Способы передачи информации. Организация и структура локальных и глобальных компьютерных сетей
Для передачи информации с помощью технических средств используются кодирующее устройство, предназначенное для преобразования исходного сообщения источника информации к виду, удобному для передачи, и декодирующее устройство, необходимое для преобразования кодированного сообщения в исходное.
При передаче информации необходимо учитывать тот факт, что информация при этом может теряться или искажаться, т.е. присутствуют помехи. Для нейтрализации помех при передаче информации зачастую используют помехоустойчивый избыточный код, который позволяет восстановить исходную информацию даже в случае некоторого искажения.
Основными устройствами для быстрой передачи информации на большие расстояния в настоящее время являются телеграф, радио, телефон, телевизионный передатчик, телекоммуникационные сети на базе вычислительных систем.
Передача информации между компьютерами существует с самого момента возникновения ЭВМ. Она позволяет организовать совместную работу отдельных компьютеров, решать одну задачу с помощью нескольких компьютеров, совместно использовать ресурсы и решать множество других проблем.
Под компьютерной сетью понимают систему распределенных на территории аппаратных, программных и информационных ресурсов (средств ввода/вывода, хранения и обработки информации), связанных между собой каналами передачи данных. При этом обеспечивается совместный доступ пользователей к информации (базам данных, документам и т.д.) и ресурсам (жесткие диски, принтеры, накопители CD-ROM, модемы, выход в глобальную сеть и т.д.).
По типу используемых ЭВМ выделяют однородные и неоднородные сети. В неоднородных сетях содержатся программно несовместимые компьютеры (чаще так и бывает на практике).
По территориальному признаку сети делят на локальные, региональные и глобальные. Локальные сети (LAN, Local Area Network) охватывают ресурсы, расположенные друг от друга не более чем на несколько километров (чаще всего это одно-два здания и прилегающая к ним территория — например, локальная сеть школы, вуза, компьютерного клуба и т.д.). Региональные сети охватывают город, район, область, небольшую республику (например, сеть Департамента образования Пермской области). Глобальные сети охватывают всю страну, несколько стран и целые континенты (например, сеть Интернет). Иногда выделяют корпоративные сети, где важно защитить информацию от несанкционированного доступа (например, сеть Министерства обороны).
По методу передачи информации различают сети с коммутацией каналов, сообщений, пакетов и со смешанной коммутацией. Чаще используются сети с коммутацией пакетов.
В зависимости от того, являются ли все компьютеры локальной сети равноправными или имеется выделенный центральный компьютер (сервер), сети подразделяют на одноранговые, или сети с выделенным сервером. Сеть с выделенным сервером является более производительной. Вообще сервером называется узел сети, который предоставляет свои ресурсы другим узлам (компьютерам и т.д.), но сам при этом не использует их ресурсы. Клиентом называется узел сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает (часто его еще называют рабочей станцией).
Основными свойствами локальной сети являются:
o высокая скорость передачи, большая пропускная способность;
o низкий уровень ошибок передачи;
o эффективный, быстродействующий механизм управления обменом;
o ограниченное, точно определенное число компьютеров, подключаемых к сети.
Очень важным является вопрос топологии локальной сети. Под топологией компьютерной сети обычно понимают физическое расположение компьютеров сети относительно Друг Друга и способ соединения их линиями. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, методы управления обменом, надежность работы, возможность расширения сети.
Существует три основных топологии сети.
1. Шина (bus), при которой все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи, и информация от каждого компьютера одновременно передается ко всем остальным компьютерам.
Согласно этой топологии создается одно-ранговая сеть. При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, так как линия связи единственная.
§ простота добавления новых узлов в сеть (это возможно даже во время работы сети);
§ сеть продолжает функционировать, даже если отдельные компьютеры вышли из строя;
§ недорогое сетевое оборудование за счет широкого распространения такой топологии.
Недостатки:
§ сложность сетевого оборудования;
§ сложность диагностики неисправности сетевого оборудования из-за того, что все адаптеры включены параллельно;
§ обрыв кабеля влечет за собой выход из строя всей сети;
§ ограничение на максимальную длину линий связи из-за того, что сигналы при передаче ослабляются и никак не восстанавливаются.
2. Звезда (star), при которой к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует свою отдельную линию связи.
Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который ложится очень большая нагрузка, поэтому он предназначен только для обслуживания сети.
§ выход из строя периферийного компьютера никак не отражается на функционировании оставшейся части сети;
§ простота используемого сетевого оборудования;
§ все точки подключения собраны в одном месте, что позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности сети путем отключения от центра тех или иных периферийных устройств;
§ не происходит затухания сигналов.
Недостатки:
§ выход из строя центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной;
§ жесткое ограничение количества периферийных компьютеров;
§ значительный расход кабеля.
2. Кольцо (ring), при котором каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера, и эта цепочка замкнута.
Особенностью кольца является то, что каждый компьютер восстанавливает приходящий к нему сигнал, поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами.
Достоинства:
легко подключить новые узлы, хотя для этого нужно приостановить работу сети;
большое количество узлов, которое можно подключить к сети (более 1000);
высокая устойчивость к перегрузкам.
выход из строя хотя бы одного компьютера нарушает работу сети;
обрыв кабеля хотя бы в одном месте нарушает работу сети.
В отдельных случаях при конструировании сети используют комбинированную топологию. Например, дерево (tree) — комбинация нескольких звезд.
Каждый компьютер, который функционирует в локальной сети, должен иметь сетевой адаптер (сетевую карту). Функцией сетевого адаптера является передача и прием сигналов, распространяемых по кабелям связи. Кроме того, компьютер должен быть оснащен сетевой операционной системой.
