Вычислительные (компьютерные) сети Компьютерная сеть – это объединение некоторого числа компьютеров и специального оборудования (сетевого оборудования) - презентация

1 Вычислительные (компьютерные) сети Компьютерная сеть – это объединение некоторого числа компьютеров и специального оборудования (сетевого оборудования) с помощью каналов передачи данных (каналов связи). Протокол – это набор правил и методов, который: - охватывает основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия составных частей компьютерной сети - обеспечивает корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети Открытая система – это система, которая открыта для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами. Прикладной процесс - это различные процедуры ввода, хранения, обработки и выдачи информации, выполняемые в интересах пользователей и описываемые прикладными программами.

2

3 Физический уровень Физический уровень - непосредственно связан с каналом передачи данных, обеспечивает физический путь для электрических сигналов, несущих информацию. На этом уровне осуществляется установление, поддержка и расторжение соединения с физическим каналом, определение электрических и функциональных параметров взаимодействия компьютеров с коммуникационной подсетью. НАЗАД

4 Канальный уровень Канальный уровень - определяет правила совместного использования физического уровня узлами связи. Главные его функции: управление передачей данных по информационному каналу и управление доступом к передающей среде, т.е. реализация выбранного метода доступа к общесетевым ресурсам. НАЗАД

5 Сетевой уровень Сетевой уровень - реализует функции буферизации и маршрутизации, т.е. прокладывает путь между отправителем информации и адресатом через всю сеть. Два пользователя, соединенные логическим каналом, работают так, как будто только в их распоряжении имеется физический канал. НАЗАД

6 Транспортный уровень Транспортный уровень - обеспечивает связь между коммуникационной подсетью и верхними тремя уровнями, отделяет пользователя от физических и функциональных аспектов сети. Главная его задача - управление трафиком (данными пользователя) в сети. При этом выполняются такие функции, как деление длинных сообщений, поступающих от верхних уровней, на пакеты данных и формирование первоначальных сообщений из набора пакетов, полученных через канальный и сетевой уровни, исключая их потери или смещение. НАЗАД

7 Сеансовый уровень - предназначен для организации и управления сеансами взаимодействия прикладных процессов пользователей (сеанс создается по запросу процесса пользователя, переданному через прикладной и представительный уровни). Основные функции: управление очередностью передачи данных и их приоритетом; синхронизация отдельных событий; выбор формы диалога пользователей. НАЗАД

8 Представительный уровень Представительный уровень (уровень представления данных) - преобразует информацию к виду, который требуют прикладные процессы пользователей (например, прием данных в коде ASCII и выдача их на экран дисплея в виде страницы текста с заданным числом и длиной строк). Представительный уровень занимается синтаксисом данных. Выше этого уровня поля данных имеют явную смысловую форму, а ниже его поля рассматриваются как передаточный груз, и их смысловое значение не влияет на обработку. НАЗАД

9 Прикладной уровень Прикладной уровень - занимается поддержкой прикладного процесса пользователя и имеет дело с семантикой данных. Он является границей между процессами сети и прикладными (пользовательскими) процессами. На этом уровне выполняются вычислительные, информационно-поисковые и справочные работы, осуществляется логическое преобразование данных пользователя. НАЗАД

10 Классификация компьютерных сетей По степени территориальной рассредоточенности элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают: глобальные; региональные; локальные компьютерные сети. По способу управления КС делятся на сети с: централизованным; децентрализованным; смешанным управлением. По организации передачи информации сети делятся на сети с: селекцией информации; маршрутизацией информации.

11 По типу организации передачи данных сети По типу организации передачи данных сети: с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией цепей (каналов); коммутацией сообщений и коммутацией пакетов; смешанные системы передачи данных. По топологии По топологии, т.е. конфигурации элементов в КС, сети могут делиться на два класса: широковещательные; последовательные.

12 Примеры соединения элементов компьютерной сети Простое последовательное соединение Последовательное соединение по общей шине Сеть по схеме "звезда" с выделенным сервером

13 Примеры соединения элементов компьютерной сети Соединение звездой Последовательное соединение кольцом Сеть по общей шине с выделенным сервером

14 Физический уровень локальных сетей Неэкранированная витая пара Витая пара использовалась достаточно давно в телефонных сетях. Кабель на основе неэкранированной витой пары (unshielded twisted-pair, UTP) состоит из 8 изолированных проводов, скрученных в пары, причём пары тоже скручиваются между собой. Каждая пара состоит из провода, именуемого "Ring" и провода "Tip" (названия произошли из телефонии).

15 UTP разделяется на 7 категорий. Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных; Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории - способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц. Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году, когда был разработан Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий (EIA-568), на основе которого затем был создан ныне действующий стандарт EIA-568A. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые приложения. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30,5 см).

16 Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Кабели категории 4 хорошо подходят для применения в системах с увеличенными расстояниями (до 135 метров) и в сетях Token Ring с пропускной способностью 16 Мбит/с. На практике используются редко. Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с - FDDI (с физическим стандартом TP-PMD), Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, а также более скоростные протоколы - АТМ на скорости 155 Мбит/с, и Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно- оптическим).

17 Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5 имеют следующие значения: полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом (стандарт ISO допускает также кабель с волновым сопротивлением 120 Ом); величина перекрестных наводок NEXT в зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74 дБ на частоте 150 к Гц и не менее 32 дБ на частоте 100 МГц; затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ (на частоте 64 к Гц) до 22 дБ (на частоте 100 МГц); активное сопротивление не должно превышать 9,4 Ом на 100 м; емкость кабеля не должна превышать 5,6 нф на 100 м.

18 Кабель категории 6 : характеристики определяются до частоты 200 МГц, может быть как экранированным, так и неэкранированным. Кабель категории 7 - до 600 МГц. Обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5.

19 Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Цветовое кодирование проводников в кабеле должно соответствовать следующей схеме: Пара 1 Белый/Голубой (White-Blue, W-BL) - Голубой (Blue, BL) Пара 2 Белый/Оранжевый (White-Orange, W-O) - Оранжевый (Orange, О) Пара 3 Белый/Зеленый (White-Green, W-G) - Зеленый (Green, G) Пара 4 Белый/Коричневый (White-Brown, W-BR) - Коричневый (Brown, BR).

20 Разводка неэкранированной витой пары Стандарт TIA/ЕIА-568 признает только две схемы разводки - Т568А и Т568В. Различие между ними заключается только в нумерации пар. Основной схемой считается Т568А, а схема Т568В допускается для применения в системах, где существует необходимость поддержки приложений, построенных по схеме Т568В. Единственным ограничением в данном случае является запрет стандарта TIA/ЕIА-568 на одновременное использование двух схем в одной системе.

21 EIA/TIA-568A одна сторона кабеля цвет провода другая сторона кабеля 1 белый зеленого 1 2 зеленый 2 3 белый оранжевого 3 4 синий 4 5 белый синего 5 6 оранжевый 6 7 белый коричневого 7 8 коричневый 8

22 EIA/TIA-568B одна сторона кабеля цвет провода другая сторона кабеля 1 белый оранжевого 1 2 оранжевый 2 3 белый зелёного 3 4 синий 4 5 белый синего 5 6 зеленый 6 7 белый коричневого 7 8 коричневый 8

23 Для соединения двух компьютеров напрямую: "Нуль-хабный" или X-кабель одна сторона кабеля цвет провода другая сторона кабеля 1 бело/зеленый 3 2 зеленый 6 3 бело/оранжевого 1 4 синий 7 5 бело/синий 8 6 оранжевый 2 7 бело/ коричневого.4 8 коричневый 5

24 Волоконно-оптический кабель Оптоволоконный или волоконно-оптический кабель, использующийся в сетях передачи данных, состоит из двух стекловолокон, покрытых слоем отражающего покрытия и находящихся в пластиковой оболочке. Поверх пластиковой оболочки находятся волокна из кевлара, и дальше идет внешняя оболочка. Внешняя оболочка обычно делается из пластика и служит для защиты всего кабеля.

