Для чего нужны компьютерные сети

Конспект лекции 1. Введение в компьютерные сети.

Что первое приходит в голову, когда вы слышите слово «Сеть»? Это что-то связанное между собой. Может, рыболовная сеть? Или сеть магазинов? Правильнее сказать, что это совокупность элементов, связанных между собой. В нашем случае, эта сеть компьютерная, т.е. объединяет компьютеры (или любые другие инфокоммуникационные устройства) с помощью каналов связи (проводов, электрических волн) для того, чтобы решать различные задачи.

Компьютерная сеть — это объединение с помощью каналов связи двух и более инфокоммуникационных устройств.

Какие инфокоммуникационные устройства вы знаете? перечислите несколько в своём конспекте.

Как появились компьютерные сети?

Задача обмена информацией одна из необходимых в человеческом мире. Раньше люди обменивались информацией с помощью картин на скалах, рисунков, иероглифов. Разговор — тоже способ передать информацию. И появление компьютера в жизни человека не могло обойти эту задачу стороной, так как напрямую имеет дело с обработкой информации.

На самом деле, изначально компьютеры были придуманы совсем не для того, чтобы с лёгкостью заказать себе пиццу в какой-нибудь он-лайн доставке, рекламу которой активно распространили на вашем любимом видеохостинге. Эти вычислительные мощности были доступны только людям научных сфер. А задачи, возложенные на эти устройства были чётко обозначены и тщательно планировались.

Первые компьютеры 50-х годов были огромные. Они назывались Мейнфреймами . Их работа заключалась в обработке и расчёте данных в узких областях, такие как физика, экономика и пр. К слову, мейнфреймы существуют и до сих пор, но сейчас они представляют собой очень мощные вычислительные компьютеры.

А работали с ним следующим образом: программисты писали свои программы на перфокартах. Программы нескольких программистов формировались в так называемый пакет . Далее этот пакет передавался в вычислительный центр (помещение, где находился мейнфрейм), где оператор вводил перфокарты пакета в компьютер. Мейнфрейм работает в многопрограммном режиме, что позволяет параллельно выполнять разные программы. После выполнения программы, её результаты распечатывались. Ждать результатов программы приходилось минимум день.

Самым главным минусом являлось отсутствие проверки программы на ошибки. Неверно набитая карта мало того, что могла повлиять на работу программы и её результаты, так ещё и задерживала работу самого компьютера минимум на сутки.

Работа с таким компьютером была не удобна. Но технологии не стояли на месте, и по мере удешевления процессоров (в начале 60-х) появились новые способы организации и работы с мейнфреймом. Появились многотерминальные системы.

Многотерминальные системы устроены так, что каждому пользователю главного компьютера стал доступен отдельный терминал – система устройств ввода и вывода (прим.: монитор и клавиатура), подключенный к мейнфрейму, с помощью которого он работал с ним. Пользователь мог получать доступ к общим файлам и периферийным устройствам, но у него создавалась полная иллюзия работы с персональным ПК.

Такие многотерминальные системы уже были отдалённо похожи на локальные вычислительные сети. Хотя они и имели внешние черты распределённых систем, но всё ещё поддерживали централизованную обработку данных, т.к. раньше персональные компьютеры стоили дорого и предприятию было выгоднее купить один большой мейнфрейм, чем покупать каждому пользователю персональный компьютер, при этом суммарная мощность таких ПК была меньше мейнфрейма.

Но потребность объединять компьютеры на больших расстояниях уже появилась. Так появились глобальные сети. Они позволяли получать доступ к мейнфрейму с терминалов, удалённых от него на сотни и более километров. Соединялись они через телефонные сети с помощью модемов. Затем появились соединения типа компьютер-компьютер.

Так, первыми появились глобальные сети (WAN – wide area network) – сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры. (находящиеся в различных городах и странах).

Передача данных в таких сетях происходит по каналам связи — система технических средств и среда распространения сигналов для односторонней передачи данных (информации) от отправителя (источника) к получателю (приёмнику).

С момента удешевления персональных компьютеров (70-е годы) стали появляться локальные сети.

Локальная сеть – объединение компьютеров на небольшой территории, принадлежащих одной организации.

В это время появляется первый прототип интернета — компьютерная сеть ARPANET , которая была предназначена для обмена информацией между компьютерами противовоздушной обороны Америки. Эта сеть была рассчитана для передачи важной информации на случай ядерной войны.

Так как технологии только развивались, в мире не было строгих стандартов для сетевых технологий, поэтому компьютеры разных производителей не могли объединяться в сеть.

Сетевая технология – согласованный набор программных и аппаратных средств (драйверов, адаптеров, кабелей и разъёмов) для передачи данных по линиям связи.

В связи с этим, в середине 80-х годов, утвердились стандартные сетевые технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, FDDI.

После стандартизации сетевых технологий построение сети превратилось в рутинную работу. Достаточно было приобрести стандартный кабель, сетевые адаптеры соответствующего стандарта (например, Ethernet), вставить адаптеры в компьютер, присоединить их к кабелю стандартными разъёмами и установить одну из популярных сетевых ОС.

В конце 90-х годов выявился лидер среди технологий локальных сетей – семейство Ethernet, в которое вошли классическая технология Ethernet со скоростью ПД 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet со скоростью 100Мбит/с и Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Плюсом этой технологии была низкая стоимость оборудования и простота алгоритмов работы.

В это же время стали объединяться локальные и глобальные сети . Появились новые среды передачи, такие как оптоволоконные кабели. Они позволяют передавать цифровые данные на большие расстояния с очень высокой скоростью, при этом обладая стойкостью к воздействиям сил окружающей среды

Для того чтобы компьютеры могли «общаться» на одном программном языке (т.е. понимать, какие данные приходят из сети, как их отображать и в каком виде отправлять) было принято стандартизировать это «общение». Для этого создаются специальные протоколы (в общем смысле протокол — это свод необходимых правил и норм, которых необходимо придерживаться для достижения взаимопонимания).

Протокол (сетевой) — это набор правил и соглашений, который определяет обмен данными между различными сетями и программами.

Большой вклад внесло доминирование протокола IP (Internet Protocol), который может работать поверх других технологий компьютерных сетей, объединяя различные подсети в единую составную сеть.

Возникли новые транспортные технологии, которые стали одинаково успешно работать как в локальных, так и в глобальных сетях. Первой такой технологией была ATM, которая могла эффективно объединять все существующие типы трафика в одной транспортной сети.

Однако истинно универсальной транспортной технологией стала технология Ethernet. Долгие годы она была технологией только локальных сетей, но после дополнения новыми функциями и новой градацией скоростей она и по сей день преобладает на линиях связи в глобальных сетях.

Далее появилась потребность передавать разные виды информации. Не только текст, но и различную мультимедийную информацию. Так начали появляться мультисервисные сети. Первой технологией, которая в полном объёме поддерживала возможность передачи мультимедиа в глобальной сети стала технология NGN (Next Generation Network).

Компьютерные сети многое позаимствовали у телефонных и телевизионных сетей. В частности, они взяли на вооружение методы отказоустойчивости телефонных сетей, за счёт которых последние демонстрируют высокую степень надёжности.

Телефонные сети, в свою очередь, многое перенимают у компьютерных сетей. Это проявляется в использовании протокола IP в технологиях сетей 3-го и 4-го поколения (3G и 4G).

Выводы

Компьютерные сети стали логическим результатом эволюции вычислительной техники и телекоммуникационных технологий.

Прообразом локальных вычислительных сетей являются многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени.

Хронологически первыми появились глобальные сети (Wide Area Network, WAN), то есть сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно, находящиеся в различных городах и странах.

Для связывания компьютеров в сеть операционные системы, установленные на них, были дополнены модулями, которые реализовали коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети. Такие ОС можно считать первыми сетевыми операционными системами. Сетевые ОС позволили не только рассредоточить пользователей между несколькими компьютерами (как в многотерминальных системах), но и организовать распределенные хранение и обработку данных.

В начале 70-х годов начались работы по созданию первой и самой известной ныне глобальной сети мирового масштаба — Internet.

Важнейший этап в развитии сетей — появление стандартных сетевых технологий: Ethernet, FDDI, Token Ring, позволяющих быстро и эффективно объединять компьютеры различных типов.

Начиная с 80-х годов стала проявляться тенденция сближения технологий локальных и глобальных компьютерных сетей, а также технологий телекоммуникационных сетей разных типов: телефонных, радио, телевизионных. В настоящее время ведутся активные работы по созданию универсальных мультисервисных сетей, способных одинаково эффективно передавать информацию любого типа: данные, голос и видео.

Зачем нужны компьютерные сети?

Прежде чем погружаться в изучение компьютерных сетей, давайте сначала разберёмся, где компьютерные сети применяются. Есть очевидные случаи, когда вы пользуетесь ими почти на прямую:

• Стриминговые сервисы, передающие на ваше устройство медиа контент (Netflix, Spotify, Яндекс музыка, Youtube, Twitch)
• Социальные сети и месенджеры (VK, Telegram, email, Element)
• Вэб порталы и магазины (Сайт гос услуг, Aliexpress)
• Он-лайн игры
• Обновления ОС или программ

Но есть и чуточку более абстрагированные случаи:

• Системы платежей (Visa, MasterCard, МИР)
• Удалённое управление (рабочие места, домофоны, квадрокоптеры)
• Промышленность (системы управления заводом, складом)

Ожидания

Давайте ненадолго забудем, что мы тут обсуждаем сети и соберём наши ожидания от всех вышеперечисленных сервисов.

Оплачивая покупку банковской картой мы бы хотели действительно оплатить покупки, а не наслаждаться вечно крутящимся кружком загрузки. То есть нам хочется иметь доступный сервис.

Помимо самого факта оплаты, мы бы очень хотели, чтобы оплата прошла ровно один раз и по указанной сумме. Это свойство можно охарактеризовать как надёжность.

Думаю, многие предпочли бы использовать наличный расчет, если бы каждая оплата банковской картой занимала по 10 минут, поэтому мы ожидаем от такого сервиса отзывчивости.

Следующее ожидание на примере использования системы оплаты в качестве потребителя сложно прочувствовать. Намного проще на него посмотреть со стороны банка. У вас, как у потребителя услуг в банка одновременные взаимоотношения с единицами банков, а клиентов у банка могут быть миллионы. Очень большое количество клиентов может провести какую-нибудь операцию примерно в одно время. Чтобы сохранить репутацию надёжного банка, его сервисы должны быть достаточно производительны, чтобы обслужить всех.

Последнее, но самое важное из ожиданий — совместимость. Почти наверняка ваша банковская карта работает более чем в одном магазине и банкомате. Её принимают он-лайн площадки. И всё её же можно подключить во многие телефоны и даже некоторые умные часы.

Всё это произошло не случайно. Залогом успеха взаимодействия сложных систем является чёткое описание взаимодействий. Одна из форм такого описания — протокол.

Протоколы

Их критически важно отличать от реализации и интерфейса.

Протокол: В нашем случае под протоколом мы подразумеваем набор действий и правил, например, последовательности этих действий. Чаще всего это текстовое, а иногда и графическое описание. Известным примером протокола является HTTP, а тестовое описание его версии 1.0 можно найти в RFC 1945.

Пример псевдографической составляющей мы берём из RFC 791, оисывающего Internet Protocol:

 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |Version| IHL |Type of Service| Total Length | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Identification |Flags| Fragment Offset | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Time to Live | Protocol | Header Checksum | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Source Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Destination Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Options | Padding | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ Example Internet Datagram Header 

Реализация: На примере всё того же HTTP, его реализуют почти все браузеры. Если покопаться в исходных кодах FireFox или Chromium, то можно найти части, ответственные за обработку HTTP. Они будут отличаться. И именно эти части и являются реализацией. Другой интересный пример реализации HTTP — curl

Интерфейс: Обсуждая реализацию мы упомянули разные браузеры. Адресные строки в них выглядят чутка по разному, но не это отличие нас интересует в этом контексте. Нам важно знать, как отличается интерфейс от реализации.

Вот пример адресной строки из FireFox:

В ней протокол https и сам адрес стоят вместе, отсутствуют тип запроса и порт подключения. И это удобный нам, пользователям браузера, формат. Однако сам HTTP выглядит иначе, рассмотрим первые две строчки HTTP запроса:

GET / HTTP/2 Host: insysnw.github.io 

Это помогает нам понять

• написанный по спецификации протокола код может сильно различаться, но корректно работать, ведь в нём описана одна логика. TODO: перефразировать.
• То, что видит пользователь не обязано напрямую соответствовать протоколу и наоборот
• Код не является спецификацией протокола TODO: подвести к этому

Основа современного интернета

Так как реализовать единый протокол для одновременного решения всех текущих и будущих задач казалось невозможно. Сетевые протоколы были разбиты на вложенные уровни (стек).

Первой заметной инициативой по созданию такого разбиения была модель OSI (Open Systems Interconnection).

Ниже приведены все 7 уровней этой модели:

Прикладной	Application
Представления	Presentation
Сеансовый	Session
Транспортный	Transport
Сетевой	Network
Канальный	Data link
Физический	Physical

Как работает такое разбиение? Инкапсуляция! То есть вложение вышестоящего уровня в нижестоящий (путём добавления спереди заголовка нижестоящего уровня и изредка окончания).

Как это помогает? Это изолирует спектр проблем в конкретный уровень. Что в свою очередь позволяет разработчику сосредоточить усилия на бизнес логике. Так разрабатывая свой web-сервер не приходится думать о том, пользуется ли клиент WiFi или подключен к сети оптоволокном.

К слову, мы только что задели второй важный аспект разбиения на уровни. Протоколы в рамках одного уровня можно заменять. Не всегда это так просто как с WiFi и оптоволокном и влечёт изменения в других уровнях. Но даже при этом изменения не затрагивают весь стек.

Хотя все уровни в модели OSI выглядели логичными, в далёкие времена её создания, бизнесу востребованными казались не все. И до окончания длительной разработки OSI, на сцену выходит актуальный и по сей день стек TCP/IP.

В нём были отброшены два уровня: представления и сеансовый. Тем не менее, их отсутствие в стеке не значит отсутствие проблем. Это привело к миграции решения этих проблем в другие уровни. Так сеансовый уровень можно встретить в транспортном (протокол TCP, PPTP) и в прикладном (протокол HTTP). А уровень представления ярко выражен в прикладном: шифрование — TLS, отображение — Unicode, сжатие в теле HTTP пакета.

Ниже приведены уровни модели TCP/IP (зачёркнутые приведены для демонстрации разницы с OSI)

Прикладной	Application
Представления	Presentation
Сеансовый	Session
Транспортный	Transport
Сетевой	Network
Канальный	Data link
Физический	Physical

В рамках этого курса мы обсудим все уровни кроме физического и канального.

Сокеты

Обсудив исключительно теоретическую часть, начнём приближаться к практике! А на практике для организации сетевого сообщения Операционные Системы(OC) предоставляют программистам особый инструмент — сокеты (англ. socket)

TODO: изображение глазного яблока / розетки / CPU socket / Ethernet socket

На картинках мы увидели разные типы разъёмов, все они в английском языке обозначаются словом socket. Те сокеты, что предоставляет нам OC, это абстракция, предоставляющая виртуальный разъём, в который можно подключить какое-то соединение.

Сокеты зародились в мире UNIX подобных систем, где ярко выражена философия “всё файл”. Так и сокет в этих системах — файл. Его можно создать специальным системным вызовом, а потом писать и читать так, как вы делаете это с обычным файлом! Однако гораздо удобнее и эффективнее использовать для чтения и записи системные вызовы предназначенные специально для работы с сокетами. Скоро мы и до них доберёмся.

Мы обсудили, что в сокеты можно подключать какие-то соединения. Какие?

Устанавливая розетку у себя дома, мы сначала выбираем её тип (шотке (TODO: дать ссылку и привести другие примеры)). Так и для сокета необходимо выбрать тип (семейство), указывается при создании сокета. Список семейств, поддерживаемых Linux можно увидеть в man 7 address_families, но посмотришь лишь на некоторые из них.

UNIX сокеты являются популярным средством IPC и активно упоминаются на курсах Операционных Систем. Это отличным пример исключительно локального сокета, т.е. сетевые соединения с его помощью не возможны, поэтому оставим его рассмотрение.

Bluetooth — знакомая многим из вас беспроводная технология.

IR — инфракрасный порт, сейчас чаще всего встречается в пультах дистанционного управления. Для него есть сокет, ведь вы можете захотеть управлять кондиционером со своего Android телефона!

Вот мы добрались до двух главных в этом курсе семейств: IPv4 и IPv6. Именно они являются основным языком всемирной паутины.

Знакомство IPv6 в этом курсе ещё не подготовлено, так что погрузимся в мир IPv4. Хоть эти два семейства отличаются достаточно сильно, чтобы иметь разные типы сокетов, вполне возможно писать код, который работает сразу с обоими.

IPv4

Начнём разбор с IP пакетов, то есть сетевого уровня. Это первый уровень на котором возникает возможность адресовать возможность адресовать сетевой узел за рамками прямой видимости. Но с этим и возникает первая проблема!

Как адресовать другой узел?

Для этого было решено выделить 32 бита, а для удобства разбить их на 4 октета. Для представлению человеку был выбран формат отображения каждого октета в десятичной системе и разделения их точками. Например:

Для компьютера такое представление является строкой, что требует больше памяти, проверок и вычислительных ресурсов, чем, например, uint32 , вмещающий ровно 32 бита.

Вы, наверное, уже заметили и готовы упрекнуть меня. “Адрес обычно выглядит иначе!”

192.168.1.1/24 или 192.168.1.1 и его маска 255.255.255.0 .

И тут вы правы! Свой адрес мы часто обозначаем именно таким образом. К слову, две вышестоящих записи равносильны. Обе имеют адрес и маску подсети, просто записаны в разной форме.

Сначала разберёмся, что такое маска, а потом вернёмся к правилам её записи.

А маска это третий по счёту способ определения принадлежности адреса к сети. До неё сеть определяли по классy(от 1 до 3 первых байт). А ещё раньше по первым 8 битам.

К счастью об этом теперь можно смело забыть, ведь теперь есть CIDR, т.е. те самые маски подсети.

Стоп! Как забыть? Раньше сеть хранилась в IP пакете в поле адреса, а теперь появилась маска подсети — отдельное значение. Где оно хранится?

TODO: изображение IP пакета

Мы видим, что новое поле для маски подсети не появилось. Это значит, что в IP пакете маски подсети нет! А так как нужна она для маршрутизации, там мы её и рассмотрим.

Типы сокетов IPv4

Ранее мы договорились, что сокет — абстракция. Это значит, что абстрагируя IPv4 в сокет можно что-то потерять! И так оно и произошло, потерялись названия протоколов транспортного уровня. Создавая сокет, вы не увидите аббревиатуры UDP или TCP . НО! Верно отражена суть происходящего.

ОС предоставляет нам три вида сокетов:

Рассмотрим их с точки зрения сложности использования программистом.

Stream (потоковые) сокеты — самые простые из представленных. Скрывают за собой протокол транспортного уровня — TCP. Такие сокеты создают надёжные двунаправленные потоки между двумя узлами. Это позволяет почти беззаботно писать в сокет и читать из него. Что такое “надёжные”? Нет, это не абсолютно устойчивые ко всему соединения, в том числе полному отключению сети или хотя бы её смене (Wifi Мобильное соединени). Конкретное значение увидим в Datagram сокетах.

Datagram сокеты оперируют блоками данных и в целом всё. Название пришло от скрываемого за ними протокола — User Datagram Protocol. В такие сокеты тоже можно просто писать и читать. И это даже будет работать. Но ровно до тех пор, пока ваша сеть идеальна, а данные не вылезают за границы размера пакета. До этого потоковые сокеты позволяли совсем не думать о пакетах, ведь там ядро реализовывало всю логику TCP само, а нам, программистам выдавало уже готовые данные. Поток ничем искусственно не ограничен и может быть бесконечно длинным. С блоком данных — будь добр, уложись в ограничения одного пакета!

Велика беда, разбей большой блок на маленькие и передай? К сожалению, нет. Пакеты по пути могут потеряться, продублироваться или даже перемешаться. Обо всём этом теперь нужно думать программисту. Но пакеты ещё ведь могут и повредиться? Это — то немногое, что UDP позволяет проверить. В пакете может быть хэш данных и заголовка, но в версии IPv4 оно не обязательно.

Raw (сырые) сокеты не скрывают за собой протокол транспортного уровня. Это позволяет работать напрямую с IP пакетом. Данный тип мы рассматривать не будет, так как он используется значительно реже остальных. Обычно это разработка нового протокола транспортного уровня или специфичное взаимодействие с имеющимися.

Сделяль @ejiek. Исходный код имеет лицензию MIT. Содержимое сайта имеет лицензию CC BY 4.0 .

Что такое компьютерная сеть Объясняем простыми словами

Компьютерные сети — это основная часть окружающего нас цифрового мира. Можно сказать, три кита, на которых все держится. Они позволяют пользователям производить обмен информацией. Разбираемся, что же такое компьютерные сети и для чего они нужна

Что такое компьютерная сеть

К омпьютерная сеть простыми словами — это соединенные между собой компьютеры и другие девайсы, обменивающиеся за счет этого данными. Сети могут быть созданы в конкретно взятом помещении (локальные сети), районе, городе или окутывать мир целиком (глобальные сети).

Для чего же нужна компьютерная сеть

1.Обмен данными

Сети дают возможность обмениваться информацией. Какой? Например, файлами, документами, мемами, роликами, то есть мультимедийным контентом, и прочими данными. Это значительно упрощает работу пользователей над конкретными проектами и делает доступными ресурсы для сотрудничества.

2. Ресурсы

Сети делают возможным совместное использование общих перифирийных ресурсов: сканеров, принтеров, серверов и так далее. Это уменьшает издержки и повышает эффективность оборудования.

3. Коммуникации

Компьютерные сети дают доступ к таким коммуникационным средствам, как электронная почта, видеоконференции, голосовая связь и др.

4. Интернет

Глобальные компьютерные сети — это основа обмена информацией, предоставляющая возможность общения миллиардам пользователей.

Как называлась первая компьютерная сеть

Первая компьютерная сеть называлась ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network). Она была создана в конце 1960-х годов и представляла собой экспериментальный проект, разработанный по заказу агентства DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) США. Разрабатывая ARPANET, специалисты агентства стремились обеспечить связь между университетами и научными учреждениями, финансируемыми DARPA.

В основу ARPANET была положена концепция пакетной передачи данных, это когда информация разбивается на небольшие части — «пакеты» и передается посредством различных узлов сети. Кстати, именно эта концепция стала базой для развития современных интернет-технологий.

Днем рождения ARPANET считается 9 октября 1969 года. Именно в этот день в Лос-Анджелесе была установлена связь между компьютером в университете UCLA и компьютерами военных лабораторий в Стэнфорде. Таким образом была успешно протестирована передача данных между удаленными друг от друга компьютерами. Впоследствии этот эксперимент перерос в такое явление, как интернет.

Именно ARPANET впервые внедрила в практику ключевые технологии, применяющиеся до сих пор. Например, TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) и доменная система имен, ставшая основой для URL-адресов.

Основные виды компьютерных сетей

Локальная сеть (LAN) применяется для подключения электронных девайсов внутри одного здания или небольшой территории. С ее помощью можно осуществлять обмен файлами, а также подключаться к интернету и другим ресурсам.

Глобальная сеть (GAN) покрывает большие территории величиной со страны. Самый известный пример глобальной сети — это всем хорошо известный интернет. GAN связывает в единый пучок LAN из разных частей мира, обеспечивая тем самым связь с такими ресурсами, как сайты, онлайн-сервисы, социальные сети и так далее.

Беспроводная сеть (Wi-Fi) подключает устройства к интернету без проводов

Виртуальная частная сеть (VPN) работает поверх общественных сетей и за счет зашифрованных соединений дает возможность пользователям безопасно обмениваться данными.

Общедоступная сеть (PAN) соединяет компьютеры, смартфоны, а также планшеты и другие периферийные девайсы, внутри отдельного жилья.

Принципы построения компьютерных сетей

Кольцевая топология сети — это метод построения сети, при котором компьютеры соединены в кольцевую цепь, где каждый компьютер соединен с двумя соседними. Кольцевая топология обеспечивает высокую скорость передачи данных, поскольку они проходят от компьютера к компьютеру по кольцу. Однако в случае выхода из строя или обрыва соединения одного компьютера, вся сеть прерывается.

Линейная топология предполагает, что компьютеры соединены последовательно друг за другом. Это простая и недорогая топология, но при этом она имеет и существенный недостаток: если один компьютер выходит из строя, все компьютеры, подключенные за ним, неизбежно теряют связь.

Звездообразная топология стала одной из самых распространенных. Она позволяет соединить все компьютеры с центральным устройством, так называемым коммутатором. Одно из преимуществ такой топологии — возможность централизованной масштабируемости устройств.

Смешанная (гибридная) топология, как несложно догадаться, состоит из комбинации различных типов топологий. Например, в сети может сочетаться звездообразная топология в отдельных отделах, соединяемая через маршрутизатор в кольцевую топологию.

Компьютерные сети: основы, принципы и преимущества

Эта статья представляет собой введение в компьютерные сети, описывает историю их развития, рассматривает различные типы сетей, а также обсуждает преимущества и недостатки их использования в современном мире.

Компьютерные сети: основы, принципы и преимущества обновлено: 17 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Компьютерные сети являются неотъемлемой частью современного мира. Они позволяют нам обмениваться информацией, работать удаленно, общаться и развлекаться. В этой лекции мы рассмотрим основные понятия и принципы компьютерных сетей, а также их применение и важность в нашей повседневной жизни.

Нужна помощь в написании работы?

Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.

Определение компьютерных сетей

Компьютерная сеть – это совокупность взаимосвязанных компьютеров и других устройств, которые могут обмениваться информацией и ресурсами. Они объединяются вместе с помощью физических и логических соединений, чтобы обеспечить обмен данных и совместное использование ресурсов.

Компьютерные сети позволяют пользователям обмениваться информацией, работать с общими файлами и ресурсами, а также использовать общие программы и сервисы. Они могут быть организованы внутри офиса, в пределах одного здания, между различными офисами или даже на глобальном уровне через Интернет.

Компьютерные сети имеют различные топологии, такие как шина, кольцо, звезда и смешанная. Они также используют различные протоколы и стандарты для обмена данных и управления сетью.

Основные преимущества компьютерных сетей включают возможность совместной работы, обмена ресурсами, централизованного управления и повышения эффективности работы. Однако, сети также могут быть уязвимыми к различным угрозам безопасности, поэтому необходимы меры защиты и безопасности.

Сегодня компьютерные сети широко применяются во многих сферах, включая бизнес, образование, научные исследования, медицину и даже домашнее использование. Они играют важную роль в обеспечении связности и обмена информацией в современном мире.

История развития компьютерных сетей

Развитие компьютерных сетей началось в середине XX века и прошло несколько этапов.

Первые компьютерные сети

Первые компьютерные сети появились в 1960-х годах. Они были созданы для обмена информацией между компьютерами в рамках одной организации или учреждения. Такие сети назывались локальными сетями (LAN) и использовались для совместной работы и обмена ресурсами.

Развитие интернета

В 1970-х годах была создана сеть под названием ARPANET, которая стала прародителем интернета. ARPANET была разработана для связи компьютеров и обмена информацией между учеными и исследовательскими учреждениями. В 1980-х годах ARPANET была разделена на несколько сетей, и одной из них стал интернет.

Распространение компьютерных сетей

В 1990-х годах компьютерные сети стали все более распространенными. Были разработаны новые протоколы и стандарты, такие как TCP/IP, которые обеспечивали надежную передачу данных в сети. Компьютерные сети стали доступными для широкой аудитории, и интернет стал глобальной сетью, связывающей миллионы компьютеров по всему миру.

Беспроводные сети и Интернет вещей

В последние десятилетия компьютерные сети продолжают развиваться. Беспроводные сети стали все более популярными, позволяя подключать устройства к сети без использования проводов. Также появилась концепция Интернета вещей, где различные устройства и предметы могут быть подключены к интернету и обмениваться данными.

История развития компьютерных сетей свидетельствует о постоянном прогрессе и улучшении технологий связи. Сегодня компьютерные сети играют важную роль в нашей жизни, обеспечивая связность и обмен информацией во многих сферах деятельности.

Топология компьютерных сетей

Топология компьютерной сети определяет физическую и логическую структуру соединения устройств в сети. Она определяет, как устройства связаны друг с другом и как они обмениваются данными.

Основные типы топологий

Существует несколько основных типов топологий компьютерных сетей:

Звезда (Star)

В звездообразной топологии все устройства подключены к центральному устройству, которое называется коммутатором или концентратором. Каждое устройство имеет отдельное соединение с центральным устройством. Если одно устройство выходит из строя, остальные устройства продолжают работать.

Шина (Bus)

В шинной топологии все устройства подключены к одной центральной шине или кабелю. Устройства получают доступ к шине последовательно, передавая данные друг другу. Если одно устройство выходит из строя или кабель обрывается, вся сеть может быть нарушена.

Кольцо (Ring)

В кольцевой топологии устройства соединены в кольцо, где каждое устройство имеет два соседних устройства. Данные передаются по кольцу от одного устройства к другому. Если одно устройство выходит из строя, вся сеть может быть нарушена.

Дерево (Tree)

В древовидной топологии устройства соединены в иерархическую структуру, где есть центральное устройство (обычно сервер) и подчиненные устройства. Данные передаются от центрального устройства к подчиненным устройствам. Если центральное устройство выходит из строя, вся сеть может быть нарушена.

Сеть (Mesh)

В сетевой топологии каждое устройство имеет соединение с каждым другим устройством в сети. Это обеспечивает высокую надежность и отказоустойчивость, но требует большого количества кабелей и портов.

Выбор топологии

Выбор топологии зависит от конкретных потребностей и требований сети. Каждая топология имеет свои преимущества и недостатки. Например, звездообразная топология обеспечивает простоту управления и отказоустойчивость, но требует больше кабелей. Кольцевая топология обеспечивает равномерное распределение нагрузки, но может быть нарушена при выходе из строя одного устройства.

Важно учитывать физическую структуру помещения, количество устройств, требования к пропускной способности и надежности при выборе топологии компьютерной сети.

Протоколы и стандарты компьютерных сетей

Протоколы и стандарты компьютерных сетей – это наборы правил и соглашений, которые определяют способы обмена информацией между устройствами в сети. Они обеспечивают единообразие и совместимость работы различных устройств и программ в сети.

Протоколы

Протоколы определяют формат и последовательность передачи данных между устройствами в сети. Они обеспечивают надежность, целостность и конфиденциальность передаваемой информации. Некоторые из наиболее распространенных протоколов в компьютерных сетях:

• TCP/IP – основной протокол интернета, который обеспечивает передачу данных между устройствами в сети. Он разделен на два уровня: протокол передачи данных (TCP) и протокол интернета (IP).
• HTTP – протокол передачи гипертекста, используемый для обмена информацией веб-страницами в сети Интернет.
• FTP – протокол передачи файлов, который позволяет обмениваться файлами между устройствами в сети.
• SMTP – протокол передачи почты, используемый для отправки и получения электронной почты.

Стандарты

Стандарты определяют общие правила и спецификации для различных аспектов компьютерных сетей. Они обеспечивают совместимость и взаимодействие между различными устройствами и программами в сети. Некоторые из наиболее известных стандартов в компьютерных сетях:

• Ethernet – стандарт проводной локальной сети, который определяет методы передачи данных по физическим сетевым кабелям.
• Wi-Fi – стандарт беспроводной локальной сети, который определяет методы передачи данных по радиоволнам.
• IEEE 802.11 – стандарт беспроводной локальной сети, который определяет спецификации для Wi-Fi.
• IPv4 и IPv6 – стандарты адресации интернета, которые определяют формат и структуру IP-адресов.

Протоколы и стандарты компьютерных сетей играют важную роль в обеспечении эффективной и безопасной работы сети. Они позволяют различным устройствам и программам взаимодействовать и обмениваться информацией, что делает возможным функционирование современных компьютерных сетей.

Типы компьютерных сетей

Компьютерные сети могут быть классифицированы по различным критериям, таким как географическое расположение, размер и способ соединения устройств. Вот некоторые из основных типов компьютерных сетей:

Локальная сеть (LAN)

Локальная сеть – это сеть, ограниченная географически небольшой областью, такой как дом, офис или школа. В LAN устройства подключены друг к другу непосредственно или через коммутаторы и могут обмениваться данными и ресурсами. Локальные сети обычно используются для обеспечения общего доступа к файлам, принтерам и другим ресурсам, а также для обмена информацией между устройствами внутри сети.

Глобальная сеть (WAN)

Глобальная сеть – это сеть, охватывающая большую географическую область, такую как город, страна или весь мир. Глобальные сети обычно используются для связи между различными локальными сетями и обеспечения доступа к интернету. Интернет является примером глобальной сети, которая объединяет миллионы компьютеров и устройств по всему миру.

Метрополитенская сеть (MAN)

Метрополитенская сеть – это сеть, охватывающая город или большую географическую область. MAN обычно используется для связи между различными локальными сетями в пределах одного города или региона. Они обеспечивают более высокую пропускную способность и скорость передачи данных по сравнению с LAN.

Беспроводная сеть

Беспроводная сеть – это сеть, в которой устройства подключены без использования проводов или кабелей. Беспроводные сети используют радиоволны или инфракрасные лучи для передачи данных между устройствами. Wi-Fi и Bluetooth являются примерами беспроводных сетей, которые широко используются для подключения устройств, таких как компьютеры, смартфоны и принтеры.

Виртуальная частная сеть (VPN)

Виртуальная частная сеть – это сеть, которая создается на основе общедоступной сети, такой как интернет, для обеспечения безопасного и защищенного соединения между удаленными устройствами. VPN используются для обеспечения конфиденциальности и защиты данных при передаче через общедоступные сети. Они широко используются компаниями для обеспечения безопасного удаленного доступа к корпоративным ресурсам.

Это лишь некоторые из основных типов компьютерных сетей. Каждый тип имеет свои особенности и применения, и выбор типа сети зависит от конкретных потребностей и требований организации или пользователя.

Преимущества компьютерных сетей

Компьютерные сети имеют множество преимуществ, которые делают их неотъемлемой частью современного мира. Вот некоторые из основных преимуществ компьютерных сетей:

Обмен информацией и ресурсами

Компьютерные сети позволяют пользователям обмениваться информацией и ресурсами, такими как файлы, печатные устройства, базы данных и другие. Это упрощает совместную работу и обеспечивает эффективное использование ресурсов.

Удобство и гибкость

Сетевые технологии позволяют пользователям получать доступ к данным и ресурсам из любого места и в любое время. Это обеспечивает удобство и гибкость работы, особенно для удаленных сотрудников и пользователей.

Экономия времени и ресурсов

Компьютерные сети позволяют сократить время и ресурсы, необходимые для передачи информации и выполнения задач. Например, вместо отправки физических документов по почте, можно просто отправить их по сети, что экономит время и деньги.

Централизованное управление

Сетевые системы позволяют централизованно управлять ресурсами и настройками. Администраторы могут контролировать доступ пользователей, устанавливать политики безопасности и обновлять программное обеспечение с центрального места.

Резервное копирование и восстановление данных

В компьютерных сетях можно настроить автоматическое резервное копирование данных, что обеспечивает защиту от потери информации. В случае сбоя или повреждения данных, можно легко восстановить их из резервной копии.

Недостатки компьютерных сетей

Компьютерные сети также имеют некоторые недостатки, которые следует учитывать при их использовании. Вот некоторые из основных недостатков компьютерных сетей:

Зависимость от инфраструктуры

Для работы компьютерных сетей требуется надежная инфраструктура, включающая в себя сетевое оборудование, кабели и другие компоненты. Если инфраструктура не функционирует должным образом, сеть может быть недоступна или работать нестабильно.

Уязвимость к кибератакам

Компьютерные сети могут быть подвержены кибератакам, таким как взломы, вирусы и сетевые атаки. Недостаточная безопасность может привести к утечке конфиденциальной информации или нарушению работы сети.

Сложность настройки и управления

Настройка и управление компьютерными сетями может быть сложной задачей, особенно для непрофессионалов. Требуется знание специализированных технологий и протоколов, а также опыт работы с сетевым оборудованием.

Проблемы с пропускной способностью

В зависимости от количества пользователей и объема передаваемых данных, компьютерные сети могут столкнуться с проблемами пропускной способности. Если сеть перегружена, это может привести к замедлению работы и потере производительности.

Зависимость от доступности сети

При использовании компьютерных сетей, пользователи становятся зависимыми от доступности сети. Если сеть недоступна или отключена, это может привести к проблемам в работе и невозможности получить доступ к необходимым ресурсам.

Защита и безопасность компьютерных сетей

Защита и безопасность компьютерных сетей являются важными аспектами в современном информационном обществе. В связи с увеличением количества кибератак и угроз, необходимо принимать меры для защиты сетей и данных, передаваемых по ним.

Аутентификация и авторизация

Аутентификация и авторизация – это процессы, которые позволяют установить легитимность пользователей и предоставить им доступ к определенным ресурсам в сети. Аутентификация проверяет подлинность пользователей, например, с помощью паролей или биометрических данных. Авторизация определяет права доступа пользователей и контролирует, к каким ресурсам они имеют доступ.

Шифрование данных

Шифрование данных – это процесс преобразования информации в непонятный для посторонних вид. Шифрование используется для защиты конфиденциальности данных, передаваемых по сети. Шифрование может быть симметричным, когда один и тот же ключ используется для шифрования и расшифровки данных, или асимметричным, когда используются разные ключи для шифрования и расшифровки.

Брандмауэры

Брандмауэры – это программное или аппаратное оборудование, которое контролирует и фильтрует трафик, проходящий через сеть. Брандмауэры могут блокировать нежелательный трафик и предотвращать несанкционированный доступ к сети. Они также могут обнаруживать и предотвращать атаки, такие как DDoS-атаки или внедрение вредоносного программного обеспечения.

Обновление и патчи

Обновление и патчи – это процессы, которые позволяют исправлять уязвимости и ошибки в программном обеспечении и операционных системах. Регулярное обновление программного обеспечения и установка патчей помогает предотвратить эксплуатацию уязвимостей злоумышленниками и обеспечить безопасность сети.

Обучение пользователей

Обучение пользователей – это важный аспект безопасности компьютерных сетей. Пользователи должны быть осведомлены о базовых принципах безопасности, таких как создание надежных паролей, неоткрытие подозрительных вложений в электронной почте и нескачивание ненадежного программного обеспечения. Обучение пользователей помогает предотвратить ошибки и повысить общую безопасность сети.

В целом, защита и безопасность компьютерных сетей являются сложными и многогранными задачами. Они требуют постоянного мониторинга, обновления и обучения, чтобы обеспечить безопасность данных и защитить сеть от внешних угроз.

Применение компьютерных сетей в современном мире

Компьютерные сети играют важную роль в современном мире и применяются в различных сферах деятельности. Вот некоторые из основных областей, где компьютерные сети широко используются:

Бизнес и коммерция

Компьютерные сети позволяют предприятиям и организациям эффективно обмениваться информацией и ресурсами. Они обеспечивают возможность совместной работы, обмена файлами, доступа к общим базам данных и использования облачных сервисов. Компьютерные сети также позволяют организациям подключаться к интернету и взаимодействовать с клиентами и партнерами по всему миру.

Образование

Компьютерные сети играют важную роль в образовательных учреждениях. Они позволяют студентам и преподавателям обмениваться информацией, проводить онлайн-уроки и обучение на расстоянии, а также получать доступ к электронным библиотекам и ресурсам. Компьютерные сети также позволяют учебным заведениям управлять своими системами и ресурсами, такими как учетная запись студента, расписание и библиотечные каталоги.

Медицина

Компьютерные сети играют важную роль в медицинской сфере. Они позволяют медицинским учреждениям обмениваться медицинскими данными, проводить удаленные консультации и диагностику, а также управлять медицинскими системами и оборудованием. Компьютерные сети также позволяют пациентам получать доступ к своим медицинским данным и результатам анализов через онлайн-порталы.

Транспорт и логистика

Компьютерные сети играют важную роль в транспортной и логистической сферах. Они позволяют отслеживать и управлять грузами, контролировать движение транспортных средств, оптимизировать маршруты и расписание, а также обеспечивать связь между различными участниками логистической цепи.

Социальные сети и коммуникация

Компьютерные сети играют важную роль в сфере коммуникации и социальных сетей. Они позволяют людям общаться, обмениваться информацией, делиться фотографиями и видео, а также находить новых друзей и партнеров. Компьютерные сети также позволяют людям получать доступ к новостям, развлекательным контентам и информации из различных источников.

Это лишь некоторые из областей, где компьютерные сети широко применяются в современном мире. Они играют важную роль в повышении эффективности, обмене информацией и улучшении коммуникации в различных сферах деятельности.

Таблица сравнения компьютерных сетей

Аспект	Локальные сети (LAN)	Глобальные сети (WAN)
Определение	Сети, ограниченные географически, обычно в пределах одного здания или офиса	Сети, охватывающие большие территории, такие как города, страны или даже весь мир
Расстояние	Ограниченное расстояние, обычно не более нескольких километров	Большое расстояние, может быть тысячи километров
Скорость передачи данных	Высокая скорость передачи данных, обычно в пределах гигабит в секунду	Скорость передачи данных может быть ниже из-за большого расстояния и использования общедоступных сетей
Примеры	Домашние сети, офисные сети, университетские сети	Интернет, сети провайдеров, корпоративные сети
Протоколы	Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth	TCP/IP, MPLS, Frame Relay

Заключение

Компьютерные сети являются неотъемлемой частью современного мира. Они позволяют нам обмениваться информацией, работать удаленно, общаться и развлекаться. Компьютерные сети имеют различные топологии, протоколы и стандарты, которые обеспечивают их работу. Они также имеют свои преимущества и недостатки, а безопасность и защита сетей становятся все более важными в нашем цифровом мире. В целом, компьютерные сети играют ключевую роль в нашей повседневной жизни и продолжают развиваться, чтобы удовлетворить наши потребности в обмене информацией и связи.

Компьютерные сети: основы, принципы и преимущества обновлено: 17 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру