01. Компьютерные сети и передача данных
Понятие компьютерной сети
Компьютерная сеть — это совокупность компьютеров, сетевого оборудования и линий связи, объединённых для обмена данными и совместного использования ресурсов.
В простейшем случае сеть может состоять всего из двух компьютеров, соединённых кабелем. Более крупная сеть может включать тысячи устройств, соединённых между собой через коммутаторы, маршрутизаторы, точки беспроводного доступа и другие сетевые устройства.
Основная задача компьютерной сети — обеспечить передачу данных между устройствами.
Например, когда пользователь: - отправляет сообщение; - открывает веб-сайт; - скачивает файл; - смотрит видео; - печатает документ на сетевом принтере; - подключается к серверу; - играет по сети;
во всех случаях происходит обмен данными между двумя или несколькими устройствами.
Зачем нужны компьютерные сети
Компьютерные сети используются для решения нескольких основных задач.
Обмен данными
Устройства могут передавать друг другу файлы, сообщения, документы, изображения и другую информацию.
Например, компьютер пользователя может передать файл на файловый сервер.
Совместное использование ресурсов
Несколько компьютеров могут использовать одни и те же ресурсы: - принтеры; - сетевые накопители; - серверы; - базы данных; - интернет-соединение; - специализированное программное обеспечение.
Доступ к информационным системам
Сетевое подключение позволяет обращаться к ресурсам, расположенным на других компьютерах.
Например, браузер пользователя обращается к веб-серверу, на котором находится необходимый сайт.
Удалённое управление
Сеть позволяет управлять компьютерами и серверами удалённо.
Например, системный администратор может подключиться к серверу по сети и выполнить на нём необходимые операции.
Доступ к Интернету
Локальная сеть организации или домашняя сеть может подключаться к глобальной сети Интернет через маршрутизатор или другое сетевое устройство.
Основные элементы компьютерной сети
Для работы сети необходимы несколько основных компонентов.
Конечные устройства
Конечное устройство — это устройство, которое является источником или получателем данных.
К ним относятся: - персональные компьютеры; - ноутбуки; - смартфоны; - планшеты; - серверы; - сетевые принтеры; - IP-камеры; - телевизоры; - устройства Интернета вещей.
Например, при открытии веб-сайта компьютер пользователя является источником запроса, а веб-сервер — его получателем.
При передаче страницы обратно роли меняются: сервер становится источником данных, а компьютер пользователя — получателем.
Сетевое оборудование
Для соединения устройств используются различные сетевые устройства: - коммутаторы; - маршрутизаторы; - точки доступа; - повторители; - модемы; - шлюзы.
Каждое устройство выполняет определённые функции.
Например, коммутатор используется для соединения устройств внутри локальной сети, а маршрутизатор обеспечивает передачу данных между различными сетями.
Среда передачи
Данные должны каким-либо способом физически передаваться от одного устройства к другому.
Для этого используется среда передачи.
Она может быть:
проводной: - витая пара; - коаксиальный кабель; - оптическое волокно;
беспроводной: - радиоволны; - инфракрасное излучение; - другие виды электромагнитного излучения.
Именно физическая среда является одним из главных объектов изучения данной дисциплины.
Передача данных
Передача данных — это процесс перемещения информации от одного устройства к другому посредством определённой среды и с использованием согласованных правил обмена.
Например, пользователь отправляет файл с компьютера на сервер.
Упрощённо процесс можно представить следующим образом: Компьютер → сетевой интерфейс → кабель → коммутатор → сеть → сервер
Однако данные не передаются по кабелю в виде обычного файла.
Компьютер сначала преобразует информацию в последовательность данных, которая затем преобразуется в сигналы, способные распространяться по физической среде.
Упрощённая схема: Информация → данные → последовательность битов → сигнал → физическая среда → сигнал → биты → данные → информация
Таким образом, на физическом уровне компьютерная информация в конечном итоге представляется определённым физическим сигналом.
Что такое данные
Данные — это информация, представленная в форме, пригодной для хранения, обработки или передачи техническими средствами.
Компьютеры работают с данными в цифровой форме.
Основной единицей цифровых данных является бит.
Бит может иметь одно из двух значений: 0 или 1.
Последовательность битов образует более сложные структуры данных.
Например: 10110100
Для компьютера это не просто набор нулей и единиц. В зависимости от того, как эти данные используются, они могут представлять часть текста, изображения, звука, команды или другой информации.
Как данные превращаются в сигнал
Биты невозможно непосредственно передать по большинству физических сред в их абстрактном виде.
Для передачи используется сигнал.
Сигнал — это физический процесс, который изменяется во времени и может использоваться для представления передаваемых данных.
В зависимости от среды сигнал может иметь различную физическую природу.
Например: - в медном кабеле используются электрические сигналы; - в оптическом волокне используются световые сигналы; - в беспроводной сети используются радиосигналы.
Поэтому один и тот же цифровой поток данных может передаваться разными физическими способами.
Например: 10110010
может быть представлен изменениями электрического сигнала в витой паре или изменениями светового сигнала в оптическом волокне.
Передатчик и приёмник
Для передачи данных необходимы источник и получатель.
Передатчик — устройство или компонент устройства, который формирует сигнал и отправляет его в среду передачи.
Приёмник — устройство или компонент устройства, который принимает сигнал и преобразует его обратно в данные.
Упрощённая схема: Передатчик → среда передачи → приёмник
Например: Сетевая карта компьютера → витая пара → сетевая карта сервера
Сетевая карта компьютера формирует электрический сигнал, который распространяется по кабелю.
Сетевая карта сервера принимает этот сигнал и преобразует его обратно в последовательность данных.
Направление передачи данных
В зависимости от способа обмена данные могут передаваться по-разному.
Симплексная передача
Данные передаются только в одном направлении. Передатчик → Приёмник
Получатель не передаёт данные обратно по этому каналу.
Примером могут служить некоторые специализированные системы передачи информации.
Полудуплексная передача
Данные могут передаваться в обоих направлениях, но в определённый момент времени используется только одно направление. Устройство A → Устройство B или Устройство A ← Устройство B
Одновременная передача в обоих направлениях невозможна.
Полнодуплексная передача
Данные могут одновременно передаваться в обоих направлениях. Устройство A ⇄ Устройство B
Современные Ethernet-соединения обычно работают в полнодуплексном режиме.
Скорость передачи данных
Одной из важнейших характеристик сети является скорость передачи данных.
Она показывает, какое количество битов может быть передано за единицу времени.
Основная единица измерения — бит в секунду, обозначаемый: бит/с (bit/s или bps).
Используются также: - Кбит/с; - Мбит/с; - Гбит/с; - Тбит/с.
Например: 100 Мбит/с
означает теоретическую скорость передачи: 100 000 000 бит в секунду.
Важно отличать биты от байтов.
Один байт содержит: 1 байт = 8 бит.
Поэтому скорость 100 Мбит/с не означает передачу 100 МБ данных каждую секунду.
Теоретически: 100 Мбит/с ÷ 8 = 12,5 МБ/с.
На практике фактическая скорость будет ниже из-за служебных данных, особенностей оборудования, состояния канала и других факторов.
Канал передачи данных
Канал передачи данных — это совокупность средств и среды, обеспечивающих передачу данных между устройствами.
В простейшем случае канал может выглядеть так: Сетевая карта → кабель → сетевая карта
В реальной сети путь может быть значительно сложнее: Компьютер → коммутатор → маршрутизатор → другой маршрутизатор → коммутатор → сервер
При этом каждый участок пути представляет собой отдельный физический или логический участок передачи.
Локальные и глобальные сети
По масштабу распространения сети принято разделять на несколько типов.
Локальная сеть — LAN
LAN (Local Area Network) — локальная вычислительная сеть.
Обычно она объединяет устройства в пределах: - квартиры; - дома; - кабинета; - офиса; - учебного корпуса; - предприятия.
Например, компьютерный класс может иметь локальную сеть, в которой все компьютеры подключены к одному или нескольким коммутаторам.
Глобальная сеть — WAN
WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть.
Она объединяет сети, расположенные на больших расстояниях.
Например, организация может иметь офисы в нескольких городах, соединённые между собой через WAN.
Интернет
Интернет — глобальная система взаимосвязанных компьютерных сетей.
Интернет нельзя рассматривать как один огромный компьютер или одну сеть с единым владельцем. Это совокупность множества сетей, принадлежащих различным организациям и соединённых между собой.
Сетевой протокол
Для успешного обмена данными устройства должны использовать общие правила.
Сетевой протокол — это набор правил, определяющих порядок и способ обмена данными между устройствами.
Протокол определяет, например: - каким образом формируются данные для передачи; - как устройство должно отправить информацию; - как принимающая сторона должна её обработать; - как обнаруживаются ошибки; - как определяется адрес назначения; - каким образом устанавливается и завершается обмен.
Примерами сетевых протоколов являются: - Ethernet; - IP; - TCP; - UDP; - HTTP; - HTTPS; - DNS; - DHCP.
Каждый протокол решает свою задачу.
Например, HTTP используется для обмена данными между веб-браузером и веб-сервером, а Ethernet определяет правила передачи данных в проводной локальной сети на соответствующих уровнях.
Почему необходима сетевая модель
В реальной сети одновременно выполняется огромное количество различных задач.
Необходимо: 1. представить данные; 2. определить способ их передачи; 3. выбрать маршрут; 4. определить адрес получателя; 5. передать данные по физической среде; 6. обнаружить возможные ошибки; 7. принять данные; 8. восстановить исходную информацию.
Если попытаться описать всё это одним большим протоколом, система была бы крайне сложной.
Поэтому сетевое взаимодействие разделяют на уровни.
Каждый уровень отвечает за определённую группу задач и взаимодействует с соседними уровнями.
Одной из наиболее известных моделей такого разделения является модель OSI.
Итог
Компьютерная сеть предназначена для обмена данными между устройствами.
Для этого используются: конечные устройства → сетевое оборудование → линии связи → протоколы передачи данных.
Данные, которые обрабатывает компьютер, в процессе передачи должны быть представлены физическим сигналом.
В зависимости от среды используются различные типы сигналов: - электрические; - оптические; - радиосигналы.
Упрощённо передачу можно представить следующим образом: Информация → данные → биты → сигнал → среда передачи → сигнал → биты → данные → информация
Сетевое взаимодействие разделяется на уровни. Наиболее известной моделью такого разделения является модель OSI, состоящая из семи уровней.