконно-оптичним кабелем, інфрачервоним, мікрохвильовим каналом, скрученою парою;

• за методом доступу до фізичного середовища – мережі з опитуванням, маркерним доступом, суперництвом, уставлянням регістра;

• за набором протоколів (протокольний стек) – мережі ТСР/ІР, SPX/IPX.

Розглянемо деякі з типів.

1.Класифікація за територіальним розподілом

За такою ознакою існуючі сьогодні мережі поділяють на локальні, глобальні і регіональні.

Локальні мережі (Local Area Network – LAN)

За результатами аналізу, понад 80% інформаційних потоків концентрується в локальній зоні – у межах відділу, організації, підприємства. У 80-х роках були спроби організувати зв’язок між машинами на рівні одного підприємства з використання місцевої АТС. Однак справжній розвиток локальних мереж розпочався завдяки появі дешевих мікропроцесорів у вузлах та пристроях (так званого розподіленого інтелекту), а також персональних ЕОМ спонукало організувати надійний зв’язок між ними для сумісного розв’язування задач та використання ресурсів. З появою персонального комп’ютера стало можливим наблизити місце опрацювання інформації до місця її виникнення і таким чином збільшити ефективність роботи інформаційної системи.

За допомогою локальних мереж інформацію передають на невелику відстань. Однією з визначальних ознак локальних мереж є наявність високошвидкісного каналу передачі даних; швидкість у ньому на порядок вища, ніж швидкість периферійних пристроїв комп’ютерів, та наближається до швидкості внутрішньої шини комп’ютера. Тому в деяких популярних виданнях локальні мережі трактують як комп’ютер з комп’ютерів.

Наявність швидкісного каналу дала змогу створити на базі локальної мережі єдину цілісну інформаційну систему, в якій витрати часу на зв’язок суттєво не впливають на час виконання функцій. Таку систему телеопрацювання даних називають розподіленою. Оскільки головним завданням такої системи є опрацювання інформації, її ще називають розподіленою інформаційною системою. У розподіленій інформаційній системі реалізовано новий (не фон-Нейманівський), паралельний порядок опрацювання інформації, що створює нові можливості для підвищення потужності та ефективності інформаційних систем.

Глобальні мережі (Wide Area Network – WAN)

Глобальні мережі територіально не обмежені. Для передавання даних у глобальних мережах використовують наявні телефонні канали з малою швидкістю передавання (1–3 Кбіт/с) та великим впливом завад. Тому результуюча швидкість передавання в глобальних мережах, як уже зазначалося не велика. Це унеможливлює використання глобальних мереж у реальному масштабі часу. Тому й не дивно, що найчастіше глобальні мережі сьогодні застосовують для вирішення завдань, які не потребують оперативності (електронна пошта, електронні довідники тощо).

Регіональні мережі (Region Area Network – RAN)

Регіональні мережі об’єднують користувачів міста, області, невеликих країн. Як канал зв’язку використовується телефонна лінія і відстань між вузлами мережі становить 10-100 км.

2.Класифікація за сферою застосування

• офісні мережі;

• промислові мережі;

• побутові мережі.

3.Класифікація за топологією

• шинна або моноканальна мережа;

• кільцева мережа;

• зіркоподібна мережа;

• деревоподібна мережа;

• повнозв'язна мережа;

4.Класифікація за набором протоколів (протокольний стек)

• мережі TCP/IP;

• мережі IPX/SPX.;

• NetBEUI.

3. Принципи побудови мережі та основні терміни

Комп'ютерна мережа – сукупність взаємозв'язаних через канали передачі даних комп'ютерів, які забезпечують користувачів засобами обміну інформацією і колективного використання ресурсів мережі: апаратних, програмних та інформаційних.

Абоненти мережі – об'єкти, що генерують або споживають інформацію в мережі. Абонентами мережі можуть бути окремі комп'ютери, комп'ютерні комплекси , термінали та ін. Будь-який абонент підключається до станції.

Станція – це апаратура, яка виконує функції, пов'язані з передаванням і прийманням інформації. Станції знаходяться в вузлах мережі.

Абонентська система – сукупність абонентів та станцій.

Фізичне передавальне середовище – лінії зв'язку або простір, в якому поширюються електричні сигнали.

Комунікаційна мережа – мережа, яка забезпечує передачу інформації між абонентськими системами на основі фізичного передавального середовища.

Метод доступу – це набір правил, що визначає використання каналу передачі даних, який сполучає вузли мережі на фізичному рівні.

Топологія мережі – це логічна схема сполучення каналами зв'язку комп'ютерів.

4. Загальні поняття про призначення, типи та топологію комп’ютерних мереж

Для локальних мереж застосовують наступні топології:

•шинна топологія – всі робочі станції приєднанні до одного комунікаційного шляху (шини); в мережі з шинною топологією використовується один канал зв'язку, який об'єднує всі комп'ютери мережі. При цьому методі вузол , перш ніж передати дані по комунікаційному каналу , прослуховує його і тільки пересвідчившись, що канал вільний, надсилає пакет. Якщо канал зайнятий, то вузол повторює спробу передати пакет через якийсь проміжок часу. Дані, передані одним вузлом мережі ,надходять у всі вузли , але тільки вузол, для якого призначені ці дані, розпізнає і приймає їх. Швидкість передачі даних в цьому варіанті 10 Мбіт/с.

