Компьютерные сети. Основные понятия

Введение
Тема изучения компьютерных сетей актуальна ввиду того, что объединение компьютеров в сеть дает пользователям широкий спектр возможностей, несравнимых с возможностями локальных ПК:
организация передачи файлов от одного ПК к другим;
совместное использование аппаратных и вычислительных ресурсов;
совмещение распределенной обработки данных на нескольких ПК с централизованным хранением информации;
коллективное использование технических ресурсов.
Компьютерная или вычислительная сеть (КС) — это система, обеспечивающая обмен данными между вычислительными устройствами (компьютерами, серверами, маршрутизаторами) и другим оборудованием.
Для передачи информации в сети могут быть использованы различные виды электрических сигналов. Под линиями связи понимают среду передачи данных. Кроме того, КС использует различные компоненты КС (программные и аппаратные).
Объектом исследования данной работы является КС. Предмет исследования – принципы и основы построения КС. Цель работы – получение концептуального представления о понятии КС.
Для достижения поставленной цели требуется решить ряд исследовательских задач:
рассмотреть классификацию КС;
исследовать понятия локальной и глобальной КС;
ознакомиться с компонентами КС;
изучить топологии КС;
рассмотреть технологии построения КС;
исследовать принципы построения КС.
1. Компьютерные сети. Основные понятия
1.1. Классификация компьютерных сетей
КС можно классифицировать по следующим признакам:
1. по типу среды передачи (физической среды, которая используется для соединения компьютеров);
2.   по скорости передачи информации;
3.   по ведомственной принадлежности;
4. по способу организации
5.   по территориальной распространенности;
6. по топологии.
По типу среды передачи КС подразделяются на:
проводные;
беспроводные.
В качестве линий связи могут использоваться:
ИК-лучи (обеспечивают передачу информации между ПК, находящимися в пределах одной комнаты);
электрические провода (кабель «витая пара» обеспечивает связь между компьютерами на расстояние до 100м, коаксиальные кабели – до 500м);
оптоволоконные кабели (обеспечивают связь на расстояние нескольких десятков километров);
телефонные линии, радиосвязь, спутниковая связь соединяют компьютеры в любой точке планеты.
По скорости передачи информации КС подразделяются на:
низкоскоростные (скорость передачи информации до 10 Мбит/с); 
среднескоростные (скорость передачи информации до 100 Мбит/с); 
высокоскоростные (скорость передачи информации свыше 100 Мбит/с).
По ведомственной принадлежности КС подразделяются на:
Ведомственные сети (принадлежат одной организации и располагаются на ее территории).
Государственные сети – это сети, используемые в государственных структурах.
По способу организации КС подразделяются на:
Реальные сети (позволяют связывать компьютеры с помощью специальных устройств коммутации и физической среды передачи данных).
Искусственные (псевдосети) (позволяют связывать компьютеры вместе через последовательные или параллельные порты и не нуждаются в дополнительных устройствах).
По территориальной распространенности
Локальные (ЛВС) - это сети, состоящие, как правило, из близко расположенных компьютеров. ЛВС, охватывающие некое предприятие или фирму и объединяющие разнородные вычислительные ресурсы в единой среде, называют корпоративными.
Глобальные – это сети, рассчитанные на неограниченное число абонентов.
Региональные сети соединяет несколько локальных сетей, географически удаленных друг от друга.
ЛВС  состоят обычно из близко расположенных компьютеров. Стоит заметить, что некоторые из ЛВС обеспечивают связь даже на расстоянии до нескольких десятков км.
Отличительные признаки  ЛВС от ГВС заключаются в следующем:
1. Высокая скорость передачи данных, большая пропускная способность. В данный момент, в основном используется скорость до 100 Мбит/с.
Низкий уровень ошибок передачи данных. Допустимая вероятность ошибок передачи данных варьируется в пределах от 10-8 до 10-12.
Быстродействующий и эффективный механизм управления обменом данных по сети.
Ограниченное заранее количество компьютеров в сети.
ЛВС подразделяются на:
одноранговые (одноуровневые) – это сеть равноправных компьютеров, каждый из которых имеет уникальное имя и пароль для входа в сеть во время загрузки операционной системы.
иерархические (многоуровневые, сети с выделенным сервером) имеют один или несколько специальных компьютеров – серверов, на которых хранится информация, совместно используемая разными пользователями.
