Лекція №6-7 "Мережі"

Комп'ютерні мережі

Мережі − це системи, що формуються каналами.

Мережі використовують у таких формах: система доставки пошти; телефонна система; система громадського транспорту; корпоративна комп'ютерна мережа; Інтернет. Мережі дозволяють обмінюватися інформацією і використовувати різні методи контролю над способом її передачі. Дані по мережі передаються з одного пункту до іншого, іноді різними шляхами, і зрештою доставляються в необхідний пункт призначення.

У комп'ютерній мережі також діють правила для керування потоком даних між вузлами мережі. Вузол − це будь-який пристрій, що відправляє та отримує інформацію з мережі. Окремі пристрої можуть служити або як вузли, або як периферійні пристрої. Наприклад, принтер, підключений до ноутбука, який у свою чергу підключений до мережі, виступає як периферійний пристрій. Якщо ж принтер підключений до мережі безпосередньо, він функціонує як вузол.

До мережі можна підключити різні типи пристроїв: настільні комп'ютери; ноутбуки; планшетні комп'ютери; смартфони; принтери; файлові сервери і сервери друку; ігрові консолі; домашні пристрої. Комп'ютерні мережі використовуються по всьому світу в організаціях, школах, державних установах і вдома. Багато мереж підключені один до одного через Інтернет, що дозволяє обмінюватися різними типами ресурсів і даних: послугами (наприклад, друк або сканування); ємністю системи зберігання на знімних пристроях (таких як жорсткі диски або оптичні); застосунками (наприклад базами даних); інформацією, що зберігається на інших комп'ютерах; документами; календарем (наприклад, синхронізуючи його між комп'ютером і смартфоном). Мережні пристрої для підключень і передачі інформації можуть використовувати різні типи середовища передачі даних: мідні кабелі - застосовуються електричні сигнали; волоконно-оптичні кабелі - застосовуються світлові імпульси; бездротові підключення - застосовуються радіосигнали, інфрачервона технологія та супутниковий зв'язок.

Локальна мережа (LAN)

Мережі даних продовжують розвиватися з точки зору складності, проектування та сфер їх використання. Комп'ютерні мережі відрізняються такими специфічними характеристиками:

- сферою обслуговування;
- способом зберігання даних;
- способом керування ресурсами;
- способом організації мережі;
- типами використовуваних мережних пристроїв;
- типами носіїв, використовуваних для підключення пристроїв.

Різним типам мереж призначаються різні описові імена. Окремо взята мережа, як правило, покриває один географічний регіон, надаючи послуги та програми користувачам, які є членами загальної організаційної структури. Мережа такого типу називається локальною (LAN). Локальна мережа, в свою чергу, сама може складатися з декількох локальних мереж.

Усі локальні мережі, що входять до складу LAN, знаходяться під керуванням однієї адміністративної групи. Ця група застосовує до мережі політику безпеки і контролю доступу. У даному контексті слово «локальна» позначає скоріше узгоджене керування, ніж фізичне розміщення мереж близько одна до одної. Пристрої в локальній мережі можуть розміщуватися поряд, дуже близько, але ця умова не носить обов'язковий характер.

Локальна мережа (LAN) може являти собою невелику окрему локальну мережу, розгорнуту вдома або в офісі. З часом визначення локальних мереж (LAN) стало поширюватися на взаємно підключенні локальні мережі, що складаються з декількох сотень пристроїв, встановлених в різних будівлях і місцях розташування.

Бездротові локальні мережі (WLAN)

У бездротовій локальній мережі (WLAN) для передачі даних між пристроями використовуються радіохвилі.

Пристрої традиційної локальної мережі (LAN) підключені один до одного за допомогою мідних кабелів. У деяких середовищах прокладка мідних кабелів може бути недоцільна, небажана і навіть неможлива. Тоді використовуються бездротові пристрої для передачі та прийняття даних за допомогою радіохвиль. Мережі WLAN, як і локальні (LAN), надають спільний доступ до ресурсів, таких як файли і принтери, а також доступ до Інтернету.

В мережах WLAN бездротові пристрої підключаються до точок доступу в межах певної зони. Точки доступу, як правило, підключаються до мережі за допомогою мідних кабелів. Мідні кабелі не підключаються до кожного вузла. До мережі за допомогою мідного кабелю під’єднується тільки точка доступу. Діапазон (радіус покриття) типових систем WLAN варіюється від 30 м у приміщенні до набагато більшої відстані при зовнішньому розгортанні залежно від використовуваної технології.

Персональні мережі (PAN)

Персональний мережу або PAN - збори комунікаційних пристроїв в однієї людини. Коли зв'язок між цими пристроями бездротова, використовується абревіатура WPAN, або бездротова персональна мережа. У реальності для найбільшої зручності більшість персональних мереж бездротові. Дана стаття також буде розглядати дану мережу як бездротову. 

На відміну від локальної мережі (LAN) та глобальної мережі (WAN), персональна мережа функціонує на відносно короткій відстані, зазвичай до 10 метрів. Найбільш поширений метод - з'єднання за допомогою бездротової технології Bluetooth. 

Дана технологія має кілька ключових переваг над Wi-Fi щодо легкості у використанні, тому що немає необхідності змінювати структуру кожного компонента, і вона споживає значно менше енергії. На відміну від інфрачервоного з'єднання, Bluetooth не вимагає певного розташування предметів для вдалого з'єднання. Величезним практичною перевагою для користувачів є можливість передавати як голос, так і дані між пристроями без використання дротів або USB-кабелю. 

Bluetooth забезпечує бездротову персональну мережу, відому також як piconet, яка може з'єднати без використання проводів мінімум - 2, і максимум - 8 пристроїв. У piconet один пристрій працює як основне, що може з'єднується з сімома активними пристроями. Дані передаються з основного пристрою на інші. Роль основного пристрою в персональній мережі полягає в процесі передачі даних. Пристрій Bluetooth має можливість знаходити інші пристрої в межах певної території і зв'язуватися з ними. 

Можливо, найбільш раннім і простим прикладом персональної мережі Bluetooth є бездротової головний і стільниковий телефон. Також дуже популярно використання Bluetooth в бездротової мишки і клавіатури. Однак потенційне зручність використання Bluetooth сьогодні набагато ширше. 

Дані можуть бути легко синхронізовані і передаватися між: 
- PDA; 
- Персональними комп'ютерами; 
- Стільниковими телефонами. 

Bluetooth − це технологія бездротового зв'язку, що дозволяє пристроям обмінюватися даними на невеликих відстанях.

До одного пристрою з підтримкою Bluetooth можна підключити до семи інших пристроїв з підтримкою Bluetooth. Ця технічна специфікація описана в стандарті IEEE 802.15.1. Пристрої з підтримкою Bluetooth можуть обробляти голос і дані. Вони працюють у радіочастотному діапазоні від 2,4 до 2,485 ГГц, тобто в так званому діапазоні для використання в промислових, наукових і медичних цілях (Industrial, Scientific, and Medical − ISM).

Стандарт Bluetooth являє собою технологію адаптивної перебудови частоти (Adaptive Frequency Hopping − AFH). Технологія AFH дозволяє «перекидати» сигнали на різні частоти в діапазоні Bluetooth, знижуючи таким чином можливість виникнення перешкод під час використання декількох пристроїв Bluetooth.

Муніципальні мережі (MAN)

Міські мережі (або мережі мегаполісів) Metropolitan Area Networks (MAN) є менш поширеним типом мереж. Вони призначені для обслуговування території великого міста мегаполіса. У той час як локальні мережі найкращим образом підходять для розділення ресурсів на коротких відстанях і широкомовних передач, а глобальні мережі забезпечують роботу на великих відстанях, але з обмеженою швидкістю і небагатим набором послуг, мережі мегаполісів займають деяке проміжне положення. Вони використовують цифрові магістральні лінії зв'язку, часто оптичноволоконні, з швидкостями від 45 Мбіт/с, і призначені для зв'язку локальних мереж в масштабах міста і з'єднання локальних мереж з глобальними. Ці мережі спочатку були розроблені для передачі даних, але зараз вони підтримують і такі послуги, як відеоконференції і інтегральну передачу голосу і тексту.

Розвиток технології мереж мегаполісів здійснювався місцевими телефонними компаніями. Історично склалося так, що місцеві телефонні компанії завжди володіли слабими технічними можливостями і через це не могли залучити великих клієнтів. Щоб подолати свою відсталість і зайняти гідне місце в світі локальних і глобальних мереж, місцеві підприємства зв'язку зайнялися розробкою мереж на основі самих сучасних технологій, наприклад технології комутації осередків SMDS або ATM. Мережі мегаполісів є суспільними мережами, і тому їх послуги обходяться дешевше, ніж побудова власної (приватної) мережі в межах міста.

Глобальні мережі (WAN)

Глобальна мережа — комп'ютерна мережа, що охоплює величезні території (тобто будь-яка мережа, чиї комунікації поєднують цілі мегаполіси, області або навіть держави і містять у собі десятки, сотні а то і мільйони комп'ютерів). Для порівняння, Персональна мережа (англ. Personal area network), Локальна мережа (англ. Local area network, LAN), Університетська мережа (англ. Campus area network, або ж Міська мережа англ. Metropolitan area network, MAN) зазвичай не виходять за межі кімнати, будівлі, або ж специфічного регіону мегаполіса (тобто міста).

Глобальна мережа (Wide Area Network − WAN) підключає кілька мереж меншого розміру, таких як мережі LAN, що знаходяться в різних географічних місцях. Найпоширенішим прикладом мережі WAN є Інтернет. Інтернет − це велика мережа WAN, що складається з мільйонів мереж LAN.

Технологія WAN також використовується для підключення корпоративних або дослідницьких мереж. Для підключення до глобальної мережі застосовуються постачальники телекомунікаційних послуг.

Однорангові мережі

У одноранговій мережі всі комп'ютери рівноправні: немає ієрархії серед комп'ютерів і немає виділеного сервера. Звичайно, кожен комп'ютер функціонує і як клієнт, і як сервер — інакше кажучи, немає окремого комп'ютера, відповідального за всю мережу. Користувачі самі вирішують, які дані на своєму комп'ютері зробити доступними по мережі.

Однорангові мережі найчастіше об'єднують не більше 10 комп'ютерів. Звідси їх інша назва — робоча група), тобто невеликий колектив користувачів.

Однорангові мережі відносно прості. Оскільки кожен комп'ютер є одночасно і клієнтом і сервером, немає необхідності встановлювати центральний сервер або інші компоненти, обов'язкові для складних мереж. Цим звичайно і пояснюється менша вартість однорангових мереж в порівнянні з вартістю мереж на основі сервера.

У одноранговій мережі вимоги до продуктивності і захищеності мережевого програмного забезпечення, як правило, нижче, ніж ті ж вимоги до програмного забезпечення виділених серверів. Виділені (англ. dedicated) сервери завжди функціонують тільки як сервери, а не клієнти або робочі станції (workstation). 

Реалізація однорангових мереж:

Для однорангових мереж характерний ряд стандартних рішень:
- комп'ютери розташовані на робочих столах користувачів;
- користувачі самі виступають в ролі адміністраторів і забезпечують захист інформації;
- об'єднання комп'ютерів вимагає нескладної в монтажі кабельної системи.

Однорангова мережа цілком підходить там, де:
- кількість користувачів не перевищує 10 чоловік;
- користувачі розташовані компактно;
- питання захисту даних не критичні;
- у найближчому майбутньому не очікується значного розширення фірми і, отже, мережі.

Клієнт-серверні мережі

На сервери встановлено програмне забезпечення, що дозволяє клієнтам використовувати служби, такі як електронна пошта або веб-сторінки. Для роботи кожної служби необхідно окреме серверне програмне забезпечення. Наприклад, для роботи веб-служб у мережі на сервері має бути встановлено ПЗ веб-сервера.

У клієнт-серверної мережі клієнт запитує інформацію або служби від сервера. Сервер надає запитану інформацію або служби клієнту. Сервери в клієнт-серверній мережі, як правило, виконують певні завдання обробки інформації для клієнтських комп'ютерів, наприклад упорядковують записи в базі даних, щоб надати тільки відповідні запиту клієнта. Такий підхід забезпечує централізоване адміністрування мережі, що спрощує визначення користувачів, які контролюють ресурси в ній.

Комп'ютер із серверним програмним забезпеченням може одночасно обслуговувати одного або кількох клієнтів. Крім того, на одному комп'ютері можна паралельно встановити декілька типів серверного ПЗ. У домашніх або невеликих корпоративних мережах одному комп'ютеру доводиться виступати в ролі файлового сервера, веб-сервера і сервера електронної пошти. Проте у корпоративному середовищі співробітники можуть здійснювати доступ до поштового сервера, роль якого грає один з комп'ютерів компанії. Він використовується тільки для відправки, отримання та зберігання електронної пошти. Клієнт електронної пошти на комп'ютері співробітника видає запит поштового сервера щодо наявності непрочитаних повідомлень. Сервер відповідає, відправляючи запитане повідомлення клієнту.

Крім того, на одному комп'ютері можна запускати кілька типів клієнтського програмного забезпечення. Необхідно встановити користувацьке ПЗ для кожної служби. Після встановлення декількох клієнтських програм клієнт зможе одночасно підключатися до декількох серверів. Наприклад, у користувача буде можливість перевіряти електронну пошту, переглядати веб-сторінки, обмінюватися миттєвими повідомленнями і слухати інтернет-радіо.

Клієнт-серверна модель спрощує завдання визначення користувача, контролюючи ресурси в мережі, оскільки підтримує централізоване мережне адміністрування. Адміністратор мережі виконує резервне копіювання даних і застосовує заходи безпеки. Адміністратор мережі також контролює доступ користувачів до мережних ресурсів. Усі дані в мережі зберігаються на централізованому файловому сервері. Централізований сервер друку керує загальними принтерами в мережі. Кожен користувач повинен увести авторизовані ім'я користувача та пароль для отримання доступу до мережних ресурсів, на використання яких у нього є дозвіл.

Адресація IP

Набір або стек протоколів TCP/IP визначає правила, якими комп'ютери повинні слідувати під час встановлення зв'язку між ними через Інтернет. TCP − це основний протокол Інтернету, що забезпечує надійну доставку даних. Протокол IP надає структуру адресації, що контролює доставку даних з вихідного комп'ютера на комп'ютер призначення.

IP-адреса − це число, яке використовується для ідентифікації пристрою в мережі. Щоб зв'язуватися з іншими пристроями, кожен пристрій в мережі повинен мати унікальну IP-адресу. Як було зазначено вище, вузол − це пристрій, що відправляє й отримує інформацію з мережі. Мережні пристрої переміщують дані по мережі.

IP-адреса схожа на поштову адресу людини. Вона називається логічною адресою, оскільки присвоюється логічно, залежно від місця розташування вузла. IP-адреса, або мережна адреса, заснована на характеристиках локальної мережі та присвоюється кожному вузлу мережним адміністратором. 

IPv4 і IPv6

Адреса IPv4 являє собою серію з 32 біт (одиниць і нулів). Людині важко прочитати двійкову адресу IPv4. Тому 32 біти групуються по чотири восьмибітних сегменти − в так звані октети. Навіть у такому форматі людині складно читати, записувати і запам'ятовувати адреси IPv4. Тому кожен октет поданий у вигляді десяткового значення, відокремленого крапкою. Цей формат називається точково-десятковою нотацією.

Логічна 32-бітна адреса IPv4 являє собою ієрархічну систему і складається з двох частин. Перша ідентифікує мережу, друга − вузол у цій мережі. Обидві частини є обов'язковими. 

Працювати зі 128-бітними числами важко, тому 128 бітів в адресах IPv6 подають у вигляді 32 шістнадцяткових чисел, які у свою чергу поділяються на вісім груп з чотирьох шістнадцяткових чисел. Як роздільник використовується двокрапка. Кожна група з чотирьох шістнадцяткових значень називається блоком.

Адреса IPv6 має ієрархічну структуру, що складається з трьох частин. Глобальний префікс, або префікс сайту, займає перші три блоки адреси і призначається організацією реєстратором доменних імен в Інтернеті. Ідентифікатор підмережі займає четвертий блок, а ідентифікатор інтерфейсу − останні чотири блоки адреси. Мережний адміністратор контролює як ідентифікатор підмережі, так і ідентифікатор інтерфейсу.

Статична адресація

У мережі з невеликою кількістю вузлів можна легко налаштувати відповідні IP-адреси для кожного пристрою вручну. Адреси повинен призначати мережний адміністратор, що розбирається в методах IP-адресації і вміє вибирати правильну адресу для кожного типу мережі. Призначувана IP-адреса має бути унікальна для кожного вузла в одній мережі або підмережі. Цей метод називається статичною адресацією IP.