Тебекин В.В. Теоретические основы компьютерных информационных технологий

Подождите немного. Документ загружается.

ло играть не менее важную роль. Некоторые из этих устройств, учитывая

их сложность, стоимость и другие характеристики, можно назвать компь-

ютерами, решающими сугубо специфические задачи по обеспечению ра-

ботоспособности сетей.

Все устройства, подключаемые к сети, можно разделить на три функ-

циональные группы:

– рабочие станции;

– серверы сети;

– коммуникационные узлы.

Рабочая станция (workstation) – это персональный компьютер, под-

ключенный к сети с помощью сетевого адаптера (сетевой карты), на ко-

тором пользователь сети выполняет свою работу. Каждая рабочая станция

обрабатывает свои локальные файлы и использует свою операционную

систему. Но при этом пользователю доступны ресурсы сети. Можно выде-

лить три типа рабочих станций: рабочая станция с локальным диском, без-

дисковая рабочая станция, удаленная рабочая станция.

На рабочей станции с диском (жестким или гибким) операционная

система загружается с этого локального диска. Для бездисковой станции

операционная система загружается с диска файлового сервера. Такая воз-

можность обеспечивается специальной микросхемой, устанавливаемой на

сетевом адаптере бездисковой станции. Удаленная рабочая станция – это

станция, которая подключается к локальной сети через телекоммуникаци-

онные каналы связи (например, с помощью телефонной сети).

Сервер сети (server) – это компьютер, подключенный к сети и предос-

тавляющий пользователям сети определенные услуги, например хранение

данных общего пользования, печать заданий, обработку запроса к СУБД,

удаленную обработку заданий и т. д. По выполняемым функциям может

быть несколько видов серверов.

К коммуникационным узлам сети относятся следующие устройства:

– повторители;

– коммутаторы (мосты);

– маршрутизаторы;

– шлюзы.

Протяженность сети, расстояние между станциями в первую очередь

определяются физическими характеристиками передающей среды (коакси-

ального кабеля, витой пары и т. д.). При передаче данных в любой среде про-

исходит затухание сигнала, что и приводит к ограничению расстояния. Что-

бы преодолеть это ограничение и расширить сеть, устанавливают специаль-

ные устройства – повторители, мосты и коммутаторы. Часть сети, в которую

не входит устройство расширения, принято называть сегментом сети.

Повторитель (repeater) – устройство, усиливающее или регенери-

рующее пришедший на него сигнал. Повторитель, приняв пакет из одного

сегмента, передает его во все остальные. При этом повторитель не выпол-

няет развязку присоединенных к нему сегментов. В каждый момент време-

ни во всех связанных повторителем сегментах поддерживается обмен дан-

ными только между двумя станциями.

Коммутатор, или концентратор (switch), или мост (bridge) – это уст-

ройство, которое, как и повторитель, позволяет объединять несколько сегмен-

тов. В отличие от повторителя мост выполняет развязку присоединенных к

нему сегментов, то есть одновременно поддерживает несколько процессов об-

мена данными для каждой пары станций разных сегментов. Характерным

свойством моста является его способность осуществлять избирательную

трансляцию (фильтрацию) блоков данных из одной сети в другую. При этом

возможно преобразование форматов передаваемых данных. Тем самым произ-

водится разделение информационных потоков в рамках корпоративной сети.

Пассивный концентратор – распределительное устройство, позволяющее

подключать к одному кабелю два-три сетевых узла. Активный концентратор

кроме функций пассивного концентратора обязательно осуществляет восста-

новление формы и уровня передаваемых сигналов. Среди них выделяют так

называемые интеллектуальные концентраторы. Они анализируют поток ин-

формации и управляют им, направляя к различным сетевым узлам.

Маршрутизатор (router) – устройство, соединяющее сети одного или

разных типов по одному протоколу обмена данными. Маршрутизатор ана-

лизирует адрес назначения и направляет данные по оптимально выбранно-

му маршруту. Основное его назначение – выбор оптимального направле-

ния передачи информации. В отличие от моста маршрутизатор имеет не-

сколько входов и выходов и может выбирать оптимальный маршрут

передачи данных. Как правило, маршрутизатор способен изменить мар-

шруты в зависимости от состояния сети. При объединении разнородных

сетей маршрутизатор одновременно выполняет функции моста.

Шлюз (gateway) – это устройство, позволяющее организовать обмен

данными между различными сетевыми объектами, использующими разные

протоколы обмена данными. Например, для подключения локальных сетей

к глобальным сетям шлюз является устройством сопряжения. Основной

функцией шлюзов является согласование соответствующих протоколов.

Основная нагрузка по согласованию сетей ложится на специальный меж-

сетевой протокол (IP-протокол), из-за чего шлюз можно рассматривать как

устройство преобразования сетевого протокола в межсетевой протокол и

обратно. Шлюзы включают функции маршрутизаторов и мостов.

4.4. Физическая и логическая схемы ЛВС

Топология компьютерной сети отражает структуру связей между ее

основными функциональными элементами. В зависимости от рассматри-

ваемых компонентов принято различать физическую и логическую струк-

туры локальных сетей.

Физическая структура определяет топологию физических соединений

между компьютерами. Логическая структура определяет логическую орга-

низацию взаимодействия компьютеров между собой.

Рассмотрим виды физической и логической схем на примере ЛВС

технологии Fast Ethernet.

Физическая схема, представленная на рис. 4.4, соответствует тополо-

гии «звезда» (см. рис. 4.1 а). Логические схемы могут иметь различную

реализацию. Если всем рабочим станциям сети даны равные права, то реа-

лизуется логическая схема, показанная на рис. 4.5 а. Такая сеть называется

одноранговой, она позволяет практически без ограничений использовать

ресурсы сети любым пользователем. В этом случае РС выделяет часть сво-

их ресурсов в общее пользование всем рабочим станциям сети. В том слу-

чае, когда сеть состоит из небольшого числа ПК и ее основной функцией

является обмен информацией между рабочими станциями, одноранговая

архитектура является наиболее приемлемым решением. В частности, она

может быть реализована на основе использования операционной системы

Windows 95–98. Основной недостаток одноранговых систем – слабая за-

щита информации от несанкционированного доступа, кроме того, подоб-

ные сети имеют низкую производительность.

Для разграничения и распределения сетевых ресурсов осуществляется

сетевое администрирование сети, которое включает:

1. Выделение ПК и установку на нем сетевого программного обеспе-

чения (Windows NT Server, Windows 2000 Server, Net Ware Server и т. п.).

Поэтому такой компьютер называют главным сервером сети (Primary Do-

main Controller).

2. Рабочие станции сети становятся клиентами сервера и происходит

подчинение процесса информационного взаимодействия системной поли-

тике, установленной на сервере.

3. Для организации системной политики назначается ответственное

лицо, называемое администратором локальной сети (Sys Admin).

Рис. 4.4

Рис. 4.5

С помощью системной политики доступ к ресурсам сети можно ограни-

чить и построить требуемую логическую схему сети. На рис. 4.5 б приведен

пример такой схемы, когда обмен данными между рабочими станциями воз-

можен только через выделенные для них ресурсы сервера, отсутствуют прямое

взаимодействие между РС2, РС3 и доступ РС2, РС3 к принтеру Pr1.

Совокупность компьютеров, работающих под управлением одного серве-

ра, носит название домена (Domain). Внутри домена рабочие станции также

можно разделить на рабочие группы. Порядок взаимодействия между рабочими

группами и доменами определяется системной политикой главного сервера.

Для входа в сеть каждому пользователю сети выдаются имя (логин) и

пароль доступа к ресурсам сети (password). Следует отметить, что пользо-

ватель со своим логином и паролем может работать в сети на любом ком-

пьютере, однако доступ к ресурсам сети у него сохраняется согласно сис-

темной политике, прописанной на сервере системным администратором.

5. Глобальная сеть Интернет

5.1. История Интернет

Необходимость создания глобальной информационной сети была вы-

звана состоянием холодной войны, в котором в начале 60-х годов находи-

лись мировые супердержавы США и бывший СССР. Гонка вооружений

породила рост производства как вооружений, так и средств обеспечения

надежной защиты от возможного нападения противника.

