16. Компютърни мрежи. Локални и глобални мрежи. Основни характеристики на локалните мрежи. Видове топологии на локалните мрежи - характерни особености, приложения.

1. Компютърни мрежи. Локални и глобални мрежи. Основни характеристики на локалните мрежи.
Мрежовата архитектура в областта на информатиката изразява единството и съгласуваността на различни компоненти и цели структури, включени в мрежа. Тази архитектура дефинира връзките и взаимодействието между тези различни компоненти и структури като отделни елементи на тази архитектура на базата на обобщения архитектурен модел за разпределена система. Разпределена система наричаме структура от общи по предназначение компоненти, всеки един от тях поел една от функциите на тази структура - функции, разпределени между отделните компоненти на системата. В най-общ случай, тази мрежова архитектура дефинира всички правила за изграждане на една разпределена система чрез интегриране на различни компютърни и комуникационни ресурси в една обща информационна система (ИС) за обработка и обмен на информация. Пренасянето на данните в такава ИС се осъществява в комуникационна среда, наречена мрежа. Мрежата е изградена от физически линии за връзка и комутационни възли за реализиране на отделните пътища - маршрути. Затова тези комутационни възли са наречени възли за маршрутизация. Различаваме три вида мрежови структури, в зависимост от географското разположение на отделните работни станции в мрежата:

Локални мрежи - Local Area Network (LAN): това са мрежови структури, обхващащи определен брой работни станции - КС и останалата апаратна част, необходима за изграждането на мрежата, намиращи се на близко разстояние - в едно или съседни помещения. Тази локална мрежа тематично има определена насоченост, съобразена с тематиката на организацията, за която се монтира;

1.1. За да се изгради тази тематика на компютърните мрежи следва да се въведат базови понятия:
- Компютърна мрежа (Computer Network) - това е информационна среда, в която два или повече компютъра са свързани помежду си посредством кабел, модем или друг вид връзка и си взаимодействат с помощта на специализирано програмно осигуряване, инсталирано на всеки от тях;
- Възел (Node) - всяка адресируема в мрежата КС, която има свой ІР - адрес и може да изпълнява програми за управление на комуникациите
- Мост (Bridge) - междумрежова връзка за обмен на данни между две КС, принадлежащи на различни по тип мрежи;
- Шлюз (Gateway) - междумрежова връзка за обмен на данни между две КС от различни, но еднотипни мрежи;
- Маршрутизатор (Router) - това е средство за осъществяване на междумрежова връзка, което може да чете и разбира пренасяните пакети и при нужда да ги променя за съгласуване между различни по тип локални мрежи;
- Хъб (Hub) - това е средство за свързване на отделни съобщителни среди в локални мрежи и разпределение на потоците от данни;
- Многожичен информационен интерфейс (Fiber Distributed Data Interface - FDDI) - разпределен интерфейс за предаване на данни по влакнесто - оптичен канал за връзка, осигуряващ обмен на данни до 100Мврs;
- Модулатор/Демодулатор (Modem) - това е устройство за преобразуване на цифровия сигнал от компютъра в аналогов сигнал за телефонна линия (използвана като линия за връзка) и обратно.

1.2. Осъществяването на междупроцесорните комуникации е друг важен аспект при изграждане на мрежите. Различават се три отделни технологии:
- Организация на сеанси: Междупроцесорните комуникации в една разпределена в смисъла на информационни мощности среда се осъществяват чрез предаване на съобщения, които освен данните, съдържат и служебна информация за типа, подателя (предавателя), приемника, маршрута и пр. Взаимодействието между два процеса в разпределена среда се реализира чрез сеанс (сесия) и може да бъде едностранно (насочено предаване) или диалог (обмен на съобщения). В общия случай се осъществява чрез следните етапи:
- установяване на маршрут;
- (2) установяване на сеанс;
- (3) провеждане на сеанс;
- (4) завършване на сеанс;
- (5) разрушаване на канала.
Етапи (1) и (5) са свързани с физическата мрежова структура, а останалите - с логическата структура.

- Модел "клиент/сървър": Това е технология за организация на междупроцесни комуникации при множествен достъп на различни клиенти едновременно до един и същ ресурс. Предвижда се към всеки общодостъпен ресурс да се свърже програма, наречена сървър, която да обслужва постъпващите заявки за достъп. Клиентите комуникират със сървъра, който им изпраща подходящ отговор при обслужване на техните заявки. Сървърът е пасивна програма, която извършва определени действия само при постъпване на заявка. Възможно е обслужване на няколко заявки едновременно, като се акцентира върху получаване на услугата, а не върху времето за доставянето й.

- Еталонен седемслоен модел OSI (Open System Interconnection): Представлява препоръчителна йерархична организация на последователни нива при мрежовите комуникации за стандартизиране на различни мрежови реализации. Разслояването на обслужващите функции осигурява тяхното по-лесно реализиране и възможност за разширяване. Слоевете са обединени в две подсистеми: транспортна подсистема (от четири слоя) и сесийна подсистема (от три слоя):

- Транспортна подсистема:
(1) Физически слой - определя физическия интерфейс за свързване към физическата съобщителна среда (ФСС) и дефинира физическите, механичните и функционални характеристики на физическата връзка;
(2) Канален слой - организира синхронно предаване и мултиплексиране на съобщенията, като формира информационни блокове (кадри) от постъпващите от ФСС битове или формира пакетите към ФСС;
(3) Мрежов слой - изпълнява мрежовите функции по маршрутизация на съобщенията от източник към получател и управлява потоците във виртуалните канали чрез преобразуване на адреси и евентуално разделяне на големи пакети на по-малки;
(4) Транспортен слой - управлява транспортната подсистема и предаването на пакети между абонатите като сегментира/събира потока от изпращани/получавани данни и установява виртуална връзка чрез долните слоеве.

- Сесийна подсистема:
(5) Сесиен слой - установява връзка между два процеса на програмно ниво, организира диалога и се грижи за нужната синхронизация;
(6) Представителен слой - управлява преобразуването и представянето на обменяните данни (формат, код и др.), транслира програми, трансформира кодове.
(7) Приложен слой - осигурява приложни процеси за достъп до мрежовите услуги, като управлява непосредствената обработка и интеграцията на данните.
Еталонният модел предвижда при предаване данните да преминат през последователните слоеве от високото ниво (приложението) към ниското ниво (мрежовата интерфейсна платка), като на всяко ниво се добавя допълнителна служебна информация. При приемане се изпълняват аналогични действия в обратна посока.

1.3. Локални и глобални мрежи. Основни характеристики на локалните мрежи:
Локалните мрежи (LAN - Local Area Network) осъществяват разпределена обработка на данните и мрежово обслужване на сравнително малка територия по един или няколко високоскоростни канала за предаване на цифрова информация. Каналите се предоставят на включените към мрежата устройства за кратковременно монополно ползване, което определя по-проста реализация на мрежовите комуникации в сравнение с глобалните мрежи. Локалните мрежи са предназначени главно за бързо предаване на данни между абонати, предаване на съобщения, телеобработка на задачи, електронна поща, персонални услуги и информационно обслужване чрез централизирана или разпределена база от данни. Основни понятия са: абонат - работно място, чрез което се осъществява достъп до комуникационната среда; възел - място, в което абонатната станция се свързва към комуникационната среда, заедно с необходимите за това апаратни и програмни средства; топология - общата схема на взаимното разположение на възлите и каналите за връзка между тях.

Основните характеристики на локалните мрежи са:
- пропускателна способност: 1-10 Mbрs;
- време за достъп: 0,01-1ms.
Към LAN могат да се включат различни стандартни и специализирани устройства: компютри, терминали, външни памети, принтери, факсимилни апарати, апаратура за управление, устройства за свързване с други подобни LAN (мостове) или друг тип мрежи (шлюзове), телефони и др. Тези устройства се свързват към физическата съобщителна среда (ФСС) на мрежата с мрежов адаптер (контролер) и приемно-предавателна апаратура.

