Компютърни мрежи и комуникации Въведение в компютърните мрежи и комуникации

гл.ас. Ваня Павлова

През 40-50-те години на ХХ век IBM – International business machine правят специални изследвания и установяват, че световният пазар може да бъде покрит от около 5 изчислителни машини.

През 1977г. DEC правят изследване и експерти им считат, че няма причина някой потребител да поиска компютър в къщи.

Първата комуникационна мрежа е телеграфната мрежа. В САЩ Самуел Морз проектира и въвежда електрическия телеграф. В средата на ХІХ век се появява и телефонната мрежа. Western Union прави извода, че телефона има прекалено много недостатъци, за да бъде приет като средство за комуникация. 1960г. се счита за година в която се приема, че телефонната система е световна комуникационна система.

С развитието на компютрите се развиват и технологиите в комуникациите.

-първо се развива комутиране на електрически вериги, която се появява и развива с развитието на телефонната система. Тя е за гласова комуникация. Тази технология не е подходяща за предаване на компютърни данни, защото те се изпращат на пакети, като периоди на висока активност се редуват с периоди на ниска активност. Затова компютрите пораждат необходимостта за нова технология и тя е:

-комутиране на пакети

През 60-те години на ХХ век правителството на САЩ и Министерството на отбраната поставят задача пред НИЦ (научно изследователски центрове) да се разработи технология, която да може да издържи и запази функционалността си и след ІІІ-та световна ядрена война. Така се формира агенция ARPA, която през 1969 година разработва първа компютърна мрежа с технологията комутиране на пакети ARPANet и това е основата на Интернет. От нея по-късно се отделя Интернет и MilNet -мрежа на Министерството на отбраната (милитари).

За мрежа са нужни не по-малко от две устройства. Връзката може да бъде кабел – коаксиален, усукана двойка, оптичен и т.н. или безжична връзка. Разпределянето на ресурси – могат да са устройства (принтери, модеми и всякакъв друг хардуер), както и приложни програми, файлове с данни, бази с данни и т.н.

• 
  споделяне и общо използване на изходни устройства - това могат да бъдат принтери, плотери, факс апарати и всичко предназначено да извежда информация от компютърната система;
  
• 
  споделяне и общо използване на входни устройства – скенери, факс апарати, дигитайзери и т.н;
  
• 
  споделяне на запаметяващи устройства – дискове, CD, DVD, дискетни устройства и т.н.
  
• 
  споделяне на модеми и интернет връзки;
  
• 
  споделяне на данни и приложения - единият начин е всеки държи на своето РС данните, но така, като се променят от един, не се променят при другия; другият начин е данните да са на сървъра и тогава промяната на данните се отразява за всички. Дори да няма поддържащ сървър, може едната работна станция да стане като сървър и на нея да седи общата база с данни.
  

* мрежов модел – графично представяне на процесите на мрежовите комуникации;

Най-известните от моделите, представят мрежовите комуникации на отделни нива – слоести модели:

- OSI модела на ISO;

- DoD Department of Defence (TCP/ IP) – 4-слоест модел;

- мрежови модел на Microsoft MS

* мрежа клиент/сървър – базиране на сървър мрежи (сървърно базирани мрежи). Има две компоненти – клиент и сървър.

клиент - клиентски компютър, това е мрежово устройство, което изпраща запитване към друго мрежово устройство за ползване на ресурси и данни на второто мрежово устройство.

сървър – компютър или произволно мрежово устройство, които отговарят на цитираното по-горе запитване и споделят ресурсите и данните си с клиента. На базата на това понятие - мрежа клиент/сървър съществува понятието:

* равноправни мрежи (peer to peer) - това е мрежа, в която всички мрежови устройства са равноправни. Независимо от равнопоставеността, има запитване и отговаряне. Всяко устройство може да е и сървър и клиент.

Във всяко едно мрежово устройство има:

* NIC - мрежова интерфейсна карта (мрежови адаптер също се среща като понятие);

* Media – преносна среда - съвкупност от средства, с чиято помощ сигналите биват изпращани от едно мрежово устройство на друго по кабел или друга медия. Сред най-разпространените медии са:

- коаксиален кабел;

- кабел тип „усукана двойка” - двойка медни проводници, по които се пренася електрически сигнал, усукани във вътрешността и с външна защитна обвивка.

