Класифікація інформаційних систем та мереж

1. Визначення поняття «мережа»

З поширенням електронно-обчислювальних машин зросла потребакористувачів у передачі даних. На сьогодні у світі існує більше 140 мільйонів комп'ютерів і більше 85% з них об'єднані в різні інформаційно-обчислювальні мережі, від малих локальних мереж в офісах до глобальних мереж типу Internet. Всесвітня тенденція до об'єднання комп'ютерів в мережі обумовлена рядом важливих причин, таких як:

• прискорення передачі інформаційних повідомлень;

• можливість швидкого обміну інформацією між користувачами;

• отримання і передача повідомлень зробочого місця;

• можливість миттєвого отримання будь-якої інформації з будь-якої точки земної кулі;

• обмін інформацією між комп'ютерами різних фірм і виробників, що працюють під різним програмним забезпеченням.

Близько 80 відсотків усієї інформації, що пересилається, замикається у рамках одного офісу, тому особливу увагу розробників стали привертати так звані локальні обчислювальні мережі. Локальні обчислювальні мережі відрізняються від інших тим, що вони зазвичай обмежені невеликою географічною областю.

Впровадження локальних мереж мотивується в основному підвищенням ефективності і продуктивності персоналу. Організовується автоматизований документообіг, створюються різні масиви управлінської, комерційної та іншої інформації загального призначення, і ефективно використовуються обчислювальні ресурси усієї мережі, а не тільки окремого комп'ютера. Окрім організації внутрішніх служб, локальні мережі дозволяють організовувати зовнішні служби: поштову кореспонденцію, електронні дошки оголошень і газети, а також вихід в регіональні (глобальні) мережі та використання їх послуг.

Найпростіша мережа складається як мінімум з двох комп'ютерів, сполучених один з одним  кабелем, що дозволяє їм спільно використовувати дані. Усі мережі (незалежно від складності) ґрунтуються саме на цьому простому принципі.

Група сполучених комп'ютерів та інших  пристроїв називається мережею. А концепція сполучених і спільних ресурсів комп'ютерів носить назву мережевої взаємодії. Комп'ютери, що входять в мережу можуть спільно використовувати:

• дані;

• повідомлення;

• принтери;

• факсимільні пристрої;

• модеми і т.д.

Цей список постійно поповнюється, оскільки виникають нові  способи спільного  використання ресурсів. 

2. Класифікація комп’ютерних мереж 

На сьогодні у світі налічується велика кількість різних типів комп’ютерних мереж. Остаточно сталої класифікації мереж поки що не існує, проте можна виявити певні класифікаційні ознаки комп’ютерних мереж. До них слід віднести класифікацію:

• за призначенням;

• за типомкомп’ютерів мережі;

• за організацією управління;

• за організацією передачі інформації;

• за топологічними ознаками;

• за методами доступу;

• за фізичними носіями сигналів;

• за типом управління доступом до фізичного середовища та ін.

Вибір типу мережі залежить від багатьох чинників:

• розмір підприємства;

• необхідного рівня безпеки;

• рівня доступності адміністративної підтримки;

• об'єму мережевого трафіку;

• потреб мережевих користувачів;

• фінансових витрат. 

2.1 Класифікація мереж за призначенням

За призначенням комп'ютерні мережі розподіляються на:

• обчислювальні;

• інформаційні;

• змішані (інформаційно-обчислювальні).

Обчислювальні мережі призначені для вирішення завдань з обміну даними між користувачами. Інформаційні мережі орієнтовані в основному на надання інформаційних послуг користувачам. Змішані мережі поєднують функції перших двох.

В основному комп'ютерні мережі класифікують за ознаками структурної і функціональної організації. 

2.2 Класифікація мереж за розміром території

За розміром охопленої території комп’ютерні мережі бувають:

1. Персональна мережа (PAN, PersonalAreaNetwork) – це мережа, побудована навколо людини. Така мережа об'єднує всі персональні електронні пристрої користувача (телефони, кишенькові персональні комп'ютери, ноутбуки, гарнітури і т.д.). До стандартів таких мереж в даний час відносять Wi-fi, Bluetooth, Zigbee, Піконет.

Параметри PAN:

• мале число користувачів (до 8);

• некритичність до напрацювання на відмову;

• всі пристрої можна контролювати;

• вузький радіус дії  (біля 30 метрів).

Оскільки персональна мережа має невелику кількість користувачів, то немає арбітражу середовища, тобто хто і як може працювати з цією мережею ніяк не контролюється.

2. Локальна мережа (LAN, LocalAreaNetwork) – це сукупність комп'ютерів і різних пристроїв, що забезпечують інформаційний обмін в мережі без використання проміжних носіїв інформації. Така мережа зазвичай призначена для збору, передачі та обробки інформації в межах одного підприємства або організації. Комп'ютери можуть з'єднуватися між собою, використовуючи різні середовища доступу: мідні провідники (вита пара), оптичні провідники (оптоволоконні кабелі) і через радіоканал (безпровідні технології). Окрема локальна обчислювальна мережа може мати шлюзи з іншими локальними мережами, а також бути частиною глобальної обчислювальної мережі (наприклад, Інтернет) або мати підключення до неї.

Інколи в локальній мережі організовуються робочі групи – формальне об'єднання декількох комп'ютерів в групу з єдиною назвою.

Локальні мережі призначені для реалізації таких прикладних функцій, як передача файлів, обробка текстів, користування електронною поштою, доступ до віддалених баз даних, передача мови. Локальні мережі об'єднують комп’ютери, термінали, пристрої зберігання інформації, перехідні вузли для підключення до інших мереж та ін.

Локальна мережа характеризується наступними характеристиками:

• канали зазвичай належать організації користувача;

• канали є високошвидкісними (10- 400 Мбіт\с);

• відстань між робочими станціями, підключеними до локальної мережі, зазвичай складає від декількох сотень до декількох тисяч метрів;

• пропускна спроможність у локальної мережі як правило більша, ніж у глобальній мережі;

• канал локальної мережі зазвичай знаходиться у власності організації, що використовує мережу;

• інтенсивність помилок у локальній мережі нижче в порівнянні з мережею на базі телефонних ліній зв’язку;

• дані передаються по загальному кабелю, до якого підключені усі користувачі мережі;

• можливість реконфігурації і розвитку шляхом підключення нових користувачів;

• наявність локальної мережі дозволяє спростити і здешевити персональні комп’ютери, оскільки вони колективно використовують в режимі розподілу часу найбільш дорогі ресурси: дискову пам'ять та друкуючі пристрої.

У локальних мережах, заснованих на протоколі IP, можуть використовуватися спеціальні адреси:

• 10.0.0.0-10.255.255.255;

• 172.16.0.0-172.31.255.255;

• 192.168.0.0-192.168.255.255.

Такі адреси називають локальними або сірими, ці адреси не маршрутизуються в мережі Інтернет. Необхідність використовувати такі адреси виникла через те, що при розробці протоколу IP, не передбачалося настільки широке його поширення, і поступово адрес стало не вистачати. У різних локальних мережахIP адреси можуть повторюватися, і це не є проблемою, оскільки доступ в інші мережі відбувається із застосуванням технологій, що підміняють або приховують адресу внутрішнього вузла мережі за її межами. Для забезпечення зв'язку локальних мереж з глобальними застосовуються маршрутизатори.

У локальній мережі виділяють наступне устаткування:

• кінцеве устаткування користувачів, що поставляє дані в мережу і приймає дані для обробки (робочі станції, сервери, ноутбуки, мережеві принтери та ін.);

• активне мережеве устаткування, що організовує канали для передачі інформації між крайовим устаткуванням користувачів у структурах даних, званих пакетами, кадрами, повідомленнями (комутатори, маршрутизатори, концентратори, точки доступу, модеми та ін.);

• пасивне мережеве устаткування: кабелі, кабельні канали (короби), роз’єми, розетки і інше сполучне устаткування, а також стійки і підставки для розміщення активного мережевого устаткування.

Для організації роботи локальної комп'ютерної мережі необхідно:

1. Виконати фізичну побудову комп'ютерної мережі.

2. Налаштувати параметри набору (стека) мережевих протоколів на крайовому устаткуванні користувачів: задати мережеві імена пристроїв і адреси, встановити необхідні параметри мережевих протоколів.

3. Виконати роботи по організації спільних ресурсів мережі.

4. Встановити та налаштувати мережеве програмне забезпечення.

3. Кампусна мережа (CampusAreaNetwork - CAN) – це група локальних мереж, розгорнутих на компактній території певної установи  (університет, промислове підприємство, порт, оптовий склад і так далі). При цьому мережеве устаткування (комутатори, маршрутизатори) і середовище передачі даних належить власникові підприємства.

Кампусна мережа – це велика багатосегментна мережа на території до декількох кілометрів, що об'єднує локальні мережі близько розташованих будівель. Кампусні мережі переважно розвинені в коледжах і університетах. Часто вони об'єднують різноманітні будівлі, у тому числі адміністративні будівлі, учбові корпуси, бібліотеки, гуртожитки, гімназії і т.д. 

4. Міська мережа (MAN, MetropolitanAreaNetwork) об'єднує комп'ютери в межах міста. Найпростішим прикладом міської мережі є система кабельного телебачення. Коли Інтернет став залучати до себе масову аудиторію, оператори кабельного телебачення зрозуміли, що, внісши невеликі зміни до системи, можна передавати цифрові дані. З цієї миті кабельне телебачення стало поступово перетворюватися на MAN.

Як правило, міська мережа не належить окремій організації, в більшості випадків її елементи та інше устаткування належить групі користувачів або провайдерові. 

5. Широкомасштабна мережа (WideAreaNetwork - WAN) – це мережа, що охоплює багато регіонів, можливо, в масштабах держави. Найчастіше це комерційна інформаційна мережа. 

6. Глобальна комп’ютерна мережа (WWW, WorldWideWeb) є комп'ютерною мережею, яка охоплює великі території і включає десятки і сотні тисяч комп'ютерів. Глобальна мережавикористовується для об'єднання розрізнених мереж так, щоб користувачі і комп'ютери могли взаємодіяти з усіма учасниками глобальної мережі незалежно від їхнього місця розташування.

Частіше всього глобальна мережа опирається на виділені лінії, на одному кінці яких маршрутизатор підключається до локальної мережі, а на іншому концентратор зв'язується з глобальною мережею.

Глобальні мережі відрізняються від локальних тим, що розраховані на необмежене число абонентів і використовують, як правило, не дуже якісні канали зв'язку і порівняно низьку швидкість передачі. У глобальних мережах набагато важливіше не якість зв'язку, а сам факт її існування.

Функціонування глобальної мережі базується на використання протоколів TCP/IP, SONET/SDH, MPLS, АТМ та Framerelay.

Найбільшою глобальною мережею на сьогодні являється мережа Інтернет. Інтернет (від англ. Internet) – всесвітня система взаємосполучених комп'ютерних мереж, що базуються на застосуванні основних  Інтернет-протоколів. Інтернет також називають мережею мереж. Інтернет складається з мільйонів локальних і глобальних приватних, публічних, академічних, ділових і урядових мереж, пов'язаних між собою з використанням різноманітних дротових, оптичних і бездротових технологій. Інтернет становить фізичну основу для розміщення величезної кількості інформаційних ресурсів і послуг.

Історія Інтернету сягає досліджень 1960-х років, які проводилися на замовлення уряду США і мали на меті створення надійних розподілених комп'ютерних мереж, стійких до пошкоджень. Попередницею Інтернету стала мережа ARPANET (англ. AdvancedResearchProjectsAgencyNetwork), яка почавши функціонувати в кінці 1960-х, а в кінці 1970-х об'єднувала близько 200 вузлів. Комерціалізація в 1990-х міжнародної мережі привела до її популяризації та впровадження в практично кожен аспект сучасного життя людини. За даними компанії comScoreNetworks на сьогодні мережу Інтернет використовує понад 694 млн. чоловік, а це 14 % населення планети.

Інтернет не має централізованого управління, правил використання чи доступу. Кожна складова мережа встановлює свої власні стандарти. Централізовано визначаються правила використання адресного простору Інтернет-протоколу та Системи доменних імен. Керує цим Інтернет корпорація з присвоєння імен та номерів (англ. Internet CorporationforAssignedNamesandNumbers, або ICANN), міжнародна некомерційна організація з головним офісом у США. Технічне обґрунтування і стандартизацію основних протоколів (IPv4 та IPv6) проводить Internet EngineeringTaskForce (IETF), некомерційна організація, відкрите міжнародне співтовариство проектувальників, учених, мережевих операторів і постачальників послуг.

В наш час мережа Інтернет відіграє важливе значення у створенні інформаційного простору глобального суспільства, слугує фізичною основою доступу до веб-сайтів і багатьох систем (протоколів) передачі даних.

2.3 Класифікація мереж за типом функціональної взаємодії

Існує два основних типи комп'ютерних мереж: однорангові мережі і мережі з виділеним сервером. Відмінності між одноранговими мережами і мережами на основі сервера мають принципове значення, оскільки визначають можливості цих мереж.

За типом функціональної взаємодії комп’ютерні мережі бувають:

1. Клієнт-серверна архітектура, в якій завдання або мережеве навантаження розподілене між постачальниками послуг (сервісів), які називають серверами, і замовниками послуг, званих клієнтами або робочими станціями. Часто клієнти і сервери взаємодіють через комп'ютерну мережу і можуть бути як різними фізичними пристроями, так і програмним забезпеченням.

Виділений сервер – це такий комп’ютер, який функціонує тільки як сервер (виключаючи функції клієнта або робочій станції). Він спеціально оптимізований для швидкої обробки запитів від мережевих клієнтів і для управління захистом файлів і папок. Диски виділених серверів доступні усім іншим комп'ютерам мережі. На серверах повинна працювати спеціальна мережева операційна система.

Інші комп'ютери називаються робочими станціями. Робочі станції мають доступ до дисків сервера і принтерів. З однієї робочої станції не можна працювати з дисками інших робочих станцій. Користувачі ізольовані один від одного і не можуть випадково пошкодити чужі дані. З іншого боку, для обміну даними користувачі вимушені використовувати диски сервера, створюючи додаткове навантаження.

Існують спеціальні програми, що працюють в мережі з централізованим управлінням і дозволяють передавати дані безпосередньо від однієї робочої станції до іншої минувши сервер. На робочих станціях має бути встановлене спеціальне програмне забезпечення, яке називають мережевою оболонкою.

Переваги використання мережі із виділеним сервером:

• розподіл функції обчислювальної системи між декількома незалежними комп'ютерами в мережі, що дозволяє спростити обслуговування мережі. Зокрема, заміна, ремонт, модернізація або переміщення сервера, не відображаються на клієнтах.

• всі дані зберігаються на сервері, який, як правило, захищений набагато краще за клієнтів. На сервері простіше забезпечити контроль повноважень, аби вирішувати доступ до даних лише клієнтам з відповідними правами доступу.

• дозволяє об'єднати різні клієнти. Використовувати ресурси одного сервера часто можуть клієнти з різними апаратними платформами, операційними системами і тому подібне.

Недолікивикористання мережі із виділеним сервером:

• непрацездатність сервера може зробити непрацездатною всю мережу;

• адміністрування даної системи вимагає кваліфікованого професіонала;

• висока вартість устаткування.

2. Однорангова мережа (пірингова) – це комп'ютерна мережа, заснована на рівноправ'ї учасників. У таких мережах відсутні виділені сервери, а кожен вузол є як клієнтом, так і сервером. На відміну від архітектури клієнт-сервера, така організація дозволяє зберігати працездатність мережі при будь-якій кількості і будь-якому поєднанні доступних вузлів.

Однорангові мережі називають також робочими групами. Робоча група – це невелика кількість користувачів, тому в однорангових мережах найчастіше не більше 10 комп'ютерів.

Однорангові мережі відносно прості. Оскільки кожен комп'ютер є одночасно і клієнтом, і сервером, немає необхідності в потужному центральному сервері або інших компонентах, обов'язкових для складніших мереж. Однорангові мережі зазвичай дешевші за мережі на основі сервера, але вимагають потужніших комп'ютерів.

Централізовано управляти захистом в одноранговій мережі дуже складно, оскільки кожен користувач встановлює захист самостійно. Захист має на увазі установку пароля на загальний ресурс, наприклад папку. Деякі користувачі можуть взагалі не встановити захист. Якщо питання конфіденційності є принциповими, тоді використовують мережу на основі сервера.

Оскільки в одноранговій мережі кожен комп'ютер функціонує і як клієнт, і як сервер, користувачі повинні мати достатній рівень знань, щоб працювати і як користувачі, і як адміністратори свого комп'ютера.

Однорангову мережу доцільно використовувати коли:

• кількість користувачів не перевищує 10;

• користувачі розташовані компактно;

• питання захисту даних не критичні;

• у найближчому майбутньому не очікується значного розширення мережі.

Якщо до мережі підключено більше 10 користувачів, то однорангова мережа може виявитися недостатньо продуктивною. Тому більшість мереж використовують виділені сервери.

Переваги однорангових мереж:

• вони легкі в установці та налаштуванні;

• окремі комп’ютери не залежать від виділеного сервера;

• користувачі самостійно контролюють власні ресурси;

• не потрібно ніякого додаткового устаткування або програмного забезпечення, окрім операційної системи;

• немає необхідності наймати адміністратора мережі.

Недолікиоднорангових мереж:

• кожен вузол самостійно забезпечує заходи мережевої безпеки;

• користувачі повинні пам'ятати стільки паролів, скільки є розділених ресурсів;

• для захисту спільних даних необхідно постійно виконувати резервне копіювання;

• при наданні доступу до спільного ресурсу, на комп'ютері відчувається падіння його продуктивності;

• не існує централізованої організаційної схеми для пошуку і управління доступом до даних.

3. Багаторангові мережі. Такі мережі поєднують швидкість централізованих мереж і надійність децентралізованих завдяки гібридним схемам з незалежними серверами, що синхронізують інформацію між собою. При виході з ладу одного або декількох серверів, мережа продовжує функціонувати.

4. Змішані мережі.

2.4 Класифікація мереж за типом мережевої топології 

За типом мережевої топології мережі бувають:

• шина;

• зірка;

• кільце;

• грати; 

• змішана топологія;

• повнозв'язана топологія. 

2.5 Класифікація мереж зафункціональним призначенням

За функціональним призначенням комп’ютерні мережі поділяють на:

• мережі зберігання даних;

• серверні ферми;

• мережі управління процесом;

• мережі SOHO. 

2.6 Класифікація мереж за типом мережевої операційної системи

За типом операційної системи, що використовується у комп’ютерній мережі, вони поділяють на:

• на основі Windows;

• на основі UNIX;

• на основі NetWare;

• змішані. 

2.7 Класифікація мереж за потребою підтримки постійного з'єднання

За потребою підтримки постійного з'єднання комп’ютерні мережі бувають:

• пакетна мережа (наприклад Фідонет і UUCP);

• online мережа(наприклад Інтернет і GSM). 

2.8 Класифікація мереж за середовищем передачі даних

Передача даних у комп’ютерній мережі може відбуватися за допомогою:

1. Дротяного зв'язку:

• коаксіальний кабель;

• кабель «вита пара»;

• оптоволокно.

На сьогодні більша частина комп'ютерних мереж використовує для з'єднання кабелі. Вони виступають середовищем передачі сигналів між комп'ютерами. Існує три основні групи кабелів: коаксіальний кабель, вита пара і оптоволоконний кабель.

Коаксіальний кабель підрозділяється на два типи – тонкий і товстий. Обоє вони мають мідну жилу, оточену металевий обплетенням, яке поглинає зовнішні шуми і перехресні перешкоди. Коаксіальний кабель зручний для передачі сигналів на великі відстані. Він простий за конструкцією, має невелику масу і помірну вартість. У той же час має хорошу електричну ізоляцію, допускає роботу на досить великих відстанях (декілька кілометрів) і високих швидкостях.

Вита пара може бути екранованою і неекранованою. Неекранована вита пара (UTP) ділиться на п'ять категорій, з яких п'ята найбільш використовується у мережах. Вита пара, хоча дешева і широко поширена, завдяки наявності на багатьох об'єктах резервних пар в телефонних кабелях, погано захищена від електричних перешкод, від несанкціонованого доступу, обмежена за дальністю і швидкістю передачі даних.

Оптоволоконний кабель має невелику масу, здатний передавати інформацію з дуже високою швидкістю, нечутливий до електричних перешкод, складний для несанкціонованого доступу, але він дорожчий і вимагає спеціальних навичок для установки.

2. Безпровідного зв'язку:

• ближнього радіусу дії (Bluetooth, HumanAreaNetwork);

• середнього радіусу дії (IEEE 802.11, Netsukuku, IEEE 802.16e WIMAX);

• далекого радіусу дії:

- супутниковий зв'язок;

- MMDS;

- SMDS;

- передача даних за допомогою мобільних телефонів: CSD, GPRS, HSCSD, EDGE, UMTS, HSDPA, HSUPA, CDMA, IEE 802.16e WIMAX, CDPD, Pagingnetworks.

Останнім часом безпровіднітехнології передачі даних стали швидко розповсюджуватися.Складність встановлення кабелю – чинник, якій дає безпровідному середовищу безперечну перевагу.

Питання для перевірки:

1. Що таке комп’ютерна мережа? Для чого призначені мережі?

2. Що таке сервер?Що таке робоча станція?

3. Які існують види комп’ютерних мереж?

4. Опишіть принцип функціонування однорангової мережі.

5. Яка основна перевага використання однорангової мережі?

6. Які недоліки та обмеження використання однорангової мережі?

7. Яким чином відбувається адміністрування в одноранговій мережі?

8. Опишіть принцип функціонування клієнт-серверної мережі.

9. Яка основна перевага використання клієнт-серверної мережі?

10. Які недоліки та обмеження використання клієнт-серверної мережі?

11. Чому однорангові мережі можуть містити меншу кількість комп’ютерів, ніж клієнт-серверні?

12. Назвіть сфери застосування однорангової та клієнт-серверної мережі.

1. Воробієнко П.П. Телекомунікаційні та інформаційні мережі [Навчальний посібник] / П.П. Воробієнко, Л.А. Нікітюк, П.І. Резніченко – К.: Самміт-книга, 2010. – 708 с. (електронний варіант, формат pdf)

2. Городецька О.С. Комп’ютерні мережі: навчальний посібник / О.С. Городецька, В.А. Гикавий, О.В. Онищук. – Вінниця : ВНПУ, 2017. – 129 с.

3. Тарнавський Ю.А. Організація комп’ютерних мереж [Електронний ресурс]/  Ю.А. Тарнавський, І.М. Кузьменко – К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. – 259 с. (електронний варіант, формат pdf)

4. Азаров О.Д. Комп’ютерні мережі [Навчальний посібник] / О.Д. Азаров, С.М. Захарченко, О.В. Кадук, М.М. Орлова –Вінниця: ВНТУ, 2013. – 371 с.

5. Міхунін С.В. Комп’ютерні мережі. Загальні принципи функціонування комп’ютерних мереж [Навчальний посібник] / С.В. Міхунін, С.В. Кавун, С.В. Знахур – Харків: Вид. ХНЕУ, 2008. –  210 с.