sieci_podstawy.doc

Wstęp

              Szybki rozwój informatyki w ostatnich latach spowodował, że techniki komputerowe wkroczyły do naszych biur, przedsiębiorstw i szkół. Względy  ekonomiczne oraz funkcjonalne przemawiają jednak za tym aby urządzenia peryferyjne takie jak : szybkie drukarki laserowe, plotery, skanery oraz systemy komputerowe łączyć ze sobą   w tak zwane sieci komputerowe lokalne lub rozległe i wspólnie wykorzystywać zasoby informacyjne zgromadzone w bazach danych, wspólnie korzystać z urządzeń zewnętrznych.

              Łącząc ze sobą różne lub takie same systemy komputerowe możemy wyodrębnić dwa elementy : sprzętowy i softwarowy, które składają się na takie sprzężenie. Zarówno sprzęt jak i oprogramowanie w różnych sieciach są bardzo odmienne od siebie, zatem najpopularniejsze rozwiązania zostaną krótko opisane. Przedstawione tu metody dzielą się na takie, które przyjęły się na rynku i stały się standardami de facto oraz te, które są zalecane przez Międzynarodowy Komitet Normalizacyjny ISO. Aby scharakteryzować najpopularniejsze połączenia sieciowe, wprowadzone zostaną podstawowe pojęcia dotyczące technik transmisji danych, mediów transmisyjnych oraz metod dostępu do sieci.

              Z punktu widzenia użytkownika najważniejszą cechą sieci są oferowane przez nią usługi, które umożliwiają  efektywne wykorzystanie zasobów sprzętowych, zdalny  dostęp do informacji, pracę w trybie terminala wirtualnego itp.

Usługi te zostaną opisane na przykładzie sieci : INTERNET.

I.  Idea sieci komputerowej - podstawy działania sieci LAN

Siecią komputerową nazwiemy zbiór wzajemnie ze sobą połączonych komputerów autonomicznych, które potrafią wymieniać między sobą informacje. Przykładem najprostszej sieci są dwa komputery połączone kablem telefonicznym poprzez wyjścia szeregowe RS-232, komunikujące się między sobą za pomocą odpowiedniego programu np. typu KERMIT lub dobrze znanego polecenia LINK znajdującego się w repertuarze funkcji programu Norton Commander.

Łączenie komputerów w sieć jest proste, jeśli odległości między nimi są małe. Stosuje się wówczas specjalnie do tego celu przeznaczone łącza sztywne, po których przesyłane są sygnały cyfrowe, zrozumiałe dla komputerów.

              Sprawa staje się bardziej skomplikowana, gdy odległości między komputerami wynoszą setki  kilometrów, a liczba połączonych komputerów, które chcą jednocześnie ze sobą wymieniać informacje, rośnie nawet do kilkuset  tysięcy.

              Biorąc za podstawę cechy sieciowych połączeń (ilość komputerów połączonych, odległości między nimi, rodzaj transmisji itp.) możemy dokonać następującej klasyfikacji sieci :

              LAN ( Local Area Network ) - to sieć zawierająca od kilku do kilkudziesięciu komputerów i urządzeń z nimi stowarzyszonych, zgrupowanych na niewielkim obszarze.

MAN ( Metropolitan Area Network )  - miejska sieć komputerowa łącząca małe lokalne sieci w obrębie miasta lub uczelni.

              WAN ( Wide Area Network ) - to rozległa sieć komputerowa obejmująca swoim zasięgiem kraje a nawet całe kontynenty. Łączy ona ze sobą szereg sieci lokalnych  i metropolitalnych.

              Sieci komputerowe, a przede wszystkim sieci LAN rozwinęły się dzięki stosunkowo niskim cenom i ogromnym możliwościom komputerów PC. Prekursorami sieci LAN były systemy wielodostępne pracujące z tak zwanym podziałem czasu. Rozwiązania takie bazowały przede wszystkim na dużych jednostkach centralnych do których dołączone były terminale. Całe przetwarzanie realizowane było na komputerze głównym. Gdy rozwinęły się mikrokomputery, których moc dorównywała mocy dużego komputera, systemy wielodostępne znów zaczęły rozwijać się bazując na systemie wielodostępnym UNIX (Linux). Obecnie alternatywnym rozwiązaniem dla systemów  wielodostępnych są sieci LAN, w których każdy komputer może samodzielnie wykonywać pewne funkcje, a całą pracą sieci zawiaduje komputer - serwer. Rozproszenie przetwarzania odciąża komputer główny i w wielu przypadkach jest korzystne dla pracy całej sieci. Coraz częściej różne rozwiązania sieciowe oferują usługi jakościowo dorównujące usługom w systemie wielodostępnym. Możemy tu wymienić :