•кільцева топологія, в якій робочі станції з'єднанні по колу

В ній як канал зв'язку використовується замкнене кільце з приймачів-передавачів, сполучених коаксіальним або оптичним кабелем. Найпопулярнішим методом доступу в мережах цієї топології є Token-Ring – метод доступу з передачею маркера.

Маркер – це пакет, забезпечений спеціальною послідовністю бітів. Він послідовно передається по кільцю від вузла до вузла в одному напрямку. Кожний вузол ретранслює маркер, що передається. Вузол може передати свої дані, якщо він одержав порожній маркер. Із пакетом маркер передається доти, доки не виявиться вузол, якому призначений пакет. У цьому вузлі дані приймаються, але маркер не звільняється, а передається по кільцю далі.

Тільки повернувшись до відправника, який може пересвідчитися, що передані їм дані благополучно одержані, маркер звільняється. Порожній маркер передається наступному вузлу, який, за наявності у нього готових до передачі даних, заповнює його і передає по кільцю. Швидкість передачі даних 4 Мбіт/с.

•топологія типу зірка, в якій головна машина отримує і обробляє дані периферійних пристроїв, як активний вузол обробки даних. Активний центр повністю керує комп'ютерами, підключеними до нього через концентратор, який виконує функції розподілу і підсилення сигналів.

Одним із методів доступу з активним центром є метод Arcnet. У ньому також використовується маркер, що передається від вузла до вузла, обходячи вузли в порядку зростання їх адрес. Як і в кільцевій топології, кожний вузол регенерує маркер. Цей метод забезпечує швидкість передачі даних 2 Мбіт/с.

•логічно-кільцева топологія, яка змонтована, як з'єднання декількох зіркових топологій. Використовується для забезпечення зв'язку між різними локальними мережами різних типів. Для забезпечення зв'язку між ними застосовуються засоби міжмережної взаємодії, які називаються мостами (bridges) і маршрутизаторами (routers). Як міст так і маршрутизатор використовують комп'ютери з двома або більше мережними адаптерами. Кожний з адаптерів забезпечує зв'язок з однією з мереж. Мости, як правило, сполучають однотипні комунікаційні системи, а маршрутизатори різнотипні, оскільки мають засоби перетворення одного формату на інший.

Для забезпечення зв'язку мереж з різними комп'ютерними системами призначені шлюзи (gateway). Наприклад, через шлюз локальна мережа може бути сполучена з великою ЕОМ Часто шлюзи зв'язують локальні комп'ютерні мережі з глобальними.

5. Основні відомості про методи та процедури обміну даними (протоколи обміну даними)

Головна ціль, яка переслідується при з'єднанні комп'ютерів у мережу – це можливість використання ресурсів кожного комп'ютера всіма користувачами мережі. Для того, щоб реалізувати цю можливість, комп'ютери, підключаючись до мережі, повинні мати необхідні для цього засоби взаємодії з іншими комп'ютерами мережі. Задача поділу мережних ресурсів є складною, вона містить у собі рішення цілої множини проблем – вибір способу адресації комп'ютерів і узгодження електричних сигналів при встановленні електричного зв'язку, забезпечення надійної передачі даних і опрацювання повідомлень про помилки, формування яких відбувається, інтерпретація отриманих повідомлень, а також багато інших не менш важливих задач.

При організації взаємодії комп'ютерів у мережі кожний рівень веде “переговори” із відповідним рівнем іншого комп'ютера. При передачі повідомлень обидва учасники мережного обміну повинні прийняти множину угод. Наприклад, вони повинні погодити рівні і форму електричних сигналів, спосіб визначення довжини повідомлень, домовитися про методи контролю достовірності і т.п. Іншими словами, угоди повинні бути прийняті для всіх рівнів, починаючи від найнижчого рівня передачі бітів, до найвищого рівня, який деталізує, як інформація повинна бути інтерпретована.

Правила взаємодії двох машин можуть бути описані у виді набору процедур для кожного з рівнів-протоколами.

Протоколами називаються формалізовані правила, що визначають послідовність і формат повідомлень, яким обмінюються мережні компоненти, що лежать на одніму рівні, але в різних вузлах.

Погоджений набір протоколів різних рівнів, достатній для організації міжмережної взаємодії, називається стеком протоколів.

При організації взаємодії можуть бути використані два основних типи протоколів. У протоколах із установленням з'єднання (connection-oriented network service, CONS) перед обміном даними відправник і одержувач повинні спочатку установити логічне з'єднання, тобто домовитися про параметри процедури обміну, які будуть діяти тільки в рамках даного з'єднання. Після завершення діалогу вони повинні розірвати це з'єднання. Коли встановлюється нове з'єднання, переговорна процедура виконується наново. Телефон – це приклад взаємодії, заснованого на встановленні з'єднання.