Глобальные вычислительные сети (ГВС) – это объединение компьютеров, расположенных на большом расстоянии, для общего использования мировых информационных ресурсов. Используют не слишком качественные каналы связи и сравнительно низкую скорость передачи. А механизм управления обменом в них не может быть гарантированно быстрым. В ГВС гораздо важнее не качество связи, а сам факт ее существования.
Некоторые ГВС построены исключительно для организаций, другие являются средством коммуникации корпоративных ЛВС с сетью Интернет или посредством Интернет с удаленными сетями, входящими в состав корпоративных.
Чаще всего ГВС опирается на выделенные линии, на одном конце которых маршрутизатор подключается к ЛВС, а на другом коммутатор связывается с остальными частями ГВС.
Технология Интернет включает:
единый способ подключения отдельного компьютера или ЛВС к ГВС;
единые правила передачи данных;
единую систему идентификации компьютера в сети (сетевой адрес).
1.2. Компоненты компьютерной сети
Для организации КС необходимо наличие следующих компонентов:
сетевого ПО;
физической среды передачи данных;
коммутирующих устройств.
1. Сетевое ПО состоит из двух важнейших компонентов:
сетевого ПО, устанавливаемого на компьютерах-клиентах;
сетевого ПО, устанавливаемого на компьютерах-серверах.
Сетевая ОС связывает все компьютеры и периферийные устройства в сети, координирует функции всех компьютеров и периферийных устройств в сети, обеспечивает защищенный доступ к данным и периферийным устройствам в сети.
2. Физическая среда передачи данных определяет:
скорость передачи данных в сети;
размер сети;
требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа и т.д.), который необходимо организовать;
требования к уровню шумов и помехозащищенности;
общую стоимость проекта, включающая покупку оборудования, монтаж и последующую эксплуатацию.
3. Коммутирующие устройства предназначены для связи сегментов сети.
Кабельный сегмент сети - цепочка отрезков кабелей, электрически соединенных друг с другом.  Логический сегмент сети, или просто сегмент - группа узлов сети, имеющих непосредственный доступ друг к другу на уровне пакетов канального уровня.
К коммутирующим устройствам относятся:
1. Концентратор (Hub) - устройство физического подключения нескольких сегментов или лучей, обычно с возможностью соединения сетей различных архитектур (рис. 1).
Рисунок 1 - Сетевой концентратор TP-Link TL-SG1005D 5-Port Интеллектуальный концентратор имеет специальные средства для диагностики и управления, что позволяет оперативно получать сведения об активности и исправности узлов, отключать неисправные узлы. Стоимость существенно выше, чем у обычных. 
Активный хаб  усиливает сигналы, требует источника питания.  Пассивный хаб только согласует импедансы линий (в сетях ArCnet). 
2. Сетевой коммутатор (switch) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети (рис. 2). 
Рисунок 2 - Сетевой коммутатор D-Link DGS-1016D
3. Повторитель (repeater) - устройство для соединения сегментов одной сети, обеспечивающее промежуточное усиление и формирования сигналов. Позволяет расширять сеть по расстоянию и количеству подключенных узлов (рис. 3). 
Рисунок 3 - Повторитель RP 60044. Мост (Bridge) - средство передачи пакетов между сетями (локальными), для протоколов сетевого уровня прозрачен. Осуществляет фильтрацию пакетов, не выпуская из сети пакеты для адресатов, находящихся внутри сети, а также переадресацию - передачу пакетов в другую сеть в соответствии с таблицей маршрутизации или во все другие сети при отсутствии адресата в таблице.
5. Маршрутизатор (router) - средство обеспечения связи между узлами различных сетей, использует сетевые (логические) адреса. Сети могут находиться на значительном расстоянии, и путь, по которому передается пакет, может проходить через несколько маршрутизаторов (рис. 4).
Рисунок 4 - Беспроводной маршрутизатор D-Link  DIR-816L
6. Brouter (Bridging router) - комбинация моста и маршрутизатора, оперирует как на сетевом, так и на канальном уровне.
7. Шлюз (Gateway) - средство соединения существенно разнородных сетей. В отличие от повторителей, мостов и маршрутизаторов, прозрачных для пользователя, присутствие шлюза заметно. Шлюз выполняет преобразование форматов и размеров пакетов, преобразование протоколов, преобразование данных, мультиплексирование. Обычно реализуется на основе компьютера с большим объемом памяти. 
