Компьютерная сеть

КОМПЬЮТЕРНАЯ СЕТЬ (английский network), система, состоящая из компьютеров и компьютерных устройств (принт-серверов, серверных веб-камер и др.), которые взаимодействуют по единым правилам, определённым сетевыми протоколами. Компьютерная сеть предназначена для совместного пользования различными сервисами (электронной почтой, поисковыми системами и др.), информационными ресурсами, программами (например, программами серверов приложений) и аппаратными средствами (жёсткими дисками, принтерами и др.).

Основы построения и функционирования. Для объединения компьютеров и компьютерных устройств в компьютерные сети применяются аппаратные средства (сетевые адаптеры, установленные на компьютерах, коммутаторы, маршрутизаторы, кабели и др.) и программные средства, которые реализуют правила взаимодействия программных и аппаратных компонент компьютерной сети, определённые сетевыми протоколами. Сетевые протоколы соответствуют действующим в компьютерной сети сетевым технологиям (комплекс программно-аппаратно реализованных методов, определяющих функционирование компьютерной сети). По назначению программные и аппаратные составляющие компьютерной сети условно разделяют на три уровня: верхний - прикладные программы (серверы и клиенты электронной почты, веб-серверы и браузеры и др.); средний - программные средства, реализующие сетевые протоколы; нижний - сетевые аппаратные средства. Компьютеры и компьютерные устройства в составе компьютерной сети имеют уникальные (в пределах компьютерной сети) сетевые адреса (принадлежащие единому сетевому адресному пространству) и называются узлами компьютерной сети. Формат и интерпретация сетевого адреса определяются применяемым сетевым протоколом [например, если применяется IP-протокол, то узлы получают IP-адреса (смотри Интернет)]. Взаимодействие между узлами осуществляется путём обмена сообщениями, разбитыми на небольшие блоки определённого формата (сетевые пакеты). Разбивку на пакеты, их сжатие (при необходимости) и др. осуществляют программы, реализующие сетевые протоколы. Оптические или электрические сигналы, соответствующие значениям битов в составе сетевых пакетов, передаются по медным или оптоволоконным кабелям, а также средствами беспроводной связи (например, радиосигналами). Проводные и беспроводные среды передачи сигналов компьютерной сети называют сетевой средой передачи. Её свойства определяют скорость прохождения сигналов и допустимые расстояния их эффективной передачи. Наибольшая скорость достигается при передаче по оптоволоконным кабелям, а наименьшая - в беспроводной среде (применяемой, например, для подключения перемещаемых компьютеров). По размеру территории, охватываемой компьютерной сетью, различают: локальные компьютерные сети (LANs - Local Area Networks), компьютерные сети, охватывающие территории регионов, стран и др. (WANs - Wide Area Networks), глобальные компьютерные сети (Global networks) и др. Самой крупной глобальной сетью является Интернет.

Сетевые протоколы. Эффективность функционирования компьютерных сетей во многом определяется применяемыми сетевыми протоколами. Компьютерные  сети, построенные с использованием аппаратных и программных средств разных производителей, успешно взаимодействуют, если они соответствуют стандарту OSI (Open System Interconnection - взаимодействие открытых систем), разработанному Международной организацией стандартизации. Концепцию этого стандарта обычно поясняют, пользуясь так называемой семиуровневой моделью OSI, которая представляет собой иерархическую систему стандартизованных на международном уровне сетевых протоколов, где множество протоколов разбито по функциональному назначению на 7 взаимодействующих подмножеств, так называемых уровней абстракции (1 - физический, 2 - канальный, 3 - сетевой, 4 - транспортный, 5 - сеансовый, 6 - представление данных, 7 - прикладной). Протоколы каждого уровня решают строго определённый комплекс задач и взаимодействуют только с протоколами смежных уровней (протоколы уровня 1 предоставляют сервисы протоколам уровня 2, те - протоколам уровня 3 и т.д.). Протоколы уровня 7 пользуются сервисами, предоставляемыми протоколами уровня 6, но не предоставляют никаких сервисов протоколам других уровней; протоколы уровня 1 не пользуются сервисами других уровней. В узле-отправителе программы, реализующие протоколы, включаются в работу начиная с уровня 7, который отвечает за обмен сообщениями между приложениями (например, браузером и веб-сервером). На этом уровне находятся протоколы DNS (смотри Домен) системы отображения доменных имён в IP-адреса, HTTP (смотри Всемирная паутина) транспортировки гипертекстовых документов и др. В узле-получателе протоколы реализуются в обратном порядке, начиная с уровня 1, отвечающем за доставку потоков битов, согласование сигналов и др. (на этом уровне действуют протоколы Ethernet, Token Ring и др.).