При конструировании сетей используют следующие виды кабелей:
§ неэкранированная витая пара. Максимальное расстояние, на котором могут быть расположены компьютеры, соединенные этим кабелем, достигает 300 м. Скорость передачи информации — от 10 до 155 Мбит/с;
§ экранированная витая пара. Скорость передачи информации — 16 Мбит/с на расстояние до 90 м. Обладает лучшей по сравнению с неэкранированной витой парой помехозащищенностью;
§ коаксиальный кабель. Позволяет передавать информацию на расстояние до 2000 м со скоростью 2-44 Мбит/с;
§ волоконно-оптический кабель. Позволяет передавать информацию на расстояние до 10 000 м со скоростью до 10 Гбит/с.
Теперь поговорим о глобальных сетях. На сегодняшний день их насчитывается в мире более 200. Из них наиболее известной и самой популярной является сеть Интернет.
В отличие от локальных сетей в глобальных сетях нет какого-либо единого центра управления. Основу сети составляют десятки и сотни тысяч компьютеров, соединенных теми или иными каналами связи. Каждый компьютер имеет уникальный идентификатор, что позволяет «проложить к нему маршрут» для доставки информации. Обычно в глобальной сети объединяются компьютеры, работающие по разным правилам (имеющие различную архитектуру, системное программное обеспечение и т.д.). Поэтому для передачи информации из одного вида сетей в другой используются шлюзы (gateway) — устройства (компьютеры), служащие для объединения сетей с совершенно различными протоколами обмена.
Протокол обмена — это набор правил (соглашение, стандарт) передачи информации в сети. Протоколы условно делятся на базовые (более низкого уровня), отвечающие за передачу информации любого типа, и прикладные (более высокого уровня), отвечающие за функционирование специализированных служб.
Для работы в глобальной сети пользователю необходимо иметь соответствующее аппаратное и программное обеспечение.
Программное обеспечение можно разделить на два класса:
§ программы-серверы, которые размещаются на узле сети, обслуживающем компьютер пользователя;
§ программы-клиенты, размещенные на компьютере пользователя и пользующиеся услугами сервера.
Глобальные сети предоставляют пользователям разнообразные услуги
Подключение к глобальной сети может осуществляться одним из способов:
§ удаленный доступ по коммутируемой телефонной линии. В этом случае в распоряжении пользователя должны быть модем, который преобразует подаваемую на него компьютером цифровую информацию в аналоговый сигнал (модуляция), и телефон. Аналоговый сигнал передается по телефонной линии, а модем на принимающей стороне совершает обратное преобразование информации (демодуляцию). Скорость, с которой будет производиться обмен информацией, определяется прежде всего скоростью передачи модема пользователя и качеством телефонной линии. Для предупреждения искажения информации в процессе ее передачи и приема модем обычно работает в режиме коррекции ошибок, когда информация передается маленькими порциями, вычисляется контрольная сумма, которая также передается. Если отмечается искажение какой-то порции информации, ее передача повторяется;
§ прямой доступ по выделенному каналу. Данный способ дороже, чаще его используют те или иные организации. В качестве выделенных каналов могут использоваться коаксиальные и оптоволоконные кабели, радиорелейные линии, спутниковая связь.
Глобальная сеть Internet
На примере всемирной глобальной сети Internet рассмотрим структуру глобальной сети. Сеть Internet представляет собой совокупность взаимосвязанных коммуникационных центров, к которым подключаются региональные поставщики сетевых услуг и через которые осуществляется их взаимодействие, т.е. Internet имеет типичную для глобальных сетей структуру (рис. 1). До 1995 года сеть Internet контролировалась National Science Foundation (NSF), которая создала три мощных коммуникационных центра: в Нью-Йорке, Чикаго и Сан-Франциско. Затем были созданы центры на Восточном и Западном побережье и много других федеральных и коммерческих коммуникационных центров. Между этими центрами устанавливаются договорные отношения о передаче информации и поддержании высокоскоростной связи. Совокупность коммуникационных центров образует подсеть связи, поддерживаемую рядом мощных компаний. С точки зрения пользователя в Internet выделяются поставщики услуг, поддерживающие информацию на серверах, и потребители этих услуг — клиенты. Взаимодействие поставщиков с потребителями осуществляется через коммуникационную систему с множеством узлов (рис. 2). Рис.2. Логическая схема глобальной сети Internet Принципы работы глобальной сети Работа Internet возможна потому, что разработаны стандартные способы общения между компьютерами и прикладными программами. Это позволяет компьютерам разного типа связываться между собой без особых проблем. IAB ответственен за стандарты; он решает, когда стандарт необходим и каким ему следует быть. Когда требуется стандарт, совет рассматривает проблему, принимает стандарт и по сети оповещает о нем мир. IAB также следит за различными номерами (и другими вещами), которые должны оставаться уникальными. Например, каждый компьютер в Internet имеет свой уникальный 32-разрядный двоичный адрес. Как присваивается этот адрес? IAB заботится о такого рода проблемах. Он не присваивает адресов самолично, но разрабатывает правила, как эти адреса присваивать. Адрес присваивает конкретный провайдер, обеспечивающий подключение компьютера к сети. Рассмотрим в самых общих чертах принципы работы глобальной сети с коммутацией пакетов, использующей протокол TCP/IP. Этот протокол лежит в основе как сети Internet, так и многих других. Знание основ построения сети позволяет понять смысл многих действий, которые придется выполнять пользователю для получения доступа к многочисленным и разнообразным ресурсам сети.