Классификация и архитектура компьютерных сетей

Рассмотрим классификации компьютерных сетей, в основе которых лежат критерии: область действия; способы администрирования; сетевые операционные системы; топология; архитектура.

Первый критерий область действия учитывает географический район, охваченный сетью. Различают локальные (Local Area Network – LAN) и глобальные (Wide Area Network – WAN). Локальная вычислительная сеть (ЛВС) охватывает ограниченную площадь, однако, по количеству компьютеров может находиться в широких пределах. Количество компьютеров локальной сети ограничивается архитектурой сети и типом кабеля. Глобальные вычислительные сети (ГВС) охватывают большое географическое пространство. Примером такой сети выступает Интернет. Существуют и другие ГВС. Эти сети всегда состоят из многих соединенных вместе ЛВС.

Несколько сетей, соединенных друг с другом называют сетевым комплексом (internetwork или internet). Строчная буква в термине i nternet означает, что речь идет о сетях, соединенных в одну сеть. Прописная буква в термине I nternet – обозначение глобальной сети. Термином Intr a net обозначают частные локальные сети, которые используют технологию Internet.

Скорость передачи информации в глобальных сетях чаще всего ниже, чем в локальных (ГВС от 1 до 6 Мбит/c, а в самой медленной ЛВС 10 Мбит/c).

 

По способу администрирования различают одноранговые сети и сети клиент/сервер.

Одноранговая рабочая группа. В ней каждый компьютер выполняет функции, как сервера, так и клиента, причем каждый пользователь самостоятельно управляет ресурсами своего компьютера. Хорошо подходит для небольших сетей, у которых требования к безопасности не очень высокие. Рекомендуют включать в одноранговую сеть не более 10 компьютеров. Стоимость небольшой одноранговой сети невелика. Ее несложно реализовать на основе таких ОС как Windows 95/98, Windows NT, Windows 2000Professional и различных версий Linux.

В сети клиент/сервер функции администрирования сосредоточены на центральном компьютере со специальной сетевой операционной системой, при этом на центральном ПК выполняется аутентификация пользователей, паролей, и другой регистрационной информации для регистрации пользователей и предоставления им доступа к ресурсам (сервер предоставляет, а клиент получает доступ к ресурсам Интернет).

Характерной особенностью сети клиент/сервер является централизованное управление сетью. На сервере устанавливаются учетные записи пользователей, и администратор сети может управлять ими из одного центра. Сети клиент/сервер обладают большей безопасностью, чем одноранговые.

Различают серверы, например:

- файловые серверы, на которых хранятся файлы данных;

- серверы печати, которые управляют одним или несколькими принтерами;

- серверы приложений – компьютеры, на которых установлены сетевые приложения, причем пользователи могут работать с этими программами посредством сети, несмотря на то, что на их компьютерах данные приложения не установлены;

- серверы электронной почты – предоставляют почтовые ящики;

- серверы Web выполняют программное обеспечение Web-серверов под управлением определенных ОС. Например, сервер MS Internet Information Server под управлением Windows NT/2000; сервер Apache под управлением серверов Linux или UNIX.

- сервер DNS (Domain Name System) отображает иерархическую структуру имен узловых компьютеров на IP –адреса.

- прокси-серверы служат посредниками между локальной сетью и внешним миром, при этом обеспечивают защиту данных путем фильтрации входящих и выходящих пакетов.

Выбор типа сети зависит от количества компьютеров и пользователей, от требований к безопасности, оборудованию, персоналу и от финансовых возможностей.

Классификация сетей по сетевым операционным системам

Иногда сети классифицируют по установленным на серверах сетевым ОС. Например, Windows − Windows NT и Windows 2000 (компании Microsoft); NetWare (компании Novell), Unix (компании Bell).

 

Классификация сетей по протоколам

Сетевой протокол - это набор правил, которых придерживаются компьютеры при работе в сети. В локальных сетях распространены такие протоколы как: IPX/SPX (в сетях с ОС Novell), NetBEUI (используется в небольших ЛВС на базе операционных систем Microsoft). Широкое распространение получил протокол TCP/IP, который поддерживается практически во всех операционных системах и на всех платформах, является базовым протоколом сети Интернет.

Стек протоколов IPX/SPX (Internet Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange) − межсетевой обмен пакетами/последовательный обмен пакетами обычно используется в сетях NetWare, однако может использоваться и в других сетях, например, Windows. Конфигурирование проще, чем TCP/IP.

Протокол NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface) − расширенный пользовательский интерфейс NetBIOS. Обычно используется в небольших простых локальных сетях на базе операционных систем Microsoft. Сеть NetBEUI не может быть маршрутизирована. Если сеть разделена на подсети, то для коммуникации с компьютерами другой подсети нужно использовать другой сетевой протокол, например, TCP/IP, при этом сохраняется высокое быстродействие внутри сети и за счет протокола TCP/IP осуществляется связь с другими сетями. Преимуществами сетей NetBEUI являются простота, высокое быстродействие.

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) − протокол управления передачей/протокол Internet. Набор протоколов, разработанный Министерством обороны США в 1970-х годах для создания всемирной сети сетей. Протокол TCP/IP из всех протоколов локальной сети имеет наименьшее быстродействие и наибольшую сложность конфигурирования, однако получил широкое распространение вследствие следующих причин:

− в данном протоколе используется гибкая схема адресации, удобная для маршрутизации даже в самых больших сетях;

− протокол TCP/IP поддерживается практически во всех операционных системах и на всех платформах;

− к настоящему времени разработано и применяется огромное количество инструментов и утилит для мониторинга и управления комплексом протоколов TCP/IP;

− протокол TCP/IP является базовым протоколом глобальной сети Internet. В любой системе, подключенной к Internet, должен быть реализован протокол TCP/IP.

