Компьютерные сети Автор: Бормотин Игорь Викторович

План Что такое ЛВС? История Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI); Классификация сетей; Сетевое оборудование; Протоколы передачи данных; Протоколы локальных сетей; Вопросы и ответы; Заключение; Ссылки; Источники; Не вошедшие термины.

Что такое локальная вычислительная сеть (ЛВС)? Локальная Вычислительная Сеть (ЛВС) (англ. LAN – Local Area Network ) - это совокупность компьютеров, кабелей, сетевых адаптеров, работающих под управлением сетевой операционной системы и прикладного программного обеспечения.

Локальные сети позволяют обеспечить: Разделение ресурсов управление периферийными устройствами, со всех присоединенных рабочих станций; Разделение данных доступ и управление базами данных с локальных ПК; Разделение программных средств возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств несколькими пользователями; Разделение ресурсов процессора доступ на имеющиеся ресурсы осуществляется только через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции; Многопользовательский режим многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств.

История 1965 – Томас Меррил (Thomas Merrill) и Лоуренс Робертс (Lawrence Roberts) создают первую глобальную сеть между Массачусетским ТИ и компанией SDC – Боб Тейлор (Bob Teylor), сотрудник ARPA (Агенство по перспективным исследовательским проектам) начинает проектировать сеть, которая через три года получит имя Advanced Research Projects Agency Network (ARPANET) Английский University College of London и норвежская организация Royal Radar Establishment реализуют первое международное подключение к ARPANET – начало перехода от аналоговых телекоммуникационных сетей к цифровым. Возникает идея протокола Transmission Control Protocol (TCP) и впервые используют термин "Internet".

История (cont.) Ответственность за регулярное функционирование сети ARPANET перекладывается на Управление связи Министерства обороны США (Defense Communications Agency Винтон Серф (см.фото), Стив Крокер и Дэнни Коэн (Danny Cohen) начинают разрабатывать протокол Internet Protocol (IP). Он предлагается как средство маршрутизации, отдельное от TCP Сеть ARPANET, вытесненная Интернетом, официально прекращает существование Для магистральных каналов сети Internet2 используется новая версия протокола IP – IPv6. Европейские страны определяют основу для реализации новой межгосударственной гигабитной сети, названной Geant.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) Суть модели OSI: если протоколы аппаратного и программного уровня на узлах одинаковы, передача данных возможна.

Сетевые средства, связанные с различными уровнями модели OSI

Классификация сетей Компьютерные сети классифицируются по: 1.масштабу; 2.назначению; 3. способу организации; 4.технологии; 5. пропускной способности; 6. топологии (конфигурации); 7. типу среды передачи данных.

1. По масштабу: Локальные (Local area network, LAN) Региональные (Metropolitan area network, MAN) Глобальные (Wide area network, WAN) Глобальные спутниковые сети (GAN) MicrosoftISO LAN99 узлов узла MAN999 узлов узлов

2. По назначению: Сети терминального обслуживания. В них включается ЭВМ и периферийное оборудование, используемое в монопольном режиме компьютером, к которому оно подключается. Сети, на базе которых построены системы управления производством и учрежденческой деятельности. Они объединяются группой стандартов МАР/ТОР. В МАР описываются стандарты, используемые в промышленности. В ТОР описывают стандарты для сетей, применяемых в офисных сетях. Сети, которые объединяют системы автоматизации, проектирования. Рабочие станции таких сетей обычно базируются на достаточно мощных персональных ЭВМ, например фирмы Sun Microsystems. Сети, на базе которых построены распределенные вычислительные системы.

3. По способу организации (по классам): одноранговые (одноуровневые или Peer to Peer) сети; иерархические (многоуровневые) сети с выделенным сервером.

Одноранговые сети объединяют равноправные компьютеры; каждая рабочая станция может выполнять функции как клиента, так и сервера; сетевая операционная система распределена по всем рабочим станциям; пользователям сети могут быть доступны устройства всех компьютеров сети (диски, принтеры и т.д.).

