Електронний посібник

Лекція №2

Тема: Комп’ютерні мережі та їх класифікація

Мета: ознайомитися з основними поняттями комп’ютерних мереж, з видами топологій, класифікацією по області дії, за призначенням, типом комп’ютерів, які входять до складу комп’ютерної мережі, за територіальним розташуванням, за типом функціональної взаємодії

План

1 Основні поняття комп’ютерних мереж

2 Топологія комп’ютерної мережі .

3 Класифікація комп’ютерних мереж.

2. За типом комп’ютерів, які входять до складу комп’ютерної мережі.

  1. За територіальним розташуванням.

  2. За типом функціональної взаємодії.


Лекційний матеріал

Основні поняття комп’ютерних мереж

Перші ЕОМ були призначені лише для швидкої обробки даних. Згодом обчислювальна техніка почала широко використовуватися у наукових дослідженнях, виробництві, освіті. У користувачів віддалених один від одного комп’ютерів з’явилася потреба у швидкому обміні даних. Для цього було запропоновано об’єднати комп’ютери у єдину систему і таким чином передавати дані від одного комп’ютера до іншого. Об’єднання комп’ютерів у єдину мережу надає користувачам нові можливості, які були неможливими при використанні окремих комп’ютерів. Комп’ютерна мережа забезпечує: колективне опрацювання даних, обмін даними між користувачами, спільне використання програм та периферійних пристроїв. Практичні потреби лікарів у спільній обробці медичних даних, спонукали впровадження комп’ютерних мереж у медичні заклади.

При розгляді комп’ютерних мереж доцільно, насамперед, з’ясувати сутність фізичного рівня взаємодії комп’ютерів. Фізичний рівень мережевої взаємодії визначає спосіб фізичного з’єднання комп’ютерів у мережі. Центральним поняттям даного рівня є поняття середовища передачі.

Середовище передачі – це фізичне середовище, в якому відбувається поширення інформаційних сигналів у вигляді електричних, мережевих імпульсів.

Лінія зв’язку – це обладнання, за допомогою якого здійснюється об’єднання комп’ютерів у мережу. Лінії зв’язку залежно від середовища передачі даних поділяються на:

Для підключення комп’ютерів до середовища передачі використовується спеціальне комунікаційне обладнання. Основні функції цього обладнання полягають у фізичному кодуванні і декодуванні даних, а також синхронізації прийому і передачі даних.

Комунікаційне або мережеве обладнання – це периферійні пристрої, що здійснюють перетворення сигналів, які використовуються у комп’ютері, на сигнали, що передаються через лінії зв’язку, і навпаки. Такими пристроями є мережеві адаптери, модеми та ін.

Мережевий адаптер (або мережева інтерфейсна плата) – спеціальний апаратний засіб для ефективної взаємодії персональних комп’ютерів у мережі. Встановлюється в одне з вільних гнізд розширення шини комп’ютера, а кабель передачі даних під’єднується до роз’єму на цій платі. Мережевий адаптер використовуються при кабельних лініях зв’язку. З погляду комп’ютера, адаптер повинен ідентифікувати ПК у мережі і виконувати буферизацію даних між комп’ютером і кабелем. З погляду комп’ютерної мережі, ця плата повинна генерувати електричні сигнали, що проходять по мережі, управляти доступом до мережі і забезпечувати фізичний контакт з кабелем.

Для організації комп’ютерної мережі необхідно встановити на кожний ПК мережеву плату і об’єднати всі комп’ютери за допомогою спеціального кабелю. Інколи необхідні для зв’язку компоненти вже встановлені на системній платі і тоді мережева плата не потрібна. У цьому випадку гніздо для мережевого кабелю розміщено на задній стінці системного блоку. Кабель для з’єднання мережевих компонентів визначає максимальну швидкість передачі даних та можливу віддаленість комп’ютерів один від одного.

Модем обладнання для передачі даних, яке здійснює узгоджене перетворення цифрового сигналу комп’ютера в модульований аналоговий і навпаки. Застосовуються при телефонних лінях зв’язку.

Використовуючи лінію зв’язку і мережевий адаптер можна побудувати найпростішу мережу, але надійність і продуктивність такої мережі буде невисокою. Суттєво покращити характеристики мережі дозволять наступні мережеві пристрої:

Для реалізації обміну даними у мережі, окрім наявності комунікаційного обладнання, необхідно встановити відповідне комунікаційне програмне забезпечення.