От своя страна, кабел тип усукана двойка се разделя на:

- UTP – неекранирано усукана двойка;

- STP – екранирана усукана двойка

- оптични влакна Fiber Optic – кабели с ядро стъклена или пластмасова нишка, по която се пренасят светлинни импулси. Това е нова технология с по-висока скорост на предаване и запазване целостта и силата на сигнала на по-големи разстояния. По-скъпи са и с тях се работи по-трудно.

* устройства за свързване – различни типови устройства за свързване на мрежови сегменти и подмрежи в мрежи или за разделяне на една мрежа в подмрежи. Към тях са: повторители, хъбове, суичове, рутери.
ІІІ. Терминология, свързана с мрежовия софтуер

* мрежови протокол – набор от правила, по които комуникират мрежовите устройства -- TCP/IP;

* протоколен стек (Protocol Stack)– съвкупност от два или повече протокола, работещи заедно -- TCP/IP;

* протоколен пакет (Protocol Suite) – съвкупност от няколко протокола, извършващи различни функции, свързани с различни аспекти на комуникационния процес. Примери:

-- TCP/IP;

* мрежова операционна система NOS (network operating system);

* клиентска операционна система – настолна операционна система, защото голяма част от крайните РС-та са настолни;

- хибридни мрежи – използващи различни софтуери от различни производители, който работи съвместно.

- bit

- Kb, Mb, Gb

- KB, MB, GB

- Kbps Mbps – стандартни мерни единици за количество данни предавани през дадена мрежова връзка за секунда

-KBps MBps - стандартни мерни единици за количество данни предавани през дадена мрежова връзка за секунда
V . Терминология, свързана с дизайна и топологията на мрежите.

Има два вида топологията – физическа и логическа:

- физическа топология – свързана с разположението на мрежовите устройства. Определя физическата форма на мрежата.

- логическа топология – формира се на базата на пътя, по който се предават сигналите от едно мрежово устройство на друго. Базира се на логическия път на компютърната връзка. Може да отговаря на физическата, но може и да е различна.

- LAN Local Area Network

- MAN Metropolitan Area Network

- WAN Wide Area Network

1. 
   Физически обхват
   

• 
  LAN Local Area Network - локална. Определящо е локална – за конкретно място, физическо място. Стая, етаж, сграда. Мрежовата архитектура и вида на кабела може да ограничи броя на компютрите. (виж фиг.2). В рамките на такава мрежа може да се създаде и дадена организация. Да се обединят РС-та в работна група – отдел „Човешки ресурси“, „Счетоводство“. Това се прави с цел сигурност на данните и по-добра организация на мрежата.
  
• 
  MAN Metropolitain Area Network – градска. Тип високо производителна обществена мрежа за нуждите на бизнеса и структурите на един град. Има такава в София, изграждат се и в други областни градове. (виж фиг3). Няколко LAN мрежи свързани една с друга. Мрежата на територията на град София е част от НАМДА – националната мрежа на държавната администрация на България.
  
• 
  WAN Wide Area Network – глобална. Покрива голяма геграфска област и е съвкупност от множество LAN мрежи, взаимосвързани помежду си. Например Internet. internet, intranet – (глобална частна мрежа в рамките на дадена фирма или организация, която използва протоколи и технологии, същите каквито се използват в Интернет) корпоративна мрежа, частна мрежа, вътрешна мрежа, extranet – също така глобална частна мрежа, която също използва Интернет протоколи и технологии, но достъпа до тази среда се осъществява по отдалечени връзки към клиенти, дистрибутори, партньори, доставчици. По отношение на организацията WAN се разделят на разпределени и централизирани. Централизираните са базирани на един централен сървър за управление или централен офис от където се осъществява управлението, докато разпределените нямат обособена централна точка на управление. По отношение на скоростите WAN е по-слаба от LAN комуникацията. Те се отнасят към групата на така наречените маршрутизируеми мрежи. Те имат маршрутизатор (рутер).
  

