1.2. История и классификация компьютерных сетей
1.2. История и классификация компьютерных сетей
1.2.1. Исторический обзор
Компьютерные сети возникли из потребности совместного использования дорогостоящих ресурсов вычислительной техники. Ключевые этапы:
- 1960-е: проект ARPANET (США), пакетная передача данных;
- 1970-е: разработка протоколов TCP/IP;
- 1983: ARPANET переходит на TCP/IP — фактическое рождение Интернета;
- 1990-е: WWW (Тим Бернерс-Ли), массовое распространение Ethernet;
- 2000-е — наст. время: широкополосный доступ, Wi-Fi, облачные сервисы, IPv6.
1.2.2. Определение и назначение
Компьютерная сеть — совокупность узлов (компьютеров, серверов, маршрутизаторов, коммутаторов, точек доступа), соединённых каналами связи и обменивающихся данными по согласованным правилам (протоколам).
Основные функции сетей: обмен данными; совместный доступ к файлам и периферии; централизованное хранение; удалённый доступ; выход в Интернет; отказоустойчивость.
1.2.3. Классификация по масштабу
| Тип | Название | Охват | Типичная скорость | Пример |
|---|---|---|---|---|
| PAN | Персональная сеть | до 10 м | 1–50 Мбит/с | Bluetooth-гарнитура |
| LAN | Локальная сеть | здание | 1 Гбит/с | Офис Ethernet |
| CAN | Кампусная сеть | несколько зданий | 1–10 Гбит/с | Университетский кампус |
| MAN | Городская сеть | город | зависит от провайдера | Metro Ethernet |
| WAN | Глобальная сеть | страна/мир | от Мбит/с до Тбит/с | Интернет, MPLS VPN |
1.2.4. Модели организации
Клиент–сервер: выделенный сервер предоставляет услуги множеству клиентов (файловый сервер, веб-сервер, почтовый сервер). Централизованное управление, масштабируемость.
Одноранговая (P2P): узлы равноправны; каждый может быть клиентом и сервером. Пример: ранние сети, некоторые файлообменные системы.
1.2.5. Топологии компьютерных сетей
Топология — способ соединения узлов и каналов связи. Различают физическую топологию (как проложены кабели) и логическую топологию (как передаются данные). Например, Ethernet в топологии «звезда» физически выглядит как лучи от коммутатора, но логически ранний Ethernet работал как общая шина (CSMA/CD).
Рисунок 1 — Основные топологии: шина, звезда, кольцо, ячеистая и дерево
1.2.5.1. Топология «Шина» (Bus)
Все узлы подключены к одной общей магистральному кабелю (коаксиал в 10BASE2/10BASE5 или логическая шина). Сигнал проходит по всей магистрали; каждый узел принимает кадр и проверяет адрес назначения. На концах магистрали устанавливаются терминаторы (сопротивление 50 Ом), поглощающие сигнал и предотвращающие отражения.
- Преимущества: минимальная длина кабеля, простота прокладки на малых объектах, низкая стоимость.
- Недостатки: обрыв магистрали отключает всю сеть; сложность локализации неисправности; при большом числе узлов растёт число коллизий (в классическом Ethernet).
- Применение сегодня: исторически — офисы 1980–90-х; в современных LAN практически вытеснена топологией «звезда».
1.2.5.2. Топология «Звезда» (Star)
Каждый узел соединён отдельным кабелем с центральным устройством — коммутатором (switch) или ранее концентратором (hub). Коммутатор пересылает кадр только в порт назначения (на основе MAC), обеспечивая выделенную полосу пропускания.
- Преимущества: отказ одного ПК или кабеля не влияет на остальных; простая диагностика (отключение по одному порту); лёгкое добавление новых узлов.
- Недостатки: единая точка отказа — центральный коммутатор; больше кабеля, чем у шины; зависимость от центрального оборудования.
- Применение сегодня: доминирующая топология Ethernet LAN в офисах, школах, дата-центрах.
1.2.5.3. Топология «Кольцо» (Ring)
Узлы соединены в замкнутую цепь. Данные передаются по кольцу в одном направлении (Token Ring — IEEE 802.5) или в двух (FDDI). Доступ к среде регулируется маркером (token) — специальным кадром, который циркулирует по кольцу.
- Преимущества: предсказуемое время доступа; отсутствие коллизий; равномерная нагрузка при Token Ring.
- Недостатки: разрыв кольца или отказ узла может остановить всю сеть (в FDDI — двойное кольцо для обхода); сложность модификации.
- Применение сегодня: Token Ring устарел; кольцевые схемы встречаются в MAN (SDH/SONET) и некоторых промышленных сетях.
1.2.5.4. Топология «Ячеистая» (Mesh)
Каждый узел соединён с несколькими или всеми остальными (full mesh). Обеспечивает множественные пути — при отказе одного канала трафик идёт по резервному.
- Преимущества: максимальная отказоустойчивость и балансировка нагрузки.
- Недостатки: число каналов растёт как N(N−1)/2; высокая стоимость и сложность администрирования.