Комунікаційне або мережеве програмне забезпечення – це набір програм, що забезпечують роботу мережевого обладнання і обмін інформацією між комп’ютерами в мережі.

Мережеве програмне забезпечення поділяється на:

До комунікаційного програмного забезпечення входять:

Сформулюємо визначення комп’ютерної мережі.

Комп’ютерна мережа – це сукупність комп’ютерів, які з’єднані лініями зв’язку і оснащені комунікаційним обладнанням та комунікаційним програмним забезпеченням.

З метою стандартизації взаємодії компонентів комп’ютерних мереж (принципів та правил) була розроблена модель мережевої архітектури під назвою «еталонна модель взаємодії відкритих систем» (OSI). OSI базується на моделі, яка була запропонована Міжнародним інститутом стандартів (ISO). Відповідно до цієї моделі мережа поділяється на 7 рівнів, кожному з яких відповідає протокол, одиниця виміру, певний набір функцій.

  1. Фізичний рівень складається з фізичних елементів, які використовуються безпосередньо для передачі інформації по мережевим каналам зв’язку. До фізичного рівня відносяться також методи електричного перетворення сигналів, що залежать від мережевої технології, яка застосовується (Ethernet, Fddi тощо).

  2. Рівень з’єднування призначений для передачі даних від фізичного рівня до мережевого та навпаки. Мережева плата в комп’ютері – приклад реалізації рівня з’єднування. Вона залежить від мережевої технології.

  3. Мережевий рівень визначає шлях переміщення даних по мережі, дозволяючи їм знайти отримувача. Мережевий рівень можна розглядати як службу доставки.

  4. Транспортний рівень пересилає дані між самими комп’ютерами. Після доставляння даних мережевим рівнем комп’ютеру-отримувачу активізується транспортний протокол, доставляючи дані до прикладного процесу.

  5. Сеансовий рівень використовується як інтерфейс користувача і вирішує такі завдання, як обробка імен, паролів, прав доступу.

  6. Рівень уявлення створює інтерфейс мережі до ресурсів комп’ютера: принтерів, моніторів, дисків; виконує перетворення форматів файлів.

  7. Прикладний рівень забезпечує виконання прикладних задач користувачів: електронної пошти; розподілених баз даних; усіх програм, що функціонують у середовищі Internet.

Ресурс мережі – це пристрої, які входять до апаратної частини деяких комп’ютерів мережі, доступні і можуть використовуватися будь-яким користувачем мережі. Наприклад, принтери, сканери та ін.

У комп’ютерній мережі кожен ПК називається робочою станцією, за винятком одного чи кількох комп’ютерів, які називаються серверами.

Сервер (serve – постачати, обслуговувати) – комп’ютер, ресурси якого призначені для спільного використання. Призначення сервера – доставляти програми до робочих станцій. Сервери мають бути високоякісними та високонадійними, адже при обслуговуванні всієї комп’ютерної мережі вони багаторазово виконують роботу звичайної робочої станції.

Робочі станції – комп’ютери, які використовують ресурси мережі. Призначення робочої станції – виконувати програми, одержані з мережі.

Кожна робоча станція і сервер містять карти адаптерів, які за допомогою мережевих кабелів з’єднуються між собою. До операційної системи на кожній робочій станції встановлюється програмне забезпечення, яке дає можливість станції взаємодіяти з сервером. Аналогічно, на сервері встановлюється програмне забезпечення, яке дає йому можливість взаємодіяти з робочою станцією та забезпечувати їй доступ до своїх файлів.

Розрізняють дві технології використання сервера:

При об’єднані комп’ютерів у мережу перш за все необхідно визначити спосіб організації фізичних зв’язків (топологію).

Топологія комп’ютерної мережі – це її геометрична форма або фізичне розташування комп’ютерів по відношенню один до одного. Топологія визначає вимоги до устаткування, тип кабелю, який використовується, можливі й найбільш зручні методи керування обміном, надійність роботи, можливості розширення мережі. Топологія характеризує властивості мереж, які не залежать від їх розмірів, при цьому не враховується продуктивність і принцип роботи цих об’єктів, їх типи, довжини каналів. Існують такі типи топологій:

Рис. 2. Мережева топологія «шина»

Топологія «шина» передбачає ідентичність мережевого устаткування комп’ютерів, а також рівноправність всіх абонентів. Комп’ютери можуть передавати дані тільки по черзі, тому що лінія зв’язку у них єдина, у противному випадку передана інформація буде спотворюватися в результаті конфлікту. У топологія «шина» відсутній сервер, через який передається вся інформація. На кінцях кабелю знаходяться термінатори, для запобігання відображення сигналу.