2. 
   Метод на администриране. Видове мрежи: - как и от кого се управляват ресурсите и данните в компютърната мрежа:
   

• 
  равноправни мрежи (peer to peer)
  

Всички устройства са равноправни, всеки един потребител администрира ресурсите и данните на своята машина. Предимства – по-прости, по-евтини за реализация и експлоатация, защото не изискват скъп мощен хардуер, не изискват мрежова операционна система, специализиран сървърен софтуер, не изискват и специално назначен администратор. Недостатъци – от една страна реализацията е по-несигурна от гледна точка на експлоатацията, от друга страна всеки един потребител, независимо от образование и квалификация, трябва да е обучен сам да администрира ресурсите и данните на своята машина. При разрастване на мрежата, администрирането става неуправляемо;

• 
  сървърно базирани мрежи
  

Администрирането е централизирано на машинен компютър работещ с мрежова операционна система и специален сървърен софтуер. Този компютър автентицира информацията за името и паролата на потребителя, за да позволи на оторизираните потребители да ползват мрежата. Предимства – на първо място - по-лесни за администриране, назначени са администратори и администрират централизирано. По-лесна поддръжка на ресурсите и данните и правене на архив на данните. По-добра сигурност и защита на ресурсите и данните в мрежата. Недостатъци – изисква назначаването на администратори, по-скъпа е. Изисква по-скъп, по-мощен хардуер, сървърна операционна система. Избор на метод на администриране няма точен. Редица фактори, като компютърни станции, персонал, бюджет и т.н. са комплексни при избора на метод за администриране;

• 
  О: Сървър - компютър който прави своите ресурси (периферия, софтуер, данни) достъпни за другите компютри от мрежата. Сървърът споделя своите периферия и т.н. с другите мрежови устройства. Това са първа група сървъри или сървъри, споделящи ресурси. Съществуват и специализирани сървъри. Например този, който извършва автентификация. В зависимост от изпълняваните функции в състава на една компютърна мрежа има: файлов сървър file server, приложни сървъри application server, уеб сървъри web server, пощенски сървър mail server, сървъри за отдалечен достъп, телефония и т.н. Една част от тези сървъри работят с клъстери, клъстерни сървъри – група от независими компютърни системи на които е инсталиран софтуер, позволяващ им да работят заедно, като една система, за да осигурят достъп на клиентите до критично важни приложения и ресурси. Факс сървъри и други;
  

• 
  Proxy сървър – кешира информацията в паметта;
  
• 
  DNS Domain name system – система за именуване надомейни;
  
• 
  DHCP Dynamic Host Comunication Protocol – назначава IP адреси, динамично конфигуриране;
  
• 
  О1: Клиент – компютър или всяко друго мрежово устройство, отправящо заявки за достъп до мрежови ресурси; О2: Клиент - хардуер, а и софтуер – програма която осъществява достъп до сървърни програми. На тази база се въвежда понятието клинтска операционна система, базова и т.н.
  
• 
  О: Работна станция – компютър, настолен или преносим, работещ под управление на произволна клиентска операционна система. Например: Work station Windows NT 4.0 Workstastion SUN Workstastion - мощен компютър, използван за изпълнение на приложен софтуер, който интензивно използва ресурси.
  
• 
  О:Host – хост – компютрите в мрежата са хостове. Понятието се използва за означаване на мрежи, базирани на TCP/IP протокола и може да включва всяко мрежово устройство, на което е зададен IP адрес. От друга страна означава осигуряване услуга на друго устройство. Уеб сървъра осигурява (хоства) уеб услугата на училището.
  
• 
  О: Node – възел – крайна точка на мрежова връзка или съединение, общо за две или повече линии в една мрежа. Възлите могат да бъдат процесори, контролери, работни станции и т.н. Понякога термина възел се използва за означаване на всяка единица, която може да осъществи достъп до мрежата, поради което значението често съвпада с устройство.
  