- Применение: магистрали провайдеров, ядро дата-центров, беспроводные mesh-сети (Wi-Fi mesh).
1.2.5.5. Топология «Дерево» (Tree) и гибридные схемы
Иерархия из нескольких уровней «звёзд»: корневой (core) коммутатор → распределительные (distribution) → коммутаторы доступа (access) → конечные узлы. Масштабируется для кампусов и предприятий.
Гибридная топология — комбинация схем (например, звезда + магистраль между этажами). Реальная корпоративная сеть почти всегда гибридна.
| Топология | Точка отказа | Масштабируемость | Стоимость | Современное применение |
|---|---|---|---|---|
| Шина | Магистральный кабель | Низкая (до ~30 узлов) | Низкая | Устарела для LAN |
| Звезда | Центральный коммутатор | Высокая | Средняя | Офисы, учебные классы |
| Кольцо | Любой узел / разрыв кольца | Средняя | Средняя | MAN, промышленность |
| Ячеистая | Множественные пути | Очень высокая | Очень высокая | Дата-центры, ISP |
| Дерево | Корневой уровень | Очень высокая | Высокая | Кампусы, предприятия |
1.2.5.6. Выбор топологии для организации
Для типового офиса рекомендуется иерархическая звезда: коммутатор доступа на этаже → распределительный коммутатор → маршрутизатор/МЭ на границе с Интернетом. Для критичных сервисов — резервирование каналов и оборудования (двойной коммутатор, LACP, STP/RSTP).
1.2.6. Стандартизация
ISO — международные стандарты, в т.ч. модель OSI. IEEE 802 — стандарты локальных сетей (Ethernet 802.3, Wi-Fi 802.11). IETF — стандарты Интернета в виде документов RFC (Request for Comments).
1.2.7. Эволюция скоростей и технологий доступа
За последние три десятилетия пропускная способность каналов выросла на порядки. Понимание этой эволюции помогает оценивать, почему устаревшие технологии (коаксиальный Ethernet, модемные линии) уступили место оптоволокну и Wi-Fi.
| Период | Типичная технология | Скорость | Характер применения |
|---|---|---|---|
| 1980-е | 10BASE5, 10BASE2 (коаксиал) | 10 Мбит/с | Первые офисные LAN |
| 1990-е | 100BASE-TX (Fast Ethernet) | 100 Мбит/с | Массовый офисный стандарт |
| 2000-е | 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) | 1 Гбит/с | Рабочие места, серверы |
| 2010-е | 10GBASE-T, оптоволокно | 10 Гбит/с | Дата-центры, магистрали |
| 2020-е | Wi-Fi 6/6E, 25/100 GbE | до сотен Гбит/с | Гибридные офисы, облака |
1.2.8. Современные тренды: облако, IoT и периферийные вычисления
Облачные сети (AWS, Azure, Yandex Cloud) предоставляют виртуальные сети (VPC/VNet) с программируемыми правилами маршрутизации и межсетевыми экранами. Организация больше не обязана владеть всем физическим оборудованием — часть инфраструктуры арендуется у провайдера.
Интернет вещей (IoT) — миллиарды устройств (датчики, камеры, контроллеры), объединённых в сети с низким энергопотреблением (LoRaWAN, Zigbee, MQTT поверх TCP). Для IoT характерны малые объёмы данных, но высокие требования к масштабируемости и безопасности.
Edge computing (периферийные вычисления) — обработка данных ближе к источнику (на границе сети), а не только в центральном дата-центре. Снижает задержку для видеоаналитики, промышленной автоматики, автономного транспорта.
1.2.9. Классификация по способу коммутации
Помимо масштаба и топологии, сети классифицируют по способу передачи данных:
- Коммутация каналов (circuit switching) — выделение физического канала на время сеанса (классическая телефония).
- Коммутация пакетов (packet switching) — данные разбиваются на пакеты, маршрутизируются независимо (Интернет, Ethernet).
- Коммутация сообщений (message switching) — исторический подход; целое сообщение хранится на промежуточном узле (электронная почта ранних систем).
Современный Интернет и Ethernet основаны на пакетной коммутации, что обеспечивает эффективное совместное использование каналов и отказоустойчивость за счёт альтернативных маршрутов.
1.2.10. Нормативная база и стандартизация в РФ
В Российской Федерации сетевая инфраструктура организаций должна соответствовать требованиям законодательства в области персональных данных (152-ФЗ), критической информационной инфраструктуры (187-ФЗ) и отраслевым регламентам. Стандарты ISO/IEC и IEEE применяются как техническая основа; ГОСТы в области ИТ (например, серия по информационной безопасности) дополняют их на национальном уровне.
Дополнительные вопросы для самопроверки
- Почему пакетная коммутация вытеснила коммутацию каналов для передачи данных?
- Чем PAN отличается от LAN не только по расстоянию, но и по назначению?
- Какие последствия для сети организации имеет переход части сервисов в облако?
- Назовите три органа стандартизации, документы которых изучаются в курсе.