Одной из задач, которую пришлось решать США из-за территориальных

ограничений, было сохранение рабочей системы связи после ядерного удара

СССР. Проблема состояла в разработке информационной сети, способной

выдержать ядерный удар и сохранить после него работоспособность.

В ответ на прогресс СССР в период холодной войны (в СССР был

произведен запуск первого искусственного спутника Земли) США форми-

рует Агентство по передовым исследованиям ARPA (Advanced Research

Projects Agency) в составе Отдела обороны (Department of Defence) для

продвижения военных технологий на лидирующие позиции.

Решение проблемы было предложено в виде информационной сети,

работающей по следующим принципам:

– в сети отсутствует командный пункт и передача информации осу-

ществляется, даже если отдельные ее части или узлы уничтожены;

– функции узлов одинаковы, каждый узел способен посылать и при-

нимать сообщения любого другого узла так, чтобы в сети было много пу-

тей передачи информации;

– информацию разделяют на блоки данных (пакеты) и рассылают по

сети;

– каждый пакет данных пойдет в сети своим путем, и все они встре-

тятся в назначенном месте.

В данном случае не важно, если отдельные части сети окажутся выве-

денными из строя. Любой узел, получивший блок данных, сможет отпра-

вить его по любому из оставшихся рабочих путей, даже если он является

самым длинным.

Первая экспериментальная сеть передачи данных (NPL Data

Network) под руководством Д. Дэвиса, основанная на этих принципах, бы-

ла собрана в Великобритании в 1968 г. в Национальной физической лабо-

ратории NPL (National Physical Laboratory) в Мидлсекс (Англия).

Вскоре после этого ARPA начало разработку более сложной сети, ис-

пользуя в качестве узлов самые быстрые по тем временам компьютеры. В

1969 г. были созданы 4 компьютерных узла в составе высокоскоростной

информационной сети ARPANET:

узел 1 – Калифорнийский университет, Лос-Анджелес (UCLA);

узел 2 – Исследовательский институт Стэнфорда (SRI);

узел 3 – Калифорнийский университет, Санта-Барбара (UCSB);

узел 4 – Университет штата Юта (Univ of Utah).

В октябре было послано первое электронное сообщение между узлами

UCLA и SRI. Мичиганский университет и Университет Уэйна установили

сетевую связь – сеть Merit network для учебных и внутренних целей и дос-

тупа студентов и научных работников.

ARPANET позволила исследователям и ученым использовать компь-

ютерное оборудование, расположенное на большом расстоянии друг от

друга. В 1971 г. ARPANET насчитывал 15 узлов, а в 1972 г. – 37.

Однако ARPANET не использовалась целиком в тех целях, ради кото-

рых была создана. Большинство сообщений, передаваемых в ARPANET,

носило частный характер. Пользователи располагали адресами в электрон-

ной почте и использовали ее для обмена личной информацией. С военной

точки зрения такая ситуация угрожала безопасности, и в начале 80-х го-

дов была создана военная сеть MILNET. Таким образом ARPANET разде-

лилась на ARPANET и MILNET. MILNET далее интегрируется в создан-

ную годом ранее Оборонную сеть (Defense Data Network).

В начале своего существования ARPANET использовал Network con-

trol protocol – NCP (протокол управления сетью) для контроля и обмена

информацией между компьютерами. Со временем NCP был заменен более

совершенным TCP/IP – Transmission Control Protocol/ Internet Protocol

(протокол управления передачей/ Интернет протокол). TCP обрабатывал

информацию, формируя блоки данных, которые затем рассылались по на-

значению. Достигая конечного пункта, пакеты с помощью TCP вновь ста-

новились информацией. IP занимался рассылкой блоков данных и отвечал

за их получение через различные составляющие сети или даже через раз-

личные сети. TCP/IP стал доступен всем желающим. К 1977 г. к ARPANET

были подсоединены другие быстро растущие сети, использующие TCP/IP.

В 1986 г. Национальный научный фонд США (NSF) создает NSFNET –

сеть, соединившую лучшие суперкомпьютеры с высокоскоростными ли-

ниями связи, что позволило быстро производить обмен информацией между

суперкомпьютерами. Были также созданы местные сети для школ и универ-

ситетов, которые впоследствии стали частью NSFNET.

К середине 80-х годов более 50 тысяч компьютерных узлов было под-

ключено к сети, которая сейчас нам известна как Интернет (Internet). К ней

были подключены пользователи из таких удаленных стран, как Новая Зе-

ландия, Индия, Бразилия.

В начале 90-х годов доступ к Интернет впервые получили коммерче-

ские компании. Обычные пользователи, не имевшие доступа к университе-

там или крупным исследовательским центрам, могли подключаться к Интер-

нету через многочисленных поставщиков сетевого доступа. Сегодня насчи-

тывается более миллиона узлов сети по всему миру, соединяющих десятки

миллионов пользователей по адресам электронной почты.

В 1982 г. DCA и ARPA устанавливают протокол управления переда-

чей (TCP) и Межсетевой протокол (IP) как набор протоколов (известный

как TCP/IP) для работы в составе ARPANET. Это приводит к одному из

первых описаний интерсети как объединенного множества сетей с исполь-

зованием TCP/IP и Интернет как множества интерсетей, соединенных по

TCP/IP. Отдел обороны (DОD) объявляет набор TCP/IP в качестве внутри-

ведомственного стандарта.

В 1984 г. вводится принцип Системы именования доменов DNS

(Domain Name System).

ARPANET как прототип сети постепенно теряла свою значимость по ме-

ре того, как появлялись все новые и новые сети. К 1990 г. она исчезла совсем.

1991 год: появление службы World-Wide Web (WWW). Шеф разра-

ботки Тим Бернерс-Ли (Tim Berners-Lee). Первая программа – броузер

WWW – LineMode работала без поддержки графики и мыши.

1996–1997 годы: развитие технологии WWW, создание поисковых

серверов, языка Ява, Интернет-телефонии.

24 октября 1995 г. Федеральный сетевой совет (FNC) единодушно

одобрил резолюцию, определяющую термин «Интернет». Это определение

разрабатывалось при участии специалистов в области сетей и области прав

на интеллектуальную собственность.

Интернет (Internet) – это глобальная информационная система, которая:

– логически взаимосвязана пространством глобальных уникальных

адресов, основанных на Интернет–протоколе (IP) или на последующих

расширениях или преемниках IP;

– способна поддерживать коммуникации с использованием семейства

протокола управления передачей/Интернет-протокола (TCP/IP) или его по-

следующих расширений/преемников и/или других IP-совместимых прото-

колов;

– обеспечивает, использует или делает доступной на общественной

или частной основе высокоуровневые сервисы, надстроенные над описан-

ной здесь коммуникационной и иной связанной с ней инфраструктурой.

Рост числа сетей в мире стал подобен взрыву, цифровые коммуникацион-

ные сети ознаменовали начало новой революции, обеспечив технологию,

транспортирующую данные, требуемые обществу, в котором информация иг-

рает ключевую роль. Сети проникли во все сферы деятельности человека

(промышленность, образование, управление государством и т. д.). Они уже на-

чали изменять представление людей о мире, сократив географические рас-

стояния и образовав новые сообщества людей, которые взаимодействуют бла-

годаря глобальной сети Интернет (в дальнейшем просто Сети).

По названию и географически Интернет является сетью, порожденной

не традиционной телефонной или телевизионной, а компьютерной индуст-

рией. Поэтому темпы преобразования Интернет соответствуют изменени-

ям, происходящим в компьютерной индустрии. Эти изменения направлены

на предоставление таких новых сервисов, как передача данных в реальном

масштабе времени с целью поддержки, например, аудио- и видеопотоков.

Повсеместная доступность сетей (таких как Интернет) в сочетании с мощ-

ными, компактными и доступными по цене вычислительными и коммуни-

кационными средствами (ПК-блокноты, двунаправленные пейджеры, пер-

сональные цифровые секретари, сотовые телефоны и т. п.) делает возмож-

ной новую парадигму мобильных вычислений и коммуникаций.

Перспективными являются новые приложения: Интернет-телефония и Ин-

тернет-телевидение.

Для будущего Интернет важнее всего не то, как будут изменяться

технологии, а то, как будет управляться сам процесс изменения и развития.

Архитектура Интернет всегда определялась ядром, состоящим из ведущих

проектировщиков, но с увеличением числа заинтересованных сторон фор-

ма ядра изменилась. Успех Интернет расширил круг людей и организаций,

вложивших в Сеть финансовые и интеллектуальные ресурсы. Споры во-

круг управления доменным пространством имен и формата следующего

поколения IP-адресов показывают, что идет поиск новой социальной

структуры, способной осуществлять руководство Интернет в будущем.

Создание такой структуры – основная проблема Интернет, способная при-

нести неудачи, так как главная опасность состоит в том, что люди не смо-

гут установить единое согласованное управление Сетью из-за разногласий,

вызванных экономическими и политическими причинами.

5.2. Основные принципы работы сети Интернет

Источником информации в Интернет являются ресурсы, расположен-

ные на компьютерах Сети, которые, так же как и на любом не связанном с

Сетью персональном компьютере, представляют собой информационные

объекты, существующие в виде логически завершенных записей, или фай-

лов. Существуют две важные категории файлов: первая из них – это ис-

полняемые программы, вторая – файлы, содержащие данные всевозмож-

ных типов (текст, графику, аудио и видео).

В силу колоссального объема и разнородности организации информа-

ционных ресурсов в Сети возникает ряд естественных проблем. Каждый

ресурс имеет структуру определенного типа, базируется на машине со сво-

ей операционной системой (платформой) и специальной программой об-

служивания доступа к ней – программой-сервером. Само соединение поль-

зователя с сервером происходит с помощью соответствующей программы,

запускаемой на его компьютере (программы-клиента), и выполняется та-

кое соединение на основе заранее определенного свода правил, или про-

токола взаимодействия между клиентом и сервером.

Таким образом, для начала работы в Сети необходимо:

– иметь на своем компьютере определенную программу-клиент;

– располагать адресом хотя бы одного сервера, к которому можно об-

ратиться по протоколу, поддерживаемому программой-клиент;

– владеть набором команд, используемых в рамках данного прото-

кола.

Передача информации в Интернет происходит небольшими порциями

данных, имеющими строго определенную структуру и называемыми паке-

тами. Сообщение может быть разбито на несколько пакетов, размер кото-

рых может варьироваться, но, как правило, не превышает 1500 байт. Паке-

ты передаются между узлами сети, в качестве которых чаще всего высту-

пают межсетевые шлюзы (gateway) или межсетевые маршрутизаторы

(router). С точки зрения Интернета, любая коммуникационная система,

способная передавать пакеты, считается одной сетью, независимо от ее за-

держек при передаче, пропускной способности, максимального размера

пакета или географических размеров.

Необходимым условием функционирования Интернет является стан-

дартизированный свод правил передачи пакетов и данных в целом в рам-

ках межсетевого обмена. Поэтому в основе организации Сети лежит мо-

дель OSI, закрепленная протоколами передачи данных.

Важнейшими протоколами являются протокол управления переда-

чей TCP и межсетевой Интернет-протокол IP.

Каждая сеть работает по своим собственным законам, однако предпо-

лагается, что шлюз может принять пакет из другой сети и доставить его по

указанному адресу. Реально пакет из одной сети передается в другую под-

сеть через последовательность шлюзов (узлов), это становится возможным

благодаря реализации во всех узлах сети протокола межсетевого обмена

IP. Протокол ТСР – протокол транспортного уровня, он управляет тем, как

происходит передача данных. Протокол IP – протокол адресный, он при-

надлежит сетевому уровню и определяет, куда происходит передача дан-

ных. Протокол TCP дал название всему семейству (стеку) протоколов

ТСР/IP.

После установления канала связи между компьютерами программа

приложения может направлять в него данные непрерывным потоком как

на стандартное устройство ввода-вывода. Протокол TCP разбивает данные

на пакеты, после чего каждый пакет маркируется с помощью данных, не-

обходимых для правильной сборки документа на компьютере получателя.

Данный протокол обеспечивает также подтверждение факта получения па-

кетов принимающей стороной и повторную передачу пакетов, если в этом

будет необходимость. Кроме того, в протоколе TCP реализованы доста-

точно сложные механизмы регулирования загрузки сети и устранения в

ней заторов.

Суть протокола IP состоит в том, что каждый компьютер сети (hosty)

имеет уникальный IP-адрес, состоящий из 4 байт, например 144. 206.160.32.

Так как байт содержит 256 значений, то количество возможных адресов со-

ставляет порядка 2 миллиардов. По этим адресам каждый компьютер опре-

деляет, кому из ближайших соседей можно переслать ТСР-пакет, чтобы он

оказался «ближе» к получателю. В результате конечного числа пересылок

пакет достигает адресата.

Важными элементами в протоколах транспортного уровня являются

понятия «порт» и «сокет». Порт в протоколах транспортного уровня – это

не физически существующий порт ввода-вывода (как, например, последо-

вательный порт СОМ1), а "виртуальный" порт, который программно изо-

лирует данные, передаваемые по одному порту, от данных, передаваемых

по другому порту. Нумерация портов осуществляется от 0 до 65535. На-

пример, стандартным портом для Web-сервера является порт 80.

Сокет (socket) характеризует сетевое соединение между двумя сете-

выми приложениями, которое включает в себя:

IP-адрес и номер порта локальной машины;

IP-адрес и номер порта удаленной машины.

Сокет задает сетевое соединение однозначно. Если рассмотреть два

различных соединения, то в них отличаются значения хотя бы одного из

приведенных выше параметров. Так, к определенному порту сервера могут

одновременно подключиться два приложения, работающие с различных

портов на машине пользователя.

Пользоваться числовыми адресами достаточно трудно, поэтому для

облегчения задачи существует специальная система имен доменов DNS

(Domain Name System) – это более удобная для восприятия человеком сис-

тема осмысленных доменных имен (например, TUT.BY, MAIL.RU,

MICROSOFT.COM). Доменное имя (Domain name) – имя группы рабочих

станций и серверов в одной сети, уникальный идентификатор, который на-

значается определенному IP-адресу. Оно включает суффикс домена верх-

него уровня и имена узлов (доменов) нижних уровней.

Перевод доменных имен в связанные с ними IP-адреса осуществляют

серверы DNS, после чего сообщение передается по IP-адресу. IP-адрес мо-

жет быть постоянным и динамическим. Постоянный адрес присваивается

компьютеру на все время работы в Сети независимо от времени и способа

подключения к ней. Динамический адрес назначается на время коммута-

ции рабочей станции к серверу.

Домен (Domain) – самая крупная структурная единица Интернет.

Обычно домен – страна или другая большая структура, отражающая раз-

личные области интересов или ответственности. Организовать группы

компьютеров в Интернет с помощью иерархии доменов позволяет служба

имен доменов – DNS (Domain Name Service).

Домены в Интернете различаются по уровням иерархии, например в

imb.by imb – домен второго уровня, а в by – верхнего. Домены верхнего

уровня классифицируют организации по типам (используется в США): gov

(government) – государственные, edu (educational) – образовательные, org

(organization) – организации, net – главные центры поддержки сети, mil –

военные группы, int – международные, com (commercial) – коммерческие,

<country code> (любая страна, географическая единица).

Чтобы присоединиться к доменам (кроме последнего), необходимо

иметь аргументы, соответствующие предъявляемым строгим требованиям.

Включение в домен com гораздо проще, однако все-таки нужно правильно

определить, к какому из доменов верхнего уровня относится организация.

Имя домена должно иметь смысл, легко запоминаться и вводиться с

клавиатуры, а также не использоваться другой организацией на Интернете.

Самым главным является корневой домен Inter NIC. Домены первого

уровня назначаются для каждой страны: BY, RU, US, LT и т. д.

Выбранное имя регистрируется. Обычно для этого из области Regis-

tration Web-страницы InterNIC получают текстовый бланк и заполняют его

в любом редакторе или текстовом процессоре либо заполняют форму