Одноранговые сети (cont.) Достоинства: относительная дешевизна; высокая надежность; простота реализации. Недостатки: ограничение на количество ПК; зависимость эффективности работы сети от количества станций; сложность управления сетью; сложность обеспечения защиты информации; трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

Иерархические сети с выделенным сервером (клиент-сервер) один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций; выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер. Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов.

Иерархические сети с выделенным сервером (cont.) Достоинства: надежная система защиты информации; высокое быстродействие; отсутствие ограничений на число рабочих станций; простота управления по сравнению с одноранговыми сетями. Недостатки: высокая стоимость из-за выделения одного ПК под сервер; меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью; зависимость быстродействия и надежности сети от сервера.

4. По технологии 1) Маркерные сети token-ring network (маркерная кольцевая сеть) - компьютерная сеть, в которой все компьютеры соединены кольцом. По кольцу циркулирует маркер (token) - специального вида битовый пакет. Компьютер, собирающийся передать сообщение, захватывает маркер, вставляет свое сообщение, и отправляет маркер далее по кольцу. 2) Конфликтные сети

5. По пропускной способности Ethernet (10 Mbit/s); Fast Ethernet (100 Mbit/s); Gigabit Ethernet (1 Gbit/s); 10 Gigabit Ethernet (10 Gbit/s).

6. По топологии Топология описание способа, при помощи которого рабочие станции и серверы физически соединяются между собой, это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети. Звездообразная Кольцевая Шинная Комбинированная (древовидная)

Топология конфликтных сетей (cont.) Топологии различаются: требуемой длиной соединительного кабеля, удобством соединения, возможностями подключения дополнительных абонентов, отказоустойчивостью, возможностями управления обменом. Топологическая структура влияет на: пропускную способность стоимость локальной сети.

Звездообразная топология базируется на концепции центрального узла, к которому подключаются периферийные узлы через отдельную линию связи; вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

Звездообразная топология (cont.) Преимущества: идеальны для ситуаций, когда требуется доступ многих абонентов к одному обслуживающему центру на разных радиальных направлениях могут быть использованы различные каналы и скорости передачи каждое радиальное направление независимо от остальных упрощены процессы обнаружения и устранения неисправностей Недостатки: зависима от надежности центрального узла высокая стоимость центральной машины большое количество радиальных проводов небольшой процент использования пропускной способности сети

Кольцевая топология предусматривает соединение узлов сети замкнутой кривой - кабелем передающей среды; информация по кольцу передается от узла к узлу каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение

Кольцевая топология (cont.) Преимущества: отсутствует зависимость от центрального устройства неисправные каналы могут быть легко найдены просто осуществляется контроль ошибок при передаче доступ к кольцу гарантирован, даже если сеть сильно загружена вероятность ошибки очень мала возможна очень высокая скорость передачи данных можно использовать смешанную передающую среду Недостатки: надежность сети зависит от всех кабелей и повторителей трудно удлинять кольцо и добавлять новые узлы повторители обычно должны быть близко расположены выход из строя одного из узлов нарушает целостность кольца последовательная передача информации снижает быстродействие

Шинная топология связана с использованием в качестве передающей среды коаксиального кабеля данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений информация поступает на все узлы, но принимает ее только тот, которому оно адресовано

Шинная топология (cont.) Преимущества: среда полностью пассивна сеть легко наращивать и изменять ее конфигурацию может быть достигнуто эффективное использование пропускной способности имеет высокое быстродействие все компоненты сети легко доступны монтаж сети очень прост. Недостатки: передачи могут быть прослушаны или перехвачены иногда происходит интерференция сообщений, передаваемых в шине нет автоматического подтверждения приема общая длина сети ограничена 1-2 км.

Комбинированная структура ЛВС образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей; Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева); Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Сравнение топологий сети Параметры ЗвездаКольцо Шина 1. Отказоусто йчивость Выход из строя одного PC не влияет на работоспособность сети Выход из строя одного PC может вывести из строя всю сеть Выход из строя кабеля останавливает работу многих пользователей 2. Количество абонентов и выше 3. Изменение количества абонентов Возможно Требует остановки всей сети Легко изменяется 4. Влияние на общую стоимость сети Дополнительны е затраты на центральный компьютер Дополнительные затраты на адаптер, выполняющий функции диспетчера сети Дешевая среда передачи

Сравнение топологий сети (cont.) Параметры ЗвездаКольцо Шина 5. Возможность управления обменом Централи зованное Централизованное и децентрализованно е Децентрализованное 6. Особенности Мощност ь всей сети зависит от сервера Количество пользователей не оказывает сильного влияния на производительность. Трудно локализовать проблемы Оптоволоконные кабели не применяются. При значительных объёмах трафика уменьшается пропускная способность. Трудно локализовать проблемы. 7. Протяженност ь До нескольких десятков километров 8. ПрименениеВ зависимости от предъявляемых требований

7. По типу среды передачи данных 1) Физические коммуникационные среды: Коаксиальный кабель; Витая пара; Оптоволоконный кабель; Комбинированная оптокоаксиальная кабельная система; 2) Беспроводные коммуникации: Радио-связь; Лазерная; Инфракрасная связь.

Коаксиальный кабель (coaxial) Эти типы кабеля аналогичны стандартному телевизионному кабелю. Поскольку с такими кабелями труднее работать, в новых инсталляциях практически всегда применяется витая пара или оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель (coaxial) (cont.) Тонкий коаксиальный кабель Толстый коаксиальный кабель

Схема сети на коаксиальном кабеле

«Витая пара» ( TP, Twisted Pair ) Витой парой называется кабель, в котором изолированная пара проводников скручена небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание проводов уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю. Кабель типа "витая пара" используется во многих сетевых технологи-ях, включая Ethernet и IBM Token Ring. по типу кабеля; по типу проводки; по пропускной способности.

По типу кабеля: Экранированная витая пара (shielded twisted pair, STP); Неэкранированная витая пара (unshielded twisted pair, UTM) Преимущества: Низкая стоимость Гибкость и простота инсталляции Недостатки: уязвимость к электрическим помехам и "шумам" в линии

По типу проводки: Уличная (наружная); Внутренняя

По пропускной способности: Определяется понятием «категории» 1. 4 х жильный провод – 1 Mbit/s; 2. 8 ми жильный провод – 4 Mbit/s; 3. 8 ми жильный провод – 16 Mbit/s; 4. «случайно» пропущена 5. 8 ми жильный провод – 100 Mbit/s; 6. 8 ми жильный провод – 1 Gbit/s; 7. 8 ми жильный провод – 1 Gbit/s. Чем выше номер категории, тем большую скорость передачи поддерживает кабель.

«Витая пара» (cont.)

И это тоже «витая пара»… Кольца сделаны из витой пары и покрашены

Оптоволоконный кабель (fiber optic cable) По оптоволоконному кабелю данные передаются с помощью световых импульсов, проходящих по оптическому волокну. Обеспечивает полную защиту от электрических помех и позволяет передавать информацию на очень большие расстояния. Но необходим транссивер. В нормальной конфигурации: - дуплексный режим; - 1 Gbit/s. В минимальной конфигурации: - полудуплексный режим; Mbit/s; - до 2 км.

Оптоволоконный кабель (fiber optic cable) (cont.) Одномодовые меньший диаметр большая стоимость Многомодовые. Поскольку световые импульсы могут двигаться в одном направлении, системы на базе оптоволоконных кабелей должны иметь входящий кабель и исходящий кабель для каждого сегмента.

Оптоволоконный кабель (fiber optic cable) (cont.)

Комбинированная оптокоаксиальная кабельная система (hybrid fiber/coax, HFC)

Показатели трех типовых сред для передачи данных Показатели Среда передачи данных Двух жильный кабель витая пара Коаксиальный кабель Оптоволоконный кабель Цена Невысокая Относительно высокая Высокая Наращивание Очень простое ПроблематичноПростое Защита от прослушивания Незначительная ХорошаяВысокая Проблемы с заземлением Нет ВозможныНет Восприимчивость к помехам Существует Отсутствует

Радио-связь Преимущества: - По одной частоте до 1Gbit/s - Не требуется прямая видимость Недостатки: - Низкая скорость передачи - Небольшое расстояние - Возможность перехвата

Инфракрасная и лазерная связь Преимущества: - Отсутствие кабелей и проводов; Недостатки: - Обязательна прямая видимость; - Скорость передачи до 155 Mbit/s; - Слабая помехозащищенность; - Дороговизна оборудования.

Сетевое оборудование МОСТЫ; ШЛЮЗЫ; КОНЦЕНТРАТОРЫ: 1) простейшие: - хабы; 2) интеллектуальные: - коммутаторы; - маршрутизаторы.

Мост Мост (bridge) устройство, предназначенные для разграничения сети на сегменты сети (один и тот же протокол).

Шлюз Шлюз (gateway) – устройство, предназначенное для объединения двух и более сетей, которые используют разные: коммуникационные протоколы; структуры и форматы данных; языки; архитектуры. между собой. Чаще всего шлюзы используются для преобразования протоколов.

Концентратор Концентратор (Hub) - такое устройство, которое осуществляет передачу пакета от одного узла на все остальные, а не на какой-то конкретный.

Коммутатор Коммутатор (switch) - такое устройство, которое осуществляет передачу пакетов от одного узла на какой-то конкретный, а не на все, в отличие от хабов.

Маршрутизаторы Маршрутизаторы (router) устройства способные объединить между собой любое количество узлов (направлять - маршрутизировать).

Протоколы передачи данных Протокол (Protocol) - набор правил, определяющий взаимодействие двух одноименных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных абонентских ЭВМ. 1)Аппаратный – правила передачи сигнала, настраивает завод- изготовитель (отвечает только за значение бита и его длину). 1)Программный – правила системы сжатия, алгоритм кодирования и декодирования

Протоколы локальных сетей IPX/SPX (1980-е); NetBEUI (1985); AppleTalk (1983); TCP/IP (1974); SNA (1974); DLC (1974); DNA (1974, Digital Equipment Corporation);

Протоколы локальных сетей и сетевые операционные системы

Протоколы должны: обеспечивать надежность сетевых каналов; обладать высоким быстродействием; обрабатывать исходные и целевые адреса узлов; соответствовать сетевым стандартам

Протокол TCP/IP Впервые широко использован в 1983 году в сети ARPANET. Состоит из двух частей: ip – адресная часть tcp – транспортная часть

Адресная часть протокола TCP/IP - IP Разработана в 1978 году. Представляет из себя уникальный идентификатор узла в пределах сети (ip-адрес). В модели OSI: cетевой уровень. Разрядность ip-адреса 32 бита = 4 байта. Форма записи – байты разделенные точкой: Х.Х.Х.Х, Х=0-255 Состав ip-адреса: 1. Ключ (всегда = 1, первый bit в первом byte) 2. Идентификатор сети (ID-сети) 3. Идентификатор узла (ID-узла)

Классы IP-адресов Размеры ID-сети и ID-узла зависят от класса ip. Существует 5 классов: A – Глобальные сети B – Средние сети C – Локальные сети D – Дополнительный E – Резервный

Способы получения IP-адреса узлом Автоматический (DHCP – служба, занимающаяся раздачей адресов, только в управляемых сетях) Явный способ (человек) IP

Маска подсети Определяет множество уникально возможных адресов в сети. Для каждого класса существует стандартная маска: A = B = C =

Зарезервированные IP-адреса для локальных сетей

Транспортная часть протокола TCP/IP Состоит из двух базовых протоколов: TCP (1974 год) UDP В модели OSI: транспортный уровень. Необходима для: деления информации на пакеты определения целостности пакетов определения правильности доходов пакетов определения временных свойств работы

Транспортная часть протокола TCP/IP (cont.) Min = 576 байт Max = 64 Кбайта

Состав заголовка IP-пакета 1)IP – адрес получателя; 2)IP – адрес отправителя; 3)Порт программы сделавшей запрос; 4)Порт сервиса, на который адресован запрос; 5)Номер пакета; 6)Номер сессии; 7)Дефрагментированность пакета; 8)Контрольный знак; 9)Значение TTL; 10)Обратный маршрут.

Протокол TCP TCP является протоколом работающим в реальном режиме времени с гарантированной доставкой данных. TTL (Time To Life) = 256 шт При прохождении шлюза или маршрутизатора вычитается единица.

Протокол UDP UDP является протоколом не работающим в реальном режиме времени и не гарантирует доставку данных. Используется при пересылке почты м/у почтовыми серверами, при передаче видео, звука. Достоинства: Самая высокая скорость передачи, т.к. не требует подтверждения на каждое действие. Недостатки: Пакеты посылаемые через UDP могут задерживаться на шлюзах, маршрутизаторах до 2 х дней; Гарантия доставки возможно только если приложение сделавшее запрос не будет закрыто.

Ipv6: новые возможности новой версии В 1992 году, IETF (Inernet Engineering Task Force рабочая группа по технической поддержке Интернет) приступила к анализу данных, необходимых для разработки нового протокола IP - IPv6 (англ. Internet Protocol version 6).IETF К концу 1994 года был утвержден рекомендательный стандарт и разработаны все необходимые для реализации протокола вспомогательные стандарты и документы (IPv ). Отличия IPv6 от IPv4: длина адресной части составляет 128 бит, при 32 битах у IPV4; из заголовка пакета IP изъяты некоторые поля;

Вопросы и ответы

1. Что разрабатывалось раньше TCP или IP? TCP IP Одновременно Звонок другу

2. Первые глобальные сети, такие как ARPANET,предназначались для: a) исследователей; исследователей; b) военных; военных; c) электронной коммерции; электронной коммерции; d) всех перечисленных пользователей и задач; всех перечисленных пользователей и задач;

3. Физическая конфигурация сети называется: географией; эмуляцией; протоколом; топологией; ничто из перечисленного не подходит.

4. Какой из перечисленных типов сети охватывает наибольшие расстояния? LAN BAN WAN MAN

ВЕРНО! 12 34

ПОДУМАЙ!! 12 34

Правда ли что… Скорость передачи данных через неконтактные соединения выше, чем через кабельные соединения? Через витую пару возможен перехват передаваемой информации? Шлюзом может быть и ПК?

Заключение В последние годы различные сети претерпевают большой подъем как в мире, так и в нашей стране. Все больше функций в сфере информации выполняют они в жизни человека.

Не вошедшие термины Фрейм (Frame) - этот термин иногда используется как эквивалент понятия "пакет" и обозначает блок данных, передаваемый по сети и содержащий управляющую и адресную информацию, соответствующую Канальному уровню модели OSI (Уровню 2). IP-пакет форматированный блок информации, передаваемый по вычислительной сети. Соединения вычислительных сетей, которые не поддерживают пакеты, такие как традиционные соединения типа «точка-точка» в телекоммуникациях, просто передают данные в виде последовательности байтов, символов или битов. При использовании пакетного форматирования сеть может передавать длинные сообщения более надежно и эффективно.информации вычислительной сетибайтовсимволовбитов

Рекомендуемая курва 1. «Компьютерные сети», В.Г.Олифер, Н.А. Олифер 2. «Компьютерные сети», Э.Таненбаум

Ссылки

Источники: