Definicja sieci komputerowej

Cz¦±¢ I
Denicja sieci komputerowej
Sie¢ komputerowa jest to pewna liczba niezale»nie dziaªaj¡cych komputerów, które s¡ poª¡czone ze sob¡ za pomoc¡ kanaªów komunikacyjnych,
pozwalaj¡cych na wymian¦ informacji mi¦dzy komputerami. Kanaªami komunikacyjnymi mog¡ tu by¢ dowolne ±rodki zyczne, umo»liwiaj¡ce przesyªanie informacji w postaci sygnaªów elektrycznych, tzn. kanaªy transmisji
danych, tworzone na sieci telefonicznej powszechnego u»ytku, ª¡cza ±wiatªowodowe, ª¡cza mikrofalowe lub satelitarne. Komputery musz¡ by¢ przy tym
autonomiczne, czyli »aden z komputerów nie mo»e by¢ zale»ny od innego
komputera w sieci. W tym kontek±cie system komputerowy, skªadaj¡cy si¦ z
jednego komputera nadrz¦dnego i kilku komputerów od niego uzale»nionych
nie mo»e by¢ nazwany sieci¡ komputerow¡.
Podobne do sieci komputerowych s¡ komputerowe systemy przetwarza-
nia rozproszonego, w postaci zbioru systemów komputerowych, poª¡czonych
ze sob¡ kanaªami transmisyjnymi. Elementy sprz¦towe, z których buduje
si¦ systemy rozproszone, nie ró»ni¡ si¦ od sprz¦tu, pracuj¡cego w sieciach
komputerowych. Mimo to, takich systemów nie uwa»a si¦ jednak za sieci
komputerowe, poniewa» w istocie s¡ to systemy wieloprocesorowe, sterowane
jednym systemem operacyjnym, peªni¡ce rol¦ jednego wirtualnego komputera. U»ytkownik rozproszonego systemu przetwarzania danych nigdy nie wie,
który z komputerów wykonuje jego zadanie, podczas gdy u»ytkownik sieci
komputerowej musi dokªadnie wiedzie¢ za pomoc¡ jakiego komputera jest
poª¡czony z sieci¡, osobi±cie powinien zleca¢ do sieci wykonanie okre±lonego przez niego zadania i osobi±cie musi kierowa¢ realizacj¡ tego zadania, co
sprowadza si¦ do jego ingerencji w dziaªanie sieci. Ró»nica mi¦dzy sieci¡ a
systemem rozproszonym tkwi wi¦c w oprogramowaniu, czyli w ró»nych systemach operacyjnych tych dwóch struktur.
Chocia» systemów rozproszonych nie identykuje si¦ z sieciami komputerowymi, warto wiedzie¢, »e mi¦dzy tymi obiektami technicznymi istnieje
wiele podobie«stw. Na przykªad zarówno w sieciach komputerowych, jak i w
systemach rozproszonych, wa»nym problemem jest zagadnienie przesyªania
plików. Praktycznie, to trudne zadanie realizuje si¦ tak samo w sieciach, jak
i w systemach rozproszonych. W przypadku sieci sterowanie transferem plików nale»y jednak do u»ytkownika sieci, natomiast w systemie rozproszonym
o potrzebie i sposobie przemieszczania plików decyduje system operacyjny.
Cz¦±¢ II
Zalety sieci komputerowych
Szerokie zastosowania sieci komputerowych wynikaj¡ z wy»szo±ci tych
systemów nad tak¡ sam¡ liczb¡ izolowanych od siebie komputerów, rozmieszczonych na pewnym obszarze. Gªówne korzy±ci, pªyn¡ce z zastosowa« sieci
komputerowych s¡ nast¦puj¡ce:
Mo»liwo±¢ wspólnego u»ytkowania zasobów. Wszystkie zasoby
sieci komputerowej, czyli caªy sprz¦t i oprogramowanie, znajduj¡ce
si¦ w sieci, s¡ dost¦pne dla ka»dego u»ytkownika sieci. Na przykªad,
u»ytkownik sieci, nie posiadaj¡cy w pobli»u swojej lokalizacji superkomputera, mo»e uruchamia¢ wªasne programy na superkomputerze,
znajduj¡cym si¦ kilka tysi¦cy kilometrów od miejsca jego zamieszkania
w taki sposób, jak gdyby korzystaª z superkomputera lokalnego.