Переваги топології «шина»:

Недоліки топології «шина»:

Рис. 3. Мережева топологія «зірка»

У топології «зірка» весь обмін інформацією відбувається через центральний комп’ютер, на який розподіляється значне навантаження. Як правило, центральний комп’ютер повинен бути найпотужнішим, адже саме на нього покладаються всі функції з управління обміном даних. Необхідно вживати спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального комп’ютера і його мережевої апаратури. Ніякі конфлікти у мережі з топологією «зірка» неможливі, тому що керування повністю централізоване.

Переваги топології «зірка»:

Недоліки топології «зірка»:

Розрізняють два види топології «зірка»:

Рис. 4. Мережева топологія «кільце»

У топології «кільце» чітко виділеного центрального комп’ютера немає, проте комп’ютери не є повністю рівноправними, на відмінну, від шинної топології. Однак досить часто в «кільці» виділяється спеціальний абонент, який управляє обміном або контролює обмін. Зрозуміло, що наявність такого керуючого абонента знижує надійність мережі, тому що вихід його з ладу відразу ж паралізує всю мережу.

Переваги топології «кільце»:

Недоліки топології «зірка»:

Подвійне «кільце» – це топологія, побудована на двох «кільцях», перше «кільце» використовується як основний шлях для передачі даних, друге – резервний шлях, який використовується при виході з ладу першого «кільця».

Тип топології обирають залежно від потреб медичних закладів. Для невеликої поліклініки, ймовірно, буде вибрана топологія «зірка». Для великих лікарень вибирається топологія «дерево», у якій розміщують концентратори для «кущів» робочих станцій і один сервер для всього закладу. На практиці часто застосовують комбінації декількох топологій.

Для класифікації комп’ютерних мереж використовують різні ознаки, вибір яких полягає у забезпеченні класифікаційній схемі дотримання таких вимог:

  1. можливості класифікації всіх існуючих та перспективних комп’ютерних мереж;

  2. диференціація різних мереж;

  3. однозначність класифікації будь-якої комп’ютерної мережі;

  4. наочність, простота і практична значимість класифікаційної схеми.

Класифікація комп’ютерних мереж.

    1. За призначенням комп’ютерні мережі поділяються на:

      1. обчислювальні – призначені для розв’язання завдань користувачів з обміном даними між їх абонентами;

      2. інформаційні – орієнтовані на представлення інформаційних послуг користувачам;

      3. змішанні – поєднують функції обчислювальних та інформаційних комп’ютерних мереж.

    2. За типом комп’ютерів, які входять до складу комп’ютерної мережі:

    1. За територіальним розташуванням комп’ютерні мережі поділяються на:

Переваги CAN:

        1. можливість роботи у режимі жорсткого реального часу;

        2. простота реалізації і мінімальні затрати на використання;

        3. висока стійкість до перешкод;

        4. надійний контроль помилок передачі і прийому;

        5. широкий діапазон швидкостей;

        6. велика поширеність технології.

Недоліки CAN:

Склад локальної мережі: комп’ютери; мережеві адаптери; периферійні пристрої; середовище передачі; мережеві пристрої (комутатори, маршрутизатори, мости, повторювачі).

Комп’ютери можуть з’єднуватися між собою, використовуючи різні середовища доступу: мідні провідники, оптичні кабелі і радіоканал (безпровідні технології). Провідний зв’язок установлюється через Ethernet, безпровідний – через Wi-Fi, Bluetooth, GPRS та ін.

Сучасні локальні мережі будуються на основі топології «зірка» з використанням концентраторів (хабів), комутаторів та кабелю. Дана технологія, що носить назву Fast Ethernet дозволяє проводити обмін інформацією на швидкостях 100Мбіт/с, 1Гбіт/с, 10Гбіт/с та навіть 100Гбіт/с.

Комп’ютери, що входять у локальну мережу, поділяються на два типи: робочі станції, призначені для користувачів і сервери, які, як правило, недоступні для звичайних користувачів.

У порівнянні з глобальною мережею, локальна мережа зазвичай має більшу швидкість обміну даними, менше географічне покриття та відсутність необхідності використовувати запозиченої телекомунікаційної лінії зв’язку.