1.3. Топологии построения компьютерных сетей
Физическая топология сети определяет расположение ее монтажных соединений, задает схему соединения между собой элементов сети -электрических соединений. Физическая топология тем самым определяет, что может произойти в сети при выходе из строя определенного узла.
Топология сети определяется геометрической формой сети и физическим расположением компьютеров в сети по отношению друг к другу. Топология сети позволяет сравнивать и классифицировать различные сети. Всего существуют три основных вида топологии сети: шина, кольцо и звезда, а также ряд их разновидностей.
Шинная топология подразумевает, что при построении сети каждый компьютер присоединен к общему кабелю с установленными заглушками-терминаторами на концах. Таким образом, сигнал проходит через все компьютеры сети и отражается от конечных терминаторов (рис. 5).
Рисунок 5 - Топология «Общая шина»
Шина проводит цифровой сигнал из одного конца сети к другому, при этом каждый компьютер - рабочая станция осуществляет проверку адреса послания. Если одна из рабочих станций неисправна/выключена, то это не оказывает влияние на работу сети. Однако, в случае повреждения соединения любой из подключенных рабочих станций (неисправный контакт в разъеме, обрыв кабеля, неисправность терминатора) - весь участок кабеля между двумя терминаторами - сегмент сети становится неработоспособным, т.е. приводит к нарушению функционирования всей сети.
По шинной топологии строились первоначальные локальные вычислительные сети на коаксиальном кабеле (рис. 6). В данный момент такие сети считаются устаревшими и заменены топологией «Звезда» с использованием витой пары.
Рисунок 6 - Подключение посредством коаксиального кабеля
Топология «Кольцо» является последовательным соединением рабочих станций, при котором последняя соединена с первой (рис. 7). Таким образом, цифровой сигнал проходит по кольцу в одном направлении от одной станции к другой. А рабочая станция работает при этом как повторитель, усиливает сигнал и передает его дальше. Поскольку сигнал проходит через каждую станцию, то сбой любой из них приведет к нарушению функционирования всей сети. На такой линии связи работает только один передатчик/приемник, что позволяет отказаться от использования внешних терминаторов. Однако, топология «Кольцо» также используется крайне редко, а основное ее применение - оптоволоконные сети стандарта Token Ring.
Рисунок 7 - Топология «Кольцо»
1.3. Сетевые технологии
Технология Arcnet довольно простая, надежная, гибкая и недорогая архитектура локальной сети. При подключении устройств в Arcnet используют топологии «Звезда» и «Общая шина».
Для организации сети Arcnet необходимо использовать сетевой адаптер. В качестве передающей среды применяются: коаксиальный кабель RG-62, витая пара или оптоволоконный кабель. Скорость передачи данных составляет до 2,5 Мбит/с.
Достоинства Arcnet: достаточно низкая стоимость сетевого оборудования и большая длина сети (порядка 6 км). Однако из-за низкой скорости передачи данных сетей Arcnet сейчас используются редко.
Технология Token Ring в качестве передающей среды использует неэкранированную/экранированную витую пару и оптоволоконный кабель. Скорость передачи данных достигает до 16 Мбит/с.
Технология 100BaseVG-AnyLAN была разработана с целью объединить в одном стандарте поддержку Ethernet и Token Ring и рассчитана на передачу данных со скоростью 100 Мбит/с по витой паре или оптоволокну.
Технология Ethernet занимает в настоящее время абсолютно лидирующую позицию. В качестве сред передачи используются следующие: тонкий и толстый коаксиальный кабель, радио среда, витая пара категорий и многомодовое оптоволокно. Скорости которые поддерживает данное семейство технологий – 10, 100, 1000 и 10000 Мбит/с.
1.4. Принципы построение компьютерной сети
Для построения сети используют протокол TCP/IP - самый распространенный протокол в настоящее время, разработан ARPANET, он предназначен для соединения сетей с различным оборудованием. Состоит из двух частей, TCP и IP. Каждая часть предназначена для решения собственных задач.
Протокол IP позволяет устанавливать связь как между ЛВС, так и между компьютерами. IP-адрес - это уникальный сетевой адрес узла в КС, построенной по протоколу IP. В процессе работы ПК (или другому сетевому устройству) в локальной сети требуется уникальность адреса (адрес несовпадающий с другими) в пределах этой сети. В версии протокола IPv4 IP-адрес имеет длину 4 байта, состоит из 4-х групп цифр (как представлено на рис.10). Идентификатор сети Идентификатор узла
Идентификатор сети Идентификатор узла
Рисунок 8 - Структура IP-адреса
Каждый IP-адрес состоит из двух частей: идентификатора сети и идентификатора узла. Первый служит для обозначения всех узлов в одной физической сети. Второй обозначает конкретный узел сети.