Сетевые архитектуры. Сетевая архитектура определяет функциональное назначение узлов компьютерной сети и методы их взаимодействия. Выбор сетевой архитектуры при создании компьютерной сети определяется требованиями к её быстродействию, надёжности и др. Наиболее распространены сетевые архитектуры «клиент-сервер» (client/server network) и «точка-точка» (peer-to-peer, сокращённо Р2Р). В компьютерной сети с архитектурой «клиент-сервер» узлы разделены по функциональному назначению на клиенты и серверы. Клиенты отправляют запросы только серверам и не принимают запросы. Серверы обрабатывают запросы и отправляют клиентам то, что было запрошено (веб-страницу, сообщение электронной почты и др.). Серверы могут отправлять запросы друг другу (например, при поиске файла). В компьютерной сети с архитектурой «точка-точка» (Р2Р), называемых также пиринговыми, реализован принцип ролевой эквивалентности узлов (каждый узел является одновременно и сервером, и клиентом). С ростом числа узлов пиринговой компьютерной сети растут её эффективность и надёжность. Пиринговая компьютерная сеть сохраняет работоспособность даже при небольшом числе функционирующих узлов. Архитектуру «точка-точка» имеют, например, так называемые файлообменные сети (служащие для быстрого и надёжного обмена файлами). Пиринговые сети эффективны также для распределённых вычислений, применяемых при решении сложных задач, решение которых даже на суперкомпьютере выполнялось бы недопустимо долго. В гибридных компьютерных сетях, сочетающих быстродействие клиент-серверных и надёжность пиринговых, реализованы элементы обеих архитектур.

Топологии компьютерных сетей. Топология определяет конфигурацию связей между узлами компьютерной сети. Различают топологии компьютерной сети: «точка-точка» (point-to-point), «шина» (bus), «звезда» (star), «кольцо» (ring) и «решётка» (mesh). В компьютерной сети с топологией «точка-точка» каждые два узла соединены между собой непосредственно. В компьютерной сети, имеющей топологию «шина», все узлы имеют общее соединение (при этом каждый узел получает не только сетевые пакеты, адресованные ему, но и сетевые пакеты, адресованные другим узлам). В компьютерной сети с топологией «звезда» все узлы взаимодействуют через один общий узел (центр звезды), который может быть пассивным (не сортирующим проходящие через него пакеты) или активным (направляющим каждому узлу адресованные только ему пакеты). В компьютерной сети, имеющей топологию «кольцо», узлы соединены в кольцо (при этом через каждый узел проходят пакеты, направляемые из всех узлов, между которыми он расположен). В компьютерной сети с топологией «решётка» каждый узел способен самостоятельно взаимодействовать с любым другим узлом. Топологии «шина», «звезда» или «кольцо» обычно имеют локальные компьютерные сети (LANs). Другие топологии применяются в компьютерной сети со значительной территориальной распределённостью (WANs).

Проблемы и тенденции развития. На современном этапе развития компьютерных сетей необходимость разработок новых и совершенствования существующих сетевых технологий определена интенсивным ростом разнообразных сетевых сервисов (образовательных, торговых, развлекательных и др.), реализация которых требует значительного увеличения пропускной способности, надёжности и информационной безопасности компьютерной сети. При этом непрерывно растёт число сетевых узлов, представленных мобильными компьютерами (ноутбуками, коммуникаторами и др.), что требует поиска новых и развития действующих беспроводных сетевых технологий. Актуален комплекс проблем информационной безопасности сетевых технологий [включая защиту от несанкционированного доступа к информационным ресурсам, программным и аппаратным средствам, от вредоносных воздействий (например, компьютерных вирусов, спама) и др.]. Часть проблем информационной безопасности и эффективности применения сетевых технологий связана с недостаточно квалифицированным администрированием многих компьютерных сетей и неосмотрительным поведением сетевых пользователей.

Лит.: Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб. и др., 2006; Network (computer science) // Online Encyclopedia 2007. http://encarta.msn.com.