Du»a niezawodno±¢. W sieci komputerowej pewne wa»ne bazy danych lub oprogramowanie mo»na instalowa¢ w kilku maszynach. Je±li
wi¦c jakie± urz¡dzenie, dane lub program s¡ niedost¦pne w jednym
miejscu, np. z powodu awarii, mo»na korzysta¢ z ich duplikatów, zlokalizowanych w innym miejscu sieci. Jest to szczególnie istotne w wielu
zastosowaniach, przede wszystkim w instytucjach wojskowych, bankowo±ci, systemach obsªugi lotnisk, itp.
Oszcz¦dno±¢. Wiadomo, »e du»e systemy komputerowe s¡ przeci¦tnie
10 razy szybsze od najszybszych mikrokomputerów z jednym mikroprocesorem, ale kosztuj¡ one cz¦sto co najmniej 1000 razy dro»ej od
mikrokomputerów. W takiej sytuacji konstruktorzy sieci komputerowych wyposa»aj¡ ka»dego u»ytkownika sieci w jeden wydajny komputer osobisty, a dane przechowuj¡ w stosunkowo maªej liczbie wi¦kszych
maszyn, tzw. serwerach plików. Taka koncepcja doprowadziªa do upowszechnienia sieci lokalnych (LAN - local area network), które ª¡cz¡ ze
sob¡ wiele komputerów w jednym pomieszczeniu lub budynku. Zalet¡
sieci lokalnych jest mo»liwo±¢ stopniowego zwi¦kszania mocy obliczeniowej systemu komputerowego w miar¦ wzrostu potrzeb w zakresie
przetwarzania danych, przez doª¡czanie do sieci kolejnych niewielkich
procesorów. Gdyby zastosowano, zamiast sieci lokalnej, du»y komputer
o takiej samej mocy obliczeniowej jak sie¢ lokalna, to w przypadku niewydolno±ci u»ywanego komputera, nale»aªoby ten komputer wymieni¢
na wi¦kszy, bardziej kosztowny. Ta manipulacja spowodowaªaby skokowy przyrost mocy obliczeniowej systemu, du»o wi¦kszy od aktualnych
potrzeb, trwaªaby dªu»ej od wymiany niewielkiego procesora (jak w
przypadku sieci) i mogªaby by¢ dolegliwa dla wielu u»ytkowników systemu.
Sie¢ komputerowa stanowi skuteczny i pot¦»ny ±rodek komunikacji
mi¦dzyludzkiej. Za pomoc¡ sieci komputerowej grupa ludzi, mieszkaj¡cych z dala od siebie, mo»e np. opracowywa¢ wspóln¡ publikacj¦. Je±li
jeden z autorów dokonuje zmian w opracowywanym dokumencie, s¡
one natychmiast przekazywane innym autorom. Ta wªasno±¢ sieci komputerowej stwarza praktycznie nieograniczone mo»liwo±ci wspóªpracy
mi¦dzyludzkiej w sposób niezale»ny od geograi. Niektórzy uczeni uwa»aj¡ nawet, »e wªa±nie ta korzy±¢, pªyn¡ca z sieci komputerowych, jest
na dªu»sz¡ met¦ du»o wa»niejsza od zwi¦kszania niezawodno±ci czy
uzyskiwania du»ych oszcz¦dno±ci.
Cz¦±¢ III
Klasykacja systemów
wieloprocesorowych
Systemy wieloprocesorowe klasykuje si¦ na podstawie ich rozmiarów
zycznych i miejsca usytuowania procesorów (tabela 1.1).
Do pierwszej kategorii zalicza si¦ mocno zrównoleglony system, zawieraj¡cy wiele jednostek funkcjonalnych, który wykonuje ten sam program.
Multiprocesory s¡ to systemy procesorów, komunikuj¡cych si¦ ze sob¡ za
po±rednictwem wspólnej pami¦ci. Prawdziwe sieci komputerowe tworz¡ oddalone od siebie i poª¡czone ze sob¡ procesory, które mog¡ si¦ ze sob¡ porozumiewa¢. S¡ to sieci lokalne, sieci rozlegªe i poª¡czenia tych sieci.
Tabela 1: Klasykacja systemów wieloprocesorowych
Odlegªo±¢ mi¦-
Lokalizacja
Nazwa systemu
dzy procesorami
procesorów
wieloprocesorowego
0,1 m
karta obwodu drukowanego
transputer
1 m
obudowa komputera
multiprocesor
10 m
pokój
100 m
budynek
1000 m
obszar uczelni
10 km
miasto
sie¢ lokalna
sie¢ rozlegªa
100 km
pa«stwo
1000 km
kontynent
sie¢ sieci rozlegªych
10 000 km
planeta
internet
Cz¦±¢ IV
Zastosowania sieci komputerowych
Gªówne zastosowania publicznych sieci komputerowych wynikaj¡ z mo»liwo±ci, stwarzanych przez te sieci ich u»ytkownikom.
Powszechny dost¦p do zdalnych baz danych ju» dzi± umo»liwia rezerwacj¦ biletu na dowolny ±rodek komunikacji, miejsca w hotelu oraz dokonanie
wielu podobnych czynno±ci bez wychodzenia z domu. Nale»y oczekiwa¢, »e
wkrótce zasad¡ b¦dzie zdalne robienie zakupów i dokonywanie operacji bankowych, co doprowadzi do znacznego odci¡»enia ±rodków komunikacji, a wi¦c
do oszcz¦dno±ci energii.
Sieci komputerowe zaczynaj¡ wywiera¢ du»y wpªyw na dziaªalno±¢ wydawnicz¡, a sªowo drukowane w postaci tradycyjnych czasopism czy ksi¡»ek
staje si¦ powoli czym± przestarzaªym. Ro±nie bowiem liczba pojawiaj¡cych
si¦ w sieciach dzienników, czasopism i magazynów, gªównie technicznych, na
razie przewa»nie dla ekspertów komputerowych. Z pewno±ci¡ w niedªugim
czasie w sieciach dost¦pne b¦d¡ czasopisma dla przeci¦tnych czytelników,
poruszaj¡ce na swych ªamach wiele problemów z ró»nych dziedzin.
U»ytkownicy sieci komputerowych maj¡ te» dost¦p do wielu unikalnych
programów oraz do superkomputerów. Pozwala to na prowadzenie zaawansowanej dziaªalno±ci naukowej i uªatwia rozwi¡zywanie trudnych problemów
nauki i techniki.
Istotnie wa»nym zastosowaniem sieci komputerowych jest poczta elektroniczna, pozwalaj¡ca na szybkie przekazywanie praktycznie na dowoln¡
odlegªo±¢ nie tylko wiadomo±ci w postaci tekstu, ale te» sygnaªów d¹wi¦kowych, rysunków, a nawet ruchomych obrazów telewizyjnych. I dlatego ju»
dzi± uczeni caªego ±wiata ponad 90% korespondencji przesyªaj¡ do siebie za
po±rednictwem poczty elektronicznej.
Wida¢ wi¦c, »e rozwój sieci komputerowych znacznie przyspieszyª post¦p
dokonuj¡cej si¦ na naszych oczach rewolucji informacyjnej, która prawdopodobnie zmieni spoªecze«stwa znacznie bardziej, ni» uczyniªa to rozpocz¦ta
okoªo 1760 roku w Anglii rewolucja przemysªowa. Mo»na przypuszcza¢, i» w
niedªugim czasie tradycyjne sklepy, banki, biura, szkoªy i uczelnie zmieni¡
gruntownie swój sposób funkcjonowania i organizacj¦, a niektóre z tych instytucji mog¡ nawet zanikn¡¢. Mo»e te» zosta¢ zmieniony rozwój miast, które
ulegn¡ rozproszeniu, poniewa» oferowane przez sieci komputerowe wysokiej
jako±ci ±rodki komunikacji, zminimalizuj¡ potrzeb¦ ªatwego dost¦pu do cz¦sto odwiedzanych przez interesantów instytucji, które sytuuje si¦ aktualnie
jak najbli»ej du»ych skupisk ludzkich.
Nale»y jednak mie¢ ±wiadomo±¢, »e powszechny dost¦p do sieci komputerowych stwarza wiele zagro»e«. Uªatwiaj¡ one bowiem »ycie i usprawniaj¡
dziaªalno±¢ ka»dego czªowieka, instytucji i organizacji, nie wyª¡czaj¡c organizacji przest¦pczych. Przekazywane do sieci wiadomo±ci nie podlegaj¡ »adnej
werykacji czy cenzurze, dlatego te», obok wa»nych i warto±ciowych danych,
w sieciach komputerowych pojawia si¦ masa informacji bezwarto±ciowych, a
nawet spoªecznie szkodliwych. Zagadnienie to, o charakterze raczej socjologicznym, generuje jednak caªy szereg problemów technicznych. Mo»na tu np.
wymieni¢ rozwi¡zanie bardzo trudnego zadania ltracji wiadomo±ci wedªug
okre±lonych kryteriów, które oczywi±cie nie mog¡ by¢ kryteriami obiektywnymi.
Cz¦±¢ V
Fizyczna struktura sieci
komputerowej Struktura sieci
komputerowej
W ka»dej sieci komputerowej istniej¡ pewne komputery, których podstawowym zadaniem jest uruchamianie programów u»ytkownika, zwanych te»
aplikacjami. Takie komputery nosz¡ nazw¦ hostów. Hosty poª¡czone s¡ ze
sob¡ za pomoc¡ podsieci komunikacyjnej (rys. 1), przenosz¡cej dane mi¦dzy
hostami w sposób podobny, jak w trakcie trwania rozmowy mi¦dzy dwoma
abonentami sieci telefonicznej.
Rysunek 1: Hosty i podsie¢ komunikacyjna
Przy tej koncepcji ma miejsce oddzielenie zada« komunikacyjnej sieci
komputerowej od zada« aplikacyjnych, co znacznie upraszcza projektowanie
sieci.
Podsie¢ komunikacyjna skªada si¦ zwykle z kanaªów transmisyjnych i
elementów przeª¡czaj¡cych. Kanaªami, lub inaczej liniami transmisyjnymi
przekazywane s¡ dane mi¦dzy hostami, natomiast elementami przeª¡czaj¡cymi s¡ specjalizowane komputery, realizuj¡ce poª¡czenia mi¦dzy dwoma lub
kilkoma kanaªami transmisyjnymi w taki sposób, aby dane wychodz¡ce z
jednego hosta byªy kierowane do innego hosta, wªa±ciwego dla okre±lonego
poª¡czenia. Te elementy przeª¡czaj¡ce nazywa si¦ najcz¦±ciej w¦zªami sieci.
Ka»dy w¦zeª sieci poª¡czony jest z jednym lub kilkoma hostami.
W sieciach komputerowych stosuje si¦ dwa typy podsieci komunikacyjnej:
Podsie¢ z kanaªami dwupunktowymi, zawiera liczne linie kablowe lub
dzier»awione linie telefoniczne, z których ka»da ª¡czy jedn¡ par¦ w¦zªów sieci komputerowej. Je±li dwa w¦zªy nie s¡ ze sob¡ poª¡czone za
pomoc¡ kanaªu transmisyjnego, wówczas mog¡ si¦ one komunikowa¢
ze sob¡ za po±rednictwem innych w¦zªów. Przesyªan¡ mi¦dzy hostami
wiadomo±¢ dzieli si¦ na mniejsze porcje, zwane pakietami. Je±li przesyªa si¦ pakiet z jednego w¦zªa do drugiego, poprzez jeden lub wi¦cej
w¦zªów po±rednich, jest on w caªo±ci przechowywany w ka»dym z tych
w¦zªów, w oczekiwaniu na zwolnienie stosownego kanaªu transmisyjnego, a nast¦pnie jest kierowany do wªa±ciwego w¦zªa. Aktualnie prawie
wszystkie sieci komputerowe stosuj¡ podsieci komunikacyjne, oparte
na tej zasadzie, zwanej technik¡ przeª¡czania pakietów. Przy stosowaniu podsieci z kanaªami dwupunktowymi mo»liwe s¡ ró»ne topologie
poª¡cze«, z których kilka pokazano na rys. 2. Sieci lokalne posiadaj¡
zwykle topologi¦ symetryczn¡, w przeciwie«stwie do sieci rozlegªych,
na ogóª o topologiach nieregularnych.
Podsie¢ z kanaªami rozgªoszeniowymi stosowana jest w wi¦kszo±ci sieci
lokalnych, gdzie ka»dy host poª¡czony jest z jednym w¦zªem w postaci jednego czipu, i w nielicznych rozlegªych sieciach komputerowych, w
przypadku których do jednego w¦zªa przyª¡cza si¦ zwykle kilka hostów.
Takie systemy posiadaj¡ jeden kanaª transmisyjny, wspólny dla wszystkich komputerów w sieci. Pakiety, wysyªane przez jeden z komputerów
odbieraj¡ wszystkie pozostaªe komputery. Ka»dy pakiet posiada tu specjalne pole adresowe, identykuj¡ce adresata. Przy odbiorze pakietu,
ka»dy komputer analizuje najpierw to pole, akceptuje wªa±ciwy pakiet
i ignoruje pakiety zawieraj¡ce adresy innych komputerów. Istnieje te»
adres wspólny dla caªej sieci; pakiet z takim adresem jest akceptowany
przez wszystkie komputery. Niektóre podsieci omawianego typu umo»liwiaj¡ transmisj¦ pakietów do wybranego podzbioru w¦zªów.
Podstawowe topologie podsieci z kanaªami rozgªoszeniowymi ilustruje
rys. 3. Przy pracy sieci typu szyna tylko jeden komputer posiada uprawnienia urz¡dzenia typu master i mo»e nadawa¢ pakiety, podczas gdy
pozostaªe komputery musz¡ w tym momencie nadawane pakiety odbie-
Rysunek 2: Niektóre topologie dwupunktowej podsieci komunikacyjnej.
a) gwiazda, b) pier±cie«, c) drzewo, d) topologia zupeªna,
e) poª¡czone pier±cienie, f ) topologia nieregularna
ra¢, nie maj¡c prawa do nadawania pakietów. Dla tego typu podsieci
nale»y wi¦c przewidzie¢ mechanizm rozwi¡zywania koniku, w przypadku gdy kilka komputerów chciaªoby równocze±nie wysyªa¢ pakiety
do sieci.
Innym rozwi¡zaniem podsieci z kanaªami rozgªoszeniowymi jest na-
ziemny system radiowy lub system satelitarny. Ka»dy w¦zeª posiada w
tym systemie anten¦, któr¡ posªuguje si¦ w trakcie odbierania lub nadawania pakietów, i mo»e odbiera¢ pakiety, nadawane przez radiostacj¦
lub satelit¦. W pewnych przypadkach niektóre w¦zªy mog¡ odbiera¢
to, co inne w¦zªy nadaj¡ w kierunku satelity.
Trzecim systemem z kanaªami rozgªoszeniowymi jest pier±cie«. W tym
przypadku ka»dy bit informacji rozchodzi si¦ dookoªa pier±cienia niejako na wªasn¡ r¦k¦, nie czekaj¡c na pozostaªe bity pakietu, do którego
nale»y. W rozwi¡zaniach typowych ka»dy bit przebiega caªy pier±cie«
w czasie, wymaganym dla przesªania kilku bitów, który mo»e by¢ krótszy od czasu przesªania caªego pakietu. W tym systemie, podobnie jak
i w pozostaªych systemach z kanaªami rozgªoszeniowymi, nale»y ustali¢
reguª¦ równoczesnego dost¦pu do pier±cienia.
Podsieci z kanaªami rozgªoszeniowymi dziel¡ si¦ na dynamiczne i statyczne, w zale»no±ci od sposobu alokacji (przydziaªu) kanaªu transmi-
Rysunek 3: Podstawowe topologie podsieci komunikacyjnej z kanaªami rozgªoszeniowymi. a) szyna, b) naziemny system radiowy lub
system satelitarny, c) pier±cie«
syjnego. Typowa alokacja statyczna polega na przydzieleniu ka»demu
komputerowi dyskretnego przedziaªu czasowego, w którym ma prawo
nadawa¢ pakiety. Prowadzi to cz¦sto do marnowania zdolno±ci przepustowej kanaªu, poniewa» zwykle istniej¡ stacje, które nie maj¡ pakietu
do nadania podczas przydzielonej im szczeliny czasowej. Dlatego te»
niektóre podsieci komunikacyjne usiªuj¡ przydziela¢ kanaª transmisyjny dynamicznie, czyli na »¡danie.
Metody dynamicznej alokacji kanaªu transmisyjnego mog¡ by¢ scentralizowane albo zdecentralizowane. W metodzie scentralizowanej w podsieci komunikacyjnej instaluje si¦ specjalne elementy, np. urz¡dzenie
do przyznawania szyny, decyduj¡ce o tym, który komputer ma prawo
do nadawania pakietów. Zdecentralizowane systemy alokacji kanaªu nie
posiadaj¡ takich urz¡dze« lecz stosuj¡ zasad¦, »e ka»dy komputer podejmuje samodzielnie decyzj¦ o nadawaniu pakietów. Takie podej±cie
mogªoby prowadzi¢ do nieporozumie«, ale istnieje wiele algorytmów
zdecentralizowanej alokacji, które skutecznie zapobiegaj¡ potencjalnemu chaosowi.