- dzielenie programów i informacji (danych), które oznacza dostęp do programów i        

  danych dla wszystkich użytkowników sieci;

- dzielenie zasobów sieciowych ( urządzeń peryferyjnych ), czyli wspólne korzystanie   

   z drukarek, ploterów, skanerów przez użytkowników sieci;

- pocztę elektroniczną;

- organizację pracy grupowej czyli realizację wspólnych projektów na odległość;

Mówiąc o łączeniu komputerów w sieci musimy jednocześnie zwrócić uwagę na kilka pojawiających się przy tej okazji problemów, a mianowicie :

              a. bezpieczeństwo danych w sieci oraz tajność tych danych;

              b. poprawność działania stacji roboczych w sieci w związku z rozproszonym   

               sterowaniem;

              c. wpływ standaryzacji sprzętu i oprogramowania na pracę w sieci;

Omówienie zagadnień sieciowych rozpoczniemy od scharakteryzowania podstawowych elementów sieci. Elementami tymi są :

              - stacje robocze - komputery;

              - złącza, linie przesyłowe ( kabel koncentryczny, skrętka, światłowód, itp.)

              - karty sieciowe, wzmacniacze sygnałów;

              - urządzenia współpracujące z komputerami czyli zasoby sieciowe takie jak

              dyski, drukarki, skanery itp.

              - oprogramowanie sieciowe;

O rodzajach składowych sieci będą decydowały różne czynniki takie jak : technika transmisji danych, topologia sieci oraz metody dostępu do sieci. Opiszemy je w następnych trzech podrozdziałach.

II. Techniki transmisji danych

              Transmisja danych w sieciach komputerowych różni się od technik stosowanych w sieci telefonicznej. W systemach telefonicznych przesyłany sygnał jest analogowy (dźwięk, obraz) natomiast w sieciach komputerowych mamy do czynienia z przesyłaniem sygnałów cyfrowych. Na wykresie poniżej łatwo zauważyć różnice między tymi rodzajami sygnałów.

Transmisja analogowa                                                                      Transmisja cyfrowa

Transmisja cyfrowa ma przewagę nad analogową przede wszystkim w przesyłaniu danych między komputerami, gdyż regeneracja oraz kontrola poprawności przekazywanych sygnałów jest dużo łatwiejsza niż w przypadku transmisji analogowej. Jest to bardzo istotne gdyż komputer nie może kontrolować sensu przychodzących sygnałów i eliminować błędnych informacji, zakłóceń i szumów. Poprawność nadchodzących informacji w sieciach komputerowych ma bezwzględny priorytet. Zatem często zachodzi potrzeba wzmacniania jej. Do wzmacniania sygnałów cyfrowych używa się regeneratorów (repeater). Transmisję cyfrową stosuje się wszędzie gdzie to jest możliwe np. w sieciach LAN, natomiast w sieciach MAN i WAN powszechnie stosuje się transmisję analogową. Do zamiany danych cyfrowych wychodzących z komputera, na analogowe oraz przychodzące na cyfrowe, stosuje się urządzenie zwane modemem (modulator-demodulator).

Sygnały w sieciach przesyłane są poprzez zmianę napięcia prądu. Przesyłanie ciągu bitów polega zatem na odpowiedniej zmianie napięcia prądu. Aby taki sygnał był poprawnie odbierany musi być zachowane stałe tempo zmian napięcia. Ta cecha sieci nazwana została szybkością modulacji czyli ilością zmian stanu w przewodzie na 1 sekundę i mierzona jest w bodach.

Aby przesyłane sygnały z urządzenia nadawczego mogły być prawidłowo rozpoznane przez odbiornik, musi być znany czas zmiany napięcia odpowiadający 1 bitowi oraz początek informacji. Realizuje się to poprzez uzgadnianie pracy nadajnika i odbiornika. Wyróżniamy dwa tryby transmisji, które pozwalają na uzgodnienie pracy urządzeń transmisyjnych. Jest to tryb synchroniczny i asynchroniczny. Transmisja asynchroniczna jest tańsza w zastosowaniach choć mniej efektywna. Polega ona na przesyłaniu informacji bajtami czyli ciągami ośmiobitowymi z wyróżnionym bitem startu i stopu. Przykładem transmisji asynchronicznej w PC - tach są porty RS - 232 czyli  ( COM1, COM2,  ... ). Transmisja synchroniczna jest efektywniejsza od asynchronicznej, gdyż pozwala przesyłać dłuższe paczki informacji.

              Mówiąc o parametrach transmisji, należy rozróżniać dwa sposoby przenoszenia sygnałów. Jeden z nich to transmisja w paśmie podstawowym, w której przenoszone są sygnały cyfrowe. Przenoszone sygnały nie ulegają modulacji a cała szerokość pasma przenoszenia ośrodka, który łączy stacje sieci zajęta jest tylko dla tej transmisji. Transmisja w paśmie podstawowym stosowana jest w sieciach LAN. W transmisji szerokopasmowej przenoszone są sygnały analogowe. Przesyłany sygnał nakłada się na podstawowy sygnał nośny ( sygnał podstawowy ulega wówczas modulacji ). Transmisji szerokopasmowej używamy do łączenia sieci MAN i WAN. Ten rodzaj transmisji wymaga łączy o dużym paśmie przenoszenia, np. 80 Ohm kabel koncentryczny.

              Dla uzupełnienia tych informacji, należy dodać, że wszystkie przesyłane sygnały są kodowane, zarówno cyfrowe jak i analogowe. Sygnały cyfrowe kodowane są za pomocą kodu Manchester. Polega to na zmianie napięcia w przewodzie w środku przesyłanego bitu. Natomiast kodowanie sygnałów analogowych polega na zmianie charakterystyki fali nośnej. Może to być zmiana amplitudy, częstotliwości lub fazy fali nośnej.

              Komunikacja między komputerem, a przewodem często realizowana jest poprzez tzw. Kartę sieciową. Karta sieciowa służy do ustalenia parametrów transmisji oraz przekształcania informacji bitowej na impulsy elektryczne i odwrotnie. Każda karta na ogól  ma swój unikalny adres. Niektórym kartom sieciowym takim jak : Token Ring, Ethernet przydzielane są adresy przez specjalną międzynarodową komisję IEEE. Inne rodzaje sieci oraz karty je obsługujące maja adresy sieciowe przydzielane podczas instalacji.

Oprócz karty sieciowej w przesyłaniu informacji biorą bezpośredni udział media transmisyjne. Najczęściej występujące połączenia w sieciach lokalnych to kabel koncentryczny, skrętka ekranowa i światłowód. Media te charakteryzują się różnymi parametrami transmisji, np. :

W praktyce często stosuje się łączenie różnych mediów ze sobą. Sieć szkieletową buduje się w oparciu o kabel koncentryczny lub światłowód, połączenia między poszczególnymi serwerami w sieci LAN realizuje się za pomocą kabli koncentrycznych, a połączenia między terminalami a koncentratorami terminali mogą być wykonane ze skrętki ekranowej.

              Zarówno media transmisyjne, ich właściwości jak i sposób komunikacji między poszczególnymi stacjami w sieci zadecydowały o topologii sieci. W sieciach lokalnych wyróżnia się trzy rodzaje topologii : gwiazdę , pierścień oraz magistralę.

Topologia gwiazdy jest najprostszą formą stosowaną do łączenia komputerów w sieci z małą ilością stacji. W takiej konfiguracji wyróżniony jest jeden komputer centralny, który pełni rolę zarządcy sieci. Centralne sterowanie siecią ułatwia zarządzanie siecią i jej zasobami, pozwala w łatwy sposób dołączyć nową stację. Jednak długość kabla stosowanego do łączenia stacji jest stosunkowo dużo większa niż w innych rozwiązaniach. Zwiększa to koszty ponoszone na instalację takiej sieci. Topologię gwiazdy stosuje się często w dużych rozległych sieciach komputerowych, np. ARPANET, ponieważ awaria jednej stacji nie powoduje przerw w pracy stacji innych. Czyli, jest to konfiguracja bezpieczna.

Topologia gwiazdy

Topologia pierścienia jest konfiguracją, w której kabel łączący poszczególne stacje tworzy pętlę. Wszystkie stacje włączone do sieci zajmują się przekazywaniem sygnałów i ich regeneracją. Sygnał przesyłany jest tylko w jednym kierunku. Przesyłane w tego typu sieci dane, pakowane są w pakiety oraz zaopatrywane w adres odbiorcy i wysyłane do wszystkich stacji. Odbierane są przez stację posiadającą właściwy adres. Wszystkie stacje w sieci o topologii pierścienia są równouprawnione, co podnosi jej niezawodność. Inną ważna zaletą takiej sieci jest duża długość kabla w pierścieniu, co pozwala budować sieci na dużym obszarze. Najbardziej znaną siecią o takiej topologii jest TOKEN RING rozwijany i sprzedawany przez firmę IBM.