 

Классификация сетей по топологии

Топология сети – стандартный термин, который используется при описании базовой схемы сети.

Классифицируют сети по их физической или логической топологии. Физическая означает форму сети, т.е. путь прокладки кабеля. Логическая означает путь, по которому сигналы проходят из одной точки сети в другую. Физическая и логическая топологии могут совпадать и не совпадать. Например, физическая топология может представлять собой звезду, а логическая – кольцо, за счет определенным образом организованной связи внутри концентратора.

Наиболее распространенные топологии: шинная, кольцевая, звездообразная, полносвязная, ячеистая. Типовые топологии сетей приведены на рис.33.

Шинная топология, представляет собой сеть, проложенную по линии. Так как у каждой линии есть начало и конец, на каждом конце шины должен быть терминатор (оконечное устройство), в противном случае происходит отражение сигнала, что нарушает нормальную работу сети. В сетях с шинной топологией используются как толстый, так и тонкий коаксиальный кабель. Соответственно архитектура 10 Base2 и 10 Base5.

 

 

Принцип действия: посылаемые каждым компьютером сообщения поступают на все компьютеры, подключенные к шине. Каждый сетевой адаптер анализирует заголовки сообщений и таким образом, определяет предназначено ли сообщение для этого компьютера. Если да то сообщение обрабатывается, иначе – отбрасывается. Преимущество: сеть с топологией шина относительно дешевая, т.к. требует меньше кабелей, чем другие топологии. Недостатки: шинная топология называется пассивной, т.к. компьютеры не регенерируют сигналы, а просто передают их дальше. Поэтому сигналы в такой сети подвержены затуханию, т.е. интенсивность сигнала с расстоянием уменьшается. Эту проблему можно решить с помощью повторителей. Другой недостаток состоит в том, что если произойдет разрыв кабеля, то вся сеть разрывается.

Сети с кольцевой топологией. Если соединить последний в магистрали компьютер с первым, то получится кольцевая топология, при этом сигнал проходит по кругу. Так как кольцо не имеет конца, то терминаторы не нужны. Физически в кольцевой сети, как и в шинной, используется коаксиальный кабель. Принцип действия: сигнал проходит в одном направлении. Кольцевая топология называется активной, т.к. каждый компьютер, прежде чем передать сигнал дальше регенерирует его. Чаще всего кольцевая топология используется в архитектуре Token Ring. В этой архитектуре кольцо всегда является логическим кольцом, круг реализуется в концентраторе Token Ring. Преимущество: в кольце сравнительно легко устранять неполадки и его как и шину просто реализовать. Недостатки: если круг не разрывается, то это надежная топология. В противном случае сеть выходит из строя. Другой недостаток кольца в том, что в сеть трудно добавить новый компьютер, т.к. для этого нужно разорвать кольцо, при этом сеть становится неработоспособной.

Звездообразные сети. Это наиболее распространенная топология локальных сетей. Звезда образуется путем соединения каждого компьютера с центральным концентратором. Концентратор может быть активным, пассивным или интеллектуальным. Пассивный – представляет собой всего точку соединения. Он не потребляет электрическую энергию. Активный концентратор (наиболее распространенный) фактически является повторителем со многими портами. Прежде чем передать сигнал другому компьютеру, активный концентратор усиливает его. Интеллектуальный – представляет собой активный концентратор с возможностями диагностики. Для этого в нем есть специально встроенная микросхема. При этой топологии обычно используются неэкранированные витые пары и архитектура Ethernet 10BaseT или 100BaseT. Принцип действия: сигнал передается от сетевого адаптера, установленного в компьютере к концентратору. Здесь сигнал усиливается и передается обратно на все порты. В звезде, как и в шине, сообщение получают все компьютеры. Получив сообщение, компьютер анализирует его заголовок и принимает решение: обработать или отбросить сообщение. Преимущества: 1) сеть значительно устойчивее к сбоям, если один из компьютеров отключается или разрывается кабель, то это влияет только на данный компьютер. Остальная сеть работает нормально. 2) легко изменить конфигурацию сети (добавить или отсоединить компьютер). Недостаток: финансовые затраты (нужно больше кабелей и дорогой концентратор).

Полносвязная топология. Каждый компьютер соединен непосредственно с каждым другим в сети. Благодаря избыточным соединениям эта топология устойчива к сбоям. Если один путь прохождения сигнала выходит из строя, то сигнал может пройти по другому пути. Недостаток - высокая стоимость кабельной системы.

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых связей. В такой сети непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.

 

Классификация сетей по архитектуре

В общем случае понятие сетевой архитектуры подразумевает набор спецификаций, определяющих физическую и логическую топологии, типы кабелей, ограничения на расстояние, методы сетевого доступа, размер пакетов, структуру заголовков и другие факторы. Работы по стандартизации вычислительных сетей ведутся несколькими организациями.

В настоящее время наиболее популярными архитектурами локальных сетей являются Ethernet и Token Ring.

Сети Ethernet физически конфигурируются как шины или звезды. Пропускная способность такой сети 10 Мбит/с. Сегодня довольно широко распространена архитектура Fast Ethernet с пропускной способностью 100 Мбит/с и на рынке должна появиться Gigabit Ethernet – 1 Гбит/с.

Сети Token Ring. В этой сети используется кольцеобразная логическая топология. Сигнал, называемый маркером (token), проходит по кругу, и компьютер не может получить доступ, пока к нему не придет маркер, т.е. в этой сети невозможны конфликты данных, происходящие при одновременном начале передачи данных двумя компьютерами. В сетях Token Ring используется логически кольцевая топология, а физически - звездообразная.