3. 
   Класификация на базата на МОС (мрежова операционна система) – 4 основни групи:
   

• 
  Windows мрежите – изградени с мрежовата операционна система на Майкрософт;
  
• 
  Novell Netware мрежите – характеризира се със сигурност при влизане и като функционалности управление на файлов сървър и принт сървър. Широко разпространена в определени части на света. Всички уиндоуси са съвместими с новел. Novell 4.х 5.х поддържат директорийни услуги. Подобна услуга е известна под името Active Directory се поддържа и от Майкрософт
  
• 
  Unix мрежите – популярна и широко разпространена. Характерно е, че е тестово базирана и е трудна за изпозване. Linux намира приложение и като сървърна и настолна операционна система, с отворен код.
  
• 
  Хибридни мрежи – това са средни и големи мрежи, които работят със софтуер от различни производители, използват множество протоколи и концепции. Така например Windows домейн контролер, Novell Netware file сървър и Unix базиран нет имейл сървър.
  

4. 
   Класификация по мрежови протокол
   

• 
  Net BEUI - протокол за изграждане на малки, прости по типология мрежи, разработена от IBM за работни групи, характеризира се с простота, малко използвани мрежови ресурси, бързина, не изисква въвеждане на сложна информация при конфигуриране на мрежата.
  
• 
  IPX/SPX – използва се при изграждане на Novel мрежите
  
• 
  TCP/IP – най-широко разпространения и използван протокол и същевременно най-бавен и труден за конфигуриране. Въпреки тези недостатъци, той е най-разпространен, защото:
  

* почти всички мрежови ОС използват или могат да използват този протокол.

*налични и достъпни са огромен брой помощни програми и инструменти, някои от които са включени в комплекта протоколи, а други са допълнително добавяни, в помощ на мрежовите администратори и улесняват тяхната работа.

* това е протокола на Интернет.

• 
  Apple работи по ОС Macintosh и използват протокол Apple Talk
  

5. 
   Класификация по топология
   

• 
  шина – нарича се още линейна шина
  

Изпълнява се с използване на дебел или тънък коаксиален кабел. Комуникацията е от едно мрежово устройство до всяко друго. Изисква две неща:

* терминиране на сигнала на двата края, за да не се получават отразени сигнали;

* изисква единия край на шината да е заземен.

• 
  Кръг
  

Това е активна топология. Всяко едно мрежово устройство получава сигнала изпратен от предния и преди да го пусне да върви в мрежата го регенерира (възстановява) така не сме зависими от разстоянията. Предимства – просто и лесна за инсталиране и отстраняване на неизправности. По-надеждна от предната, но пък по-скъпа и притежава недостатъка, че прекъсване на кръга води до прекъсване на комуникацията. Добавянето на нови устройства е по-трудно.

• 
  Звезда
  

Една от най-популярните топологии, при която мрежовите устройства са свързани към една определена точка. Хъба може да е пасивен и активен (регенерира сигнала). Хъба може и да е интелигентен, има вградени диагностични възможности. Мрежова карта, преносна среда, хъб. Използва се най-често UTP кабел. Лесна и удобна е за работа, лесно се конфигурира и добавят нови устройства. Прекъсването на кабела на едно място, прекъсва една комуникация, но мрежата като цяло запазва своята работоспособност. Има висока надеждност. Има изискване за едно или повече допълнителни устройства, а това е пари и поддръжка, както и повече кабел – тя е по-скъпа топология.

• 
  решетка – (фиг.7) – решетъчни мрежи. Всяко устройство е свързано с останалите. Много надеждно, но и сложно за реализация и висока цена. Броя на свързванията нараства експоненциално с добавяне на ново устройство.
  
• 
  хибридни мрежи – (фиг 8) – полурешетъчна топология – комбинация между различни видове, като едната е решетъчна в част от мрежата.
  
• 
  комбинирани – (фиг9) – например училището е на 3 етажа, като всеки етаж е реализиран на топология звезда, а между етажите е свързано в топология линейна шина. Това се нарича Backbone гръбнак на мрежата.
  

6. 
   Класификация по архитектура или мрежова архитектура – включва набор от спецификации, които отчитат нейната физическа и логическа топология, типа на използвания кабел, ограниченията в разстоянията, методите за достъп до преносната среда, размера на пакетите и някои други фактори. Тук мрежите се класифицират в следните категории:
   

• 
  Ethernet – разработена е от три известни фирми Xerox, Intel, Digital през 60-те години на ХХ век. Тя е най-популярната и широко разпространена мрежова архитектура. Тази архитектура се изгражда на основата на две топологии – линейна шина и звезда. На метод на достъп до преносната среда използва множествен достъп с разпознаване на носещата честотна и откриване на колизии.
  

* разпознаване на носещата честотна – механизъм, при който готовото за предаване на данни мрежово устройство проверява канала за наличие на носеща честотна. Проверява дали канала е свободен или друго устройство го е заело. Ако канала е свободен, това мрежово устройство може да предава данните.

* откриване на колизии - може да се случи ситуация: две мрежови устройства да са готови да предават данни и започват едновременно. Тогава пакетите се сблъскват и се разрушават и това е колизия. Тогава двете устройства изчакват интервал от време различен за двете и тогава започва да се предава и което е с по-малко време предава първо.

Разделя се на три основни реализации:

- стандартен Ethernet – работи със скорост от 10 Mbps;

- бърз или fast Ethernet – работи със скорост до 100 Mbps;

- гигабит Gigabit Ethernet – до 1000 Mbps

От своя страна категорията LAN Ethernet се разделя на:

Скорост на предаване на данни-10 Mbit/sec . Основна използвана топология-обща шина. Кабел-коаксиален, тънък (6мм), тип RG-58 със съпротивление 50 ома. Максимална дължина на сегмента- 185 метра. Метод на предаване на сигнала-Baseband. Обща дълбина на кабела във всички сегменти, включвайки свързаните чрез повторители (репитери)-не повече от 925 м. Минимално разстояние между възлите-0.5 м. Общ брой възли (точки на включване) в един сегмент (включително повторители) - не по-голям от 30. Сегментът завършва с терминатори, единият от които се заземява. Максималният брой сегменти в мрежата е 5 . Работи с вграден трансивър (приемо предавателно устройство което генерира и приема сигнали). Мрежовите адаптери се свързват към магистралния кабел спомощтана Т-конектори, не се допускат "опашки" от основния (магистралния кабел, както е например при 10Base5).

Скорост също 10 Mbps и топология линейна шина. По името на стандарта може да се съди за характеристиките на мрежата. Така, например, 10Base5 се дешифрира по следният начин: 10 - скорост на локалната мрежа в MB/sec.; Base=Baseband, Broad=Broadbant; 5-дължина на мрежовият сегмент в стотици метри. Дебел коаксиален кабел, терминиране на сигнала в краищата, заземяване. Работи с външен трансивър.

--10 Base T

Скорост на предаване на данни-10 Mbit/sec. Максимално разстояние между 2 устройства-100 метра (в този случай точно това се има предвид под понятието сегмент). Основна топология-тип звезда. Кабел UTP (усукана неекранирана двойка) категория 3 или по-висока. Тип конектор-RJ-45. Когато трябва да се свържат повече от 2 мрежови устройства се използва хъб (hub). Хъбовете могат да се свързват каскадно, използвайки дървовидна топология.. Максимален диаметър на мрежата-500 м. Количество възли в мрежата-1024

При този стандарт за свързване се използват две двойки усукани кабели-едната за предаване, а другата-за приемане. При свързване на контролер към хъб се използва директна връзка, а при свързване на два хъба или както е в случай на връзка между два компютъра без хъб, crossover връзка, в която проводниците, от едната страна свързани към перата на съединители, служещи за предаване, от другата се свързват към перата, служещи за приемане и обратно.

Обикновено мрежите с буква Т се наричат UTP Ethernet мрежи. UTP кабелите се произвеждат в различни категории, обозначени със съответна цифра.

UTP cat 1

UTP cat 2

UTP cat 3

UTP cat 4

UTP cat 5

UTP cat 5е

UTP cat 6

UTP cat 7

Реализациите тип Т се изпълняват в типология звезда. Числата отпред показват скоростта.

-- 100 Base T

-- 1000 Base T

Може да се срещне изместване на буквата Т с FL - това ще рече че се използва оптичен кабел - устойчиви са на смущения и устойчиви на затихване, но по-скъпи , по-капризни на работа.

• 
  Token Ring -
  
• 
  Apple Talk
  
• 
  ARCNet