Компьютерные сети и сеть Интернет

Компютерные сети Группа компьютеров, соединенных между собой для обмена информацией, называется компьютерной сетью. Такое объединение позволяет совместно использовать ресурсы. Самая простая сеть: точка-точка – прямое соединение двух компьютеров между собой.

Компьютерные сети Для упрощения задачи передачи информации между системами ее разделяют на несколько независимых модулей, которые называются уровнями Наиболее часто используют 7-уровневую систему (разработанную ISO) и 4- уровневую (на основе которой построена сеть Интернет)

4-уровневая схема Уровень Функция Прикладной Подготовка информации к передаче Транспортный Способ доставки информации и связь приложений Сетевой Адресация и маршрутизация Канальный Сетевые аппаратные средства и драйверы устройств

Схема передачи данных Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3 Уровень 4 сигнал - заголовок - данные

Схема приема данных Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3 Уровень 4 сигнал - заголовок - данные

Термины На каждом уровне к данным добавляется служебная информация, содержание которой зависит от предназначения уровня (например адрес получателя, идентификатор программы которая отправила данные и т.п.). Эта информация размещается в заголовке Данные + Заголовок = Сетевой пакет

Термины Протокол это набор правил, используемый сетевыми устройствами (или программами) для обмена данными. Стек протоколов это набор протоколов разных уровней, достаточный для организации взаимодействия систем.

Технология «Клиент-Сервер» Сервер - это компьютер или программа, предоставляющая некоторые услуги другим компьютерам или программам. На одном компьютере могут одновременно функционировать несколько серверов, предоставляющих различные услуги. Клиент - это компьютер или программа, использующая ресурсы сервера. Как и в случае сервера, на одном компьютере одновременно могут работать (и обычно работают) несколько клиентов. Запрос Ответ Клиент Сервер

4-уровневая схема (пример) Написание электронного письма Добавление информации о программе – источнике информации и программе - получателе Добавление адресов получателя и отправителя Превращение двоичных данных в электромагнитный сигнал и его передача Операционная система Программа - клиент Сетевой адаптер или модем

Локальные (LAN) От нескольких до нескольких десятков (сотен) компьютеров расположенных в пределах одного здания и работающих по единым протоколам канального уровня Скорость передачи порядка Мbit/с Корпоративные Несколько локальных сетей, связанных между собой Неоднородность скорости передачи Использование различных канальных протоколов Глобальные Объединение локальных и корпоративных сетей Большая неоднородность скорости передачи на разных участках сети Использование большого количества технологий канального уровня Компьютерные сети Типы сетей

Различаются: По архитектуре – одноранговые и с выделенным сервером По топологии – шина кольцо звезда Топология шина Топология кольцо Топология звезда Локальные вычислительные сети

В качестве протокола канального уровня в локальных сетях наибольшее распространение получил протокол Ethernet Ethernet состоит из нескольких спецификаций, которые различаются по типу используемого физического носителя, и, как следствие, по топологии, скорости передачи и т.п. Локальные вычислительные сети

Сетевые адаптеры

Каждый сетевой адаптер имеет уникальный адрес, присваиваемый производителем – MAC-адрес MAC-адрес представляет собой 6-байтное число: 00:80:48:11:b5:d8 Пространство адресов протоколов канального уровня – плоское (по ним передаются данные между двумя системами в пределах «прямой видимости»).

Коаксиальный кабель (скорость: 10Мbit/c; топология: ШИНА) Физические носители - низкая стоимость затрат - простота развертывания ограниченное количество станций на сегменте - невысокая надежность

Коаксиальный кабель

Витая пара (скорость: Mbit/с; топология: ЗВЕЗДА) Физические носители + - высокая надежность - хорошая масштабируемость - высокая скорость - - более высокая стоимость (коаксиальный кабель) - более сложная установка - использование дополнительных устройств - менее защищена от ЭМ-помех

Витая пара

Коммутационные устройства Для образования топологии «звезда» при использовании кабеля «витая пара» используются коммутационные устройства: концентратор (HUB) коммутатор (SWITCH)

Коммутационные устройства концентратор – простое устройство обеспечивающие физическую связь. Примерная стоимость от десятков до сотен долларов. коммутатор – более интеллектуальное устройство, обеспечивающее связь на канальном уровне. Используется обычно в больших ЛВС. Стоимость от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов.