За допомогою локальної мережі один комп’ютер отримує доступ до ресурсів іншого таких, як дані та периферійні пристрої (принтери, модеми, факси). Використання локальних мереж дає можливість розподілу ресурсів великої вартості. Локальні мережі значною мірою допоможуть удосконалити роботу у медичних закладах. Адже лікар, вводячи дані про пацієнта в комп’ютер, може надати доступ до цих даних іншим лікарям, до яких необхідно направити пацієнта, та відправити запит на обстеження. Таким чином виникає можливість більш раціонально розподілити прийом пацієнтів і уникнути великих черг. Результати обстежень пацієнта (наприклад, рентгенограми, томограми та ін.) теж можна передавати через локальну мережу.

Переваги локальних мереж:

Недоліки локальних мереж:

Глобальні мережі є відкритими і орієнтовані на обслуговування будь-яких користувачів. Найбільш яскравим прикладом глобальної мережі світового зразка є Internet. Глобальні мережі відрізняються від локальних тим, що вони розраховані на необмежену кількість абонентів, але при цьому не завжди використовують якісні канали зв’язку і високу швидкість передачі даних.

    1. За типом функціональної взаємодії комп’ютерні мережі поділяються на:

      1. клієнт-сервер – обчислювальна або мережева архітектура, у якій завдання або мережеве навантаження розподілені між серверами і робочими станціями.

У технології клієнт-сервер існує один або декілька головних комп’ютерів – сервери, всі інші комп’ютери – клієнти (робочі станції). Для отримання доступу до ресурсів у мережі клієнт-сервер користувач повинен мати унікальний ідентифікатор – ім’я користувача (login – логін) і пароль (password). Використання логіну і пароля для доступу до ресурсів мережі називається ідентифікацією. Перевірка достовірності імені користувача паролем називається аутентифікацією. Використання ідентифікації та аутентифікації називається авторизацією.

Перевагами технології клієнт-сервер є:

Недоліками технології клієнт-сервер є:

Багаторівнева архітектура клієнт-сервер – різновид архітектури клієнт-сервер, у якій функція обробки даних поділена між одним або декількома окремими серверами. Вона дозволяє розподілити функції збереження, обробки і представлення даних для більш ефективного використання можливостей серверів і клієнтів.

      1. однорангові (децентралізовані або пирингові) – всі комп’ютери такої мережі рівноправні, будь-який користувач може отримати доступ до даних, які зберігаються на довільному комп’ютері. У таких мережах відсутні виділені сервери, а кожен вузол є як клієнтом, так і сервером. Переважно були поширені у домашніх мережах або невеликих офісах. Однорангові мережі застосовують для:

      2. обміну файлами. Користувачі файлообмінної мережі викладають файли на певну директорію, з якої доступно скачування файлів іншими користувачами.

      3. розподілених обчислень. Існує можливість протягом короткого періоду часу виконувати величезний об’єм обчислень, які на потужних комп’ютерах потребували б багатьох років. Така продуктивність досягається завдяки тому, що задача розбивається на велику кількість блоків, які одночасно виконуються сотнями тисяч комп’ютерів. Компанія Sony використовую такий підхід у ігрових приставках PlayStation.

Переваги однорангових мереж:

        1. прості в установці і експлуатації;

        2. поширені операційні системи володіють всіма необхідними функціями, які дозволяють будувати однорангову мережу.

Недоліки однорангових мереж:

      1. гібридні (частково децентралізовані) – поєднують швидкість централізованих мереж і надійність децентралізованих завдяки гібридним схемам з незалежними індексованими серверами. Гібридна мережа передбачає наявність серверів призначених для координації роботи, пошуку або надання інформації про комп’ютери мережі та їх статус. При виході із ладу одного або декількох серверів, мережа продовжує функціонувати.

      2. ієрархічні (мережі з виділеним сервером) – обчислювальна або мережева архітектура, у якій функціонують один або декілька комп’ютерів – серверів, які управляють обміном даних по мережі з розподілом ресурсів та комп’ютери-клієнти, які мають доступ до послуг сервера. Сервер у ієрархічних мережах – це постійне хранилище розподіляючих ресурсів, він може бути клієнтом лише сервера більш високого рівня ієрархії. Тому ієрархічні мережі іноді називаються мережами з виділеним сервером.

Переваги ієрархічної мережі:

        1. дозволяє створити найбільш стабільну структуру мережі і більш раціонально розподілити ресурси;

        2. високий рівень захисту.

Недоліки ієрархічної мережі: