Компьютерные сети. 6-е изд.

В случае мелких компаний компьютеры могут располагаться в одном офисе отдельного здания. Что касается крупных корпораций, их компьютеры и сотрудники могут быть разбросаны по десяткам офисов и фабрик в нескольких странах. Тем не менее сотруднику отдела сбыта в Нью-Йорке может потребоваться доступ к базе данных склада товаров в Сингапуре. Для соединения географически удаленных сетей в одну логическую сеть применяются виртуальные частные сети (VPN, Virtual Private Networks). Пользователь, даже если он оказался за 15 000 км от нужных ему данных, должен иметь возможность обращаться к ним так, как будто он находится в том же офисе. Эту цель можно кратко сформулировать как попытку освободиться от «тирании географии».

Информационную систему компании можно представить как одну или несколько баз, содержащих все данные компании, и определенное количество сотрудников с удаленным доступом к этим базам. При такой модели данные хранятся на мощных компьютерах, называемых серверами (servers). Чаще всего они размещаются в централизованной серверной комнате и обслуживаются системным администратором. Компьютеры сотрудников, с помощью которых они получают доступ к удаленным данным (например, для работы с электронными таблицами), — более простые, размещаются на их рабочих столах и называются клиентами, или рабочими станциями (clients). Иногда мы будем называть клиентом человека, который использует рабочую станцию, но из контекста обычно понятно, что имеется в виду — компьютер или его пользователь. Рабочие станции и серверы объединяются сетью, как показано на илл. 1.1. Обратите внимание, что сеть на этом рисунке показана в виде простого овала, без каких-либо подробностей. Этот вариант мы будем использовать при обсуждении компьютерных сетей на наиболее абстрактном уровне. Когда же необходимы будут детали, мы их обозначим.

Вторая цель создания корпоративной сети связана скорее с человеческим фактором, а не с данными или даже с компьютерами. Компьютерная сеть обеспечивает прекрасную среду обмена информацией (communication medium) между сотрудниками. Практически в каждой компании, где есть хотя бы два компьютера, для повседневного обмена информацией чаще всего используется электронная почта (email). При этом сотрудники любой компании жалуются в курилке на то, сколько писем им приходится читать. Просто начальство обнаружило, что достаточно нажать одну кнопку, чтобы отправить одно и то же сообщение (нередко лишенное всякого осмысленного содержания) всем подчиненным сразу.

Компьютерные сети могут вместо телефонной компании обеспечить и телефонную связь между сотрудниками. При использовании интернета эта технология называется IP-телефонией (IP telephony) или VoIP (Voice over IP, передача голоса по IP, или по интернет-протоколу). При этом на обоих концах линии может использоваться телефон с поддержкой VoIP или компьютер сотрудника. Компании рассматривают эту технологию как замечательный способ сэкономить на счетах за телефон.

Компьютерные сети позволяют совершенствовать формы коммуникации. К аудио добавляется видео, чтобы несколько сотрудников вне офиса могли не только слышать, но и видеть друг друга во время совещания. Это отличный инструмент снижения затрат (денежных и временных) на путешествия. Благодаря демонстрации рабочего стола (desktop sharing) удаленные сотрудники могут видеть и взаимодействовать с экранами компьютеров своих коллег. Они могут читать общую информационную «доску» и писать на ней либо, например, совместно создавать отчет. При внесении одним из них правок в онлайн-документ остальные сразу же видят эти изменения, а не ждут письма в течение нескольких дней. Это ускоряет и значительно упрощает (и порой вообще делает возможным) сотрудничество разбросанных на большие расстояния групп людей. Более амбициозные формы удаленного согласования действий, такие как телемедицина, лишь начинают появляться, но потенциально могут сыграть намного более важную роль (например, удаленный мониторинг пациентов). Иногда говорят, что в гонке между обменом информацией и перевозками победит что-то одно, а второе станет безнадежно устаревшим.

Третья цель для многих компаний — электронное ведение бизнеса, прежде всего с покупателями и поставщиками. Авиалинии, книжные магазины и другие представители ритейла обнаружили, что многим покупателям очень нравится совершать покупки, не выходя из дома. Поэтому многие компании предоставляют онлайн-каталоги товаров и сервисов и принимают заказы через интернет. Производители автомобилей, самолетов, компьютеров (среди прочих) закупают комплектующие у множества поставщиков, а затем собирают части воедино. С помощью компьютерных сетей производители при необходимости размещают заказы в электронной форме. Эта снижает потребность в больших складах и повышает производительность.

1.3. Сетевые технологии, от локальных до глобальных

Сети варьируются от небольших и персональных до крупных и глобальных. В этом разделе представлены разнообразные сетевые технологии, позволяющие реализовывать сети различных размеров и масштабов.

1.3.1. Персональные сети

Персональные сети (PAN, Personal Area Network) обеспечивают обмен информацией между устройствами, используемыми одним человеком. Типичный пример — беспроводная сеть, связывающая компьютер с его периферийными устройствами. PAN используются для подключения беспроводных наушников, гарнитуры или часов к смартфону. Также они позволяют установить соединение между автомобилем и цифровым музыкальным плеером, как только устройство попадает в радиус действия сети.

Почти у каждого компьютера имеется несколько периферийных устройств: монитор, клавиатура, мышь и принтер. Если бы не беспроводные сети, все эти подключения пришлось бы выполнять при помощи кабелей. Для неопытного пользователя поиск нужных проводов и соответствующих им разъемов может стать настоящей проблемой (хотя обычно они различаются формой и цветом). По этой причине большинство поставщиков компьютеров предлагают услугу вызова мастера на дом. Чтобы помочь таким пользователям, несколько компаний объединились и разработали беспроводную сеть малого радиуса действия под названием Bluetooth. Идея в том, чтобы больше не нужно было возиться с проводами. Если все ваши устройства поддерживают Bluetooth, достаточно просто включить их, положить рядом, и они сами установят соединение друг с другом. Для многих людей такая простота в эксплуатации — большое преимущество.

В самом простом варианте Bluetooth-сети используют парадигму «главный — подчиненный» («master — slave»), приведенную на илл. 1.6. Системный блок (ПК) обычно играет роль главного узла и взаимодействует с мышью или клавиатурой, играющими подчиненную роль. Главный узел сообщает подчиненным, какие адреса использовать, когда и в течение какого промежутка времени осуществлять передачу данных, какие частоты использовать и т.д. Мы обсудим Bluetooth подробнее в главе 4.

Илл. 1.6. Конфигурация персональной сети на основе Bluetooth

Для создания PAN используется множество других технологий ближнего радиуса действия; они также представлены в главе 4.

1.3.2. Локальные сети

Локальная сеть (LAN, Local Area Network) — частная сеть, функционирующая в отдельном здании и на прилегающей территории (это может быть дом, офис или завод). LAN широко применяется для соединения персональных компьютеров и бытовой электроники, позволяя совместно использовать различные ресурсы (например, принтеры) и обмениваться информацией.

На сегодняшний день беспроводные LAN применяются повсеместно. Изначально они были популярны в жилых помещениях, старых офисных зданиях, кафе и других местах, где прокладка кабелей обошлась бы слишком дорого. В подобных системах компьютеры обмениваются информацией с помощью встроенного радиомодема и антенны. Чаще всего компьютер обращается к специальному устройству, которое называется точкой доступа (AP, Access Point), беспроводным маршрутизатором (wireless router) или базовой станцией (base station), как показано на илл. 1.7. Это устройство осуществляет передачу пакетов данных между беспроводными компьютерами, а также между компьютером и интернетом. Точка доступа напоминает популярного ребенка в школе, поскольку все хотят с ней «поговорить». Еще один часто встречающийся сценарий — близко расположенные устройства обмениваются пакетами в конфигурации так называемой ячеистой сети (mesh network). Иногда конечные узлы выступают в роли передатчиков. Однако в большинстве случаев в ячеистую сеть входит специальный набор узлов, единственная функция которых — передача трафика. Ячеистые сети часто применяются в развивающихся регионах, где развертывать соединение по всей территории неудобно и дорого. Кроме того, растет их популярность в качестве решения для домашних сетей, особенно в больших зданиях.

Одним из самых популярных стандартов беспроводных LAN является IEEE 802.11, более известный как Wi-Fi. Он работает со скоростью от 11 Мбит/с (802.11b) до 7 Гбит/с (802.11ad). Обратите внимание, что в этой книге мы придерживаемся традиции и измеряем скорость передачи данных по линии в мегабитах в секунду, где 1 Мбит/с равен 1 000 000 бит/с, и гигабитах в секунду, где 1 Гбит/с равен 1 000 000 000 бит/с. Степени двойки мы будем использовать только при описании хранения информации, в этом случае 1 МБ памяти равен 220, то есть 1 048 576 байт. Стандарт 802.11 подробнее обсуждается в главе 4.

Илл. 1.7. Беспроводные и проводные LAN. (а) 802.11. (б) Коммутируемая сеть Ethernet

В проводных LAN используется множество различных технологий передачи; наиболее распространенные физические среды — медные провода, коаксиальный кабель и оптоволокно. Размеры LAN ограниченны, а значит, наихудшее время прохождения сигнала имеет предел и известно заранее. Знание этих ограничений помогает разрабатывать сетевые протоколы. Обычно проводные LAN работают на скорости от 100 Мбит/с до 40 Гбит/с. Они отличаются низкой задержкой (не более десятков миллисекунд, а зачастую намного меньше), при этом ошибки передачи случаются редко. Проводные LAN обычно обладают меньшим значением задержки и процентом потери пакетов, а также более высокой пропускной способностью, чем беспроводные. И хотя с течением времени этот разрыв в показателях сократился, передавать сигналы по проводам или через оптоволокно намного проще, чем по воздуху.

Многие проводные LAN включают двухточечные проводные соединения. Стандарт IEEE 802.3, более известный как Ethernet, однозначно самая популярная разновидность проводной LAN. На илл. 1.7 (б) показан пример коммутируемой сети Ethernet (switched Ethernet). Любой компьютер может использовать протокол Ethernet и подключаться к устройству, называемому коммутатором (switch), посредством двухточечного соединения. Задача этого устройства в том, чтобы передавать пакеты между связанными с ним компьютерами. Каждый пакет содержит адрес, по которому коммутатор определяет, на какой компьютер отправить данные.

Коммутатор содержит несколько портов, каждый из которых может быть подключен к одному устройству, например компьютеру или даже другому коммутатору. Для создания более крупных LAN коммутаторы можно подключать друг к другу через порты. Что произойдет, если случайно их зациклить? Сохранится ли работоспособность сети? К счастью, специалисты об этом уже подумали, и теперь все коммутаторы в мире используют соответствующий алгоритм против зацикливания (Перлман; Perlman, 1985). За выбор пути, по которому должен идти пакет, чтобы в целости и сохранности достичь нужного компьютера, отвечает протокол. В главе 4 мы увидим, как это происходит на деле.