Kompiuterių tinklas: apibrėžimas, tipai ir veikimo principai
Kompiuterių tinklas – tai dviejų ar daugiau tarpusavyje sujungtų kompiuterių ir kitų įrenginių grupė, kuri leidžia dalytis ištekliais, keistis failais ir bendrauti tarp naudotojų. Tinklą sudaro ryšių kanalais (laidais arba belaidžiai) sujungti mazgai; mazgu gali būti ne tik kompiuteris, bet ir spausdintuvas, serveris, tinklo įranga ar bet kuris kitas įrenginys, galintis siųsti arba gauti duomenis iš kitų mazgų.
Tinklų įranga ir jos funkcijos
Kad tinklas veiktų patikimai, reikalinga tinkama techninė įranga. Pagrindiniai įrenginiai ir jų vaidmenys:
- Šakotuvai (hub) – paprasti įrenginiai, persiunčiantys signalą visiems prijungtiems prietaisams; tinklai su šakotuvais paprastai turi mažesnį efektyvumą ir daugiau kolizijų.
- Komutatoriai (switch) – protingesni įrenginiai, nukreipiantys srautą tik konkrečiam gavėjui, taip sumažinant eismo konfliktus ir padidinant našumą.
- Maršrutizatoriai – sujungia skirtingus tinklus, nukreipia duomenis tarp jų ir dažnai suteikia prieigą prie interneto.
- Tiltai, šliuzai ir kiti įrenginiai – naudojami specifiniams tinklų sujungimo, protokolų konvertavimo ar saugumo tikslams.
Tinklų tipai pagal geografinį išdėstymą
Paprastai tinklai skirstomi taip:
- Vietinis tinklas (LAN) – jungia netoli vienas kito esančius kompiuterius (pvz., namuose, biure). LAN paprastai yra greitas ir lengvai administruojamas.
- Plačiajuostis tinklas (WAN) – apima dideles teritorijas ir sujungia kelis LAN ar kitus tinklus; WAN ryšiams dažnai naudojami viešieji ryšio kanalai.
- Kiti tipai: MAN (metropoliniai tinklai), WLAN (belaidžio LAN) ir PAN (asmeniniai tinklai), kurie atitinka specifines situacijas ir poreikius.
Kompiuteriai ir įrenginiai gali priklausyti keliems tinklams vienu metu arba būti mažesnių tinklų dalimi, prijungtiems prie didesnių korporatyvinių tinklų — pvz., mažos įmonės vietinis tinklas dažnai būna prijungtas prie didesnio įmonės tinklo, ir taip gaunama prieiga prie interneto. Tokie ryšiai gali leisti, pavyzdžiui, parduotuvei per žiniatinklio serverį rodyti prekes savo interneto svetainėje ir apdoroti gautus užsakymus.
Tinklo topologija ir veikimo principai
Tinklų topologija apibūdina, kaip fiziniai arba logiški ryšiai tarp įrenginių yra išdėstyti. Dažniausios topologijos:
- Žiedinė (ring), autobuso (bus), žvaigždės (star), medžio (tree) ir mišrios topologijos. Kiekviena turi savo privalumų ir trūkumų (pvz., žvaigždės topologija suteikia paprastą gedimų lokalizavimą, o autobuso – pigesnę fizinę sąranką).
- Veikimo principas: įrenginiai siunčia duomenis paketais, kuriuos sudaro antraštė (adresavimo informacija, valdymo laukai) ir duomenų dalis. Tinklo įranga priima sprendimus, kaip ir kam paketą nukreipti.
Protokolai, adresavimas ir maršrutizavimas
Kiekvienam tinklui reikalingas ryšio protokolas, kuris nustato taisykles, kaip įrenginiai keičiasi informacija. Dauguma šiandieninių operacinių sistemų, tokių kaip "Microsoft Windows", "Linux" ir kitos operacinės sistemos, naudoja TCP/IP protokolų rinkinį – tai tinklo komunikacijos standartu tapęs modelis.
Ankstesnėse sistemose, pvz., XX a. "Apple Macintosh" kompiuteriuose buvo naudojamas "Appletalk", tačiau šiuolaikiniuose tinkluose taip pat dominuoja TCP/IP.
Adresavimas (pvz., IP adresai) leidžia identifikuoti įrenginius tinkle, o maršrutizatoriai sprendžia, per kurią tinklo dalį siunčiami paketai, kad pasiektų galutinį adresatą. Papildomi mechanizmai – DNS (domenų vardų sistema), DHCP (automatinis IP priskyrimas) ir kt. – supaprastina tinklo administravimą.
