Что такое компьютерные сети и их компоненты, функции, топология сетей.

Авг. 3, 2013 | Теги: Cisco ICDN

Для максимально эффективного использования каналов связи между конечными пользователями необходимо понимать преимущества и принцип работы компьютерных сетей. В этом занятии описывается концепция компьютерных сетей, перечисляются компоненты компьютерной сети и объясняются преимущества сетей для пользователей.

 

Что такое сеть?

В этом разделе описываются характеристики и среды сетей разных типов и приводятся примеры сетей.

Компьютерная сеть

 

Компьютерная сеть – это набор устройств и конечных систем (например компьютеров и серверов), которые соединены между собой и могут обмениваться данными друг с другом. Компьютерные сетислужат для передачи данных в различных средах, включая жилые помещения, небольшие компании и крупные предприятия. Крупное предприятие может располагаться на нескольких площадках, которые должны поддерживать связь друг с другом. Эти площадки (то есть места, где находятся сотрудники компании) можно описать следующим образом.

  • Главный офис. Главный офис – это площадка, в которой все сотрудники связаны через сеть, и где хранится значительная часть данных компании. В главном офисе могут работать сотни и даже тысячи людей, которые нуждаются в доступе к сети для выполнения своих обязанностей. В главном офисе могут использоваться несколько соединенных между собой сетей, охватывающих несколько этажей офисного здания или комплекс зданий (кампус).
  • Удаленные площадки. Различные удаленные, которые используют сети для связи с главным офисом или между собой.
Филиалы. В филиалах работают и взаимодействуют через сеть менее многочисленные группы сотрудников. Хотя в филиалах может храниться часть данных компании, более вероятно, что в филиале используются локальные сетевые ресурсы (например, принтеры), но большинство сотрудников получают доступ к информации непосредственно из главного офиса.
Домашний офис. Если сотрудники работают на дому, их место работы называется домашним офисом. Часто сотрудникам, работающим на дому, необходимо подключение по требованию к главному офису или филиалу для доступа к информации или использования сетевых ресурсов (например файлового сервера).
Мобильные пользователи. Мобильные пользователи подключаются к сети главного офиса, находясь в главном офисе, в филиале или в дороге. Требования мобильных пользователей к доступу зависят от того, где они находятся.

Можно использовать компьютерную  сеть в домашнем офисе для подключения к Интернету и поиска информации, размещения заказов на различные товары и обмена сообщениями с друзьями. Также можно организовать небольшой офис, снабженный сетью, соединяющей другие компьютеры и принтеры в офисе. Или можно работать на крупном предприятии, где для обмена данными и для хранения информации большого числа отделов, расположенных на обширных площадях, используется множество компьютеров, принтеров, систем хранения информации и серверов.

Компоненты сети

В этом разделе перечисляются типовые физические компоненты сети, включая ПК, соединительные устройства, коммутаторы и маршрутизаторы.

Компоненты сети

 

Компьютерная сеть состоит из следующих физических компонентов:

  • Персональные компьютеры (ПК). Компьютеры являются конечными устройствами сети, которые отправляют и получают данные.
  • Соединительные устройства. Соединительные устройства – это компоненты, позволяющие передавать данные из одной точки сети в другую. В эту категорию входят следующие компоненты:
сетевые адаптеры (NIC), которые преобразуют данные компьютера в формат, который позволит передавать их по локальной сети;
cетевая среда передачи (например кабели или беспроводные среды), которые служат для передачи сигнала от одного сетевого устройства к другому;
разъемы, которые предоставляют точки подключения носителей.
  • Коммутаторы. Коммутаторы – это устройства, обеспечивающие подключения сети к конечным системам и выполняющие интеллектуальную коммутацию данных внутри локальной сети.
  • Маршрутизаторы. Маршрутизаторы служат для соединения сетей между собой и выбора наилучшего пути между ними.

Интерпретация схемы сети

В этом разделе описаны стандартные условные обозначения компонентов компьютерной сети, включая ПК, коммутаторы и маршрутизаторы.

Схема сети

 

Схема сети используется для отображения информации о ней. Объем и детализация отображаемой информации варьируются в зависимости от организации. Топология сети, как правило, представляется с помощью линий и значков. При наличии свободного места могут быть включены другие сведения. Например, часто указывается интерфейс устройства в следующих форматах: s0/0/0 для последовательного интерфейса или fa0/0 для интерфейса Fast Ethernet. Также часто включают сетевые адреса сегмента в формате 10.1.1.0/24, где 10.1.1.0 обозначает сетевой адрес, а /24 – маску подсети.

Функции и преимущества совместного использования ресурсов

В этом разделе описаны основные функции совместного использования ресурсов в компьютерной сети, и преимущества этих функций для конечных пользователей.

Функции и преимущества совместного использования ресурсов

 

 Совместное использование ресурсов

Благодаря использованию компьютерных сетей конечные пользователи могут совместно использовать как информационные, так и аппаратные ресурсы. Основные ресурсы, которые можно использовать совместно в компьютерной сети перечислены ниже.

  • Данные и приложения. Когда пользователи соединены через сеть, они могут совместно использовать файлы и даже приложения, что упрощает доступ к данным и повышает эффективность совместной работы над проектами.
  • Ресурсы. Возможно совместное использование как устройств ввода (например, камер), так и устройств вывода информации (например, принтеров).
  • Сетевое хранение. В настоящее время существует несколько способов хранения информации с использованием сети. Система хранения с прямым подключением (Direct Attached Storage DAS) позволяет напрямую подключить физический носитель к ПК или общему серверу. Система сетевого хранения данных (Network Attached Storage NAS) позволяет обеспечивает хранение данных с использованием специального сетевого оборудования. И, наконец, сети хранения данных (Storage Aria Networks SAN) представляют собой сети устройств хранения.
  • Устройства резервного копирования. Кроме того, в сеть могут входить устройства резервного копирования (например, накопители на магнитной ленте), позволяющие хранить файлы с нескольких компьютеров. Сетевые хранилища также используется для архивирования, обеспечения непрерывности бизнеса и аварийного восстановления.

Общее преимущество для пользователей, подключенных к сети, – это возможность эффективно использовать общие компоненты, необходимые для выполнения повседневных задач (обмена файлов, использования принтеров и хранения данных). Эта эффективность позволяет снизить издержки и повысить производительность.

В последние годы открытость, которая когдато была доминирующей характеристикой сетей, сменилась необходимостью соблюдать осторожность. Было много хорошо известных случаев «кибервандализма», в ходе которых производилось вторжение как в конечные системы, так и в сетевые устройства. Таким образом, администратору следует найти компромисс между безопасностью сетей и потребностью в сетевых подключениях.

Сетевые приложения

Для пользователей в сетевом окружения доступно множество приложений, а некоторые приложения используются практически всеми пользователями. В этом разделе описываются распространенныесетевые приложения.

Сетевые приложения

  • Электронная почта (Outlook, POP3, Yahoo и т. д.)
  • Обозреватель (IE, Firefox и т. д.)
  • Мгновенныйобмен сообщениями(YahooIM,Microsoft Messenger и т. д.)
  • Совместная работа (Whiteboard, Netmeeting, WebEx и т. д.)
  • Базы данных (файловые серверы)

К самым распространенным сетевым пользовательским приложениями относятся:

  • Электронная почта. Электронная почта – это очень важное приложение для большинства пользователей сети. Пользователи могут оперативно передавать информацию (сообщения и файлы) в электронном виде не только пользователям своей сети, но и пользователям за ее пределами (например поставщикам, на информационные ресурсы и клиентам). Примеры программам для работы с электронной почтой: Microsoft Outlook, Qualcomm Eudora.
  • Обозреватель. Благодаря обозревателю пользователь может получать доступ в Интернет через общий интерфейс. В Интернете можно получить доступ к огромным объемам информации, и он стал совершенно необходим как для бытовых, так и для корпоративных пользователей. Обозреватели предоставляют общий интерфейс для общения с поставщиками и клиентами, обработки и выполнения заказов и поиска информации. Теперь эти операции, как правило, производятся в электронном виде через Интернет, что позволяет сэкономить время и повысить производительность. К наиболее популярным обозревателям относятся Microsoft Internet Explorer, Netscape Navigator, Mozilla и Firefox
  • Мгновенный обмен сообщениями. Мгновенный обмен сообщениями появился как средство личного общения между пользователями, однако вскоре он принес значительные выгоды в корпоративный мир. Доступно множество приложений мгновенного обмена сообщениями (таких, как AOL

и Yahoo), обеспечивающих функции шифрования и регистрации данных, в которых нуждаются компании.