Друга група протоколів – протоколи без попереднього встановлення з'єднання (connectionless network service, CLNS). Такі протоколи називаються також дейтаграмними протоколами Відправник просто передає повідомлення, коли воно є готовим. Опускання листа в поштову скриньку – це приклад зв'язку без установлення з'єднання.

6. Загальні поняття про модель взаємодії відкритих систем (OSI)

Міжнародна Організація по Стандартах (International Standards Organization, ISO розробила модель, яка чітко визначає різні рівні взаємодії систем, дає їм стандартні імена, вказує, яку роботу повинен робити кожний рівень. Ця модель називається моделлю взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection, OSI) або моделлю ISO/OSI.

Відкрита система – це система, що взаємодіє з іншими системами відповідно до прийнятих стандартів.

У моделі OSI взаємодія ділиться на сім рівнів або шарів (мал. 1). Кожний рівень має справу з одним визначеним аспектом взаємодії. Таким чином, проблема взаємодії комп'ютери розбита на 7 окремих проблем, кожна з яких може бути вирішена незалежно від інших Кожний рівень підтримує інтерфейси з вищими і нижчими рівнями.

1. Прикладний рівень – це набір різноманітних програм, за допомогою яких користувачі мережі створюють документи, повідомлення, малюнки. Одиниця даних, якою оперує прикладний рівень, називається повідомленням (message).

2. Рівень представлення. Цей рівень забезпечує гарантію того, що інформація, передана прикладним рівнем, буде зрозуміла прикладному рівню в іншій системі і вказує на те, де знаходяться створені дані (ОЗП або диски). При необхідності рівень представлення виконує перетворення форматів даних у деякий загальний формат представлення, а на прийомі, відповідно, виконує зворотне перетворення Таким чином, прикладні рівні можуть подолати, наприклад, синтаксичні розходження і представлення даних. На цьому рівні може виконуватися шифрування і дешифрування даних, завдяки якому таємність обміну даними забезпечується відразу для всіх прикладних сервісів. Прикладом протоколу, що працює на рівні представлення, є протокол Secure Socket Layer (SSL), який забезпечує секретний обмін повідомленнями для протоколів прикладного рівня стека TCP/IP.

3. Сеансовий рівень. Сеансовий рівень забезпечує керування діалогом для взаємодії з локальною або глобальною мережею. Протоколи цього рівня перевіряють права користувача на вихід до зовнішнього інформаційного середовища і передають документ до протоколу транспортного рівня.

4. Транспортний рівень – робота транспортного рівня полягає в тому, щоб забезпечити додаткам або верхнім рівням стека – прикладному і сеансовому – передачу даних із тим ступенем надійності, який їм потрібно. Документ перетворюється в форму, в якій він повинен передаватися по мережі – наприклад, в вигляді малих пакетів.

5. Мережний рівень – цей рівень визначає маршрут руху даних у мережі. На цьому рівні кожний пакет, створений на транспортному рівні, повинен одержати адресу, за якою він повинен бути доставлений.

6. Рівень сполучення – необхідний для того, щоб промодулювати сигнали, які циркулюють на фізичному рівні відповідно до даних, одержаних із мережного рівня. Наприклад, в комп'ютері ці функції виконує мережна карта або модем.

7. Фізичний рівень – цей рівень має справу з передачею бітів по фізичних каналах, таким, наприклад, як коаксіальний кабель, кручена пара або оптоволоконний кабель.

 Компьютер 1 Процесе А     Компьютер 2 Процесс 6

7. Характеристика мережних пристроїв

Щоб забезпечити передачу інформації від комп'ютера в комунікаційне середовище, необхідно узгодити сигнали внутрішнього інтерфейсу комп'ютера з параметрами сигналів, що передаються по каналах зв'язку. При цьому має бути виконано як фізичне узгодження (форма, амплітуда і тривалість сигналу), так і кодове.

Технічні пристрої, які виконують функції сполучення комп'ютера з каналами зв'язку, називаються адаптерами або мережними адаптерами. На практиці цей термін застосовується для спеціальних електронних плат – мережних плат. Крім них, функцію мережного адаптера часто виконують модеми.

Технічні характеристики комунікаційної мережі:

• швидкість передачі даних по каналу зв'язку-залежить від його типу та якості, типу апаратури, способу синхронізації. Вимірюється в бітах/сек. Максимальна швидкість зараз 100 Мбіт/с;

• пропускна здатність каналу зв'язку;

• вірогідність передачі інформації – визначається кількістю помилок на один знак, який передається і не має бути більшою за 10-10 помилок/знак;

• надійність каналу зв'язку – визначається середнім часом безвідмовної роботи і виражається в годинах.

8. Сервер та робоча станція

Сервер – це комп'ютер, підключений до мережі, що забезпечує її користувачів певними послугами.

Робоча станція – це персональний комп'ютер, підключений до мережі, через який користувач дістає доступ до її ресурсів.

З повагою ІЦ “KURSOVIKS”!