Протоколы верхних уровней ЛВС В случае одноранговых сетей зависят от используемой операционной системы Могут использовать в качестве сетевого протокола как протокол сети Интернет – IP так и свои собственные (IPX) Ориентированы на высокую скорость передачи данных

Сеть Microsoft Один из примеров простой ЛВС, для ее построения не требуется дополнительного ПО Предоставляет как простые сервисы: доступ к папкам и файлам по сети, использование принтера, так и специфические: проведение видеоконференций, и т.п., которые требуют дополнительных программ

Протоколы сети Microsoft Совместное использование файлов, NetMeeting, и т.п. NetBIOS Network Basic Input/Output System NetBeui Network Basic Input/Output System Протоколы канального уровня

Сеть Интернет Интернет это совокупность всех сетей, которые используют протокол IP для передачи информации и соединенных друг с другом «прозрачным» образом (вне зависимости от физической среды, используемой для передачи сигналов). Особенность – объединение сетей различных типов. Основные понятия: Протоколы TCP/IP IP-адрес Маршрутизация Доменное система имен

Создание и развитие сети Интернет Предыстория Период военных исследований Период научных исследований Коммерциализация Сети

Сеть Интернет: предистория 1957 г г. – Советский союз запускает первый искусственный спутник Земли. В ответ на это в США в Министерстве обороны создают Агентство передовых перспективных проектов (ARPA), которое в 60-х годах работает над методами соединений компьютеров друг с другом 1962 г г. – Джон Ликлайдер публикует свою работу «Galactic Network», в которой он публикует принципы работы всемирной сети. В дальнейшим большинство из них будут использованы при создании Интернет.

Сеть Интернет: предистория 1964 г г. – Леонард Клеинрок разработал и опубликовал теорию о коммутации пакетов для передачи данных Коммутация пакетов. Необходимые для передачи данные разбиваются на части. К каждой части присоединяется заголовок, содержащий полную информацию о доставке пакета по назначению. Коммутация каналов. На время передачи информации пара компьютеров соединяются "один-с- одним". В период соединения происходит передача всего объема информации

Сеть Интернет: военный период 1968 г г. – проект по созданию сети ARPANet. Цели проекта: Объединение исследовательских учреждений. Проведение экспериментов в области компьютерных коммуникаций. Изучение способов поддержания связи в условиях ядерного нападения. Разработка концепции децентрализованного (распределенного) управления военными и гражданскими объектами в период ведения войн.

Сеть Интернет: военный период Для проверки работоспособности принципа коммутации пакетов впервые в мире были соединены два компьютера с помощью телефонной линии

Сеть Интернет: военный период 1969 г г. – подключением в одну компьютерную сеть четырех исследовательских центров: University of California Los Angeles (UCLA). Stanfosd Research Institute (SRI). University of California at Santa Barbara (UCSB). University of Utah.

Сеть Интернет: военный период 1974 г г. – Научная группа, созданная DARPA и руководимая Винтоном Серфом разработала универсальный протокол передачи данных и объединения сетей Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - сердце Internet. Протокол - набор правил, определяющий принципы обмена данными между различными компьютерными программами.

Сеть Интернет: научный период 1972 г г. – Рэй Томлинсон создает средство для обмена текстовыми сообщениями через сеть ARPANet – электронную почту. Лари Робертс пишет первую программу управления электронной почтой для просмотра списка сообщений, выборочного чтения, работы с папками, перенаправления и ответа на сообщения – прообраз почтового клиента

Сеть Интернет: научный период NSFNET Для объединения имеющихся 6 крупных компьютерных центров и поддержания глобального академического и исследовательского сообществ в 1985 году NSF начал разработку программы построения межрегиональной сети NSFNET 1986 год. Шесть компьютерных центров объединены в NSFNET, со cкоростью каналов передачи данных до 56 Кб/с год. NSFNET переведена на каналы T-1 со скоростью 1.5 мегабита в секунду (Мб/c). Количество присоединенных узлов возросло до год. ARPANET полностью замещена NSFNET.