  • Совместная работа. Совместная работа групп или отдельных пользователей значительно упрощается при использовании сети. Например, сотрудники, создающие отдельные части ежегодного отчета или бизнесплана, могут либо передавать свои файлы на центральный ресурс для составления единого документа, либо использовать приложения рабочей группы для создания и изменения всего документа без необходимости в обмене бумажными копиями. Одной из самых известных программ для совместной работы является Lotus Notes.
  • Базы данных. Приложения этого типа позволяют пользователям в сети хранить информацию на централизованных узлах (например на файловых серверах), чтобы другие пользователи в сети могли легко загрузить выбранную информацию в тех форматах, которые для них наиболее удобны.

Влияние пользовательских приложений на работу сети

Приложения могут влиять на работу сети, а работа сети может влиять на работу приложений. В этом разделе описываются типовое взаимодействие между пользовательскими приложениями и сетью.

 

Влияние пользовательских приложений на работу сети

• Пакетные приложения

FTP, TFTP, обновление доступных ресурсов
Нет непосредственного вмешательства пользователя
Полоса пропускания важна, но не играет решающей роли

• Интерактивные приложения

Запросы о доступных ресурсах, обновление баз данных.
Взаимодействие между человеком и компьютером.
Поскольку пользователь ожидает ответа, время реакции системы важно, но не играет решающей роли, если только ожидание не становится слишком долгим.

• Приложения реального времени

VoIP, видео
Взаимодействие между двумя пользователями
Крайне важно поддерживать стабильное значение времени задержки

 

Традиционно при рассмотрении взаимодействия между сетью и приложениями, работающими в ней, основное внимание уделяется полосе пропускания. Такие пакетные приложения, как FTP, TFTP и обновление доступных ресурсов, запускаются пользователем, их работа и завершение управляется программно без прямого вмешательства со стороны пользователя. Поэтому полоса пропускания важна, но не играет решающей роли при условии, что для завершения приложения не требуется слишком много времени. Такие интерактивные приложения, как запросы о доступных ресурсах или обновления баз данных, требуют большего участия человека. Пользователь должен получить с сервера какието сведения, а потом ожидать ответа. Полоса пропускания в этом случае более важна, поскольку при сильной задержке ответа пользователи могут проявлять нетерпение. Однако ширина полосы пропускания снова не играет решающей роли, поскольку время ответа зависит не столько от сети, сколько от сервера. В большинстве случаев функции QoS могут преодолеть ограничения, накладываемые полосой пропускания, за счет предоставления интерактивным приложениями приоритета над пакетными приложениями.

Подобно интерактивным приложениям, приложения в реальном времени (например, VoIP и видеоприложения) подразумевают участие человека. Объемы передаваемой информации предъявляют серьезные требования к полосе пропускания. Кроме того, поскольку эти приложения предъявляют значительные требования к синхронизации, большую роль играет время запаздывания (задержка в сети). Даже колебания времени запаздывания могут оказывать влияние на сеть. При этом обязательным является не только приемлемое значение полосы пропускания, но и функции QoS. VoIP и видеоприложения должны получать максимальный приоритет.

Сейчас конечных пользователей атакуют рекламные объявления, указывающие, сколько они смогут сэкономить, перейдя на технологию VoIP, при этом подразумевается, что процесс установки очень несложен и ограничивается установкой в сети маршрутизатора VoIP. Это, как правило, справедливо для домашних сетей, но может привести к катастрофе в небольшой корпоративной сети. Простая установка маршрутизатора VoIP в сети не обеспечивает ни достаточной полосы пропускания для Интернета, ни приемлемой схемы QoS. В результате прежде работавшие приложения начинают выполняться так медленно, что их невозможно использовать, когда ктонибудь говорит по телефону, и качество голоса значительно снижается. Обе проблемы можно решить путем правильного проектирования сети.

Характеристики компьютерной сети

В этом разделе описывается набор характеристик, которые обычно используются для описания и сравнения сетей разных типов.

Характеристики компьютерной сети

  • Скорость
  • Стоимость
  • Безопасность
  • Доступность
  • Масштабируемость
  • Надежность
  • Топология

Сети можно описывать и сравнивать, используя следующие характеристики ее производительности и структуры:

  • Скорость. Скорость определяет, насколько быстро данные передаются по сети. Более точным является термин «скорость передачи данных».
  • Стоимость. Стоимость включает общую стоимость компонентов, установки и технического обслуживания сети.
  • Безопасность. Безопасность описывает степень безопасности сети, включая безопасность данных, передаваемых по сети. Безопасность очень важна и постоянно развивается. При выполнении действий, влияющих на сеть, необходимо учитывать проблему безопасности.
  • Доступность. Доступность описывает вероятность того, что сеть будет доступна для использования, когда это будет необходимо. Для сетей, которые предполагается использовать 24 часа в день, 7 дней в неделю, 365 дней в году, доступность вычисляют, разделив время, когда сеть фактически доступна, на общее время в году, а затем умножив результат на 100, чтобы выразить полученное значение в процентах.