 В случае если сеть изолирована, администратор может выбрать ее адрес из специально зарезервированных для подобных сетей блоков IP-адресов. В одной и той же сети не может быть совпадающих IP-адресов, в противном случае выйдет конфликт адресов, и связь будет невозможна.
Для обеспечения гибкости в назначении адресов компьютерным сетям разработчики определили, что адресное пространство протокола IP должно быть разделено на три основных класса - A, B и C. Каждый из этих основных классов фиксирует границу между сетевым префиксом и номером хоста в разных точках 32-разрядного адреса.
Немаловажным параметром сети является маска сети, она выделяет часть IP-адреса и позволяет TCP/IP отличить идентификатор сети от идентификатора узла. Пытаясь связаться, узлы TCP/IP используют маску подсети (в нашем случае - 255.255.255.0), чтобы определить, находится узел-получатель в локальной или удаленной сети. Маска подсети - это число, двоичная запись которого содержит единицы в разрядах, интерпретируемых как номер сети. Маска подсети позволяет провести четкую границу между двумя частями IP-адреса. Одна часть идентифицирует номер подсети, вторая - предназначается для идентификации хостов в этой подсети.
DHCP  - это протокол динамической настройки узла, который позволяет компьютерам автоматически получать IP-адрес и другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP. Данный протокол работает по модели «клиент-сервер».
Для автоматической конфигурации компьютер-клиент на этапе конфигурации сетевого устройства обращается к так называемому серверу DHCP и получает от него нужные параметры. Сетевой администратор может задать диапазон адресов, распределяемых сервером среди компьютеров. Это позволяет избежать ручной настройки компьютеров сети и уменьшает количество ошибок. Протокол DHCP используется в большинстве сетей TCP/IP.
DNS-сервер используется для получения IP-адреса по имени хоста (компьютера или устройства), получения информации о маршрутизации почты, обслуживающих узлах для протоколов в домене. Некоторые реализации службы DHCP способны автоматически обновлять записи DNS, соответствующие клиентским компьютерам, при выделении им новых адресов.
Заключение
Современные ИТ - это непрерывный процесс обработки, передачи, хранения, отображения информации, с целью эффективного использования информационных ресурсов, средств вычислительной техники и последующей передачи данных при управлении системами различного назначения и класса.
Благодаря использованию ИТ значительно снижается трудоемкость процессов использования информационных ресурсов, повышается их оперативность и надежность. ИТ оказывают влияние на все аспекты деятельности человека, влекут за собой увеличение степени автоматизации всех информационных процессов, что является основной предпосылкой увеличения темпов научно-технического прогресса.  
В организации информационного взаимодействия между людьми, системах подготовки, распространения и обработки информации, в процессах получения и накопления новых знаний ИТ играют превалирующую роль. Развитие и использование ИТ является обязательным требованием времени и альтернативы этому нет!
В данной работе была рассмотрена классификация КС, компоненты КС, топологии КС, технологии и принципы построения КС. Были раскрыты следующие понятия: КС, ЛВС, ГВС, региональная КС, ведомтсенные и государственные КС, линии связи, сетевая ОС, коммутирующие устройства, физическая топология КС, протоколы TCP/IP и DHCP, DNS-сервер.
На основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что поставленные задачи решены, а цель – достигнута.
Список литературы
Печатные издания
Гусева А.И., Киреев В.С. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Изд.: «Академия», 2016 г.
Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Изд.: «Питер», 2016 г.
Самуйлов К.Е., Шалимов И.А. Сети и телекоммуникации. Изд.: «Юрайт», 2017 г.
Головин Ю.А., Суконщиков А.А. Информационные сети. Изд.: «Академия», 2016 г.
Интернет-ресурсы
Локальные компьютерные сети. НОУ «Интуит» // https://intuit.ru/studies/courses/3481/723/lecture/14248
Глобальные сети. Сетевые услуги (сервисы). НОУ «Интуит» // https://intuit.ru/studies/courses/3481/723/lecture/14250
Эволюция вычислительных сетей: от машины Чарльза Бэбиджа до первых глобальных сетей. НОУ «Интуит» // https://intuit.ru/studies/courses/1/1/lecture/2?page=3