2. Видове топологии на локалните мрежи - характерни особености, приложения.
2.1. Характерни особености:
В архитектурния LAN-модел се запазват основните OSI-препоръки, но вътрешната логика на долните 3 слоя е по-различна. Това се дължи на факта, че в общата съобщителна среда няма възли за комутация, а това се изпълнява от мрежовия интерфейс на абонатната станция, който филтрира по адреса предназначените за нея пакети.
Слоевете са групирани в две направления:
(1) За вътрешномрежово управление;
(2) За управление на междумрежовите връзки от тип LAN-LAN. Каналният слой е представен от два подслоя - горен (LLC) и долен (MAC) и се реализира от мрежовия адаптер, а функциите на физическия слой се поддържат от приемно-предавателя. Взаимодействието между абонатните точки се управлява от горните слоеве.
Дефинират сетри типа връзки за достъп и комуникации в локалната мрежа:
(а) двуточково свързване (между два абоната);
(б) множествен достъп до общата ФСС (множество получатели);
(в) общодостъпно предаване (множество податели).

Методите за достъп до съобщителната среда се реализират по два начина:
1. Детерминирани процедури - за всяка работна станция е присвоена част от общата пропускателна способност. Недостатък е малкият коефициент на използваемост на ФСС.
2. Недетерминирани процедури - пропускателната способност на средата се предоставя само на работните станции, готови за предаване на съобщение. Това води до много по-добро използване на ФСС, но се реализира по-сложно.

Комуникациите в LAN се реализират по опростен механизъм, базиран на общодостъпната ФСС и се свързват със следните две понятия:
• Адресация - идентификация на ресурсите в LAN;
• Маршрутизация - начин за определяне на пътя до съответния физически ресурс. В рамките на една LAN не се изисква явна маршрутизация, поради общодостъпната ФСС, но при свързване на няколко локални мрежи това е необходимо.

2.2. Видове топологии на локални мрежи:
Топологията на LAN характеризира разположението на компютрите и кабелните връзки между тях, което определя необходимия мрежов хардуер.
Най-разпространените локални топологии са следните:
• Шинна (магистрална) топология – най-просто свързване на компютрите към обща магистрала (единичен кабел), по която се изпраща информацията, адресирана към физически адрес на мрежов адаптер (LAN карта);
• Звездовидна топология – устройствата са свързани с кабелни сегменти към централен концентратор (хъб – hub) или комутатор (switch);
• Кръгова топология – всеки компютър се свързва чрез концентратор (наричан MAU – Multi-Station Access Unit) към еднопосочен логически кръг, по който се предвижват данните.

2.3. Приложения на локалните мрежи:
Ethernet e типичен представител на локалните мрежи и е разработена от фирмата Xerox, съвместно с фирмите DEC и Intel. Характеризира се с обща магистрала за включените работни станции (до 1024 на брой), скорост на предаване на информацията 10Mbрs и максимално разстояние (при използване на повторители) до 2,5km.
В архитектурен аспект конфигурация на мрежата Ethernet се изгражда от няколко сегмента, всеки реализиран на базата на коаксиален кабел с накрайници, не по-дълъг от 500 m (при стандарт 10Base5) или до 185 m (при стандарт 10Base2). Една локална мрежа може да включва произволен брой такива сегменти, съединени чрез повторители, но при условие, че между две произволни работни станции съществува само един възможен път с дължина до 1500 m и най-много два повторителя.
Приемно-предавателите са в непосредствена близост до ФСС и изпълняват функциите на слой (1) по съгласуване на параметрите на сигналите с характеристиките на кабела и откриване на конфликтите. Работните станции се свързват към ФСС посредством високоскоростен мрежов адаптер и кабелна връзка.
Мрежовият адаптер изпълнява функциите на слой (2) по кодиране и декодиране на съобщенията, управление на връзките и формиране на кадрите, като осигурява физическото взаимодействие с приемно-предавателя чрез кабелната (интерфейсна) връзка.
Форматът на кадъра за Ethernet съдържа полетата: преамбюл и интервал (съответно за начало и край на кадър); адреси на получател и подател; тип на кадъра; потребителски данни (46-1500 байта); контролен код за проверка полетата на кадъра при приемане.