Например, если сеть недоступна в течение 15 минут в год изза простоев сети, процент ее доступности можно вычислить следующим образом:

([количество минут в году – время простоя сети] / [количество минут в году])

* 100 = процентная доступность

([525 600 – 15] / [525 600]) * 100 = 99,9971

  • Масштабируемость. Масштабируемость обозначает, насколько хорошо сеть может удовлетворить потребности большего числа пользователей и требования к передаче большего объема данных. Если сеть спроектирована и оптимизирована только с учетом текущих требований, будет очень дорого и сложно обеспечивать соответствие новым требованиям, возникающим по мере роста сети.
  • Надежность. Надежность означает безотказность компонентов (маршрутизаторов, коммутаторов, ПК и т. д.), составляющих сеть. Она часто измеряется как вероятность отказа или как среднее время между отказами (mean time between failures MTBF).
  • Топология. В сетях применяется два типа топологии: физическая топология (физическое расположение кабелей, сетевых устройств и конечных систем, таких как ПК и серверы) илогическая топология, которая описывает пути, по которым сигналы передаются через физическую топологию.

Эти характеристики и свойства позволяют сравнивать разные сетевые решения.

Топологии сетей.

Категории физической топологии

Топология сети

У каждой сети есть как физическая, так и логическая топология.

Физическая топология

Физическая топология сети описывает физическое расположение устройств и кабелей. Для каждого типа физической топологии необходимо подбирать соответствующий тип кабелей (витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель и т. д.). Следовательно, для понимании каждого типа физической топологии необходимо понять, какой тип кабеля в ней используется. Ниже приведены три основные категории физических топологий.

  • Шинная. В первых шинных топологиях компьютеры и другие сетевые устройства соединялись последовательно с использованием коаксиального кабеля. В современных шинных топологиях шина реализована в виде отдельного устройства, хосты подсоединяются к шине с помощью витой пары.
  • Кольцевая. Компьютеры и другие сетевые устройства соединяются кабелем, причем последнее устройство подсоединяется к первому с образованием окружности или кольца. К топологиям этого типа относятся кольцевые и двойные кольцевые топологии. Физическое подключение обеспечивается коаксиальным или оптоволоконным кабелем.
  • Звездообразная. Компьютеры и другие сетевые устройства соединены через центральное кабельное устройство. К топологиям этого типа относятся звездообразные и иерархические звездообразные топологии. Физические подключения, как правило, реализуются с помощью витой пары.

Логическая топология

Логическая топология

 

Логическая топология

Логическая топология сети описывает логические пути, по которым сигналы передаются от одного узла сети на другой, т. е. способ доступа к сетевым носителям и передачи пакетов по ним.

Физическая и логическая топология сети могут совпадать. Например, если сеть физически организована как линейная шина, данные перемещаются вдоль кабеля. Следовательно, эта сеть обладает физической шинной топологией и логической шинной топологией.

С другой стороны, сеть может обладать совершенно различными физической и логической топологиями. Например, физическая топология может иметь форму звезды, в которой все компьютеры подключены отрезками кабеля к центральному концентратору, но при этом обладать логической кольцевой топологией. В кольце данные передаются от компьютера к компьютеру, поэтому внутри концентратора используются соединения проводов, в которых сигнал передается по кольцу от одного порта к другому, создавая логическое кольцо. Следовательно физическая схема не всегда достаточна для прогноза перемещения данных по сети.

В настоящее время самой распространенной схемой реализации локальных сетей являетсязвездообразная топологияEthernet использует логическую шинную топология как в физической шинной, так и физической звездообразной топологии. Концентратор Ethernet – пример физической звездообразной топологии в сочетании с логической шинной топологией.

Шинная топология

Часто называется линейной шиной. Все устройства в шинной топологии соединены с помощью одного кабеля. В этом разделе описывается шинная топология.

Шинная топология

Шинная топология

 

• Все устройства принимают сигнал.

Как показано на рисунке, в шинной топологии кабель идет от одного компьютера к другому, подобно автобусной линии, проходящей через город. Основной участок кабеля должен заканчиваться терминатором, поглощающим сигнал, когда он достигает конца линии или провода. Если терминатор не установлен, электрический сигнал, соответствующий данным, отражается в конце кабеля, вызывая ошибки в сети.

Звездообразная топология

Звездообразная топология — наиболее часто встречающаяся топология в локальных сетях Ethernet. В этом разделе описываются звездообразные и иерархические звездообразные топологии.

Звездообразная топология

 Звездообразная топология

  • Передача данных через центральный узел.
  • Критическая точка отказа.

При установке звездообразная топология напоминает спицы в велосипедном колесе. Она состоит из центральной точки подключения (концентратор, коммутатор или маршрутизатор), в которой соединяются все сегменты кабеля. Каждое устройство в сети подключено к центральному устройству с помощью отдельного кабеля.

Звездообразная топология

Хотя реализация физической звездообразной топологии стоит дороже, чем реализация физической шинной топологии, преимущества звездообразной топологии оправдывают дополнительные затраты. Каждое устройство подключено к центральному устройству с использованием отдельного кабеля, поэтому при неисправности этого кабеля затронуто только одно устройство, а остальная сеть остается в рабочем состоянии. Это преимущество крайне важно и является одной из причин, по которым почти все локальные сети Ethernet, спроектированные в последнее время, имеют физическую звездообразную топологию.

Иерархическая звездная топология

Иерархическая звездная топология

 

• Более устойчива, чем звездообразная топология.

Иерархическая звездообразная топология

При расширении звездообразной топологии за счет добавления к сети дополнительных сетевых устройств, подключаемых к основным сетевым устройствам, топология называется «иерархической звездной топологией».

Но у чистой иерархической звездной топологии есть недостаток: при неисправности центрального узла большие фрагменты сети оказываются изолированными.

Кольцевые топологии

Как понятно из названия, в кольцевой топологии все устройства в сети соединены окружностью или кольцом. В этом разделе описывается кольцевая топология.

Кольцевая топология

Кольцевая топология

 

  • Сигналы передаются по кругу.
  • Критическая точка отказа.

 

В отличие от физической шинной топологии в кольцевой топологии нет начальной и конечной точек, в которых необходимо подавлять сигнал. Данные передаются совершенно не так, как это происходит в логической шинной топологии. В одной из реализаций, «маркер» перемещается вдоль кольца, останавливаясь на каждом устройстве. При передаче данных устройство добавляет данные и адрес назначения к маркеру. Далее маркер продолжает двигаться по окружности, пока не находит устройство назначения, которое извлекает данные из маркера. К преимуществам этого типа топологии относится отсутствие коллизий пакетов данных. Существуют два типа кольцевой типологии: одиночная кольцевая и двойная кольцевая.

Одиночная кольцевая топология

В одиночной кольцевой топологии все устройства сети расположены на одном кабеле, и данные передаются только в одном направлении. Каждое устройство ждет своей очереди для передачи данных по сети. Однако одиночное кольцо может пострадать от единственного отказа, в результате которого все кольцо прекращает функционировать.

Двойная кольцевая топология

Двойная кольцевая топология

 

  • Сигналы передаются в противоположных направлениях.
  • Более устойчива, чем сеть, состоящая из одного кольца.

Двойная кольцевая топология

В двойной кольцевой топологии два кольца позволяют передавать данные в обоих направлениях. В такой конфигурации создается резервирование (отказоустойчивость). Это означает, что при неисправности в одном кольце данные можно передавать по другому.

Полносвязная и частичносвязная топология

Такая топология схожа со звездообразной топологией. В этом разделе описаны полносвязная и частичносвязная топология.

 

Полносвязная топология

Полносвязная топология

В полносвязной топологии все устройства (или узлы) соединены друг с другом, что обеспечивает резервирование и отказоустойчивость. Внедрение полносвязной топологии дорого и сложно. Этот вид топологии наиболее устойчив к сбоям, поскольку отказ одного канала не влияет на доступность сети.

Частичносвязная топология

Частичносвязная топология

 

• Компромисс между отказоустойчивостью и стоимостью

Частичносвязная топология

В частичной топологии, по крайней мере, одно устройство связано со всеми другими устройствами, но полносвязная сеть не формируется. При использовании такого способа соединения можно снизить стоимость за счет того, что не все устройства связаны со всеми остальными, и проектировщик сети получает возможность выбрать, какие узлы наиболее важны, и должным образом обеспечить их взаимное соединение.

Если вы не нашли ответ, то попробуйте найти его здесь

Получать новые статьи на Email

<< Маршрутизация, таблицы маршрутизации и маршрутизаторы cisco Модель OSI и ее уровни, стек протоколов TCP/IP >>


Категории

Последние

Обсуждаем

Подписка на новости