Развитие Сети

Сеть Интернет: наша эра World Wide Web 1989 г. - в Европейской лаборатории физики элементарных частиц Тим Бернерс-Ли разработал технологию гипертекстовых документов - World Wide Web, позволяющей пользователям иметь доступ к любой информации, находящейся в сети Internet на компьютерах по всему миру К 1995 году темпы роста сети Internet показали, что регулирование вопросов подключения и финансирования не может находится в руках одного NSF. В 1995 году произошла передача региональным сетям оплаты за подсоединение многочисленных частных сетей к национальной магистрали.

Развитие сети Интернет

Развитие Интернет в России 1989 год. началом Интернета в России нужно считать тот день, когда Дима Володин с кафедры ИПК Минавтопрома созвонился с администратором узла и зарегистрировал кафедру на компьютере Хельсинского университета. На кафедре был ОДИН телефон и они по МЕЖДУНАРОДНОМУ трафику соединялись с Хельсинским хостом. Далее все, кто принимал в этом участие объединились в программистский кооператив Демос. Первыми узлами сети были: – Кооператив Демос – Институт атомной энергетики им. Курчатова – Институт Точной Механики и ВТ и его филиал в Новосибирске – Ленинградский институт информатики и автоматики – Центр Научно-Технического Сотрудничества

Развитие Инернет в России (1994)

Интернет на Алтае Подготовительная работа в этом направлении началась в 1990-м году и стала возможной благодаря принятой в этом же году программе "Развития Алтайского края". Идея общего информационного пространства, заложенная в программе, была подхвачена барнаульской фирмой "Алтайгриф" и московским кооперативом "Демос" при участии института им. Курчатова. "Привет из Москвы", "Привет из Барнаула" - эти слова, переданные по электронной почте 18 марта 1991 года с немыслимо низкой по сегодняшним меркам скоростью в 2,4 Кбит/сек

Интернет на Алтае Летом 1991 года в Политехническом институте был установлен первый на Алтае и четвертый в России сервер электронной почты В 1995 г. в рамках "Научно-образовательной компьютерной сети Алтая" (НОКСА-secna) был создан первый на Алтае и четвертый в России университетский www-сервер с названием asu.ru - сайт Алтайского Государственного Университета asu.ru Постепенно начинает увеличиваться количество точек доступа в Интернет. В 1997 году открывается Интернет-центр фонда Сороса в Алтайском Государственном Университете.

Типы протоколов Транспортный протокол TCP (transmission control protocol) – управляет передачей данных на транспортном уровне. Протоколы маршрутизации (IP, ISMP, RIP) – обрабатывают адресацию данных, определяют пути и обеспечивают передачу данных на сетевом уровне. Протоколы поддержки сетевого адреса DNS (domain name system), ARP (Address Resolution Protocol). Протоколы прикладных сервисов: FTP, Telnet, HTTP и т.д. Принцип открытых систем – независимость от производителя TCP/IP – основной стек протоколов Интернет, обеспечивающий передачу данных и совместимость сетей и оборудования различных типов. Протоколы сети Интернет

Взаимодействие протоколов сети Интернет драйверы устройств IPICMP TCPUDP tracerouteWWW, FTP, talkNFS, DNS канальный уровень транспортный уровень сетевой уровень прикладной уровень

Протокол IP Предназначен для передачи данных между сетями (IP – Internet Protocol – межсетевой протокол) Обеспечивает адресацию в Интернет

Строение IP-пакета Адрес, обр.адрес, N, время жизни Данные Некоторые свойства IP-пакетов размер – 1-1,5 кбайта, (м.б. больше и меньше) время жизни – целое число путь пакета определяется на узлах – маршрутизаторах пакеты могут теряться Протокол IP

Каждый компьютер в интернет обладает уникальным адресом, называемым так же IP-адрес, который состоит из четырех частей, разделяемых точками. Каждая часть - число от 0 до 255. Обычно первая часть адреса - числа от 1 до 223: x. x. x. x Примеры IP-адресов: IP-адрес присваивается компьютеру путем изменения настроек его операционной системы. Компьютер с присвоенным ему адресом называется также хост (от англ. HOST )

цифровой адрес, содержит 32 бита, состоит из 2 частей: адреса сети и адреса хоста Адресация в интернет IP адрес: Примеры: Двоичный код: =

Пример: (первый байт – адрес сети, остальные – адреса хостов в этой сети) Первый байт принимает значения от 1 до 126 Количество адресов в одной сети Основные классы IP сетей Класс А: Класс B: Пример: (первые 2 байта – адрес сети, остальные – адреса хостов в этой сети) Первый байт принимает значения от 128 до 191 Количество адресов в одной сети Класс C: Пример: (первые 3 байта – адрес сети, остальные – адреса хостов в этой сети) Первый байт принимает значения от 192 до 223 Количество адресов в одной сети - 256

Пример: сеть класса C наименьший адрес – – адрес сети наибольший адрес – – широковещательный адрес (broadcast) адреса для хостов – Основные классы IP сетей количество адресов для хостов = общее количество - 2

Маски сетей и подсетей Для определения того, какая часть адреса обозначает сеть, а какая – хост используются маски Маска – четырехбайтное двоичное число, в котором биты, определяющие адрес сети равны 1, а биты определяющие адрес хостов – 0 Пример: маска для сети класса С Маска обычно записывается в десятичном формате как и IP адрес:

Деление сетей на подсети Сети можно разделять на части, называемые подсетями Количество адресов в подсети кратно степеням 2 Количество адресов в подсети задается ее маской Пример: подсеть с маской количество адресов: 128 (7 бит под адреса) широковещательный адрес: адрес следующей подсети:

Специальные адреса – закольцованный интерфейс (loopback). Предназначен для отладки сетевых программ без передачи данных в сеть , – сети, не используемые реально в Интернет, предназначены для построения локальных сетей на основе TCP/IP без подключения к внешним IP-сетям

Для проверки работоспособности компьютера в сети можно использовать утилиту ping. Она посылает компьютеру с указанным адресом небольшой пакет, который затем его возвращает. Таким образом можно судить о наличии связи между двумя хостами. синтаксис команды: ping ip-адрес компьютера примеры:ping ping пример использования ping:

Схема сети Интернет

Шлюзы (Маршрутизаторы) Шлюзы или Маршрутизаторы – компьютеры, основным предназначением которых является поиск наилучшего пути от одной сети до другой и продвижение пакетов по найденному пути Маршрутная таблица – таблица вида c помощью которой делается выбор шлюза для дальнейшей передачи пакета Маршрут по умолчанию – адрес шлюза на который будут направляться пакеты к сетям, не указанным в маршрутной таблице. Адрес маршрута по умолчанию ( )

Проверка работоспособности сети Если с ближайшими компьютерами связь есть, а с удаленными проблема может быть где-то «по дороге». Команда traceroute ( tracert ) позволяет показать и проверить маршрут прохождения информации от одного компьютера к другому. пример использования команды tracert :

Выводы Для функционирования компьютера (хоста) в IP сети необходимо присвоить ему IP адрес и указать маску сети или подсети. Для передачи пакетов в другую сеть хосту необходимо знать адрес маршрутизатора через который будет осуществляться передача (маршрут по умолчанию)

IP-адрес компьютера для человека неинформативен, т.е он не несет в себе информацию о самом компьютере, его назначении и т.д. Для решения этой проблемы компьютерам присваиваются имена. База данных, в которой хранится соответствие имен компьютеров и их адресов называется доменная система имен (DNS - domain name system). В DNS имя компьютера состоит из частей, называемых доменами. примеры имен компьютеров в DNS: admin.obozrenie.ua

Домен верхнего уровня может состоять из трех или двух символов. В первом случае он обозначает тип организации, например: edu - образовательные организации com - коммерческие gov - правительственные и т.д. Во втором случае он обозначает страну - владельца домена: ru - Россия jp - Япония de - Германия и т.д. домен верхнего (первого) уровня домен второго уровня домен третьего уровня имя компьютера в домене (зоне) math.asu.ru

Домены верхнего уровня 3 символа 2 символановые COM – коммерция EDU – образование GOV – государство MIL – военные ORG – некоммерческие NET – сетевые RU – Россия FI – Финляндия JP – Япония UK – Англия UA – Украина … INFO MUSEUM BIZ

Домен второго уровня может быть выделен для использования в одном из доменах верхнего уровня, организацией, курирующей его. Домены третьего уровня и выше могут создаваться владельцем домена второго уровня при необходимости. Имя компьютера в домене выбирается произвольно по согласованию с владельцем домена. При этом в базу DNS заносится его адрес. домен верхнего (первого) уровня домен второго уровня домен третьего уровня имя компьютера в домене (зоне) math.asu.ru

Компьютеры осуществляющие преобразование имен компьютеров в адреса и наоборот, называются DNS-серверами. При посылке данных компьютеру с указанием его адреса, данные сразу направляются к пункту назначения. Если же указывается имя, то сначала хост-отправитель делает запрос у своего DNS-сервера, чтобы узнать адрес по известному имени, и только потом отправляет данные. отправитель получатель: адрес: имя: DNS-сервер запрос: нужен адрес ответ: его адрес ИНТЕРНЕТ Доменная система имен

Dynamic Host Configuration DHCP – протокол и сервис, работающий на нем, позволяющий автоматически конфигурировать настройки TCP/IP для станций DHCP-клиент запрашивает IP-адрес в «аренду» у сервера DHCP-сервер выдает адреса, контролируют их использование и сообщают клиентам требуемые параметры конфигурации

Dynamic Host Configuration DHCP-сервер есть только в серверных версиях Windows В Windows, если отсутствует статитческая настройка DNS и первичного шлюза, они автоматически конфигурируются с помощью DHCP В противном случае, автоматически конфигурируется только IP-адрес хоста

Транспортный уровень Основное предназначение: доставка информации, пришедшей по сети конкретным приложениям Протоколы Интернет, работающие на этом уровне: TCP (Transmission Control Protocol) – протокол с контролем передачи, который помимо доставки данных приложениям, следит еще за ее надежностью UDP (User Datagram Protocol) – простой протокол доставки данных, пришедших по сети приложениям

Транспортный уровень TCP или UDP порт – очередь данных к приложению, организуемая в памяти. Каждый порт имеет целочисленный идентификатор – номер порта Номера портов для известных сервисов: WWW – 80 FTP – 21 SMTP – 25POP3 – 110 Номер порта назначения Номер порта отправителя Контрольная сумма Д А Н Н Ы Е Длина пакета Схема UDP-пакета:

Транспортный уровень

Прикладной уровень Представлен в Интернет сервисами Сервисы имеют разные протоколы Для работы с информацией используются соответствующие программы-клиенты и программы-серверы Протоколы транспортного, сетевого и канального уровня представляют собой лишь транспортную инфраструктуру, которая позволяет обмениваться любой информацией. То, каким образом используется эта инфраструктура определяется прикладным уровнем.

Основные сервисы Интернет Электронная почта (SMTP, POP3) Группы новостей (NNTP) Информация (HTTP) Передача файлов (FTP) Удаленный доступ (TELNET) Интернет-пейджер (ICQ) Разговор (IRC)

Использование TCP/IP в сетях Microsoft Совместное использование файлов, NetMeeting, и т.п. NetBIOS Network Basic Input/Output System TCP/IP Протоколы канального уровня