Основы работы компьютерной сети 6 ОГЛАВЛЕНИЕ Основы работы компьютерной сети.. 5 Сетевой кабель.. 24 Элементы сетевой коммуникации.. 53 Коммуникационные службы... 70 Глобальные сети.. 72 Протоколы... 84 Алгоритмы маршрутизации.. 103 Содержание разделов дисциплины 1. Введение в сети ЭВМ. Базовые понятия. Классификация информационно-вычислительных сетей. Способы коммутации. Сети одноранговые и "клиент/сервер". Уровни и протоколы. Эталонная модель взаимосвязи открытых систем. 2. Внешние каналы передачи информации. Аналоговые каналы передачи данных. Способы модуляции. Модемы. Цифровые каналы передачи данных. Разделение каналов но времени и частоте. Характеристики проводных линий связи. Спутниковые каналы. Сотовые системы связи. GSM. GPRS. 3. Кодирование и передача информации. Количество информации и энтропия. Самосинхронирующиеся коды. Способы контроля правильности передачи информации. Алгоритмы сжатия данных. 4. Локальные сети. Локальные вычислительные сети. Методы доступа. Множественный доступ обнаружением конфликтов. Разновидности сетей Ethernet. Оборудование сетей Ethernet. Маркерные методы доступа. Сети Token Ring и FDD1.Высокоскоростные локальные сети. 5. Протоколы компьютерных сетей. Функции сетевого и транспортного уровней. Адресация в Internet. Протоколы TCP/IP. Алгоритмы маршрутизации. Протоколы управления. 6. Глобальные сети. Особенности технологий Frame Relay. ATM. SDH.Организация корпоративных сетей. 7. Internet и WEB. Технологии распределенных вычислении. Структура и информационные услуги территориальных сетей. Протоколы файлового обмена, электронной почты, дистанционного управления. Виды конференц-связи. Web-технологии. Языки и средства создания Web-приложений. Рекомендуемая литература Основная 1. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд./В.Г.Олифер, М.А.Олифер.-СПб.: «Питер». 200З.-864е. 2. Компьютерные сети. Учебный курс.- Microsoft Press. «Русская редакция». 1999.-576с. 3. Тапенбаум Э. Компьютерные сети.-СПб.: «Питер». 2002.- 848сиил 4. Сетевые операционные системы/В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. СПБ.:"Питер". 2001.-544сиил. Дополнительная 1. Андерсон К. Минаси М. Локальные сети. Полное руководство.- К.: Вск+.М.:ЭНТРОП, 1999.-624с. 2. Олифер В.Г.. Олифер И.А. Новые технологии и оборудование IP-сетей.- CПБ.: БХВ- Санкт-Петербург. 2000.- 512с. 3. Новиков К.В.. Кондратенко С.В. Локальные сети: архитектура, алгоритмы, проектирование. М.: Издательство ЭКОМ. 2001.-312с.: Основы работы компьютерной сети Концепция сети Система независимых компьютеров, связанных друг с другом с целью совместного использования данных и периферийных устройств (например, жестких дисков и принтеров). Ключевые слова в этом определении — «совместное использование». Именно эта возможность делает компьютерные сети такими привлекательными. Люди обмениваются информацией и получают ее так же, как и компьютеры. Чтобы побольше узнать, мы стремимся изучить как можно больше разных источников. Так, дабы освоить те же компьютеры, мы черпаем информацию, общаясь со специалистами, занимаясь на курсах или читая книги, подобные этой. Но в любом случае мы взаимодействуем с другими людьми, которые составляют некое подобие нашей информационной «сети». Типы компьютерных сетей Самая простая сеть (network) состоит, как минимум, из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем, что позволяет им обмениваться данными. Все сети (независимо от сложности) основаны именно на этом простом принципе. Хотя идея соединения компьютеров с помощью кабеля не кажется нам особо выдающейся, в свое время она считалась значительным достижением в области коммуникаций. Рождение компьютерных сетей вызвано практической потребностью в совместном использовании данных. Персональный компьютер — прекрасный инструмент для создания документов, подготовки таблиц, графических данных и других типов данных, но сам по себе он не позволяет Вам быстро поделиться результатами своей работы с коллегами. Когда не было сетей, приходилось распечатывать каждый документ, чтобы другие пользователи могли работать с ним, или в лучшем случае — копировать информацию на дискеты. При редактировании копий документа несколькими пользователями было очень трудно собрать все изменения в одном документе. Подобная схема работы называется работой в автономной среде. Рисунок 1 - Автономная среда Рисунок 2 - Переносная сеть Копирование файлов на другой компьютер с помощью дискет раньше называли «переносной» сетью. Такой способ передачи данных использовали (а, может быть, и до сих пор используют) многие люди. Такой способ обмена информации имеет свои, но все же он слишком медленный и не удовлетворяет потребностям сегодняшних пользователей. Объем данных и расстояния, на которые хотелось бы их передать, намного превышают возможности «переносной» сети. Если бы компьютер, изображенный на рисунке 1, был подключен к другим, он смог бы использовать их данные и принтеры. Группа соединенных компьютеров и других устройств называется сетью, а концепция соединенных и совместно использующих ресурсы компьютеров — сетевым взаимодействием. Рисунок 3 - Простая компьютерная сеть Назначение компьютерной сети Используя даже самые мощные, но не объединенные в сеть компьютеры, Вам не удастся значительно повысить эффективность труда и снизить затраты. Достигается это за счет: • совместного использования информации (данных); • совместного использования оборудования и программного обеспечения; • централизованного администрирования и обслуживания. Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно работать с: · документами (служебными записками, электронными таблицами, счетами и т. д.); · сообщениями электронной почты; · текстовыми процессорами; · программами по управлению проектами; · иллюстрациями, фотографиями, видео - и аудиофайлами; · «живыми» аудио - и видеопотоками; · принтерами; · факсимильными аппаратами; · модемами; · приводами CD-ROM и другими съемными носителями (например, дисковода ми Zip и Jazz); · жесткими дисками и многими другими устройствами. Возможности сетей постоянно расширяются, поскольку появляются новые способы обмена данными с помощью компьютеров. Совместное использование информации Главная причина, по которой используют сети, — быстрый и дешевый обмен данными. Было установлено, что люди используют Интернет в основном для работы с электронной почтой. Поэтому многие организации создают сети исключительно для того, чтобы иметь возможность работать с сетевыми программами электронной почты и планировать рабочий день. Компьютерные сети экономят бумагу и упрощают обмен информацией, предоставляя пользователям быстрый доступ к любым типам данных. Благодаря сетевым программам менеджеры успешно взаимодействуют со множеством сотрудников или с партнерами по бизнесу, а планирование и управление деятельностью всей компании осуществляется гораздо быстрее и эффективнее. Рисунок 4 - Планирование совещания с помощью Microsoft Outlook Совместное использование оборудования и программного обеспечения До появления компьютерных сетей каждому пользователю приходилось приобретать персональные принтер, плоттер и другие периферийные устройства. Для совместного использования принтера существовал единственный способ — пересесть за компьютер, подключенный к этому принтеру. На рисунке 5 изображена типичная автономная рабочая станция с принтером. Рисунок 5 - Использование принтера в автономной среде Теперь множество пользователей, работающих в сети, получили возможность одновременно «владеть» данными и периферийными устройствами. Если кому-то из них надо распечатать документ, он обращается к сетевому принтеру. На рисунке 6 изображена типичная сетевая среда, в которой 5 рабочих станций совместно используют один принтер. Рисунок 6 - Использование принтера в сетевой среде В сетях создаются отличные условия для унификации приложений (например, текстового процессора). Это значит, что на всех компьютерах в сети выполняются приложения одного типа и одной версии. Использование унифицированного приложения упрощает обслуживание сети. Действительно, проще изучить одно приложение, чем осваивать сразу четыре или пять. Два основных типа сетей: ЛВС и ГВС Компьютерные сети разделяют на две группы в зависимости от их размеров и назначения. Основой для построения сети любого масштаба является локальная вычислительная сеть (ЛВС). Она бывает как простой (два компьютера, соединенные кабелем), так и сложной (сотни соединенных компьютеров и периферийных устройств на крупном предприятии). Отличительная черта ЛВС такова: все устройства, входящие в нее, расположены на ограниченной территории. Рисунок 7 - Локальная вычислительная сеть(ЛВС) Конфигурация сети Основные понятия Все сети имеют некоторые общие компоненты, функции и характеристики. В их числе: • серверы (servers) — компьютеры, чьи ресурсы доступны сетевым пользователям; • клиенты (clients) — компьютеры, которые осуществляют доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым серверами; • среда передачи (media) — способ соединения компьютеров; • совместно используемые данные — файлы, предоставляемые серверами по сети; • совместно используемые периферийные устройства, например принтеры, библиотеки CD-ROM и т. д., — ресурсы, предоставляемые серверами. Рисунок 8 - Типичные элементы сети Несмотря на отмеченное сходство, сети подразделяются на два типа: одноранговые (peer-to-peer); на основе сервера (server based). Между этими двумя типами сетей существуют принципиальные различия, именно ими предопределены разные возможности этих сетей. Выбор типа сети зависит от многих факторов: • размера предприятия; • требуемой степени безопасности; • вида бизнеса; • доступности административной поддержки; • объема сетевого трафика; • потребностей сетевых пользователей; • уровня финансирования. Рисунок 9 - Типы сетей Одноранговые сети В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного (dedicated) сервера. Обычно каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер — иначе говоря, нет компьютера, ответственного за всю сеть. Пользователи сами решают, какие данные на своем компьютере сделать доступными в сети. Рисунок 10 - Одноранговая сеть Одноранговые сети чаще всего объединяют не более 10 компьютеров. Отсюда их другое название — рабочая группа (workgroup), то есть небольшой коллектив пользователей. Для одноранговых сетей характерен ряд стандартных решений: • компьютеры расположены на рабочих столах пользователей; • пользователи сами выступают в роли администраторов и обеспечивают защиту информации; • объединение компьютеров требует несложной в монтаже кабельной системы. Хотя одноранговые сети вполне удовлетворяют потребностям небольших фирм, иногда возникают ситуации, когда их использовать не стоит. Вот некоторые соображения, которые Вы должны иметь в виду, выбирая тип сети. Сетевое администрирование (administration) необходимо для решения ряда задач, в том числе: • управления правами доступа и привилегиями пользователей и организации защиты данных; • обеспечения доступа к ресурсам; • сопровождения приложений и данных; • установки и модернизации программного обеспечения. В типичной одноранговой сети системный администратор, контролирующий всю сеть, не назначается. Каждый пользователь сам администрирует свой компьютер. В одноранговой сети каждый компьютер должен: • большую часть своих вычислительных ресурсов предоставлять локальному пользо­вателю (работающему на этом компьютере); • оставшиеся вычислительные мощности предоставлять сетевым пользователям для поддержки доступа к своим ресурсам. Сеть на основе сервера (по сравнению с одноранговой) требует более мощных серверов, поскольку они обрабатывают запросы всех сетевых клиентов. Защитить сеть — значит установить пароль на использование сетевого ресурса, например каталога. Централизованно управлять защитой в одноранговой сети очень сложно, так как каждый пользователь реализует ее самостоятельно, да и «общие» ресурсы, как правило, находятся на всех компьютерах, а не только на центральном сервере. Такая ситуация представляет серьезную угрозу для всей сети, кроме того, некоторые пользователи вообще не хотят устанавливать защиту. Если конфиденциальность информации важна для Вас, рекомендуем выбрать сеть на основе сервера. Сети на основе сервера Если к одноранговой сети, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, подключить более 10 пользователей, она может не справиться с объемом работы. Поэтому большинство сетей имеют другую конфигурацию — они работают на основе выделенного сервера. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер и не используется в качестве клиента или рабочей станции. Он оптимизирован для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и обеспечивает защиту файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом, и именно их мы будем рассматривать в этом курсе. Рисунок 11 - Сеть на основе сервера При росте размеров сети и объема сетевого трафика необходимо увеличивать ко­личество серверов. Распределение задач между несколькими серверами гарантирует, что каждая задача будет выполняться наиболее эффективно. Специализированные серверы Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Для того чтобы серверы отвечали современным требованиям пользователей, в больших сетях их делают специализированными (specialized). В больших сетях могут работать различные типы серверов (Рисунок 12). Серверы файлов и печати Серверы файлов и печати управляют доступом пользователей соответственно к файлам и принтерам. Так, чтобы работать с текстовым процессором, Вам прежде всего надо запустить его на своем компьютере. Документ текстового процессора, хранящийся на сервере файлов, загружается в память вашего компьютера, и теперь Вы можете работать с этим документом на своем компьютере. Другими словами, сервер файлов предназначен для хранения данных. Серверы приложений На серверах приложений выполняются прикладные части клиент-серверных программ, а также хранятся данные, доступные клиентам. Например, чтобы ускорить поиск данных, серверы хранят большие объемы информации в структурированном виде. Серверы этого типа отличаются от серверов файлов и печати. В последних файл или данные целиком копируются на запрашивающий компьютер. А в сервере приложений на клиентский компьютер пересылаются только результаты запроса. Приложение-клиент на удаленном компьютере получает доступ к данным, со­храняемым на сервере приложений. Однако, вместо всей базы данных, на Ваш компьютер с сервера загружаются только результаты запроса. Например, список только тех, кто родился в ноябре, а не полный перечень сотрудников. Почтовые серверы Почтовые серверы управляют передачей сообщений электронной почты между пользователями сети. Серверы факсов Серверы факсов регулируют потоки входящих и исходящих факсимильных сообщений через один или несколько факс-модемов. Коммуникационные серверы Коммуникационные серверы (серверы связи) управляют проходящим через модем и телефонную линию потоком данных и почтовых сообщений между своей сетью и другими сетями, мэйнфреймами или удаленными пользователями. Серверы служб каталога Каталог (directory) содержит данные о структуре сети, что помогает пользователям находить, сохранять и защищать информацию в сети. Некоторые серверные опера­ционные системы объединяют компьютеры в логические группы — домены (domains), система защиты которых обеспечивает различным пользователям неодинаковые права доступа к сетевым ресурсам. В большой сети применение серверов разных типов требует особого внимания. Необходимо учитывать все возможные нюансы, которые могут проявиться при разрастании сети. Иначе, изменив специализацию какого-либо сервера в дальнейшем, Вы рискуете нарушить работу всей сети. Рисунок 12 - Специализированные сервера Сервер и сетевая операционная система работают как единое целое. Однако без ОС даже самый мощный сервер представляет собой лишь груду железа. Именно ОС позволяет реализовать весь потенциал аппаратных ресурсов сервера, а разработчиков некоторых ОС типа Microsoft и Novell специально ориентируют на использование самых передовых серверных технологий. Хотя сети на основе серверов сложнее устанавливать и настраивать, они во многом превосходят одноранговые сети. Сервер спроектирован так, что способен предоставить доступ ко множеству файлов и принтеров, гарантируя при этом высокую производительность и защиту. Администрирование и управление доступом к данным осуществляется централизованно. Ресурсы, как правило, расположены также в одном месте, что облегчает их поиск и обслуживание. Основной фактор, определяющий выбор сети на основе сервера — это, как правило, надежность защиты данных. В сетях на основе сервера проблемами безопасности обычно занимается один администратор: он формирует единую политику безопасности (security policy) и применяет ее в отношении каждого сетевого пользователя. Поскольку жизненно важная информация расположена централизованно, то есть сосредоточена на одном или нескольких серверах, нетрудно проводить ее регулярное резервное копирование (backup). Рисунок 13 - Администратор управляет сетевой защитой Благодаря избыточным системам данные на любом сервере могут дублироваться в реальном режиме времени, поэтому при повреждении основного хранилища информация не теряется — запасное хранилище всегда к Вашим услугам. Сети на основе сервера способны поддерживать тысячи пользователей. Одноранговыми сетями такого размера, существуй они в реальности, управлять было бы невозможно. Так как клиентский компьютер не выполняет функций сервера, требования к его характеристикам определяет сам пользователь. Типичный компьютер-клиент имеет как минимум процессор Pentium и 32 Мб оперативной памяти. Компоновка сети Топология сети Топология (topology), или «топология сети», — это стандартный термин, который используется профессионалами при описании базовой схемы сети. Он обозначает физическое расположение компьютеров, кабелей и других сетевых компонентов. Кроме этого термина для описания физической компоновки сети употребляют также следующие: • физическое расположение; • компоновка; • карта; • схема. Характеристики сети зависят от типа устанавливаемой топологии. В частности, выбор той или иной топологии влияет на: • состав необходимого сетевого оборудования; • возможности сетевого оборудования; • возможности расширения сети; • способ управления сетью. Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель. Базовые топологии Все сети строятся на основе четырех базовых топологий, известных как: • «шина» (bus); • «звезда» (star); • «кольцо» (ring); • ячеистая (mesh). Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля [сегмента (segment)], топология называется «шиной». В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки [концентратора (hub)], топология называется «звездой». Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название «кольца», а если все компьютеры соединены друг с другом отдельными кабелями, топология называется ячеистой. Сами по себе базовые топологии несложны, однако на практике часто встречаются довольно сложные их комбинации, сочетающие свойства и характеристики нескольких топологий. «Шина» Топологию «шина» часто называют «линейной шиной» (linear bus). В ней используется один кабель, именуемый магистралью, к которому подключены все компьютеры сети. Этот вид топологии считается наиболее простым и весьма распространен. Рисунок 14 - Сеть с топологией “шина” В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по «шине», Вы должны хорошо понимать, что такое • передача сигнала; • отражение сигнала; • терминатор. Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот компьютер, чей адрес совпадает с адресом по­лучателя, зашифрованном в этих сигналах. Причем в каждый момент времени вести передачу может только один компьютер. Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером в каждый момент времени, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, тем большее их число ожидает передачи, и тем медленнее сеть. Рисунок 15 - Отправка сообщения от компьютера 0020afl51d8b компьютеру 02608с 133456 Однако построить прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя, поскольку кроме числа компьютеров на быстродействие сети влияет множество других факторов, например: • тип аппаратного обеспечения сетевых компьютеров; • частота, с которой компьютеры передают данные; • тип работающих сетевых приложений; • тип сетевого кабеля; • расстояние между компьютерами в сети. Компьютеры в сети с топологией «шина» только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если какой-либо компьютер выйдет из строя, это не скажется на работе сети. Электрические сигналы распространяются по кабелю. Если Вы не предпримете никаких специальных мер, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и создавать помехи, что затруднит или сделает невозможной последующую передачу. Поэтому на концах кабеля электрические сигналы необходимо гасить. Для того чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы. Каждый конец сетевого кабеля должен быть к чему-нибудь подключен: к компьютеру или к баррел-коннектору (его используют для увеличения длины кабеля). К любому свободному, то есть ни к чему не подключенному, концу кабеля нужно подсоединять терминатор. Целостность сетевого кабеля нарушается при его разрыве или отсоединении одного, из его концов. Иногда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, это приводит к отражению электрических сигналов и, как следствие, к «падению» сети. Компьютеры остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом. Тем не менее они будут пытаться установить между собой связь, что замедлит их работу. Расширение ЛВС Рисунок 16 - Терминаторы поглощают сигнал Кабель обычно удлиняют двумя способами. Для соединения двух отрезков кабели используют баррел-коннектор. Но злоупотреблять им не стоит, так как сигнал при этом ослабевает. Лучше воспользоваться одним длинным кабелем, чем соединять несколько коротких. При множестве «стыковок» нередко происходит искажение сигнала. BNC -баррел-коннектор Рисунок 17 - Отрезки кабеля соединены баррел-коннектором Для соединения двух отрезков кабеля используют повторитель (repeater). В отличие от коннектора, он усиливает сигнал перед передачей его в следующий сегмент. Понятно, что он лучше работает, чем баррел-коннектор или даже длинный кабель: сигналы на большие расстояния передаются без искажений. «Звезда» При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту — концентратору (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на начальном этапе развития вычислительной техники, когда компьютеры подключались к центральному, главному, компьютеру. Рисунок 18 - Сеть с топологией “звезда” В сетях такого типа компьютеры к сети подключаются централизованно. Но есть и недостатки: для больших сетей требуется много кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, остановится вся сеть. А если засбоит только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь он не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети этот сбой не повлияет. «Кольцо» При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто нет свободного конца, на который надо поставить терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер вы­ступает в роли повторителя, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает действовать вся сеть. Рисунок 19 - Сеть с топологией «кольцо» Один из способов передачи данных по кольцевой сети называется передачей маркера. Маркер (token) — это специальная последовательность бит, передающаяся по сети; в каждой сети существует только один маркер. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот компьютер, который «хочет» послать данные. Передающий компьютер видоизменяет маркер, добавляет к нему данные и адрес получателя и отправляет его дальше по «кольцу». Рисунок 20 - Компьютер захватывает маркер и передает его по «кольцу» Данные проходят через каждый компьютер, пока не попадают к тому, чей адрес совпадает с адресом получателя. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть. На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле скорость его движения сопоставима со скоростью света. В «кольце» диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 477 376 оборотов в секунду. Ячеистая топология Сеть с ячеистой топологией обладает высокой избыточностью и надежностью, так как каждый компьютер в такой сети соединен с любым другим отдельным кабелем. Сигнал от компьютера-отправителя до компьютера-получателя может проходить по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не сказывается на работоспособности сети. Основной недостаток такой топологии — большие затраты на прокладку кабеля, что компенсируется высокой надежностью и простотой обслуживания. Рисунок 21 - В сети с ячеистой топологией каждый компьютер соединен с любым другим отдельным кабелем Концентраторы В настоящее время концентратор стал одним из стандартных компонентов сетей. А в сетях с топологией «звезда» он служит центральным узлом. Рисунок 22 - Концентратор - центральный узел в сети с топологией “звезда” Активные концентраторы Концентраторы подразделяются на активные и пассивные. Первые регенерируют и передают сигналы так же, как повторители. Не случайно их называют многопортовыми повторителями — обычно они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров. Активные концентраторы надо обязательно подключать к электросети. Пассивные концентраторы К ним относятся, например, монтажные или коммутирующие панели. Они просто пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивные концентраторы не надо подключать к электросети. Гибридные концентраторы Гибридными (hybrid) называются концентраторы, к которым можно подсоединить кабели различных типов. Рисунок 23 - Гибридный концентратор Преимущества использования концентраторов Разрыв кабеля в сети с топологией «линейная шина» приводит к «падению» всей сети. Между тем разрыв кабеля, подключенного к концентратору, нарушает работу только данного сегмента. Остальные сегменты остаются работоспособными. Установка концентраторов обеспечивает и другие преимущества: • простоту изменения конфигурации сети или ее расширения: достаточно подключить еще один компьютер или концентратор; • использование различных портов для подключения кабелей разных типов; • централизованный контроль за работой сети и сетевым трафиком. Рисунок 24 - От сети отключается только тот компьютер, кабель которого отсоединился или порвался Комбинированные топологии Сегодня при построении сети все чаще используются комбинированные топологии, которые сочетают отдельные свойства «шины», «звезды», «кольца» и ячеистой топологии. «Звезда» — «шина» «Звезда» — «шина» (star-bus) — это, как Вы понимаете, комбинация топологий «шина» и «звезда». Обычно схема выглядит так: несколько сетей с топологией «звезда» объединяются при помощи магистральной линейной шины. В этом случае выход из строя одного компьютера не сказывается на работе всей сети — остальные компьютеры по-прежнему будут взаимодействовать друг с другом. А сбой в работе концентратора влечет за собой отсоединение от сети только подключенных к нему компьютеров и концентраторов. Рисунок 25 - Сеть с топологией “звезда-шина” «Звезда» - «кольцо» «Звезда» - «кольцо» (star-ring) несколько похожа на «звезду» - «шину». И в той и в другой топологиях компьютеры подключаются к концентраторам. Отличие состоит в том, что концентраторы в «звезде» - «шине» соединены магистральной линейной шиной, а в «звезде» - «кольце» все концентраторы подключены к главному концентратору, образуя «звезду». «Кольцо» же реализуется внутри главного концентратора. Рисунок 26 - Сеть с топологией звезда-кольцо Одноранговые сети Одноранговые сети, зачастую строят, используя физическую топологию «звезда» или «шина». Однако, физическая топология в данном случае не совпадает с логической, потому что все компьютеры в сети равноправны Рисунок 27 - Логическая топология одноранговой сети Сетевой кабель Основные группы кабелей Подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения провода, или кабели. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами На практике в большинстве сетей применяются только три основные группы кабелей: • коаксиальный кабель (coaxial cable); • витая пара (twisted pair): • неэкранированная витая пара (unshielded); • экранированная витая пара (shielded); • оптоволоконный кабель (fiber optic). Коаксиальный кабель Относительно недорогой, легок, гибок и удобен в применении, надежен и прост в установке. Самый простой коаксиальный кабель состоит из медной жилы (core), забранной изоляцией, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки. Некоторые типы кабелей покрывает металлическая сетка — экран (shield). Он защищает передаваемые по кабелю данные, поглощая внешние электромагнитные сигналы, которые называются помехами, или шумом (noise). Таким образом, экран не позволяет помехам искажать данные. Если кабель, кроме металлической оплетки, защищен и слоем фольги, он называется кабелем с двойной экранизацией. При наличии сильных помех можно воспользоваться кабелем с учетверенной экранизацией. Он защищен двойным слоем фольги и двойным слоем металлической оплетки. Рисунок 28 - Строение коаксиального кабеля Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Жила — это один провод (сплошная жила) или пучок проводов. Сплошную жилу изготавливают, как правило, из меди. Жила окружена диэлектрическим (dielectric) изоляционным слоем, который отделяет ее от металлической оплетки. Оплетка играет роль «земли» и защищает жилу от электрических шумов и перекрестных помех (crosstalk) — электрических наводок, вызванных сигналами в соседних проводах. Проводящая жила и металлическая оплетка не должны соприкасаться, иначе происходит короткое замыкание, и данные разрушаются. Снаружи кабель покрыт непроводящим слоем — резиной, тефлоном или пластиком. Коаксиальный кабель более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше, чем в витой паре. Затухание (attenuation) — это ослабление сигнала при его прохождении по кабелю. Рисунок 29 - Затухание сигнала приводит к ухудшению его качества Существует два типа коаксиальных кабелей: • тонкий (thinner) коаксиальный кабель; • толстый (thicknet) коаксиальный кабель. Выбор того или иного типа кабеля зависит от потребностей конкретной сети. Тонкий коаксиальный кабель — гибкий кабель диаметром 0,64 см (0,25 дюйма). Он прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к плате сетевого адаптера компьютера. Рисунок 30 - Подключение тонкого коаксиального кабеля Тонкий коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстояние до 185 м (около 607 футов) без его заметного искажения, вызванного затуханием. Производители кабелей создали специальную маркировку для различных типов кабелей. Тонкий коаксиальный кабель относится к группе, которая называется семейством RG-58; его волновое сопротивление равно 50 Ом. Волновое сопротивление (impedance) — это сопротивление переменному току, выраженное в Омах. Рисунок 31 - Жила - переплетенные провода или сплошной медный провод Таблица 1 Типы кабеля Кабель Описание RG-58 /U Сплошная медная жила RG-58 A/U Переплетенные провода RG-58 C/U Военный стандарт для RG-58 A/U RG-59 Используется для модулированной передачи (например, в кабельном телевидении) RG-6 Имеет больший диаметр по сравнению с RG-59, предназначен для более высоких частот, но может применяться и для модулированной передачи RG-6 Используется в сетях ArcNet Толстый коаксиальный кабель — относительно жесткий, с диаметром 1,27 см (0,5 дюйма). Иногда его называют «стандартный Ethernet», поскольку его прежде других типов кабеля применяли в Ethernet — популярной сетевой архитектуре. Медная жила этого кабеля толще, чем у тонкого коаксиального кабеля. Рисунок 32 - Жила толстого коаксиального кабеля больше в сечении, чем у тонкого Чем толще жила кабеля, тем большее расстояние способен преодолеть сигнал. Следовательно, толстый коаксиальный кабель передает сигналы дальше, чем тонкий, — до 500 м (около 1 640 футов). Поэтому толстый коаксиальный кабель иногда используют в качестве опорного кабеля [магистрали (backbone)], который соединяет несколько небольших сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле. Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют специальное устройство — трансивер (transceiver). Он снабжен коннектором, который назван довольно оригинально — «вампир» (vampire tap), или «пронзающий ответвителъ» (piercing tap). «Вампир» проникает через изоляционный слой и вступает в непосредственный физический контакт с проводящей жилой. Чтобы подключить трансивер к сетевому адаптеру, надо кабель трансивера подключить к коннектору AU1 -порта сетевой платы. Этот коннектор известен также как DIX-коннектор (Digital intel Xerox), по названиям фирм-разработчиков, или коннектор DB-15. Рисунок 33 - Подключение трансивера к толстому коаксиальному кабелю Толстый коаксиальный кабель дороже тонкого, но при этом он передает сигналы на большие расстояния. Классы коаксиальных кабелей и требования пожарной безопасности Выбор того или иного класса коаксиальных кабелей зависит от места,- где этот кабель собираются прокладывать. Существует два класса коаксиальных кабелей: • поливинилхлоридные • пленумные Поливинилхлорид (PVC) — это пластик, который применяется в качестве изолятора или внешней оболочки для большинства коаксиальных кабелей. Кабель PVC достаточно гибок, его можно прокладывать на открытых участках помещений. Однако при горении он выделяет ядовитые газы. Plenum (англ.) — это небольшое пространство между подвесным потолком и перекрытием, обычно его используют для вентиляции. Требования пожарной безопасности строго ограничивают типы кабелей, которые разрешено здесь прокладывать, поскольку в случае пожара продукты горения кабельной изоляции быстро распространятся по всему зданию. Слой изоляции и внешняя оболочка пленумного кабеля выполнены из специальных огнеупорных материалов, которые при горении выделяют минимальное количество дыма. Это уменьшает риск химического отравления. Однако они дороже и жестче, чем поливинилхлоридные. Рисунок 34 - Правила пожарной безопасности предъявляют особые требования к типам кабелей для прокладки в области вентиляционных шахт и перекрытий Некоторые особенности Использовать коаксиальный кабель, следует если требуется: • среда для передачи речи, видео и двоичных данных • передача данных на большие расстояния • простая технология с достаточно надежным уровнем защиты данных Витая пара Самая простая витая пара (twisted pair) — это два перевитых изолированных медных провода. Существует две разновидности кабеля этого типа: • неэкранированная (unshielded) витая пара (UTP); • экранированная (shielded) витая пара (STP). Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защитную оболочку. Их количество в таком кабеле бывает разным. Переплетение проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними парами и другими внешними источниками. Неэкранированная витая пара Неэкранированная витая пара широко используется в ЛВС; максимальная длина сегмента составляет 100 м (328 футов). Неэкранированная витая пара состоит из двух изолированных медных проводов. Применяется несколько спецификаций, которые регулируют количество витков на единицу длины — в зависимости от назначения кабеля. Рисунок 35 - Неэкранированная и экранированная витые пары Рисунок 36 - Неэкранированная витая пара Неэкранированная витая пара определена особым стандартом —- Electronic Industries Association and the Telecommunications Industries Association (EIA/TIA) 568 Commercial Building Wiring Standard. В нем указаны нормативные характеристики кабелей для различных случаев, что гарантирует единообразие продукции. Эти стандарты включают пять категорий UTP: • категория 1: традиционный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь, но не данные. • категория 2: кабель, способный передавать данные со скоростью до 4 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар; • категория 3: кабель, способный передавать данные со скоростью до 16 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар с девятью витками на метр; • категория 4: кабель, способный передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар; • категория 5: кабель, способный передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар медного провода. Одна из потенциальных проблем для любых типов электрических кабелей — пе­рекрестные помехи. Это электрические наводки, вызванные сигналами в смежных проводах. Неэкранированная витая пара особенно страдает от перекрестных помех. Для уменьшения их влияния увеличивают количество витков на метр кабеля. Экранированная витая пара Кабель экранированной витой пары (STP) имеет медную оплетку. Пары проводов STP обмотаны фольгой. В результате экранированная витая пара хорошо защищает передаваемые данные от внешних помех. ЭВП, меньше подвержен воздействию электрических помех и способен передавать данные с более высокой скоростью и на большие расстояния. Рисунок 37 - Действие перекрестных помех соседних линий электрических наводок со стороны соседних линий Рисунок 38 - Экранированная витая пара Компоненты кабельной системы Для построения сети на основе витой пары, кроме самого кабеля, требуются: 1. Оборудование для подключения. Для подключения витой пары к компьютеру ис­пользуют телефонные коннекторы RJ-45. Рисунок 39 - Вилка и гнездо RJ-45 2. Распределительные стойки ( distribution racks ) и полки ( shelves ). Они предназначены для монтажа кабеля, позволяют централизованно организовать множество соединений и при этом занимают сравнительно мало места. 3. Коммутационные панели ( patch panels ). Их известно несколько типов. Они поддерживают до 96 портов и скорость передачи до 100 Мбит/с. 4. Соединители . Вилки RJ-45 обеспечивают скорость передачи до 100 Мбит/с. 5. Настенные розетки. Имеют одно или несколько гнезд RJ-45. Рисунок 40 - Компоненты кабельной системы Используйте витую пару, если требуется: · организовать ЛВС при незначительных материальных вложениях; · организовать простую систему, в которой надо легко и быстро подключать компьютеры. Не применяйте витую пару, если требуется обеспечить целостность данных, передаваемых на большие расстояния с высокой скоростью. Оптоволоконный кабель В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно защищенный способ передачи, поскольку он не подразумевает использование электрических сигналов. Следовательно, к оптоволоконному кабелю трудно подключиться, не разрушив его, а значит, нельзя и перехватывать данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы. Оптоволоконные линии предназначены для передачи больших объемов данных на очень высоких скоростях, поскольку сигнал в них практически не затухает и не искажается. Оптическое волокно - чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой (core). Он покрыт слоем стекла (оболочкой) с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Иногда оптоволокно производят из пластика. Пластик проще в монтаже, но он передает световые импульсы на меньшие расстояния. Каждое оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с самостоятельными коннекторами. Одно из них служит для передачи, а другое - для приема. Жесткость кабеля обеспечивает покрытие из пластика, а прочность - волокна из кевлара. Рисунок 41 - Оптоволоконный кабель Используйте оптоволоконный кабель, если требуется передавать данные с очень высокой скоростью на большие расстояния по защищенной среде. Не используйте оптоволоконный кабель, если: · денежные средства, выделенные для построения сети ограничены; · требуется дополнительная подготовка для правильной установки и корректного подключения оптоволоконных сетевых устройств. Передача сигналов Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии - немодулированную передачу и модулированную передачу . Немодулированная передача: Немодулированные (baseband) системы передают данные в виде цифровых сигналов. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного импульса, или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания (bandwidth) — это разница между максимальной и минимальной частотой, которую можно передать по кабелю. Рисунок 42 - Немодулированная передача Проходя по кабелю, сигнал постепенно затухает и, как следствие, искажается. Если кабель слишком длинный, то иногда в конце пути передаваемый сигнал искажается сильно или вообще пропадает. Для того чтобы избежать этого, в немодулированных системах используют повторители, которые усиливают сигнал и ретранслируют его в дополнительные сегменты. Таким образом, возможно, увеличить общую длину кабеля. Модулированная передача: Модулированные (broadband) системы передают данные в виде аналогового сигнала, занимающего некоторую полосу частот. Сигналы кодируются аналоговой (непрерывной) электромагнитной или световой (тоже, строго говоря, электромагнитной) волной. Рисунок 43 - Модулированная передача Если полосы пропускания достаточно, то один кабель одновременно могут использовать несколько систем (например, транслировать передачи кабельного телевидения и передавать данные). Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства, связанные с данной системой (например, компьютеры), должны быть настроены на работу именно с выделенной частью полосы пропускания. Если в немодулированных системах для восстановления сигнала используют повторители, то в модулированных — усилители (amplifiers). При модулированной передаче устройства имеют раздельные тракты для приема и отправки сигнала, поэтому и в среде передачи необходимо предусмотреть два пути для прохождения сигнала. Основные решения таковы: · разбить полосу пропускания на два канала, использующих разные полосы частот: один канал предназначен для передачи сигналов, другой — для приема; · проложить два кабеля: один — для передачи сигналов, другой — для приема. Увеличение скорости передачи При возрастании сетевого трафика возникает вопрос об увеличении скорости передачи данных. Одним из его решений является максимизация использования канала данных. Простейший метод передачи информации называется симплексным (simplex): данные передаются только в одном направлении — от отправителя к получателю. Этот метод применяется в радио- и телевещании. Он не позволяет определять и исправлять ошибки во время передачи, поэтому к получателю не всегда приходят корректные данные Рисунок 44 - Симплексная передача Более эффективным считается полудуплексный (half-duplex) способ передачи данных. При его использовании информация может передаваться в двух направлениях попеременно. Он позволяет определять ошибки и исправлять их, посылая запрос на повторную передачу данных. Полудуплекс применяется в коротковолновых приемниках и в большинстве модемов. Самым эффективным методом передачи данных является полнодуплексная (full- duplex),когда данные пересылаются в двух направлениях одновременно. Полный дуплекс применяется в кабельных сетях, которые используются не только для передачи телепрограмм, но и для телефонной связи и подключения к Интернету. Одним из полнодуплексных устройств является телефон. Рисунок 45 - Полудуплексная передача На разных концах линии могут говорить одновременно. Рисунок 46 - Полнодуплексная передача Таблица 2 Сравнительные характеристики кабелей Параметр Тонкий коаксиальный кабель (10Base2) Толстый коаксиальный кабель (10Base2) Витая пара (10BaseТ) Оптоволоконный кабель Стоимость Дороже витой пары Дороже тонкого коаксиального кабеля UTP- самый дешевый; STP- дороже тонкого коаксиального кабеля Дороже тонкого, но дешевле толстого коаксиального кабеля Эффективная длина кабеля 185 м 500 м 100 м 2 км Скорость передачи 4- 100 Мбит/с 4- 100 Мбит/с UTP: 4- 100 Мбит/с; STP: 16- 500 Мбит/с 100 Мбит/с и выше (1 Гбит/с и более) Гибкость Довольно гибкий Менее гибкий, чем тонкий коаксиальный кабель UTP- самый гибкий; STP- менее гибкий, чем UTP Менее гибкий, чем тонкий коаксиальный кабель Простота монтажа Прост в монтаже Довольно прост в монтаже UTP- очень прост в монтаже; может быть проложен при строительстве; STP- довольно прост в монтаже Сложен в монтаже Подверженность помехам Хорошая защита от помех Хорошая защита от помех UTP- подвержен помехам; STP- хорошая защита от помех Не подвержен помехам Особые свойства Электронные компоненты дешевле, чем у витой пары Электронные компоненты дешевле, чем у витой пары UTP- тот же телефонный провод; его часто прокладывают при строительстве; STP-скорость передачи выше, чем у UTP Передает речь, видео и данные Рекомендуемое применение Средние или большие сети с высокими требованиями к защите данных Соединение сетей на тонком коаксиальном кабеле UTP- небольшие дешевые сети; STP- сети Token Ring любого размера Сети любого размера с высокими требованиями к скорости передачи, уровню защиты и целостности данных Платы сетевого адаптера Платы сетевого адаптера выступают в качестве физического интерфейса между компьютером и средой передачи. Платы вставляются в слоты расширения всех сетевых компьютеров и серверов или интегрируются на материнскую плату. Рисунок 47 - Плата сетевого адаптера Назначение: • подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю; • передача данных другому компьютеру; • управление потоком данных между компьютером и кабелем; • прием данных из кабеля и перевод их в форму, понятную центральному процессору компьютера. Плата сетевого адаптера состоит из аппаратной части и встроенных программ, записанных в ПЗУ. Эти программы реализуют функции подуровней Управления логической связью и Управления доступом к среде Канального уровня модели OSI. Перед тем как послать данные в сеть, плата сетевого адаптера должна перевести их из формы, понятной компьютеру, в форму, в которой они могут передаваться по сетевому кабелю. Рисунок 48 - Поток параллельных данных преобразуется в поток последовательных данных Плата сетевого адаптера, помимо преобразования данных, должна указать свое местонахождение, или адрес, — чтобы ее могли отличить от остальных плат. Сетевые адреса (network address) находятся в ведении комитета IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), который закрепляет за каждым производителем плат сетевого адаптера некоторый интервал адресов. Затем каждый производитель записывает в ПЗУ платы ее уникальный сетевой адрес. Номер прерывания Линии запроса прерывания — это физические линии, по которым различные устройства могут отправить микропроцессору запрос на обслуживание. Линии запроса прерывания встроены в оборудование компьютера и имеют различные уровни приоритетов, что позволяет процессору определить наиболее важный из запросов. Базовый порт ввода/вывода Базовый порт ввода/вывода (base I/O port) определяет канал, по которому курсируют данные между устройством компьютера и его центральным процессором. Для центрального процессора порт выглядит как адрес. Базовый адрес памяти Базовый адрес памяти (base address) указывает на ту область памяти компьютера (ОЗУ), которая используется платой сетевого адаптера в качестве буфера для входящих и исходящих кадров данных. Этот адрес называют также начальным адресом ОЗУ.Кадром называется пакет данных, выбранный в качестве единицы из­мерения информации, передаваемой по сети. Совместимость Для того чтобы обеспечить совместимость компьютера и сети, плата сетевого адаптера должна отвечать следующим требованиям: соответствовать внутренней структуре компьютера (архитектуре шины данных) иметь соединитель (необходимо, чтобы он подходил к типу кабельной системы) для подключения сетевого кабеля. Серверы С серверами связана значительная часть сетевого трафика, поэтому они должны быть оборудованы платами сетевого адаптера с наибольшей производительностью. Рабочие станции Для рабочих станций годятся менее дорогие сетевые платы, если их взаимодействие с сетью ограничено приложениями, генерирующими небольшой сетевой трафик (например, текстовыми процессорами). Другие приложения (например, базы данных или инженерные приложения) довольно быстро перегрузят слабые сетевыеплаты. В сетях с топологией «шина» медленные сетевые платы увеличивают время ожидания для всех компьютеров. Платы сетевого адаптера беспроводных сетей Платы сетевого адаптера беспроводных сетей разработаны для большинства сетевых операционных систем. Вместе с такими платами часто поставляют: · направленную антенну и кабель для подключения к ней; · программное обеспечение, позволяющее настроить плату для работы с определенной сетью; · диагностическое программное обеспечение; · программное обеспечение для установки. Указанные платы используют для построения локальных беспроводных сетей и беспроводного подключения станций к кабельной ЛВС. Платы сетевого адаптера беспроводных сетей применяют вместе с так называемым беспроводным концентратором. Это устройство функционирует как трансивер — для передачи и приема сигналов. Оптоволоконные платы сетевого адаптера позволяют создавать высокоскоростные оптоволоконные ЛВС. ППЗУ удаленной загрузки Иногда защита данных настолько важна, что рабочие станции не комплектуются жесткими и гибкими дисками. Эта мера гарантирует, что пользователи не смогут скопировать данные на какой-либо магнитный носитель и вынести его за пределы организации. Однако (поскольку обычно компьютер загружается с дискеты или с жесткого диска) возникает необходимость в альтернативном способе загрузки программного обеспечения, управляющего компьютером и подключающего его к сети. В таких случаях плата сетевого адаптера снабжается специальной микросхемой ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство) удаленной загрузки (remote-boot PROM), которая содержит программный код для загрузки компьютера и подключения его к сети. С такой микросхемой бездисковые рабочие станции при запуске смогут подключаться к сети. Беспроводная среда Словосочетание «беспроводная среда» не значит полное отсутствие проводов в сети. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, в которой в качестве среды передачи используется кабель. Такая сеть со смешанными компонентами называется гибридной. Возможности компонентов беспроводной среды: · обеспечивают временное подключение к кабельной сети; · помогают организовать резервное копирование в кабельную сеть; · гарантируют определенный уровень мобильности; · позволяют снять ограничения на максимальную протяженность сети, накладываемые медными или даже оптоволоконными кабелям Трудность монтажа кабеля - фактор, который дает беспроводной среде неоспоримое преимущество. Беспроводная среда особенно полезна: · если в офисе есть помещения, где бывает много народу (например, приемная); · для людей, у которых нет постоянного рабочего места; · в изолированных помещениях и зданиях; · в помещениях, где планировка часто меняется; · в строениях (например, памятниках истории или архитектуры), где прокладывать кабель запрещено. Типы беспроводных сетей В зависимости от используемой технологии беспроводные сети можно разделить на три типа: · локальные вычислительные сети; · расширенные локальные вычислительные сети; · мобильные сети (переносные компьютеры). Основные различия между ними - параметры передачи. Локальные и расширенные локальные вычислительные сети используют передатчики и приемники, принадлежащие той организации, в которой функционирует сеть. Для переносных компьютеров средой передачи служат общедоступные сети, например телефонная сеть или Интернет. Локальные вычислительные сети Типичная беспроводная сеть выглядит и функционирует практически так же, как кабельная, за исключением среды передачи. Беспроводной сетевой адаптер с трансивером установлен в каждом компьютере, и пользователи работают так, будто их компьютеры соединены кабелем. Точки доступа Трансивер, называемый иногда точкой доступа (access point), обеспечивает обмен сигналами между компьютерами с беспроводным подключением и кабельной сетью. В беспроводных ЛВС используются небольшие настенные трансиверы. Они ус­танавливают радиоконтакт с переносными устройствами. Наличие этих трансиверов и не позволяет назвать такую сеть строго беспроводной. Рисунок 49 - Переносной компьютер, подключенный к точке доступа Работа локальных беспроводных сетей основана на четырех способах передачи данных: · инфракрасном излучении · лазере · радиопередаче в узком диапазоне (одночастотной передаче) радиопередаче в рассеянном спектре Инфракрасное излучение Все инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. В подобных системах необходимо генерировать очень сильный сигнал, так как в противном случае значительное влияние оказывают другие источники, например свет из окна. Многие современные принтеры заранее настроены на прием данных с помощью инфракрасных лучей. Этот способ позволяет передавать сигналы с большой скоростью, поскольку инфракрасное излучение имеет широкий диапазон частот. Существует четыре типа инфракрасных сетей. · Сети прямой видимости - передача возможна лишь в случае прямой видимости между передатчиком и приемником. · Сети на рассеянном инфракрасном излучении - сигналы, отражаясь от стен и по­толка, и достигают приемника. Эффективная область действия ограничена примерно 30,5 м. · Сети на отраженном инфракрасном излучении - оптические трансиверы, распо­ложенные рядом с компьютером, передают сигналы в определенное место, откуда они пересылаются соответствующему компьютеру. · Модулированные оптические сети - эти инфракрасные беспроводные сети отвечают жестким требованиям мультимедийной среды и практически не уступают в скорости кабельным сетям. Рисунок 50 - Переносной компьютер для вывода на печать использует инфракрасный луч В инфракрасных сетях возникают трудности при передаче сигналов на расстояние более 30,5 м. К тому же такие сети подвержены помехам со стороны сильных источников света, которые есть в большинстве организаций. Лазер Лазерная технология похожа на инфракрасную тем, что требует прямой видимости между передатчиком и приемником. Если по каким-либо причинам луч будет прерван, то прекращается и передача. Радиопередача в узком диапазоне (одночастотная передача). Этот способ напоминает вещание обыкновенной радиостанции. Пользователи настраивают передатчики и приемники на определенную частоту. При этом прямая видимость не обязательна, поскольку дальность вещания составляет 3 000 м. Однако сигнал высокой частоты не проникает через металлические или железобетонные преграды. Такой способ связи осуществляет поставщик услуг. Связь относительно медленная (около 4,8 Мбит/с). Радиопередача в рассеянном спектре . При этом способе сигналы передаются на нескольких частотах, что позволяет избежать проблем, присущих одночастотной передаче. Доступные частоты разделены на каналы. Адаптеры в течение заданного интервала времени работают на определенном канале, после чего переключаются на другой. Переключение всех компьютеров в сети происходит синхронно. Данный способ передачи обладает некоторой «встроенной» защитой: чтобы подслушать передачу, необходимо знать алгоритм переключения каналов. Если необходимо усилить защиту данных от несанкционированного доступа, применяют кодирование. Это тот случай, когда технология позволяет получить по-настоящему беспроводную сеть. Например, два (или более) компьютера, которые оснащены адаптерами, обеспечивающими радиопередачу в рассеянном спектре, с сетевыми операционными системами могут без кабеля функционировать как одноранговая сеть. Также удастся подключить такую беспроводную сеть к кабельной, добавив к одному из компьютеров кабельной сети соответствующее устройство. Скорость передачи в 250 кбит/с (килобит в секунду) относит данный способ к разряду самых медленных. Но есть сети, которые передают данные со скоростью до 4 Мбит/с на расстояние до 3,22 км (2 миль) — на открытом пространстве и до 244 м (800 футов) — внутри здания. Передача «точка-точка» Данный способ передачи несколько выходит за рамки существующего определения сети. Технология передачи «точка-точка» предусматривает обмен данными только между двумя компьютерами, а не между несколькими компьютерами и периферийными устройствами. Для того чтобы организовать сеть с беспроводной передачей, необходимо использовать дополнительные компоненты, такие, как одиночные трансиверы и хост-трансиверы. Их можно устанавливать как на автономных компьютерах, так и на компьютерах, подключенных к сети. Эта технология, основанная на последовательной беспроводной передаче данных, обеспечивает: • высокоскоростную и безошибочную передачу по радиоканалу «точка-точка»; • проникание сигнала через стены и перекрытия; • скорость передачи от 1,2 до 38,4 кбит/с на расстояние до 61 м (200 футов) — внутри здания и до 0,5 км (0,3 мили) — в условиях прямой видимости. Подобные системы позволяют передавать сигналы между компьютерами и другими устройствами, например принтерами или сканерами штрих-кода. Расширенные локальные сети Некоторые типы беспроводных компонентов способны функционировать в расширенных локальных вычислительных сетях так же, как их аналоги — в кабельных сетях. Беспроводной мост, например, соединяет сети, находящиеся друг от друга на расстоянии до 4,8 километров (3 мили). Многоточечное беспроводное соединение Компонент, называемый беспроводным мостом (wireless bridge), помогает установить связь между зданиями без помощи кабеля. Беспроводной мост прокладывает путь для данных между двумя зданиями. Мост AIRLAN/Bridge Plus, например, использует технологию радиопередачи в рассеянном спектре для создания магистрали, соединяющей две ЛВС. Расстояние между ними,, в зависимости от условий, иногда достигает 4,8 км. Рисунок 51 - Беспроводной мост, соединяющий две локальные сети Беспроводные мосты дальнего действия Если расстояние, которое преодолевает обычный беспроводной мост, недостаточно, можно установить мост дальнего действия. Для работы с сетями Ethernet и Token Ring на расстояние до 40 км (25 миль) в этом случае также используется технология радиопередачи в рассеянном спектре. Стоимость такого моста (как и обыкновенного беспроводного) вполне приемлема, так как исключаются затраты на аренду микроволновых каналов или линий Т1. Мобильные сети В беспроводных мобильных сетях в качестве среды передачи выступают телефонные сети и общедоступные службы. При этом используются: • пакетное радиосоединение; • сотовые сети; • спутниковые станции. Эта технология пригодится специалистам, которые постоянно находятся в разъездах. Имея при себе переносные компьютеры или PDA (Personal Digital Assistants), они смогут обмениваться сообщениями электронной почты, файлами и другой информацией. Для подключения переносных компьютеров к основной сети применяют беспроводные адаптеры, которые используют технологию сотовой связи. Небольшие антенны, установленные на переносных компьютерах, связывают их с ретрансляторами. Спутники на низкой орбите также способны принимать их слабый сигнал. Пакетное радиосоединение При пакетном радиосоединении данные разбиваются на пакеты (подобные сетевым пакетам), в которых содержится следующая информация: • адрес источника; • адрес приемника; • информация для коррекции ошибок. Пакеты передаются на спутник, который транслирует их в широковещательном режиме. Затем устройства с соответствующим адресом принимают эти пакеты. Сотовые сети Сотовые цифровые пакеты данных (Cellular Digital Packet Data, CDPD) используют ту же технологию, что и сотовые телефоны. Они передают данные по существующим для передачи речи сетям в те моменты, когда эти сети не заняты. Это очень быстрая технология связи с задержкой в доли секунды, что делает ее пригодной для передачи в реальном режиме времени. Сотовые сети, как и другие беспроводные сети, стоит подключать к кабельной сети с помощью интерфейсного модуля Ethernet (EUI). Микроволновые системы Микроволновая технология помогает организовать связь между зданиями, распо­ложенными на ограниченной территории, например в университетских городках. На сегодняшний день микроволновая технология — наиболее распространенный в США способ передачи данных на большие расстояния. Он идеален при взаимодействии - в прямой видимости таких двух точек, как: • спутник и наземная станция; • два здания; • любые объекты, которые разделяет большое открытое пространство (например, водная поверхность или пустыня). В микроволновую систему входят следующие компоненты: • два радиотрансивера - один генерирует сигналы (передающая станция), другой-принимает их (приемная станция). • две направленные антенны — они должны быть нацелены друг на друга; часто их устанавливают на вышки, что позволяет устранить возможные физические препятствия на пути радиосигнала. Стандарт Project IEEE 802.x Два нижних уровня модели OSI относятся к оборудованию: сетевой плате и кабелю. Для дальнейшей детализации требований к аппаратуре, которая работает на этих ровнях, Институт Инженеров по электронике и электротехнике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) разработал расширения, предназначенные для раз­ных сетевых плат и кабелей и широко известные как Project 802. На этом занятии описаны эти расширения и то, как они соотносятся с моделью OSI. В конце 70-х годов, когда ЛВС наконец стали повсеместно применять в бизнесе, IEEE пришел к выводу о необходимости определить для них стандарты. В результа­те был выпущен Project 802, названный в соответствии с годом и месяцем своего издания (1980 год, февраль). Хотя стандарты IEEE были опубликованы раньше стандартов ISO, оба проекта разрабатывались приблизительно в одно время и при полном обмене информаци­ей, что и привело к рождению двух совместимых моделей. Project 802 устанавливает стандарты для физических компонентов сети - ин­терфейсных плат и кабельной системы - с которыми имеют дело Физический и Канальный уровни модели OSI. Итак, эти стандарты, называемые 802-спецификациями, распространяются на: • платы сетевых адаптеров; • компоненты глобальных вычислительных сетей; • компоненты сетей, при построении которых используют коаксиальный кабель и витую пару. Спецификации 802 определяют способы, в соответствии с которыми платы сетевых адаптеров осуществляют доступ к физической среде и передают по ней данные. Это соединение, поддержка и разъединение сетевых устройств. Выбор протокола канального уровня - наиболее важное решение при проектировании ЛВС. Этот протокол определяет скорость сети, метод доступа к физической среде, тип кабелей, который Вы можете использовать, сетевые платы и драйверы. Категории IEEE 802 Стандарты ЛВС, определенные Project 802, делятся на 16 категорий: Таблица 3 Категории IEEE 802 Спецификация Описание 802.1 Объединенные сети 802.2 Общие стандарты для Канального уровня. IEEE делит этот уровень на два подуровня: LLC и MAC. Подуровень MAC различается для разных типов сетей и определяется в стандарте IEEE 802.3 802.3 Определяет подуровень MAC для ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet) 802.4 Определяет подуровень MAC для ЛВС с топологией «шина» и с передачей маркера (Token Bus) 802.5 Определяет подуровень MAC для ЛВС с топологией «кольцо» и с передачей маркера (Token Ring) 802.6 Сеть масштаба города (Metropolitan Area Network, MAN) 802.7 Консультативный совет по широковещательной технологии (Broadcast Technical Advisory Group) 802.8 Консультативный совет по оптоволоконной технологии (Fiber-Optic Technical Advisory Group) 802.9 Интегрированные сети с передачей речи и данных (Integrated Voice/Data Networks) 802.10 Безопасность сетей 802.11 Беспроводные сети 802.12 ЛВС с доступом по приоритету запроса (Demand Priority Access LAN, 100baseVG-AnyLan) 802.13 He используется 802.14 Стандарты для кабельных модемов 802.15 Частные беспроводные сети (wireless personal area networks, WPAN) 802.16 Модулированные беспроводные стандарты Эталонная модель OSI Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию (рис. 52) разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели: горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной - соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API. Рисунок 52 - Модель OSI Уровень 1, физический Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включаютя: Тип кабелей и разъемов Разводку контактов в разъемах Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1 К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся: EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса. EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса. IEEE 802.3 -- Ethernet IEEE 802.5 -- Token ring Уровень 2, канальный Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде. Наиболее часто используемые на уровне 2 протоколы включают: HDLC для последовательных соединений IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x Ethernet Token ring FDDI X.25 Frame relay Уровень 3, сетевой Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень. Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы: IP - протокол Internet IPX - протокол межсетевого обмена X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2) CLNP - сетевой протокол без организации соединений Уровень 4, транспортный Транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень. Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают: TCP - протокол управления передачей NCP - Netware Core Protocol SPX - упорядоченный обмен пакетами TP4 - протокол передачи класса 4 Уровень 5, сеансовый Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели. Уровень 6, уровень представления Уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели. Уровень 7, прикладной Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью. К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней относятся: FTP - протокол переноса файлов TFTP - упрощенный протокол переноса файлов X.400 - электронная почта Telnet SMTP - простой протокол почтового обмена CMIP - общий протокол управления информацией SNMP - простой протокол управления сетью NFS - сетевая файловая система FTAM - метод доступа для переноса файлов Драйверы устройств и OSI • Драйвер — это программное обеспечение, позволяющее компьютеру работать с определенным устройством. • Драйвер сетевой платы обеспечивают связь между компьютером и платой сетевого адаптера. • Драйвер платы сетевого адаптера располагается на подуровне Управления доступом к среде Канального уровня модели OSI. • NDIS разработана фирмами Microsoft и 3Com для операционных систем Warp Server и Windows NT Server. • ODI — это спецификация, предложенная фирмами Novell и Apple для упроще­ния разработки драйверов для их ОС. Драйверы платы сетевого адаптера располагаются на подуровне Управления доступом к среде (Канальный уровень модели OSI). Он отвечает за совместный доступ плат сетевого адаптера к Физическому уровню. Другими словами, драйвер платы сетевого адаптера обеспечивает связь между компьютером и самой платой, в конечном итоге связывая компьютер с сетью. Производители сетевых адаптеров обычно предоставляют драйверы разработчикам сетевого программного обеспечения, которые включают их в состав своих продуктов. Производители сетевых операционных систем публикуют списки совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL) — перечень устройств, драйверы которых протестированы на совместимость с ОС, а часто и включены в ее состав. HCL для сетевой ОС содержит сотни моделей сетевых плат от разных производите­лей. Но если купленная Вами сетевая плата отсутствует в списке, это еще не зна­чит, что она не поддерживается данной ОС — просто производитель ОС не успел протестировать ее драйвер. Даже если драйвер какой-то конкретной платы не входит в состав сетевой ОС, не расстраивайтесь. Производители плат сетевого адаптера, как правило, включают в комплект поставки диск с драйверами для наиболее популярных сетевых ОС. Спецификация интерфейса сетевых устройств Спецификация интерфейса сетевых устройств (Network Driver Interface Specifications, NDIS) — это стандарт, который определяет интерфейс для взаимодействия между МАС-подуровнем и драйверами протоколов. NDIS позволяет одновременно использовать несколько протоколов и сетевых плат, что обеспечивает гибкость сетевого взаимодействия. Драйверы протоколов через этот интерфейс «общаются» с драйверами сетевых плат. Три подгруппы сетевого ПО подчиняются NDIS. • Стек протоколов ( protocol stack ) обеспечивает взаимодействие между сетевыми узлами. Помещает данные в кадры на стороне отправителя и извлекает их оттуда на стороне получателя. • Драйвер сетевого адаптера ( network adapter driver ) управляет сетевой платой. Работает на подуровне MAC, передавая кадры от стека протоколов сетевому адаптеру и наоборот. • Менеджер протоколов ( Protocol Manager ) управляет взаимодействием между стеком протоколов и драйвером сетевой платы. NDIS разработана фирмами Microsoft и 3Com для операционных систем Warp Server и Windows NT Server. Для совместимости с этими ОС драйверы сетевых плат должны быть NDIS-совместимыми. Open Data-Link Interface (ODI) — это спецификация, предложенная фирмами Novell и Apple для упрощения разработки драйверов для их ОС. ODI обеспечивает взаимодействие нескольких протоколов с одной сетевой платой. Подобно NDIS, ODI позволяет разрабатывать драйверы сетевых плат независимо от используемых в дальнейшем протоколов. Для совместимости с этими ОС драйверы сетевых плат должны быть ODI-совместимыми. Преобразование ODI в NDIS ODI и NDIS несовместимы, так как представляют собой разные программные интерфейсы для вышележащего ПО. Поэтому Novell, IBM и Microsoft предлагают ПО для трансляции ODI-NDIS. Например, драйверы ODI2NDI.SYS и ODINSUP.SYS. Расширения модели OSI Два нижних уровня модели OSI, Физический и Канальный, устанавливают, каким образом несколько компьютеров могут одновременно использовать сеть, чтобы при этом не мешать друг другу. IEEE Project 802, предназначенный именно для этих двух уровней, и привел к созданию спецификаций, определивших доминирующие среды ЛВС. На рисунке 53 показаны Канальный уровень и два его подуровня. Рисунок 53 - Подуровни Управления логической связью и Управления доступом к среде В IEEE подробно описан Канальный уровень и два его подуровня: • Управление логической связью ( Logical Link Control , LLC ) - установление и раз­рыв соединения, управление потоком данных, упорядочение и подтверждение приема кадров. Подуровень Управления логической связью устанавливает канал связи и определяет использование логических точек интерфейса, называемых точками доступа к услугам ("Service Access Points, SAP/ Другие компьютеры, ссылаясь на точки доступа к услугам, могут передавать информацию с подуровня Управления логической связью на верхние уровни OSI. Эти стандарты определены в категории 802.2. • Управление доступом к среде ( Media Access Control , MAC ) - управление досту­пом к среде передачи, определение границ кадров, контроль ошибок, распозна­вание адресов кадров. Управления доступом к среде — нижний из двух подуровней. Он обеспечивает совместный доступ плат сетевого адаптера к Физическому уровню. Подуровень Управления доступом к среде напрямую связан с платой сетевого адаптера и отвечает за безошибочную передачу данных между двумя компьютерами сети. Категории 802.3, 802.4, 802.5 и 802.12 определяют стандарты как для этого подуровня, так и для первого уровня модели OSI — Физического. TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это стандартный промышленный набор протоколов, обеспечивающий взаимодействие в гетерогенной среде. Помимо этого, TCP/IP предоставляет маршрутизируемый протокол для корпоративных сетей и доступ в Интернет. Из-за своей популярности TCP/IP стал стандартом «де-факто» для межсетевого взаимодействия - взаимодействия в сети, состоящей из нескольких небольших сетей. На этом занятии рассматривается прото­кол TCP/IP и его отношение с моделью OSI. Основы работы TCP/IP TCP/IP считается стандартным протоколом, используемым для совместимости между компьютерами разных типов. Совместимость - основное преимущество TCP/IP, так как его поддерживает большинство сетей. Кроме того, TCP/IP обеспечивает маршрутизацию и часто применяется для межсетевого взаимодействия. Стек TCP/IP включает и другие протоколы: · SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - для обмена электронной почтой; · FTP (File Transfer Protocol) - для обмена файлами; · SNMP (Simple Network Management Protocol) - для управления сетью. TCP/IP разрабатывался специалистами Министерства обороны США (United States Department of Defense) как маршрутизируемый, надежный и функциональ­ный протокол, он представляет собой набор протоколов для глобальной сети (ГВС). Его назначение - обеспечивать взаимодействие между узлами даже в случае ядер­ной войны. Сейчас ответственность за разработку TCP/IP возложена на сообщество Интернета в целом. Установка и настройка TCP/IP требует значительных знаний и опыта со стороны пользователя, однако применение TCP/IP предоставляет ряд преимуществ. Это открытый, то есть не контролируемый какой-то одной компанией, протокол. Поэтому проблемы совместимости отсутствуют. TCP/IP «де-факто» стал протоколом Интернета. • Содержит утилиты для связи между различными ОС - взаимодействие компьютеров не зависит от используемых на них сетевых ОС. • Использует масштабируемую, межплатформенную клиент-серверную архитектуру. TCP/IP можно расширять (или сокращать) в соответствии с текущими потреб­ностями. Для обеспечения независимости от ОС он использует сокеты (sockets - идентификатор сетевой службы на конкретном узле сети; состоит из адреса узла и номера порта, идентифицирующего службу.), или гнезда. Стандарты TCP/IP Стандарты TCP/IP публикуются в виде серий документов, называемых Request for Comment (RFC). Их основная задача - предоставлять информацию и описывать текущее состояние работ. И хотя изначально они не планировались на роль стандартов, многие RFC стали таковыми. Интернет основан на концепции открытых стандартов, поэтому любой желающий может принять участие в разработке стандартов для этой сети. Отвечает за уп­равление и публикацию RFC комитет Internet Architecture Board (IAB). IAB позволяет любому человеку или компании предложить или реализовать RFC, включая любые идеи или новые стандарты. По прошествии некоторого времени, отведенного на обсуждение, новое предложение становится или не становится стандартом. Каталог и база данных InterNIC, обеспечиваемая AT&T, представляет собой службу, которая снабжает общественность информацией об Интернете, включая RFC. Эту службу можно найти на www.internic.net в World Wide Web. Кроме того, RFC хранится на следующих FTP-серверах: nis.nsf.net; nisc.jvnc.net; ftp.isi.edu; wuarchive.wustl.edu; ftp.ncren.net; ftp.sesqui.net; ftp.nic.it; ftp.imag.fr. TCP/IP и OSI Протокол TCP/IP не соответствует в точности 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 Уровень сетевого интерфейса (Network interface layer), относящийся к Физическому и Канальному уровням модели OSI, напрямую взаимодействует с сетью. Он реализует интерфейс между сетевой архитектурой (такой, как Token Ring, Ethernet) и Межсетевым уровнем. Межсетевой уровень Межсетевой уровень (Internet layer), относящийся к Сетевому уровню модели OSI, использует несколько протоколов для маршрутизации и доставки пакетов. Маршрутизаторы зависят от протокола. Они работают на Сетевом уровне и применяются для передачи пакетов из одного сегмента сети в другой. На Межсетевом уровне работает несколько протоколов. Internet Protocol ( IP ) IP - это протокол обмена пакетами, который выполняет адресацию и выбор марш­рута. При передаче пакета этот протокол добавляет к нему заголовок, для того что­бы его можно было маршрутизировать по сети, используя таблицы маршрутизации. IP не ориентирован на соединения и посылает пакеты, не ожидая подтверждения об их получении. Кроме этого, IP отвечает за сборку и разборку пакета (фрагментацию и дефрагментацию), как того требует Физический и Канальный уровни. Каждый IP-пакет состоит из адресов отправителя и получателя, идентификатора протокола, контрольной суммы (вычисляемого значения) и TTL. Time To Live - время жизни - указывает каждому маршрутизатору на пути от отправителя до получателя, как долго пакет может находится в сети, и похож на таймер обратного отсчета. Когда пакет проходит через маршрутизатор, тот вычитает из TTL большую из вели­чин: одну секунду или время (в секундах), которое пакет провел в его очереди. Например, если TTL пакета равен 128, это значит, что пакет может находиться в сети 128 секунд, то есть он прошел максимум через 128 маршрутизаторов. Функция TTL - предотвратить бесконечное блуждание пакетов по сети. Когда TTL становится равен нулю, пакет удаляется из сети. Метод, используемый протоколом IP для увеличения скорости передачи, известен как маскирование (ANDing - логическое «И»). Он позволяет определить, находится адресат в локальной или удаленной сети. Если в локальной, IP передает пакет компьютеру-получателю. Если в удаленной, IP ищет в локальной таблице маршрутизации путь к получателю. Когда путь задан, пакет отправляется по нему, а когда нет, то передается шлюзу по умолчанию. Address Resolution Protocol (ARP) Прежде чем IP-пакет будет передан на другой хост, необходимо выяснить аппарат­ный (MAC) адрес компьютера-получателя. ARP узнает его, используя IP-адрес получателя. Если ARP не находит МАС-адрес в своем кэше, он посылает широковещательный запрос, в ответ на который обладатель интересующего IP-адреса возвращает свой МАС-адрес. Этот адрес сохраняется в ARP-кэше, а пакет передается по кабелю. Reverse Address Resolution Protocol (RARP) В противоположность ARP протокол RARP предоставляет IP-адрес по запрашива­емому аппаратному адресу. RARP-сервер поддерживает базу данных аппаратных адресов компьютеров в форме ARP-таблицы (или кэша), которая создается администратором. В ответ на запрос с МАС-адресом RARP-сервер возвращает соответствующий IP-адрес. Internet Control Message Protocol (ICMP) ICMP используется IP и высокоуровневыми протоколами для отправки и получения отчетов о состоянии передаваемой информации. Маршрутизаторы часто применяют ICMP для управления потоком, или скоростью передачи, данных. Если данные по­ступают слишком быстро, маршрутизатор «просит» собеседника снизить скорость. Основные две категории ICMP сообщений — это сообщения об ошибках и отправка запросов. Транспортный уровень Транспортный уровень (transport layer), соответствующий Транспортному уровню модели OSI, отвечает за установку и поддержание соединения между двумя хостами. Транспортный уровень отвечает за отправку уведомлений о получении данных, управление потоком, упорядочение пакетов и их повторную передачу. На транспортном уровне допустимо использовать как TCP, так и UDP (User Datagram Protocol). Transmission Control Protocol ( TCP ) 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. Для установки надежного соединения TCP действует по механизму так называемого «трехшагового рукопожатия (квитирования)». 1.Клиент (инициатор) посылает пакет, содержащий номер порта, который он хочет использовать, и начальный номер последовательности (Initial Sequence Number, ISN), серверу. 2.В ответ сервер отправляет пакет, в котором указан собственный ISN и ISN клиента плюс 1. 3.Клиент подтверждает получение этого пакета пакетом, содержащим ISN сервера плюс 1. Для поддержания надежного соединения каждый пакет должен содержать: • номер TCP-порта отправителя и получателя; • номер последовательности для сообщений, которые должны быть разбиты на мелкие части; • контрольную сумму, гарантирующую безошибочную передачу данных; • номер подтверждения, который сообщает компьютеру-отправителю, какие части сообщения уже приняты; • размер скользящего окна TCP. Порты, сокеты и «скользящие окна» Номера портов используются для ссылки на конкретное приложение или процесс на каждом компьютере (на Прикладном уровне). Также как IP-адрес идентифицирует хост в сети, номер порта идентифицирует приложение для Транспортного уровня, тем самым обеспечивая соединение между приложениями на разных хостах. Приложения и службы (например, файлов и печати или Telnet) могут использовать до 65 536 портов. Приложения и службы TCP/IP задействуют первые 1 023 порта. Internet Assigned Numbers Authority (IANA) установило их в качестве стандартных (по умолчанию) портов. Любое клиентское приложение динамически выбирает порт из доступных. Вместе порт и IP-адрес узла образуют сокет. Для реализации соединения с другими хостами службы и приложения применяют сокеты. Если приложению необходима гарантированная доставка данных, сокет выбирает ориентированный на соединение протокол (TCP), в противном случае — не ориентированный на соединение протокол (UDP). Для передачи данных между хостами TCP использует «скользящее окно». Оно регулирует количество информации, которое может быть отправлено, прежде чем хост-получатель пришлет подтверждение. Каждый компьютер применяет окно отправки и приема для буферизации данных и эффективного использования соединения. «Скользящее окно» позволяет компьютеру-отправителю передавать пакеты одним потоком, не прерываясь на ожидание подтверждения о доставке каждого пакета. Компьютер-получатель получает пакеты в произвольном порядке и упорядочивает их в паузе между поступлением новой порции. Окно отправки отслеживает, какие пакеты отправлены, и, если подтверждение об их доставке не пришло в течение заданного времени, посылает пакеты повторно. User Datagram Protocol ( UDP ) He ориентированный на соединение протокол UDP транспортирует данные между хостами, в отличие от TCP не устанавливая соединения. UDP полезен для передачи небольших сообщений, гарантированная доставка которых не требуется. Порты UDP и TCP различаются, поэтому их номера могут совпадать. Прикладной уровень Прикладной уровень (application layer) TCP/IP, соответствующий Сеансовому, Представительскому и Прикладному уровням модели OSI, соединяет в сети приложения. Доступ к транспортным протоколам TCP/IP обеспечивают два API — Windows Sockets и NetBIOS. Windows Sockets Windows Sockets (WinSock) — это сетевой API, разработанный для упрощения взаи­модействия между TCP/IP-приложениями и стеками протоколов. WinSock постро­ен на основе API, созданного для BSD Unix. Любая программа, поддерживающая WinSock, способна взаимодействовать с любым протоколом TCP/IP, и наоборот. Элементы сетевой коммуникации Коммуникационные устройства Принципы работы модемов Модем (modem) — это устройство, которое позволяет компьютерам обмениваться данными по телефонной линии. Когда компьютеры расположены далеко друг от друга и их нельзя соединить стандартным сетевым кабелем, связь между ними устанавливается с помощью модема. Кроме того, модемы служат средством связи между отдельными сетями или между ЛВС и сторонними компьютерами. Осуществлять связь по телефонной линии компьютеры не могут, так как они обмениваются данными с помощью цифровых электронных импульсов, а по телефонной линии передаются только аналоговые сигналы (звук). Цифровой сигнал (синоним двоичного) способен принимать лишь два значения: 0 или 1. Аналоговый сигнал — это плавная кривая, которой соответствует бесконечное множество значений. Рисунок 54 - Цифровые и аналоговые сигналы Как показано на рисунке 55 модем на передающей стороне преобразует цифровые сигналы компьютера в аналоговые и посылает их по телефонной линии. Модем на принимающей стороне преобразует входящие аналоговые сигналы в цифровые для компьютера-получателя. Передающий модем МОдулирует (modulate) цифровой сигнал в аналоговый, а принимающий модем ДЕМодулирует (demodulate) аналоговый сигнал в цифровой. Рисунок - 55 Модемы преобразуют цифровые сигналы в аналоговые и наоборот Аппаратное обеспечение модемов Модемы имеют два стандартных физических интерфейса: • последовательный интерфейс передачи данных (RS-232); • интерфейс с телефонной линией RJ-11 (четырехконтактный телефонный разъем). Существуют внутренние и внешние модемы. Внутренние модемы устанавливаются в слоты расширения подобно любой другой плате (см. рисунок 56). Рисунок 56 - Внутренний модем установленный в слот расширения Внешний модем представляет собой небольшой аппарат, подключаемый к компьютеру с помощью последовательного (RS-232) кабеля. Этот кабель соединяет последовательный порт компьютера с тем разъемом модема, который предназначен для связи с компьютером. Для подключения модема к телефонной сети используется кабель с разъемами RJ-11. Рисунок 57 - Внешний модем подключается к последовательному порту компьютера кабеля RS-232 Стандарты для модемов Hayes В начале 80-х годов компания Hayes Microcomputer Products, Inc. разработала модем, который получил название Hayes Smartmodem. Его назвали «интеллектуальным», потому что он может автоматически набрать номер. Со временем параметры Smartmodem стали считаться стандартными, с их учетом разрабатывались другие модемы, — вскоре возник термин «Hayes-совместимый». Точно так же персональный компьютер фирмы IBM дал жизнь термину «IBM-совместимый». Поскольку большинство производителей приняли стандарт Hayes, через некоторое время все модемы могли «общаться» друг с другом. Первые Hayes Smartmodem передавали и принимали данные со скоростью 300 бит в секунду. В настоящее время производители предлагают модемы со скоростью 57 600 бит/с и более. Международные стандарты С конца 80-х годов организация International Telecommunications Union (ITU) занимается разработкой стандартов для модемов. Эти спецификации, известные как «V-серия», отличаются номером стандарта. Иногда в название включается также слово «bis» (латинское «дважды»). Оно указывает на то, что данный стандарт — пересмотренный вариант более ранней версии. Если в названии стандарта содержится слово «terbo» (французское «ter» — «третий»), это значит, что BTopoft(«bis») стандарт также был модифицирован. Например, модему V.22bis для передачи текста в 1 000 слов требуется 18 секунд при скорости 2 400 бит/с. Модем V.34 передает этот же текст за четыре секунды со скоростью 9 600 бит/с, а модему со скоростью 14 400 бит/с, удовлетворяющему стандарту сжатия данных V.42bis, на это потребовалась бы только 3 секунды. Типы модемов Существуют различные типы модемов, поскольку каждому типу среды передачи требуется свой метод передачи данных. Эти среды условно можно поделить на два типа, взяв за критерий синхронизацию связи. Итак, связь бывает: • асинхронная; • синхронная. Тип модема, используемого в сети, зависит и от среды передачи, и от назначения сети. Асинхронная связь Асинхронная связь — самая распространенная форма передачи данных. Причина такой популярности заключается в том. что асинхронный метод связи использует стандартные телефонные линии. При асинхронном методе данные передаются последовательным потоком (Рисунок 58). Рисунок 58 - Асинхронный поток данных Каждый символ — байт — раскладывается в последовательность битов. Каждая из этих последовательностей отделяется от других стартовым битом и стоповым битом. Передающее и принимающее устройства должны согласовывать комбинацию стартовых и стоповых битов. Принимающий компьютер для управления синхронизацией использует стартовые и стоповые биты, готовясь тем самым к приему следующего байта данных. Передавая по сети данные, нельзя исключать вероятность появления ошибок, поэтому при асинхронной связи обычно используют специальный бит — бит четности. Схема проверки и коррекции ошибок, которая его применяет, называется контролем четности. Она заключается в следующем: количество посланных и принятых единичных бит должно совпадать. На производительность канала связи оказывают влияние два фактора: · скорость канала — указывает, насколько быстро биты кодируются и передаются по каналу связи; · пропускная способность (throughput) — определяет долю полезной информации, передаваемой по каналу. Сжатие уменьшает время, необходимое для передачи данных (за счет удаления избыточных элементов или пустых участков). Один из стандартов сжатия — протокол сжатия данных MNP Class 5 фирмы Microcom. Если на обеих сторонах линии связи используется протокол MNP Class 5, время передачи данных может быть сокращено наполовину. Стандарт V.42bis позволяет добиться и большей производительности, так как он описывает аппаратную реализацию непрерывного сжатия данных. Синхронная связь Синхронная связь основана на схеме синхронизации, согласованной между двумя устройствами. Эта схема позволяет отделять биты друг от друга при передаче их блоками. Эти блоки называют кадрами. Для синхронизации используются специальные символы. Поскольку биты передаются в синхронном режиме, стартовые и стоповые биты не нужны. Передача завершается в конце одного кадра и начинается вновь на следующем кадре. Этот метод более эффективен, чем асинхронная передача, особенно при пересылке больших блоков данных. На рисунке 59 сравниваются синхронный и асинхронный потоки данных. Рисунок 59 - Сравнение асинхронного и синхронного потоков данных В случае ошибки синхронная схема распознавания и коррекции ошибок просто повторяет передачу кадра. Синхронные протоколы выполняют некоторые действия, не предусмотренные асинхронными протоколами, а именно: • разбивают данные на блоки; • добавляют управляющую информацию; • проверяют данные на наличие ошибок. К основным протоколам синхронной связи относятся: • SDLC (Synchronous Data Link Control) — протокол синхронного управления каналом; HDLC (High-level Data Link Control) — высокоуровневый протокол управления каналом; • BISYNC (Binary SYNchronous Communications protocol) — протокол двоичной синхронной связи. Синхронная связь используется практически во всех цифровых системах связи и сетях. Расширение локальных сетей К устройствам, которые позволяют расширить сеть, относятся: • концентраторы; • повторители; • мосты; • маршрутизаторы: • мосты-маршрутизаторы; • шлюзы. Концентраторы Концентратор используют для расширения ЛВС. Хотя таким образом нельзя построить ГВС, Вы можете подключить к ЛВС больше компьютеров (рисунках 60 и 61). Это один из самых популярных способов расширения ЛВС. но он имеет ряд ограничений. Рисунок 60 - Последовательное подключение концентраторов Ethernet Рисунок 61 - Концентраторы Token-ring объединенные в единое “кольцо” Повторители При распространении по кабелю сигнал искажается, поскольку уменьшается его амплитуда. Причина этого явления — затухание. Чтобы этого не произошло, устанавливают повторители. Благодаря повторителям сигналы способны можно передавать на большие расстояния. Рисунок 62 - Повторитель в модели OSI Повторитель работает на Физическом уровне модели OSI, восстанавливая сигнал и передавая его в другие сегменты (рисунок 63). Рисунок 63 - Повторители восстанавливают ослабленный сигнал Повторитель принимает затухающий сигнал из одного сегмента, восстанавливает его и передает в следующий сегмент. Чтобы данные — через повторитель — поступали из одного сегмента в другой, каждый сегмент должен использовать одинаковые пакеты и протоколы Logical Link Control (LLC). Повторители не имеют функций преобразования и фильтрования. Чтобы повторитель работал, оба соединяемые им сегмента должны иметь одинаковый метод доступа. Наиболее распространенные из них — CSMA/CD и передача маркера. Таким образом, повторитель не сумеет соединить сегмент, где применяется CSMA/CD, с сегментом, в котором используется передача маркера. Другими словами, они не могут транслировать пакеты Ethernet в пакеты Token Ring. Однако повторители позволяют передавать пакеты из одного типа физического носителя в другой (рисунок 64). Если повторитель имеет соответствующие разъемы, он примет пакет Ethernet, приходящий из сегмента на тонком коаксиальном кабеле, и передаст его в сегмент на оптоволокне. Некоторые концентраторы работают, как многопортовые повторители, соединяющие различные типы носителей. Рисунок 64 - Повторители соединяют различные типы носителей Повторители передают из сегмента в сегмент каждый бит данных, даже если данные состоят из искаженных пакетов или из пакетов, не предназначенных для этого сегмента. Т.е. повторители не выполняют функций фильтра, ограничивающего поток некорректных пакетов. Использование повторител оправдано, если повторитель: • соединяет сегменты, использующие одинаковые или разные типы среды передачи; • восстанавливает сигнал, тем самым увеличивая дальность передачи; • передает весь трафик в обоих направлениях; • с наименьшими затратами соединяет два сегмента; Не используйте повторители, если: • сетевой трафик интенсивный; • в сегментах применяются разные методы доступа; • необходимо реализовать один из методов фильтрования данных. Мосты Мост (bridge), как и повторитель, соединяет сегменты или локальные сети рабочих групп (рисунок 65). Однако, в отличие от повторителя, мост позволяет разбить сеть на несколько сегментов, изолировав за счет этого часть трафика или возникшую проблему. Например, если трафик компьютеров какого-то отдела «наводняет» есть пакетами, уменьшая ее производительность в целом, то средствами моста можно выделить эти компьютеры в отдельный сегмент и изолировать его от сети. Мосты позволяют решать следующие задачи: • увеличить размер сети; • увеличить максимальное количество компьютеров в сети: • устранить «узкие» места, появляющиеся в результате подключения избыточного числа компьютеров и, значит, возрастания трафика; • разбить перегруженную сеть на отдельные сегменты с уменьшенным трафиком. В итоге каждая подсеть начинает работать более эффективно; • соединить разнородные физические носители, такие, как питая пара и коаксиальный кабель; • соединить разнородные сегменты сети, например Ethernet и Token Ring, и переносить между ними пакеты. Рисунок 65 - Мост в модели OSI Принцип работы Мосты работают на Канальном уровне модели OSI, поэтому им недоступна информация, содержащаяся на более высоких уровнях этой модели. Мосты допускают использование в сети всех протоколов (не отличая при этом один протокол от другого), поэтому каждый компьютер должен определять, с какими протоколами он работает. Мост выполняет следующие действия: • «слушает» весь трафик; • проверяет адреса источника и получателя каждого пакета; • строит таблицу маршрутизации; • передает пакеты. Передача пакетов осуществляется следующим образом. Когда адресат не указан в таблице маршрутизации, мост передает пакет во вес сегменты. Когда адресат указан в таблице маршрутизации, мост передает пакет в этот сегмент: Работа моста основана на принципе, согласно которому каждый узел сети имеет уникальный адрес. — мост передает пакеты, исходя из адреса узла назначения. Мосты обладают некоторым «интеллектом», поскольку изучают, куда следует направить данные. Когда пакеты передаются через мост, данные об адресах компьютеров сохраняются в оперативной памяти моста. Он использует эти данные для построения таблицы маршрутизации. В начале работы таблица маршрутизации моста пуста. Затем, когда узлы начинают передавать пакеты, адрес источника копируется в таблицу маршрутизации (рисунок 66). Рисунок 66 - Таблица маршрутизации хранит список адресов На основе этих данных мост изучает расположение компьютеров в сегментах сети. Создание таблицы маршрутизации Мосты используют адреса источников — адрес устройства, инициировавшего передачу, — для создания таблицы маршрутизации. Принимая пакет, мост ищет адрес источника в таблице маршрутизации. Если адрес источника не найден, он добавляет его в таблицу. Затем мост сравнивает адреса назначения с базой данных таблицы маршрутизации. • Если адрес получателя есть в таблице маршрутизации и адресат находится в одном сегменте с источником, пакет отбрасывается. Это фильтрование уменьшает сетевой трафик и изолирует сегменты сети. • Если адрес получателя есть в таблице маршрутизации, а адресат и источник находятся в разных сегментах, мост передает пакет адресату через соответствующий порт. • Если адреса получателя нет в таблице маршрутизации, мост передает пакет во все свои порты, исключая тот, через который пакет был принят. Если мост знает о местонахождении узла-адресата, он передает пакет ему. Если адресат неизвестен, мост транслирует пакет во все сегменты. Сегментирование сетевого трафика С помощью таблицы маршрутизации, управляя передачей пакетов в сегменты, мосты способны уменьшить сетевой график. Этот процесс называется сегментацией сетевого трафика. Большая сеть не ограничивается одним мостом. Чтобы объединить несколько малых сетей в одну большую, надо использовать несколько мостов. Рисунок 67 - Сегментация сети средствами таблицы маршрутизации Удаленные мосты Для соединения двух кабельных сегментов необходим только один мост. Однако и две локальные сети, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, можно объединить в одну сеть. С этой целью используют два удаленных моста, которые подключают через синхронные модемы к выделенной телефонной линии. Так как удаленные сегменты локальных сетей часто соединяют через телефонные линии, возникают ситуации, когда несколько локальных сетей связаны более чем по одному маршруту. В этом случае вероятно прохождение пакетов по длительному циклу. Для исключения таких ситуаций служит алгоритм Spanning Tree Algorithm (STA), разработанный IEEE 802.1 Network Management Committee. Используя STA, программное обеспечение находит все возможные маршруты, определяет самый эффективный, а затем конфигурирует мост так, чтобы он работал именно с этим маршрутом. Другие маршруты программное обеспечение отключает. Однако, если основной маршрут становится недоступным, в некоторых случаях отключенные маршруты вновь активизируются. Различия между мостами и повторителями Мосты работают на более высоком уровне модели OSI. чем повторители. Это означает, что мосты «умней» повторителей и могут учитывать больше особенностей передаваемых данных. Мосты, как и повторители, способны восстанавливать форму сигнала, однако делают это на уровне пакетов: мосты передают пакеты на большие расстояния с использованием разнообразных сред передачи. Мосты, обладая всеми функциями повторителей, позволяют подключать больше узлов. Кроме того, они обеспечивают более высокую, чем повторители, производительность сети. Так как сеть делится на изолированные сегменты, в каждом из них оказывается меньше компьютеров, конкурирующих за доступ к среде передачи. Если обширную сеть Ethernet разделить на два сегмента, соединенных мостом, то в каждом сегменте сети будет распространяться меньше пакетов, возникать меньше коллизий, и вся сеть станет работать более эффективно. Хотя сегменты изолированы, мост пересылает между ними соответствующие пакеты. Мост способен работать как автономное устройство (внешний мост), так и на сервере (внутренний мост), если сетевая операционная система допускает' установку на сервере нескольких сетевых плат. Администраторы сетей широко применяют мосты, потому что они: • просты в установке и работают незаметно для пользователей; • отличаются высокой гибкостью и адаптируемостью: • относительно дешевы. Маршрутизаторы В среде, объединяющей несколько сетевых сегментов с различными протоколами и архитектурами, мосты не всегда гарантируют быструю связь между всеми сегментами. Для такой сложной сети необходимо устройство, которое не только знает адрес каждого сегмента, но определяет наилучший маршрут для передачи данных и фильтрует широковещательные сообщения. Подобное устройство называется маршрутизатором. Маршрутизаторы (routers) работают на Сетевом уровне модели OSI. Это значит, что они могут переадресовывать и маршрутизировать пакеты через множество сетей, обмениваясь информацией (которая зависит от протокола) между отдельными сетями. Маршрутизаторы считывают в пакете адресную информацию сложной сети и, поскольку они функционируют на более высоком по сравнению с мостами уровне модели OSI, имеют доступ к дополнительным данным. Рисунок 68 - Маршрутизатор в модели OSI Маршрутизаторы выполняют следующие функции мостов: • фильтруют и изолируют трафик; • соединяют сегменты сети. Однако маршрутизаторам доступно больше информации, чем мостам, и они ис­пользуют ее для оптимизации доставки пакетов. В сложных сетях без маршрутизаторов обойтись трудно, поскольку они обеспечивают лучшее (по сравнению с мостами) управление трафиком и не пропускают широковещательных сообщений. Маршрутизаторы могут обмениваться да'нными о состоянии маршрутов и, основываясь на них, обходить медленные или неисправные каналы связи. Основные функции маршрутизаторов - пересылка пакетов согласно их сетевым иерархическим адресам, обеспечение безопасности передаваемой информации, управление трафиком, предоставление необходимого качества услуг при обслуживании. При этом функции маршрутизатора могут быть разбиты на три группы в соответствии уровнями модели OSI: • На нижнем уровне, уровне интерфейсов, маршрутизатор обеспечивает физический интерфейс со средой передачи, включая согласование уровней электрических сигналов, линейное и логическое кодирование, оснащение определенным типом разъема. Маршрутизатор должен поддерживать все протоколы канального и физического уровней, используемые в каждой из сетей, к которым он будет непосредственно подключен. • На сетевом уровне выполняется фильтрация трафика. Так, фильтр позволяет не пропускать в сеть некоторые сообщения прикладных служб или пакеты из различных подсетей. На сетевом уровне определяется также маршрут пакета. • На уровне протоколов маршрутизации происходит построение и поддержка содержимого таблиц маршрутизации, которые используются сетевыми протоколами. Маршрутизаторы, поддерживающие несколько протоколов сетевого уровня, называются многопротокольными маршрутизаторами. Маршрутизаторы могут обрабатывать пакеты немаршрутизируемых протоколов, которые не оперируют с таким понятием, как сеть. Принцип работы Таблица маршрутизации, которая находится в маршрутизаторах, содержит сетевые адреса. Для каждого протокола, используемого в сети, строится своя таблица. Таблица помогает маршрутизатору определить адреса назначения для поступающих данных. Она включает следующую информацию: • все известные сетевые адреса; • способы связи с другими сетями: • возможные пути между маршрутизаторами; • «стоимость» передачи данных по этим маршрутам. Маршрутизатор выбирает наилучший путь для данных, сравнивая различные варианты (рисунок 69). Таблицы маршрутизации существуют и для мостов. Таблица маршрутизации моста содержит адреса подуровня Управления доступом к среде, тогда как таблица маршрутизации маршрутизатора содержит номера сетей. Поэтому термин «таблица маршрутизации» имеет разный смысл для мостов и для маршрутизаторов. Маршрутизаторы требуют специальной адресации: им понятны только номера сетей (что позволяет им обращаться друг к другу) и адреса локальных плат сетевого адаптера. К удаленным компьютерам маршрутизаторы обращаться не могут. Маршрутизатор, принимая пакеты, предназначенные для удаленной сети, пересылает их тому маршрутизатору, который обслуживает сеть назначения. В некотором смысле такой механизм передачи пакетов можно рассматривать как достоинство маршрутизаторов, потому что он позволяет: • сегментировать большие сети на меньшие; • создавать как бы барьер безопасности между сегментами; • предотвращать широковещательный «шторм» (широковещательные сообщения не передаются). Так как маршрутизаторы выполняют сложную обработку каждого пакета, они медленнее большинства мостов. Когда пакеты передаются от одного маршрутизатора к другому , адреса источника и получателя Канального уровня отсекаются , а затем создаются заново. Это позволяет маршрутизаотру направлять пакеты из сети TCP/IP Ethernet Серверу в сети TCP/IP Token Ring . Пропуская только адресные сетевые пакеты, маршрутизаторы препятствуют про­никновению в сеть некорректных пакетов. Таким образом, отсеивая некорректные и широковещательные пакеты, маршрутизаторы уменьшают нагрузку на сеть. Рисунок 69 - Маршрутизаторы взаимодействуют с другими маршрутизаторами, а не с удаленными компьютерами Адрес узла назначения маршрутизаторы не проверяют — они «смотрят» только на адрес сети. Иначе говоря, маршрутизаторы пропускают информацию лишь в том случае, если известен адрес сети. Эта возможность — контролировать данные, передаваемые через маршрутизатор, — позволяет, во-первых, уменьшить трафик между сетями и, во-вторых, использовать его гораздо эффективнее, чем при наличии мое тов. Ориентируясь на схему адресации маршрутизаторов, администраторы всегда могут разбить одну большую сеть на множество отдельных сетей, между которыми как барьер будут действовать маршрутизаторы: они не пропускают все пакеты подряд и обрабатывают далеко не каждый пакет. В результате значительно сокращается сетевой трафик и, как следствие, время ожидания пользователей. Маршрутизируемые протоколы С маршрутизаторами работают не все протоколы. Работающие с маршрутизаторами протоколы называются маршрутизируемыми. К ним относятся: • DECnet: • Internet Protocol (IP): • Internetwork Packet Exchange (IPX); • OSI; • Xerox Network System (XNS); • DDP (AppleTalk)'. К немаршрутизируемым протоколам относятся: • LAT (Local Area Transport — протокол корпорации Digital Equipment Corporation); • NetBEUI. Существуют маршрутизаторы, которые в одной сети способны работать с несколькими протоколами (например, с IP и IPX). Выбор маршрута В отличие от мостов, маршрутизаторы «умеют» не только использовать несколько активных маршрутов между сегментами локальных сетей, но и выбирать среди них оптимальный. Поскольку маршрутизаторы способны соединять сегменты с абсолютно разными схемами упаковки данных и методами доступа к среде, им зачастую доступны несколько каналов связи. Это значит, что. если какой-нибудь маршрутизатор перестанет работать, данные все равно продолжают передаваться — по другим маршрутам. Маршрутизатор может «прослушивать» сеть и определять, какие ее части загружены сильнее. Он устанавливает также количество транзитов (hops) между сегментами сети. Используя эту информацию, маршрутизатор определяет маршрут передачи данных. Если один путь перегружен, он выберет альтернативный. Подобно мостам, маршрутизаторы строят таблицы маршрутизации и используют их в алгоритмах маршрутизации (routing algorithm) — они описаны далее. • OSPF (Open Shortest Path First) — алгоритм маршрутизации на основе состояния канала. Алгоритмы состояния канала управляют процессом маршрутизации и позволяют маршрутизаторам быстро реагировать на изменения в сети. • RIP (Routing Information Protocol) — дистанционно-векторные алгоритмы мар­шрутизации. Протоколы TCP/IP и IPX поддерживаю! RIP. • NPSP (NetWare Pink Services Protocol) — алгоритм маршрутизации на основе состояния канала. Протокол IPX поддерживает NLSP. Типы маршрутизаторов Маршрутизаторы подразделяются на два основных типа: • статические (static) — для них необходимо, чтобы администратор вручную создал и сконфигурировал таблицу маршрутизации, а также указал каждый маршрут для передачи данных через сеть; • динамические (dynamic) — автоматически определяют маршруты и поэтому требуют минимальной настройки. Они сложнее статических, гак как анализируют информацию от других маршрутизаторов и для каждого пакета принимают отдельное решение о маршруте передачи данных через сеть. Даже опытные сетевые инженеры часто сомневаются , что надо использовать – мост и маршрутизатор. Ведь на первый взгляд кажется, что устройства выполняют одни и те же действия · Передают пакеты между сетями · Передают данные по каналам глобальных сетей Однако мост, работающий на подуровне Управления доступом к среде Канального уровня модели OSI, «видит» только адрес узла, точнее, в каждом пакете мост ищет адрес узла подуровня Управления доступом к среде. Если моет распознает адрес, он оставляет пакет в локальном сегменте или передает его в нужный сегмент. Если адрес мосту неизвестен, он пересылает пакет во все сегменты, исключая тот, из которого пакет прибыл. Широковещательные пакеты Пересылка широковещательных пакетов — ключ к пониманию функций мостов и их отличий от маршрутизаторов. При использовании мостов широковещательные пакеты следуют ко всем компьютерам всех портов моста, исключая тот порт, через который они прибыли. Иначе говоря, каждый компьютер во всех сетях получит широковещательный пакет. В малых сетях это, скорее всего, не будет иметь сколько-нибудь существенного значения, но в большой сети, где генерируется значительный поток широковещательных сообщений, заметно снизится производительность (несмотря на фильтрование адресов). Маршрутизатор, работающий на Сетевом уровне, принимает во внимание больше информации, чем мост: он определяет и то, что нужно передавать и то, куда нужно передавать. Маршрутизатор распознает не только адрес, как это делает мост, но и тип протокола. Кроме того, маршрутизатор устанавливает адреса других маршрутизаторов и решает, какие пакеты каким маршрутизаторам переадресовать. Мост распознает только один маршрут между сетями. Маршрутизатор среди нескольких возможных путей определяет самый лучший на данный момент. Основные характеристики Запомните главные характеристики мостов и маршрутизаторов. Они помогут Вам различать эти устройства, а в конкретной ситуации отдать предпочтетение.- одному из них. • Мост распознает только локальные адреса подуровня Управления доступом к среде (адреса плат сетевого адаптера компьютеров в подключенных к нему сегментах). Маршрутизаторы распознают адреса сетей. • Мост распространяет пакеты с неизвестным ему адресом получателя по всем направлениям, а все пакеты с известным адресом передает только через соответствующий порт. Рисунок 70 - Маршрутизаторы распознают и используют несколько маршрутов • Маршрутизатор работает только с маршрутизируемыми протоколами. • Маршрутизатор фильтрует адреса. Пакеты определенных протоколов он передает по определенным адресам (другим маршрутизаторам). Мосты-маршрутизаторы Мост-маршрутизатор (brouter), о чем свидетельствует его название, обладает свойствами и моста, и маршрутизатора. С одними протоколами он работает как маршрутизатор, с другими — как мост. функции: • маршрутизировать протоколы; • функционировать как мост для немаршрутизируемых протоколов; • обеспечивать более экономичное и более управляемое взаимодействие сетей по сравнению с раздельными мостами и маршрутизаторами. Шлюзы Шлюзы (gateways) обеспечивают связь между различными архитектурами и сетевыми средами. Они распаковывают и преобразуют данные, передаваемые из одной среды в другую, чтобы каждая среда могла понимать сообщения других сред. В частности, шлюз изменяет формат данных, иначе прикладная программа на принимающей стороне не сможет их распознать. Например, шлюзы электронной почты (такие, как Х.400) принимают сообщение в одном формате, транслируют его и пересылают в формате Х.400, используемом получателем, и наоборот. Шлюз связывает две системы, которые применяют разные; • коммуникационные протоколы; • структуры и форматы данных; • языки; • архитектуры. Шлюзы связывают разные сети, например Microsoft Windows NT Server с SNA (Systems Network Architecture фирмы IBM). Рисунок 71 - Шлюз в модели OSI Шлюзы создаются для выполнения определенного типа задач, то есть для конкретного типа преобразования данных. Часто их и называю; в соответствии со специализацией. Шлюз принимает данные из одной среды, удаляет старый протокольный стек (рисунок 71) и переупаковывает их в протокольный стек системы назначения. Обрабатывая данные, шлюз выполняет следующие операции: • извлекает данные из приходящих пакетов, пропуская их снизу вверх через полный стек протоколов передающей сети; • заново упаковывает полученные данные, пропуская их сверху вниз через стек протоколов сети назначения. Некоторые шлюзы используют все семь уровней модели OS!, по обычно шлюзы выполняют преобразование протоколов 'только на Прикладном \ ровне. -Впрочем, это зависит от типа конкретного шлюза. Главное назначение шлюзов — связывать локальную сеть персональных компьютеров и среду мэйнфреймов или мини-компьютеров, которые непосредственно взаимодействовать с персональными компьютерами не могут. В локальной сети на роль шлюза обычно выделяется одни компьютер. Специальные прикладные программы на настольных компьютерах через компьютер-шлюз получают доступ к мэйнфрейму. Таким образом, пользователи могут работать с ресурсами мэйнфрейма так же просто, как будто эти ресурсы принадлежат их собственным компьютерам. Обычно роль шлюзов в сети выполняют выделенные серверы. При этом может быть задействована значительная часть мощности сервера, потому 1 то решаются такие ресурсоемкие задачи, как преобразование протоколов. Если сервер-шлюз используется и для других целей, необходимо установить на нем адекватный объем оперативной памяти и мощный центральный процессор, в противном случае производительность сервера будет низкой. Шлюзы не создают высокой нагрузки для межсетевых каналов связи, и эффективно выполняют специфичные задачи. Рисунок 72 - Шлюзы соединяют персональные компьютеры с мэйнфреймами Коммуникационные службы Модем бесполезен, пока он не может связаться с другим модемом. Связь между ними осуществляется по некоей коммуникационной линии или кабелю. Тип кабеля, равно как и то, какой фирмой он проложен и обслуживается, влияет на стоимость и скорость передачи. При выборе способа модемной связи администратор должен принимать во внимание следующие факторы: • пропускную способность: • расстояние; • стоимость. Телефонные линии Существуют два типа телефонных линий, используемых модемной связи Коммутируемые линии — это обычные телефонные линии. Они медленные, ненадежные для передачи данных и требуют набора номера для установки соединения. Однако в некоторых компаниях их применяют первое время для регулярного обмена файлами и информацией из баз данных. Арендуемые, или выделенные, линии обеспечивают постоянный выделенный канал связи, который не требует последовательности коммутаций для осуществления соединения. Качество такой линии, как правило, выше, а скорость передачи составляет от 56 кбит/с до 45 Мбит/с и выше. Однако на практике при передаче данных на большие расстояния обычно ис­пользуются коммутируемые каналы, которые выглядят, как выделенные линии. Их называют виртуальными частными сетями (VPN).