25 кевлара Назначение кевлара состоит в том, чтобы придать кабелю дополнительные упругие свойства и предохранить от механического повреждения хрупкие толщиной в человеческий волос стекловолокна. Светопроводящими элементами оптоволоконного кабеля являются центральная жила и светоотражающее покрытие. Центральная жила Центральная жила – это обычно очень чистое стекло с высоким коэффициентом преломления. Если центральную жилу окружить покрытием из стекла или пластмассы с низким коэффициентом преломления, то свет может как бы захватываться центральной жилой кабеля. Этот процесс называется полным внутренним отражением и позволяет светопроводящему волокну играть роль световода и проводить свет на огромные расстояния, даже при наличии изгибов.

26 Физический уровень глобальных сетей В отличие от локальных сетей, в составе которых имеются свои высокоскоростные каналы передачи информации, глобальная (а также региональная и, иногда, корпоративная) сеть включает первичную или опорную сеть – сеть передачи данных, СПД. Первичная сеть предназначена для создания коммутируемой инфраструктуры, с помощью которой можно достаточно быстро и гибко организовать постоянный канал с топологией «точка-точка» между двумя устройствами, подключёнными к такой сети.

27 Современные первичные сети создаются на основе технологии плотного волнового (спектрального) мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM). Эта технология позволяет создавать оптические магистрали, способные обеспечить передачу трафика со скоростями несколько Тбит/с (один Тбит/с равен 1000 Гбит/с). В сетях DWDM информация передаётся одновременно большим количеством световых волн по каждому оптическому волокну. Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну от 32 до 160 волн разной длины, при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с. Технология DWDM совместима с технологиями семейства Ethernet - Gigabit Ethernet и 10GE.

28 Технология DWDM использует оптические мультиплексоры и усилители. Мультиплексор позволяет вводить и выводить волны различной длины в общий канал. Усилители предназначены для усиления оптического сигнала и очистке его от помех. Рекомендация Международного телекоммуникационного союза ITU-T G.692 определяет три типа усилительных участков, то есть участков между соседними мультиплексорами: L (Long) – участок может включать до 8 пролётов оптического кабеля и 7 оптических усилителей, максимальное расстоянии между усилителями 80 км при общей протяженности участка 640 км. V (Very Long) – участок может включать до 5 пролётов оптического кабеля и 4 оптических усилителя, максимальное расстоянии между которыми 120 км при общей протяженности участка 600 км. U (Ultra Long) – участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км.

29 Сетевыми устройствами Сетевыми устройствами называются аппаратные средства, используемые для объединения сетей. Все сетевые устройства служат для решения одной или нескольких общих задач: Увеличивают число узлов, подключаемых к сети. Узлом называется конечная точка сетевого соединения или общая переходная точка двух или более линий в сети. Узлами могут быть процессоры, контроллеры или рабочие станции. Увеличивают расстояние, на которое может простираться сеть. Локализуют трафик в сети. Могут объединять существующие сети. Изолируют сетевые проблемы, делая их диагностику более простой.

30 К сетевым устройствам относятся повторители, концентраторы, мосты коммутаторы и маршрутизаторы.

31 Повторители Подобно средам передачи данных, повторители относятся к уровню 1 (физическому) эталонной модели OSI. Чтобы понять, как работает повторитель, необходимо учесть, что данные перед отправкой в сеть преобразуются в последовательность электрических или световых импульсов, которые и перемещающихся в среде передачи данных. Эти импульсы называются сигналами. Когда сигналы покидают передающую станцию, они четкие и легко распознаются. Однако чем длиннее кабель, тем сильнее затухает и ухудшается сигнал. В конце концов, это приводит к тому, что сигнал уже не может быть правильно распознан. Например, спецификации для витой пары категории 5 кабеля Ethernet устанавливают расстояние 100 метров как максимально допустимое для прохождения сигнала. Если сигнал проходит по сети больше указанного расстояния, то нет гарантии, что сетевой адаптер правильно распознает сигнал.

32 Концентраторы В локальных сетях каждая станция подключается с помощью некоей передающей среды. Как правило, у каждого сервера имеется только один сетевой адаптер. Как результат, непосредственное подключение всех рабочих станций к серверу невозможно. Чтобы решить эту проблему, в сетях используются концентраторы, которые являются наиболее распространенными сетевыми устройствами. Вообще говоря, термин концентратор (hub - точка, центр активности) используется вместо термина повторитель, когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети. Особенности концентраторов: усиливают сигналы; распространяют сигналы в сети; не выполняют фильтрацию; не занимаются маршрутизацией и коммутацией; используются как точки концентрации в сети.

33 Концентратор – наиболее распространенное сетевое устройство, которое служит центром сети

34 Мосты Мосты работают на уровне 2 (канальном) эталонной модели OSI и не занимаются исследованием информации от верхних уровней. Мост - это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь двух (реже нескольких) физических сегментов локальных сетей посредством передачи кадров из одной сети в другую с помощью их промежуточной буферизации. Мост принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения кадра и только в том случае, когда адресуемый узел действительно принадлежит другой сети, он передает его туда

35 Можно выделить следующие наиболее важные особенности мостов: Они более интеллектуальны, чем концентраторы, т.е. могут анализировать приходящие кадры и пропускать (или не пропускать) их дальше на основании адресной информации канального уровня. Принимают и пропускают кадры данных между двумя сетевыми сегментами. Управляют широковещательными кадрами в сети. Имеют и ведут внутренние таблицы адресов.

36 Мост может использоваться для соединения сегментов сети

37 Коммутаторы Функционально коммутатор (switch) работает как многопортовый мост, то есть работает на канальном уровне, анализирует заголовки кадров, автоматически строит адресную таблицу и на основании этой таблицы перенаправляет кадр в один из своих выходных портов или фильтрует его, удаляя из буфера. Отличие заключается в параллельной обработке поступающих кадров. В то время как мост обрабатывает кадр за кадром, коммутатор имеет несколько внутренних процессоров обработки кадров, каждый из которых может выполнять алгоритм моста. Таким образом, можно считать, что коммутатор - это мультипроцессорный мост, имеющий за счет внутреннего параллелизма высокую производительность.

38 Маршрутизаторы Другим типом устройств межсетевого взаимодействия являются маршрутизаторы (routers). Как было сказано выше, коммутаторы прежде всего используются для соединения сегментов сети. Маршрутизаторы же используются для объединения отдельных сетей и для доступа к Internet. Маршрутизаторы используют сетевой уровень для определения оптимального маршрута доставки данных в сети и помогают сдерживать объем широковещательных пакетов

39 Локальные вычислительные сети Локальные вычислительные сети (ЛВС) представляют собой систему распределенной обработки данных, охватывающую небольшую территорию (диаметром до 10 км) внутри учреждений, НИИ, вузов, банков, офисов и т.п., т.е. это система взаимосвязанных и распределенных на фиксированной территории средств передачи и обработки информации, ориентированных на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных, информационных, программных. ЛВС можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах одного здания или некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых множеству подключенных устройств (обычно ПК). Они подключают компьютеры и службы к общей среде физического уровня.

40 К устройствам локальной сети относятся следующие устройства: Мосты. Подключают сегменты локальной сети и помогают фильтровать трафик. Концентраторы. Концентрируют соединения локальной сети и позволяют использовать в качестве среды передачи данных витую пару. Коммутаторы. Обеспечивают сегментам и настольным системам дуплексную связь и выделенную полосу пропускания. Маршрутизаторы. Обеспечивают большое количество сервисов, включая организацию взаимодействия сетей и управление широковещанием.

41 Наиболее распространенными технологиями ЛВС являются Ethernet, Fiber Distributed Data Interface (FDDI) и Token Ring, которые применяются практически во всех существующих локальных сетях

42 Принципы работы сети Ethernet Технология Ethernet была разработана Исследовательским центром корпорации Xerox – Xerox PARC в 1970 году и является на сегодняшний день наиболее популярным стандартом. Ethernet представляет собой семейство технологий, отличающихся, главным образом, скоростью и типом физической среды передачи – собственно Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и стандарт 10GE со скоростью 10 Гбит/с. Ethernet описан в стандарте IEEE Более поздние технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet описываются в приложениях к этому стандарту - IEEE 802.3u и IEEE 802.3z соответственно.

43 Физический уровень Ethernet Стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия: 1.100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1; 2.100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5; 3.100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна. В Gigabit Ethernet используются одномодовое и многомодовое птоволокно (спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX), твинаксиальный кабель (спецификация 1000Base-CX) и витая пара UTP категории 5 (спецификация 1000Base-T).

44 Как работает сеть Ethernet На канальном уровне данные передаются в виде кадров. Каждая станция указывает в заголовке кадра МАС-адрес станции, которой она хочет передать данные, свой МАС-адрес, а также другую полезную информацию. После заголовка следуют передаваемые данные и концевик кадра (трейлер), содержащий код контроля ошибок.

45 DASAT / LDataCRC DA – destination address, МАС-адрес узла назначения SA – source address, МАС-адрес узла источника T/L – type или length, тип протокола, который вложил свой пакет в кадр или длина кадра Data – данные CRC – код контроля ошибок. Наиболее распространённая структура кадра Ethernet

46 При передаче данных в сети Ethernet каждая станция анализирует заголовок кадра, распознавая свой MAC-адрес в поле адреса узла назначения. Если станция узнаёт свой MAC-адрес в поле адреса узла назначения, то она принимает данный кадр. В противном случае станция заканчивает приём кадра, очищая свой буфер приёма.

47 Станция D распознает свой адрес и принимает кадр; станции В и С не распознают свои МАС-адреса и игнорируют его.

48 Широковещание в сети Ethernet Иногда возникает ситуация при которой кадр должен быть доставлен всем узлам в сегменте. Тогда в поле адреса узла назначения должен быть указан адрес, который распознали бы все станции. В соответствие со стандартом таким адресом является адрес, состоящий только из единиц, т.е. FFFF. FFFF. FFFF – в шестнадцатеричной системе. коллективного использования среды передачи данных Технология Ethernet является технологией коллективного использования среды передачи данных. Это означает, что все устройства в сети должны следить за передачами в сети и конкурировать за возможность, или право, на передачу. Это также означает, что в один и тот же момент времени в сети возможна только одна передача.

49 Если более чем один узел пытается осуществить передачу, имеет место коллизия. Вследствие этого данные от разных устройств сталкиваются между собой и повреждаются. Если устройство обнаруживает, что имеет место коллизия, то его сетевой адаптер выдает сигнал повторной передачи с задержкой. Поскольку задержка перед повторной передачей определяется алгоритмом над случайными величинами, величина этой задержки различна для каждого устройства в сети. Таким образом, вероятность повторного возникновения коллизии уменьшается. Однако, если трафик в сети очень напряженный, повторные коллизии приводят к повторным передачам с задержкой, что вызывает значительное замедление работы сети.

50 Метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий В Ethernet применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (carrier sense multiple access/collision detection, CSMA/CD). Использование метода CSMA/CD позволяет устройствам конкурировать за права на передачу. Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети.

51

52

53

54

55