Компьютерная сеть
 |
Основной автор данной статьи — эксперт. |
| Владимир Дмитриевич Ильин, учёный-информатик, доктор технических наук, профессор | |
Компьютерная сеть – (англ. network), система, состоящая из компьютеров и компьютерных устройств (принт-серверов, серверных веб-камер и др.), которые взаимодействуют по единым правилам, определённым сетевыми протоколами. Предназначена для обеспечения взаимодействия (людей, людей с техническими устройствами, технических устройств между собой и др.), совместного пользования сетевыми сервисами (электронной почтой, поисковыми системами, Вебом и др.), информационными ресурсами (онлайн-энциклопедиями, электронными библиотеками и др.), программными и аппаратными средствами.[1]
Основы построения и функционирования
Для объединения компьютеров и компьютерных устройств в компьютерную сеть применяются аппаратные средства (маршрутизаторы, коммутаторы, кабели, сетевые адаптеры, установленные на компьютерах, и др.) и программные средства, которые реализуют правила взаимодействия программных и аппаратных средств компьютерной сети, определённые сетевыми протоколами.
Сетевые протоколы соответствуют действующим в компьютерной сети сетевым технологиям (каждой из которых соответствует комплекс программно-аппаратно реализованных методов, определяющих функционирование компьютерной сети).
Уровни средств
По назначению программные и аппаратные средства компьютерной сети условно разделяют на три уровня:
– верхний – прикладные программы (серверы и клиенты электронной почты, веб-серверы и браузеры и др.);
– средний – программные средства, реализующие сетевые протоколы;
– нижний – сетевые аппаратные средства.
Сетевая адресация
Компьютеры и компьютерные устройства в составе сети имеют уникальные (в пределах конкретной сети) сетевые адреса (принадлежащие единому сетевому адресному пространству) и называются узлами компьютерной сети.
Формат и интерпретация сетевого адреса определяются применяемым сетевым протоколом (напр., если применяется IP-протокол, то узлы получают IP-адреса).
Сетевые пакеты
Взаимодействие между узлами осуществляется путём обмена сообщениями, разбитыми на небольшие блоки определённого формата (сетевые пакеты). Разбивку на пакеты, их сжатие (при необходимости) и др. осуществляют программы, реализующие сетевые протоколы. Оптические или электрические сигналы, соответствующие значениям битов в составе сетевых пакетов, передаются по медным или оптоволоконным кабелям, а также средствами беспроводной связи (напр., радиосигналами).
Сетевая среда передачи сигналов
Проводные и беспроводные среды передачи сигналов компьютерной сети называют сетевой средой передачи.
Её свойства определяют скорость прохождения сигналов и допустимые расстояния их эффективной передачи. Наибольшая скорость (июнь 2023 г.) в проводной среде достигается при передаче по оптоволоконным кабелям, а в беспроводной – при использовании технологии 5G.
Классификация по масштабу охватываемой территории
По размеру территории, охватываемой сетью, различают: локальные компьютерные сети (LANs – Local Area Networks); сети, охватывающие территории регионов, стран и др. (WANs – Wide Area NetWorks); глобальные сети (Global networks) и др. Самой крупной глобальной сетью является Интернет.
Сетевые протоколы
Эффективность функционирования компьютерной сети во многом определяется применяемыми сетевыми протоколами. Сети, построенные с использованием аппаратных и программных средств разных производителей, успешно взаимодействуют, если они соответствуют стандарту OSI (Open System Interconnection – взаимодействие открытых систем), разработанному Международной организацией по стандартизации ISO.
Семиуровневая модель OSI
Концепцию этого стандарта обычно поясняют, пользуясь семиуровневой моделью OSI, которая представляет собой иерархическую систему стандартизованных на международном уровне сетевых протоколов.
Множество протоколов разбито по функциональному назначению на семь взаимодействующих подмножеств, т. н. уровней абстракции (1 – физический, 2 – канальный, 3 – сетевой, 4 – транспортный, 5 – сеансовый, 6 – представление данных, 7 – прикладной).
Протоколы каждого уровня решают строго определённый комплекс задач и взаимодействуют только с протоколами смежных уровней (протоколы уровня 1 предоставляют сервисы протоколам уровня 2, те – протоколам уровня 3 и т.д.). Протоколы уровня 7 пользуются сервисами, предоставляемыми протоколами уровня 6, но не предоставляют никаких сервисов протоколам других уровней; протоколы уровня 1 не пользуются сервисами других уровней.
В узле-отправителе программы, реализующие протоколы, включаются в работу начиная с уровня 7, который отвечает за обмен сообщениями между приложениями (напр., браузером и веб-сервером). На этом уровне находятся протоколы DNS системы отображения доменных имён в IP-адреса, HTTP (см. Всемирная паутина) транспортировки гипертекстовых документов и др. В узле-получателе протоколы реализуются в обратном порядке, начиная с уровня 1, отвечающем за доставку потоков битов, согласование сигналов и др. (на этом уровне действуют протоколы Ethernet, Token Ring и др.).
Сетевые архитектуры
Сетевая архитектура определяет функциональное назначение узлов компьютерной сети и методы их взаимодействия.
Выбор сетевой архитектуры при создании сети определяется требованиями к её быстродействию, надёжности и др.
Наиболее распространены сетевые архитектуры «клиент-сервер» (client/server network) и «точка-точка» (peer-to-peer, сокращённо P2P).
«Клиент–сервер»
В сети с архитектурой «клиент-сервер» узлы разделены по функциональному назначению на клиенты и серверы. Клиенты отправляют запросы только серверам и не принимают запросы. Серверы обрабатывают запросы и отправляют клиентам то, что было запрошено (веб-страницу, сообщение электронной почты и др.). Серверы могут отправлять запросы друг другу (напр., при поиске файла).
«Точка–точка» (P2P)
В сетях с архитектурой «точка-точка» (P2P), называемых также пиринговыми, реализован принцип ролевой эквивалентности узлов (каждый узел является одновременно и сервером, и клиентом). С ростом числа узлов пиринговой сети растут её эффективность и надёжность. Пиринговая сеть сохраняет работоспособность даже при небольшом числе функционирующих узлов. Архитектуру «точка-точка» имеют, напр., т. н. файлообменные сети (служащие для быстрого и надёжного обмена файлами). Пиринговые сети эффективны также для распределённых вычислений, применяемых при решении сложных задач, решение которых даже на суперкомпьютере выполнялось бы недопустимо долго.
Гибридные компьютерные сети
В гибридных сетях, сочетающих быстродействие клиент-серверных и надёжность пиринговых, реализованы элементы обеих архитектур.
Топологии компьютерных сетей
Топология определяет конфигурацию связей между узлами сети.
Существуют следующие топологии сетей: «точка-точка» (point-to-point), «шина» (bus), «звезда» (star), «кольцо» (ring) и «решётка» (mesh).
«Точка-точка»
В сети с топологией «точка-точка» каждые два узла соединены между собой непосредственно.
«Шина»
В сети, имеющей топологию «шина», все узлы имеют общее соединение (при этом каждый узел получает не только сетевые пакеты, адресованные ему, но и сетевые пакеты, адресованные другим узлам).
«Звезда»
В сети с топологией «звезда» все узлы взаимодействуют через один общий узел (центр «звезды»), который может быть пассивным (не сортирующим проходящие через него пакеты) или активным (направляющим каждому узлу адресованные только ему пакеты).
«Кольцо»
В сети, имеющей топологию «кольцо», узлы соединены в кольцо (при этом через каждый узел проходят пакеты, направляемые из всех узлов, между которыми он расположен).
«Решётка»
В сети с топологией «решётка» каждый узел способен самостоятельно взаимодействовать с любым другим узлом.
Топологии «шина», «звезда» или «кольцо» обычно имеют локальные компьютерные сети (LANs). Другие топологии применяются в сетях со значительной территориальной распределённостью (WANs).
Проблемы и тенденции развития
Постоянно существующая необходимость разработок новых и совершенствования существующих сетевых технологий определена интенсивным ростом разнообразных сетевых сервисов (финансовых, образовательных, торговых и др.). Их реализация требует значительного увеличения пропускной способности, надёжности и информационной безопасности компьютерных сетей. При этом непрерывно растёт число сетевых узлов, представленных мобильными компьютерами и компьютерными устройствами (ноутбуками, смартфонами и др.), что требует поиска новых и развития действующих беспроводных сетевых технологий.
Всегда актуален комплекс проблем информационной безопасности сетевых технологий [включая защиту от несанкционированного доступа к информационным ресурсам, программным и аппаратным средствам, от вредоносных воздействий компьютерных вирусов[2], спама) и др.].
История
Первая в СССР компьютерная сеть была применена в советском комплексе ПРО «Система А» (генеральный конструктор Г. В. Кисунько), созданном в 1956—1960 годах. В сеть были объединены разработанные Институтом точной механики и вычислительной техники АН СССР компьютеры «Диана I» и «Диана II»[3] (руководители проектов С. А. Лебедев, В. С. Бурцев).
В 1969 году Агентством Министерства обороны США по перспективным исследованиям (DARPA) была создана компьютерная сеть ARPANET (англ. Advanced Research Projects Agency Network).
В 1970-е годы в Великобритании была разработана система доступа к автоматизированным базам данных на основе использования телефонных каналов, телевизоров и клавиатуры, получившая название Видеотекс. Наибольшее развитие Видеотекс получил во Франции, где эта система получила название Минитель.
Успехи в разработке и производстве компьютерных комплектующих (процессоров, элементов оперативной памяти и др.), технологиях передачи данных между компьютерами ускорили создание (в 1980-е годы) глобальной сети Интернет.
В середине 1980-х годов были утверждены и стали действовать международные стандарты для технологий объединения компьютеров в сеть: Ethernet, Arcnet, Token Ring.
Мощным стимулом для развития сетевых технологий стало массовое применение персональных компьютеров.
Примечания
Литература
- Таненбаум Э, Уэзеролл Д. Компьютерные сети. — Питер, 2012. — 960 с. — ISBN 978-5-459-00342-0.