ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ

Лектор Азарченков А.А.

Назначение сетей ЭВМ

Компьютерной сетью называется система состоящая из двух и более компьютеров, имеющие возможность обмениваться между собой информацией

Цели использования компьютерных сетей.

Предоставление доступа к программам (совместным использованием ресурсов).

Обеспечение высокой надежности.

Экономия средств.

Масштабируемость.

Ускорение передачи информации.

Классификация сетей ЭВМ

Персональные сети (PAN – Personal Area Network) Bluetooth и ZigBee.

Локальные вычислительные сети (ЛВС или LAN – Local Area Network) Ethernet и Wi-Fi.

Муниципальные (MAN – Metropolitan AN) Wi-MAX.

Глобальные (Wide AN или ГВС) Internet.

Типы сетей

Одноранговые (равноправные) сети.

Сети на основе выделенного сервера.

Топология сетей ЭВМ

Термин «топология сети» характеризует способ организации физических связей компьютеров и других сетевых компонентов.

Все сети строятся на основе таких базовых топологий: двухточечная, шина, звезда, кольцо, полносвязная.

Двухточечная (точка-точка) - предназначена для подключения двух устройств, при котором линия связи полностью принадлежит этим устройствам

К К

Топология сетей ЭВМ

Шина (линейная шина) - используется один кабель, называемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры.

Т Т

С К … К

Звезда - все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному устройству, называемому концентратором. Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

К

К

С К К К

К К К

К Концентратор

Топология сетей ЭВМ

Кольцо - компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо

С

К К К

К К К

Полносвязная - такая сеть обладает высокой избыточностью и надежностью, так как каждый компьютер в такой сети соединен с каждым другим отдельным кабелем К К К

К К К

Среды передачи данных

Наиболее распространенной средой передачи данных между компьютерами являются:

коаксиальный кабель;

витая пара (неэкранированная и экранированная);

оптоволоконный кабель;

беспроводная среда.

Среды передачи данных

Коаксиальный кабель – недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и простой в установке. Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий (спецификация 10 Base2) и толстый (спецификация 10 Base5). Тонкий – гибкий, диаметр 0,64 см (0,25"). Прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к плате сетевого адаптера. Передает сигнал на 185 м практически без затухания. Толстый – жесткий, диаметр 1,27 см (0,5"). Его иногда называют стандартный Ethernet. Передает сигнал без затухания до 500 м.

Коаксиальный кабель

Среды передачи данных Витая пара – это два перевитых изолированных медных

провода. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защитную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними проводами и другими внешними источниками. Неэкранированная витая пара широко используется в ЛВС, максимальная длина достигает 100 м. Экранированная витая пара помещена в медную оплетку, кроме того, пары проводов обмотаны фольгой, поэтому меньше подвержен влиянию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния. Преимущества витой пары – дешевизна, простота при подключении. Недостатки – нельзя использовать при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью.

Витая пара

Среды передачи данных В оптоволоконном кабеле цифровые данные

распространяются по оптическим волокнам в виде световых импульсов. Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные. Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. Оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами: один – для передачи, другой – для приема. Скорость передачи данных от 100 Мбит/с. Расстояние - многие километры. Существенным недостатком этой технологии является дороговизна и сложность в установке и подключении.

Оптоволоконный кабель

Среды передачи данных

Беспроводная среда не означает полное отсутствие проводов в сети. Беспроводная среда обеспечивает временное подключение к существующей кабельной сети, гарантирует определенный уровень мобильности и уменьшает ограничения на протяженность сети.

Работа беспроводных сетей основана на четырех способах передачи данных: инфракрасном излучении, лазере, радиопередаче в узком диапазоне (одночастотной передаче), радиопередаче в рассеянном спектре.

Беспроводная среда

Платы сетевого адаптера

Платы сетевого адаптера (СА) выступают в качестве физического интерфейса или соединителя между компьютером и сетевым кабелем.

Плата СА выполняет:

подготовку данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;

передачу данных другому компьютеру;

управление потоком данных между компьютером и кабельной системой;

прием данных из кабеля и перевод их в форму, понятную компьютеру.

Платы сетевого адаптера

Перед передачей данных по сети, плата СА проводит электронный диалог с принимающей платой, в результате которого они устанавливают:

максимальный размер блока передаваемых данных;

объем данных, пересылаемых без подтверждения о получении;

интервал между передачами блоков данных;

интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение;

объем данных, который может принять плата без переполнения буфера;

скорость передачи.

Платы сетевого адаптера Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе можно выделить следующие задачи: распознавание данных; разбиение данных на управляемые блоки; добавление информации к каждому блоку о местонахождении

данных и получателе; добавление информации для синхронизации и проверки

ошибок; перемещение данных в сеть и отправка их по заданному адресу. Последовательность этих задач строго регламентирована, чтобы передавать данные между сетевыми адаптерами разных производителей, при их выполнении строго выполняются определенные правила – протоколы. Существует два главных набора стандартных протоколов: эталонная модель OSI и ее модификация Project 802.

Сетевое оборудование Терминаторы – это резисторы номиналом 50 Ом, которые производят затухание сигнала на концах

сегмента сети.

Концентраторы (Hub) – это центральные устройства кабельной системы или сети физической топологии «звезда», которые при получении пакета на один из своих портов пересылает его на все остальные.

Повторители (Repeater) - устройства сети, усиливает и заново формирует форму входящего аналогового сигнала сети.

Коммутаторы (Switch) - управляемые программным обеспечением центральные устройства кабельной системы, сокращающие сетевой трафик за счет того, что пришедший пакет анализируется для выяснения адреса его получателя и соответственно передается только ему.

Маршрутизаторы (Router) – стандартные устройства сети, работающие на сетевом уровне и позволяющее переадресовывать и маршрутизировать пакеты из одной сети в другую.

Мосты (Bridge) – устройства сети, которое соединяют два отдельных сегмента, ограниченных своей физической длиной, и передают трафик между ними.

Шлюзы (Gateway) – программно-аппаратные комплексы, соединяющие разнородные сети или сетевые устройства. Шлюзы позволяет различать протоколы или системы адресации.

Мультиплексоры – это устройства центрального офиса, которое поддерживают несколько сотен цифровых абонентских линий.

Межсетевые экраны (firewall, брандмауэры) – это сетевые устройства, реализующие контроль за поступающей в сеть и выходящей из нее информацией.

Сетевое оборудование

Модели взаимодействия открытых систем В 1978 г. ISO выпустила набор спецификаций, описывающих модель

взаимодействия открытых систем, т.е. систем, доступных для связи с другими системами. В 1984 г. ISO выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO. Эта версия стала международным стандартом. Ее спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов, ее придерживаются при построении сетей. Полностью модель называется ISO OSI (Open System Interconnection Reference Model).

Модель OSI не является сетевой архитектурой, так как не описывает службы и протоколы, используемые на каждом уровне. Она определяет, что должен делать каждый уровень, классифицирует то, что непосредственно работает, а именно – протоколы. Протоколом считается набор спецификаций, определяющих реализацию одного или нескольких уровней OSI.

Модель OSI имеет семь уровней. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы.

Определенные сетевые функции, выполняемые на каждом уровне, взаимодействуют только с функциями соседних уровней – выше и нижестоящего.

Модели взаимодействия открытых систем

Управление прикладными

процессами

Управление прикладными

процессами

Управление представлением

данных

Управление представлением

данных

Управление сеансами Управление сеансами

Управление передачей Управление передачей

Управление информационным

каналом

Управление информационным

каналом

Управление доступом к каналу Управление доступом к каналу

Управление физическим каналом Управление физическим каналом

Прикладной

уровень (7)

Представительский

уровень (6)

Сеансовый

уровень (5)

Транспортный уровень

4)

Сетевой

уровень (3)

Канальный

уровень (2)

Физический

уровень (7)

Модель взаимодействия открытых систем Project 802 установил стандарты для физических компонентов сети – интерфейсных плат и кабельной системы, которые работают на канальном и физическом уровнях модели OSI. Эти стандарты, называемые 802-спецификациями. Эти спецификации определяют способы, в соответствии с которыми платы СА осуществляют доступ к физической среде и передают по ней данные. Это соединение, поддержка и разъединение сетевых устройств.

Стандарты вычислительных сетей, определенные Project 802, делятся на 16 категорий, каждая из которых имеет свой номер (от 802.1 до 802.16), наиболее распространенные стандарты:

802.3 – локальная сеть (Ethernet);

802.5 – локальная сеть (Token Ring);

802.10 – безопасность сетей;

802.11 – беспроводные сети (Wi-Fi);

802.15 – персональные сети (802.15.1 – Bluetooth);

802.16 – сеть масштаба города (Wi-MAX).

Два нижних уровня модели: канальный и физический – устанавливают, каким образом несколько компьютеров могут одновременно использовать сеть. На рис. 129 показаны канальный уровень и два его подуровня:

управление логической связью (Logical Link Control, LLC) – устанавливает и разрывает канал связи, управляет потоком данных, производит упорядочение и вырабатывает подтверждение приема кадров.

управление доступом к среде (Media Access Control, MAC) – контролирует доступ к среде передачи, определяет границы кадров, обнаруживает ошибки, распознает адреса кадров. Также обеспечивает совместный доступ плат СА к физическому уровню. Этот подуровень напрямую связан с платой СА и отвечает за безошибочную передачу данных.

Методы доступа к ресурсу

Методы передачи данных

Двухточечный доступ

Коллективный доступ

С разделением канала

TDM

FDM

CDMA

С произвольным методом доступа

Споследовательным методом доступа

Протоколы опроса

Протоколы передачи маркера

Передача данных по сети При передачи информации по сети данные разбиваются на маленькие управляемые блоки, содержащие все необходимые сведения для их передачи. Эти блоки называются пакетами.

При разбиении данных на пакеты операционная система добавляет к каждому пакету специальную управляющую информацию, которая обеспечивает передачу исходных данных небольшими блоками, сбор данных в определенном порядке (при их получении), проверку данных на наличие ошибок (после сборки).

Компоненты пакета группируются по трем разделам: заголовок, данные и трейлер.

Заголовок включает:

сигнал о том, что передается пакет,

адрес источника,

адрес получателя,

информацию, синхронизирующую передачу.

Для большинства сетей размер пакета составляет от 512 байт до 4 Кбайт. Максимальный размер пакета определяет количество пакетов, которое будет создано операционной системой для передачи большого блока данных.

Сети Ethernet Ethernet – наиболее популярная архитектура

вычислительной сети. Используется в сетях любого размера.

Ethernet – это промышленный стандарт, нашедший широкую поддержку среди производителей сетевого оборудования.

Ethernet использует немодулированную передачу, топологию шина или звезда-шина (спецификация – IEEE 802.3), используется множественный метод доступа с обнаружением коллизий. Скорость передачи данных – до 10 Гбит/с. Кабельная система – толстый и тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно.

Ethernet разбивает данные на пакеты длиной 64–1518 байтов. Максимальная общая длина сети 925 м. Общее число компьютеров в сети достигает 1024.

Сети Token Ring Версия сети Token Ring появились в 1984 г. как способ объединения в сеть

всего ряда выпускаемых компьютеров и компьютерных систем компанией IBM. В 1985 г. Token Ring стала стандартом ANSI/IEEE.

Сеть Token Ring является реализацией стандарта IEEE 802.5. От других сетей ее отличает не только наличие уникальной кабельной системы, но и использование метода доступа с передачей маркера. Топология типичной сети – звезда/кольцо. Соединение выполняется через концентратор в виде звезды, а физическое кольцо реализуется в концентраторе. Кабельная система – витая пара. Скорость передачи 4 и 16 Мбит/с.

Когда в сети начинает работать первый компьютер, он генерирует маркер. Маркер проходит по кольцу от компьютера к компьютеру (направление движения маркера зависит от оборудования), пока один из них не сообщит о готовности передать данные и не возьмет управление маркером на себя.

Основным компонентом сетей Token Ring является концентратор, реализующий физическое кольцо. В сети с передачей маркера, вышедший из строя компьютер или соединение останавливают движение маркера, что ведет к прекращению работы всей сети. Концентраторы разработаны таким образом, чтобы обнаруживать вышедшую из строя плату СА и вовремя отключать ее.

Сетевые протоколы

Протоколы – это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления некоторой связи. Различают три определяющих свойства протоколов.

Каждый протокол предназначен для различных задач и имеет свои преимущества и недостатки.

Протоколы работают на разных уровнях модели OSI. Функции протокола определяются уровнем, на котором он работает.

Несколько протоколов могут работать совместно. Тогда они образуют так называемый стек (набор протоколов).

Сетевые протоколы TCP/IP – стандартный промышленный набор протоколов, обеспечивающий связь в неоднородной среде, т.е. между компьютерами разных типов. Совместимость – одно из основных преимуществ TCP/IP, поэтому его поддерживают большинство локальных вычислительных сетей. Кроме того, TCP/IP предоставляет маршрутизируемый протокол для корпоративных сетей и доступ в Интернет. У TCP/ IP есть два главных недостатка: большой размер и относительно низкая скорость работы. Стек TCP/IP включает протоколы, некоторые из них перечислены ниже:

HTTP (HyperText Transfer Protocol) – для обмена гипретекстовых страниц;

FTP (File Transfer Protocol) - для обмена файлами;

SMTP, POP3, IMAP4 – для обмена E-mail;

ICQ – для обмена мгновенными сообщениями;

BitTorrent – для организации распределенного хранения и получения файлов;

SNMP (Simple Network Management Protocol) – для управления сетью.

Сетевые протоколы Набор протоколов TCP/IP в точности не соответствует модели OSI. Вместо семи уровней в нем используется только четыре:

уровень сетевого интерфейса;

межсетевой уровень;

транспортный уровень;

прикладной уровень.

Каждый из них соответствует одному или нескольким уровням модели OSI.

Уровень сетевого интерфейса, относится к физическому и канальному уровням модели OSI, реализует интерфейс между сетевой архитектурой (Ethernet или Token Ring) и межсетевым уровнем.

Межсетевой уровень, относится к сетевому уровню модели OSI, использует несколько протоколов для маршрутизации и доставки пакетов.

Транспортный уровень, соответствует транспортному уровню модели OSI, отвечает за установку и поддержание соединения между двумя хостами, также за отправку уведомлений о получении данных, управление потоком, упорядочение пакетов и их повторную передачу. Transmission Control Protocol (TCP) отвечает за надежную передачу данных между узлами. Это ориентированный на соединение протокол, поэтому он устанавливает сеанс связи между двумя компьютерами прежде, чем начать передачу.

Прикладной уровень, соответствует сеансовому, представительскому и прикладному уровням модели OSI, соединяет в сети приложения.

Internet как иерархия сетей Слово Internet происходит от выражения interconnected

networks (связанные сети). Это глобальное сообщество малых и больших сетей. В широком смысле – это глобальное информационное пространство, хранящее огромное количество информации на миллионах компьютеров, которые обмениваются данными.

Основным протоколом Internet является протокол TCP/IP, широко используется технология гипертекстовых документов (WWW – World Wide Web) позволяющая пользователям иметь доступ к любой информации, находящейся в сети Интернет на компьютерах по всему миру.

Доступ к сети Internet конечного пользователя осуществляется с помощью, так называемых провайдеров. После установки связи с провайдером компьютер пользователя становится частью сети.

Протоколы Internet Различают два типа протоколов: базовые и прикладные. Базовые протоколы отвечают за физическую пересылку

сообщений между компьютерами в сети Internet. Это протоколы IP (Internet Protocol – протокол Интернет) и TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей). Архитектура протоколов TCP/IP предназначена для объединения сетей. В их качестве могут выступать разные ЛВС (Token Ring, Ethernet и др.), различные национальные, региональные и глобальные сети

Прикладными называют протоколы более высокого уровня, они отвечают за функционирование специализированных служб. Так, протокол HTTP используют для передачи гипертекстовых сообщений, протокол FTP – для передачи файлов, SMTP – для передачи электронной почты.

Адресация в Internet Каждому компьютеру, подключенному к Интернету, присваивается,

идентификационный номер, который называется IP-адресом.

При сеансовом подключении к Интернету IP-адрес выделяется компьютеру на время этого сеанса или назначается статически.

IP-адрес имеет формат ххх. ххх. ххх. ххх, где ххх – числа от 0 до 255. Рассмотрим типичный IP-адрес: 192.168.128.5. Для облегчения запоминания IP-адрес обычно выражают рядом чисел в десятичной системе счисления, разделенных точками. Но компьютеры хранят его в двоичной форме. Так, тот же IP-адрес в двоичном коде будет выглядеть так: 11000000. 10101000. 10000000. 00000101.

Четыре числа в IP-адресе называются октетами, так как в каждом из них при двоичном представлении имеется восемь разрядов. Так как каждая из восьми позиций может иметь два различных состояния: 1 или 0, общий объем возможных комбинаций составляет 28 или 256, т.е. каждый октет может принимать значения от 0 до 255. Комбинация четырех октетов дает примерно 4,3 млрд. комбинаций, за исключением некоторых зарезервированных адресов.

Адресация в Internet На ранней стадии своего развития Интернет состоял из

небольшого количества компьютеров, объединенных модемами и телефонными линиями. Тогда пользователи могли установить соединение с компьютером, набрав цифровой адрес, например 163.25.51.132. Это было удобно, пока компьютеров было мало. По мере увеличения их количества цифровые имена стали заменять текстовыми, потому что текстовое имя проще запомнить, чем цифровое. Возникла проблема автоматизации этого процесса, тогда была создана так называемая DNS-система (Domain Name System), которая автоматически устанавливала соответствие между текстовыми именами и IP-адресами.

Таким образом, при пересылке информации компьютеры используют цифровые адреса, люди – буквенные, а DNS-сервер служит своеобразным переводчиком.

Доменные имена В доменной системе имен реализуется принцип назначения имен с

определением ответственности за их подмножество соответствующих сетевых групп.

Пример. Рассмотрим адрес 𝐼𝑖𝑃𝑂. 𝑡𝑢 − 𝐵𝑟𝑦𝑎𝑛𝑠𝑘. 𝑟𝑢. Первым в имени стоит название рабочей машины – реального компьютера с IP-адресом. Это имя создано и поддерживается группой 𝑡𝑢 − 𝐵𝑟𝑦𝑎𝑛𝑠𝑘, которая входит в более крупное подразделение 𝑟𝑢 – российской части Internet. Данный ресурс будет доступен, если использовать его IP-адрес: 192.168.128.5.

Достаточно часто в доменном имени используют следующие признаки первого уровня:

com – коммерческие предприятия,

edu – образовательные учреждения,

gov – государственные учреждения,

mil – военные организации,

net – сетевые образования,

org – учреждения других организаций и сетевых ресурсов

Доменные имена Внутри каждого доменного имени первого уровня находится целый ряд доменных имен второго уровня. Домен верхнего уровня располагается в имени правее, а домен нижнего уровня – левее.

Во время приема запроса на перевод доменного имени в IP-адрес DNS-сервер выполняет одно из следующих действий:

отвечает на запрос, выдав IP-адрес, если знает IP-адрес запрашиваемого домена;

взаимодействует с другим DNS-сервером для того, чтобы найти IP-адрес запрошенного имени, если он его не знает (такой запрос может проходить по цепочке DNS-серверов несколько раз);

выдает сообщение: «Я не знаю IP-address домена, запрашиваемого вами, но вот IP-address DNS-сервера, который знает больше меня»;

сообщает, что такой домен не существует.

Одна из причин надежной работы этой системы – её избыточность. Существует множество DNS-серверов на каждом уровне, и поэтому если один из них не может дать ответ, то точно существует другой, на котором есть необходимая информация.

Система адресации URL Чтобы найти документ в сети Интернет, достаточно знать ссылку на него – так называемый универсальный указатель на ресурс URL (Uniform Resource Locator – унифицированный указатель ресурса), который указывает местонахождение каждого файла, хранящегося на компьютере, подключенном к Интернет.

Адрес URL является сетевым расширением понятия полного имени ресурса, например файла или приложения и пути к нему в операционной системе. В URL, кроме имени файла и директории, где он находится, указывается сетевое имя компьютера, на котором этот ресурс положен, и протокол доступа к ресурсу, который можно использовать для обращения к нему.

Пример. ℎ𝑡𝑡𝑝://𝑤𝑤𝑤. 𝑡𝑢 − 𝐵𝑟𝑦𝑎𝑛𝑠𝑘. 𝑟𝑢/𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑡/𝑜𝑏𝑠/ℎ𝑖𝑠𝑡. ℎ𝑡𝑚𝑙

Первая часть ℎ𝑡𝑡𝑝:// (Hypertext Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста, по которому обеспечивается доставка документа с Web-сервера, указывает браузеру, что для доступа к ресурсу применяется данный сетевой протокол.

Вторая часть 𝑤𝑤𝑤. 𝑡𝑢 − 𝐵𝑟𝑦𝑎𝑛𝑠𝑘. 𝑟𝑢 указывает на доменное имя.

Третья часть 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑡/𝑜𝑏𝑠/ℎ𝑖𝑠𝑡. ℎ𝑡𝑚𝑙 показывает программе-клиенту, где на данном сервере искать ресурс. В данном случае ресурсом является файл в формате ℎ𝑡𝑚𝑙, а именно ℎ𝑖𝑠𝑡. ℎ𝑡𝑚𝑙, который находится в папке ℎ𝑖𝑠𝑡, размещенной в папке 𝑜𝑏𝑠.

Система адресации URL В общем случае формат URL имеет вид: (протокол доступа) [://<домен>: <порт>](/<директория><имя ресурса>[/<параметры запроса>].

Первая часть URL соответствует используемому протоколу доступа, например HTTP:// (протокол передачи гипертекста), FTP:// (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов) и т.д.

Вторая часть URL-адреса указывает доменное имя, а также может указывать номер порта. Любой сервер предоставляет сервис, используя нумерованные порты. При этом каждая служба имеет свой номер порта. Клиенты подключаются к сервису по уникальному IP-адресу и по конкретному номеру порта. Так, если на компьютере функционируют Web-сервер и FTP-сервер, то обычно web-сервер будет доступен по порту 80, а FTP-сервер – по порту 21. Каждый из распространенных сервисов имеет свой стандартный номер порта: WWW – 80, FTP – 21, ECHO – 7, TELNET – 23, SMTP – 25, GOPHER – 70 и т.д. Если номер порта не указан, то по умолчанию предполагается 80. В рассмотренном примере номер порта указан не был, поэтому он будет определен по умолчанию в связи с именем используемого протокола, в данном случае - HTTP.

Третья часть URL-адреса – путь доступа к файлу – аналогичен пути к файлу на клиентском компьютере. Если этот путь не указан, по умолчанию используется стандартный отклик, определяемый в настройках Web-сервера. В частности, стандартным откликом на HTTP-запрос для ряда Web-серверов является вывод файла с именем index.html.