Belaidis ryšys ir tinklo našumas
Tinklai gali būti laidiniai arba belaidžiai. Apskritai laidiniai tinklai dažnai pasižymi didesniu stabilumu ir didesniu greičiu, tuo tarpu belaidžiai tinklai (WLAN) suteikia mobilumo ir lankstumo. Našumą lemia:
- Pralaidumas (bandwidth) – kiek duomenų galima perduoti per laiko vienetą.
- Vėlinimas (latency) – laikas, per kurį paketas nukeliauja nuo siuntėjo iki gavėjo.
- Tinklų srauto valdymas, kolizijų vengimas ir kokybiška įranga (komutatoriai, maršrutizatoriai).
Saugumas ir tinklo valdymas
Tinklų saugumas apima autentifikaciją, prieigos kontrolę, duomenų šifravimą bei tinklo segmentaciją. Dažniausiai naudojamos priemonės:
- Užkardos (firewall), VPN — saugiam nuotoliniam prisijungimui.
- Vartotojų ir įrenginių autentifikacija, prieigos teisės, tinklo stebėjimas ir atsarginių kopijų politika.
- Reguliarus programinės įrangos atnaujinimas ir tinklo įrenginių konfigūracijų auditas.
Santrauka
Kompiuterių tinklai leidžia efektyviai dalytis resursais, keistis informacija ir suteikia ryšį tarp įrenginių tiek mažose, tiek didelėse aplinkose. Tinklo dizainas, įranga (šakotuvai, komutatoriai, maršrutizatoriai ir kt.), protokolai (TCP/IP) bei saugumo priemonės lemia tinklo patikimumą, saugumą ir našumą.
Tipiškas bibliotekos tinklas, kuriame yra šakotas medžio žemėlapis ir kontroliuojama prieiga prie išteklių
Tinklo modeliai
Tinklo ryšių technologiją kaip vieną didelį modelį būtų sunku įgyvendinti. Todėl įvairius tinklo komponentus suskirstome į mažesnius modulius arba sluoksnius. Standartinis tinklo modelis yra Tarptautinės organizacijos (ISO) nustatytas atvirų sistemų sujungimo (OSI) modelis. Egzistuoja ir kitų tinklo modelių, nors visi jie suskirstyti į panašius sluoksnius. Kiekvienas sluoksnis naudojasi paslaugomis, kurias teikia žemiau esantis sluoksnis, kartu teikdamas paslaugas aukščiau esančiam sluoksniui. Kiekvienas sluoksnis gali bendrauti tik su tuo pačiu sluoksniu paskirties įrenginyje.
Ryšio tinklo modelyje pavyzdys
OSI modelis
OSI (angl. Open Systems Interconnection) - tai ISO (Tarptautinės standartizacijos organizacijos) standartais apibrėžtas 7 sluoksnių tinklo modelis, plačiai naudojamas visame pasaulyje. Septynių sluoksnių modelio koncepciją pateikė Charlesas Bachmanas, Honeywell information Services. Įvairūs OSI projektavimo aspektai išsivystė remiantis ARPANET, NPLNET, EIN ir CYCLADES tinklų patirtimi ir IFIP WG6.1 darbo grupės darbu.
| Duomenų vienetas | Sluoksnis | Funkcija |
| Duomenys | Paraiška | Tinklo procesas į programą |
| Pristatymas | Šifravimas, iššifravimas ir duomenų konvertavimas | |
| Sesija | Programų sesijų valdymas | |
| Segmentai | Transportas | Galutinis ryšys ir patikimumas |
| Paketai (datagramos) | Tinklas | Kelio nustatymas ir loginis adresavimas |
| Rėmelis | Duomenų ryšys | Fizinis adresavimas |
| Bit | Fizinis | Signalų ir dvejetainis perdavimas |
1 sluoksnis
Fiziniame lygmenyje apibrėžiamos elektrinės ir fizinės įrenginių specifikacijos. Jis taip pat apibrėžia moduliuotą ir bazinės dažnių juostos perdavimą.
Bazinė juosta
Bazinė juosta - tai skaitmeniniai duomenys neapdorota forma (1001 1101 1010 0011). Tai leidžia labai greitai ir patikimai perduoti duomenis nedideliais atstumais; tačiau dėl laikmenų bitai gali trukdyti vienas kitam, todėl bazinės juostos perdavimo diapazonas yra labai ribotas. Jis blogėja didėjant greičiui. Bazinės juostos technologija dažnai naudojama LAN.
- UTP kabelis - ne daugiau kaip 100 m 100 Mbit/s greičiu be kartotuvo
- Optinis pluoštas - ne daugiau kaip 1 km 100 Mbit/s greičiu be kartotuvo
Tipinė technologija: Ethernet
Moduliuotas perdavimas
Telekomunikacijų srityje moduliacija - tai procesas, kai pranešimo signalas, pavyzdžiui, skaitmeninis bitų srautas arba analoginis garso signalas, perduodamas kito fiziškai perduodamo signalo viduje. Įrenginys, kuris moduliuoja bazinės juostos signalą, vadinamas moduliatoriumi, o įrenginys, kuris moduliuotą signalą demoduliuoja atgal į bazinę juostą, vadinamas demoduliatoriumi. Šiandien moduliatorius ir demoduliatorius yra integruoti į vieną prietaisą, vadinamą modemu (moduliatorius-demoduliatorius). Dažnai naudojamas WAN, WLAN, WWAN.
Tipinė technologija: WI-FI, ADSL, kabelinės televizijos ryšys (CATV).
2 sluoksnis
Duomenų kanalo sluoksnis suteikia funkcines ir procedūrines priemones duomenims perduoti tarp tinklo subjektų ir aptikti bei galbūt ištaisyti klaidas, kurios gali atsirasti fiziniame sluoksnyje.
3 sluoksnis
Tinklo lygmuo suteikia funkcines ir procedūrines priemones, skirtas kintamo ilgio duomenų sekoms perduoti iš šaltinio kompiuterio viename tinkle į paskirties kompiuterį kitame tinkle naudojant IP adresą.
IP adresas
Interneto protokolo adresas (IP adresas) - tai skaitmeninis žymuo, priskiriamas kiekvienam kompiuterių tinkle dalyvaujančiam įrenginiui (pvz., kompiuteriui, spausdintuvui), kuris naudoja interneto protokolą ryšiui palaikyti. Šiuo metu naudojamos dvi protokolų versijos - IPv4 ir IPv6.
- IPv4 naudoja 32 bitų adresavimą, kuris apriboja adresų erdvę iki 4294967296 (232) galimų unikalių adresų.
Pavyzdys: IP-192.168.0.1 kaukė-255.255.255.0 reiškia, kad tinklo adresas yra 192.168.0.0, o įrenginio adresas - 192.168.0.1.
- IPv6 naudoja 128 bitų adresavimą, todėl adresų erdvė apribota iki 2128 galimų adresų. Manoma, kad artimiausioje ateityje to pakaks. Visiškas IPv6 palaikymas dar tik diegiamas.
4 sluoksnis
Transportinis sluoksnis užtikrina skaidrų duomenų perdavimą tarp galutinių naudotojų ir teikia patikimas duomenų perdavimo paslaugas aukštesniems sluoksniams. Interneto protokolų paketo perdavimo valdymo protokolas (TCP) ir vartotojo datagramų protokolas (UDP) paprastai priskiriami 4 OSI sluoksnio protokolams.
- TCP (perdavimo valdymo protokolas) užtikrina patikimą ir tvarkingą baitų srauto perdavimą iš vieno kompiuterio programos kitai programai kitame kompiuteryje. TCP naudojamas programose, kurioms būtinas patikimas perdavimas (el. paštas, WWW, failų perdavimas (FTP), ...).
- UDP (vartotojo datagramų protokolas) naudoja paprastą perdavimo modelį be netiesioginių rankų perdavimo dialogų, skirtų patikimumui, eiliškumui ar duomenų vientisumui užtikrinti. UDP naudojamas taikomosiose programose, kuriose reikia mažesnio uždelsimo, o ne patikimumo (srautiniai vaizdo įrašai, VOIP, internetiniai žaidimai...).
5-7 sluoksniai
Supaprastintuose tinklo modeliuose jo pagrindinė paskirtis - bendrauti su taikomosiomis programomis, prireikus šifruoti ir užmegzti specialius ryšius.
Analoginė moduliacija: AM - amplitudėFM - dažnis
Skaitmeninė moduliacija: 16-QAM su konsteliacijos taškų pavyzdžiais.
Tinklo terminai
Vėlavimas
Vėlavimas, neteisingai vadinamas ping, yra rodiklis, kuriuo matuojama, per kiek laiko paketai pasiekia paskirties vietą. Jis matuojamas milisekundėmis (ms). Priemonė, kuria matuojamas vėlavimas, vadinama ping, paprastai naudojant specialius ICMP paketus, kurie yra mažesni už standartinius duomenų paketus, todėl savo buvimu neapsunkina tinklo.
- Tiesioginis vėlavimas matuojamas kas X sekundžių ir iš karto rodomas. Jo vertė nuolat kinta dėl natūralių paketų perjungimo tinklo technologijos savybių. Dideli uždelsimo maksimumai daro neigiamą poveikį daugumai tinklo programų, kurios gali prisitaikyti prie vidutinio uždelsimo skirdamos atitinkamo dydžio atmintį kaip buferį. Dėl didelio vėlavimo pikų šis buferis ištuštėja ir programos laikinai užstringa. Šis užstrigimas paprastai vadinamas vėlavimu.
- Vidutinis uždelsimas yra tiesioginio uždelsimo, išmatuoto Y kartų kas X sekundžių, suma, padalinta iš Y. Vidutinis uždelsimas naudojamas buferio dydžiui įvertinti, daugiausia dėl to, kad jis kinta ne taip dažnai. Buferis leidžia kai kurioms taikomosioms programoms, pavyzdžiui, srautiniams vaizdo įrašams, sklandžiai veikti net ir esant dideliam vidutiniam vėlinimui, tačiau jis negali apsaugoti nuo didelių vėlinimo pikų.
Talpa (pralaidumas)
Talpa - tai tinklo perdavimo pajėgumo matas, matuojamas bitais per sekundę (bps arba b/s), šiandien dažniausiai Mbps arba Mb/s. Jis rodo, kiek duomenų vienetų perduodama per sekundę. Šiuo metu vidutinis pralaidumas yra daug didesnis, nei reikia, ir daugeliu atvejų jis nėra ribojantis veiksnys.
- Aukščiau esantis kanalas - tai duomenų srauto pralaidumas, naudojamas duomenims perduoti iš vartotojo į serverį (paprastai mažesnis galutiniams vartotojams).
- Duomenų srautas žemyn (downlink) - tai duomenų srauto pralaidumas, naudojamas duomenims iš serverio perduoti vartotojui (paprastai didesnis galutiniams vartotojams).
Transliuoti
Transliacija - tai specialus perdavimas, skirtas ne vienam įrenginiui, o visiems konkretaus tinklo įrenginiams. Dažniausiai jis naudojamas DHCP serveriui automatiškai išduodant IP adresus įrenginiams ir kuriant ARP lentelę, kuri atvaizduoja tinklą ir pagreitina duomenų srautą.
ADSL dažnių planas. Aukštyn + žemyn = tinklo pralaidumas
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra kompiuterių tinklas?
A: Kompiuterių tinklas - tai dviejų ar daugiau kompiuterių grupė, sujungta tarpusavyje, kad būtų galima dalytis ištekliais, keistis failais arba bendrauti su kitais naudotojais.
K: Kas yra tinklo mazgai?
A: Tinklo mazgai yra įrenginiai, pavyzdžiui, kompiuteriai, spausdintuvai ir kiti įrenginiai, galintys siųsti ir priimti duomenis iš vieno mazgo į kitą.
K: Kokių papildomų įrenginių gali prireikti, kad tinklai veiktų tinkamai?
A: Kad tinklai veiktų tinkamai, gali prireikti papildomų įrenginių, pavyzdžiui, šakotuvų ir komutatorių.
K: Kaip galima sujungti skirtingų rūšių tinklus?
A.: Skirtingų tipų tinklus galima sujungti naudojant maršrutizatorių.
K: Ar vietinius tinklus (LAN) lengviau sukurti nei plačiajuosčius tinklus (WAN)?
A: Taip, LAN paprastai lengviau sukurti nei sujungti skirtingus tinklus WAN.
K: Ar gali kompiuteriai vienu metu priklausyti keliems skirtingiems tinklams?
A: Taip, kompiuteriai vienu metu gali būti kelių skirtingų tinklų dalis.
K: Kokio tipo ryšio protokolą naudoja dauguma operacinių sistemų?
A.: Dauguma operacinių sistemų naudoja TCP/IP ryšio protokolą.
