Компьютерные сети

Компьютерные (вычислительные) сети обеспечивают обмен данными между компьютерами и другими устройствами. Для передачи информации используются кабели, электромагнитные волны и другие физические среды.

Рисунок 1. Типичная современная небольшая компьютерная сеть. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

История компьютерных сетей

Первые электронные вычислительные устройства с современной архитектурой, появившиеся в 1940-е годы, не были стандартизированы. Это препятствовало подключению их друг к другу. К 1960-м годам задача объединения компьютеров в сети стала реалистичной. Появились многопользовательские машины с терминальным доступом. Операторы могли обращаться к центральному вычислительному блоку удаленно, например, по телефонному кабелю, с помощью клавиатуры, монитора и модема. Такая совокупность устройств называется терминалом. Терминалы не были полноценными компьютерами, но на этом этапе развития уже сформировались такие ключевые для вычислительных сетей понятия, как "учетная запись" (логин и пароль, позволяющие пользователю подключиться), скорость передачи данных, протоколы обмена и т.п.

Прорыв в развитии компьютерных сетей был совершен в конце 1960-х годов. К этому времени была закончена разработка операционной системы UNIX, в которой возможность взаимодействия компьютеров по сети была заложена как ключевая и неотъемлемая часть. Эта ОС была предназначена для установки на множество однотипных компьютеров. Это тоже способствовало унификации и подключению большого количества участников. Ускорило развитие компьютерных сетей и участие государственных органов и крупных корпораций. Так, прообраз современной глобальной сети Интернет - ARPANET - был создан по заказу Министерства обороны США.

Рисунок 2. Ранние тапы развития ARPANet/Internet. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В настоящее время в мире действует несколько глобальных компьютерных сетей, самая известная из которых - Интернет. Наряду с ней широко используются сети стандарта GSM (сотовая связь), спутниковые сети и т.д. Свои закрытые сети сформировали некоторые профессиональные сообщества, например, существует система обмена банковской информацией SWIFT. Небольшие (локальные) компьютерные сети работают сегодня практически в каждой организации и во огромном множестве домохозяйств по всему миру.

Классификация компьютерных сетей

Существует несколько классификаций компьютерных сетей:

• по охвату территории: персональная сеть, локальная, глобальная и т.д;
• по архитектуре: клиент-серверная или одноранговая;
• по топологии: шина, кольцо, звезда, дерево и т.д.;
• по среде распространения данных: проводные и беспроводные;
• по скорости передачи: до 10 Мбит/с, до 100 Мбит/с, свыше 100 Мбит/с;
• по типу ОС: на базе Windows, UNIX, Cisco и т.д.

Протоколы сетевого взаимодействия

Для их упорядочивания международным комитетом ISO разработана т.н. модель OSI (Open Systems Interconnection). Она определяет различные уровни взаимодействия компьютеров в сетях и позволяет лучше понять принципы их работы. Сходной концепцией, описывающей сетевое взаимодействие, является концепция, описывающая семейство протоколов TCP/IP.

Модель OSI выделяет следующие уровни взаимодействия в компьютерных сетях:

1. Физический уровень
2. Канальный уровень
3. Сетевой уровень
4. Транспортный уровень
5. Сеансовый уровень
6. Уровень представления
7. Прикладной уровень

Сходную структуру представляет собой TCP/IP:

Рисунок 3. Структура сетевого пакета TCP/IP. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В обоих случаях уровни - вложенные друг в друга структуры, последовательно упаковывая или распаковывая которые, компьютерные программы отправляют или получают данные. Рассмотрим подробнее перечисленные уровни модели OSI.

Физический уровень определяет характеристики передачи сигнала через физические среды. Например, какое напряжение должно использоваться в витой паре, на каких частотах распространяются радиоволны WiFi-устройств и т.п.

Канальный уровень организует сигналы в единицы компьютерной информации: биты, байты, кадры и т.п. Он также отвечает за контроль ошибок при передаче. Если принимающее устройство не может определить, что получено от передающего, например, из-за броска напряжения в электропроводке, то информация запрашивается повторно.

Сетевой уровень организует сигналы таким образом, чтобы стало понятно, какому именно компьютеру предназначается информация. Машинам в сети назначаются адреса и метки, позволяющие направить сигналы по нужному маршруту. Этому уровню в системе TCP/IP соответствует протокол IP (Internet protocol), позволяющий организовывать сети со сложной маршрутизацией и объединять их в более крупные структуры, вплоть до Интернет. При передаче пакетов из сети в сеть используются особые вычислительные устройства - маршрутизаторы.

Транспортный уровень отвечает за целостность передаваемых данных. В отличие от канального, под целостностью здесь подразумевается не отсутствие физических искажений, а полнота собираемой из отдельных фрагментов (пакетов) информации. Пакеты одного и того же сообщения могут быть доставлены по разным маршрутам и частично потеряться в пути. В этом случае они запрашиваются повторно. В системе TCP/IP основными протоколами транспортного уровня служат TCP и UDP.

Сеансовый уровень позволяет компьютерным приложениям взаимодействовать только пока действуют определенные условия, например, пока полностью не передано сообщение, или пока не истек срок полномочий пользователя (например, оплаченный период).

Уровень представления обеспечивает упаковку/распаковку данных для их более компактной передачи, а также шифрование/дешифрование для обеспечения безопасности.

Наконец, прикладной уровень - это тот, на котором компьютерное приложение извлекает свои данные из принятых пакетов (или упаковывает в передаваемые), в соответствии с определенными правилами, например, извлекаются адрес, тема письма, его текст и вложения при передаче электронной почты. Протокол http, с помощью которого передаются веб-страницы в браузер, - типичный протокол прикладного уровня.