Учебное пособие

Компьютерная сеть – объединение нескольких ЭВМ для совместного решения информационных, вычислительных, учебных и других задач.

Сети ЭВМ породили существенно новые технологии обработки информации – сетевые технологии. В простейшем случае сетевые технологии позволяют совместно использовать ресурсы – накопители большой емкости, печатающие устройства, доступ в Internet, базы и банки данных.

Простейшим видом сети является, так называемая, одноранговая сеть, обеспечивающая связь персональных компьютеров конечных пользователей и позволяющая совместно использовать дисководы, принтеры, файлы.

Более развитые сети помимо компьютеров конечных пользователей (рабочих станций) включают специальные выделенные компьютеры – серверы.

- Сервер (аппаратное обеспечение) – компьютер повышенной надёжности и производительности для выполнения определённых задач.

- Сервер (сеть) – узел сети, принимающий и обрабатывающий запросы пользователей.

- Сервер (приложение) – приложение, принимающее запросы от клиентов (в архитектуре клиент-сервер).

Сервер (аппаратное обеспечение) – специализированный компьютер, направленный на обеспечение максимальной защищенности, доступности и сохранности выполняемых задач. Достигается это путем использования более современных технологий и избыточностью с возможностью «горячей замены».

Основное предназначение серверов — предоставление ресурсов для рабочих станций (пользователей).

Серверное оборудование, как правило, комплектуется более надежными элементами:

- памятью с повышенной устойчивостью к сбоям.

o блоков питания (в том числе с горячим подключением)

o жестких дисков (в том числе с горячими подключением и заменой).

Сервер – это ЭВМ, выполняющая в сети особые функции обслуживания остальных компьютеров сети – рабочих станций.

- серверы для проведения математических расчетов,

Технология обработки информации «клиент – сервер» предполагает глубокое разделение функций компьютеров в сети.

- предоставление пользовательского интерфейса, ориентированного на определенные производственные обязанности и полномочия пользователя;

- формирование запросов к серверу, причем не обязательно информируя об этом пользователя;

- анализ ответов сервера на запросы и предъявление их пользователю.

Основная функция сервера – выполнение специфических действий по запросам клиента, при этом сам сервер не инициирует никаких взаимодействий с клиентом.

Если сервер, к которому обратился клиент, не в состоянии решить задачу из-за нехватки ресурсов, то в идеале он сам находит другой, более мощный, сервер и передает задачу ему, становясь, в свою очередь, клиентом, но не информируя об этом без нужды начального клиента.

При этом «клиент» вовсе не есть выносной терминал сервера. Клиентом может быть весьма мощный компьютер, который в силу своих возможностей решает задачи самостоятельно.

Локальные сети (ЛС ЭВМ) объединяют относительно небольшое число компьютеров (обычно от 10 до 100) в пределах одного помещения (учебный компьютерный класс), здания или университета.

Традиционное название – локальная вычислительная сеть (ЛВС) - скорее дань тем временам, когда сети в основном использовались для решения вычислительных задач; сегодня же в 99% случаев речь идет исключительно об обмене информацией в виде текстов, графических и видео-образов, числовых массивов.

Полезность ЛС объясняется тем, что от 60% до 90% необходимой учреждению информации циркулирует внутри него, не нуждаясь в выходе наружу.

Большое влияние на развитие ЛС оказало создание автоматизированных систем управления предприятиями (АСУ).

- несколько автоматизированных рабочих мест (АРМ),

Другое важнейшее поле деятельности, в котором ЛС доказали свою эффективность – создание классов учебной вычислительной техники (КУВТ).

Характерная особенность ЛС - наличие связывающего всех абонентов высокоскоростного канала связи для передачи информации в цифровом виде. Существуют проводные и беспроводные (радио) каналы. Каждый из них характеризуется определенными значениями существенных с точки зрения организации ЛС параметров:

В настоящее время обычно применяют четыре типа сетевых кабелей:

Коаксиа́льный ка́бель (от лат. co — совместно и axis — ось, то есть «соосный») — вид электрического кабеля. Состоит из двух цилиндрических проводников, соосно вставленных один в другой.

Чаще всего используется центральный медный проводник, покрытый пластиковым изолирующим материалом, поверх которого идёт второй проводник — медная оплётка или алюминиевая фольга с оплёткой из медных луженых проволок.

Современный телевизионный коаксиальный кабель имеет внутренний проводник из омедненной стали, внутренний диэлектрик из вспенненного полиэтилена и экранирование фольгой и стальной оплеткой.

A-внешняя пластиковая оболочка, B-медная оплётка C-внутренний пластиковый изолятор, D-центральный проводник

Тонкий Ethernet был наиболее распространённым кабелем для построения локальных сетей. Диаметр примерно 6 миллиметров и значительная гибкость позволяли ему быть проложенным практически в любых местах. Кабели соединялись друг с другом и с сетевой платой в компьютере при помощи Т-коннектора BNC.

Между собой кабели могли соединяться с помощью I-коннектора BNC. На обоих концах сегмента должны быть установлены терминаторы.

Поддерживает передачу данных до 10 Мбит/с на расстояние до 185 метров.

Рисунок 123 – Построение сети при помощи коаксиального кабеля

Толстый Ethernet – более толстый, по сравнению с предыдущим кабель около 12 миллиметров в диаметре, имел более толстый центральный проводник. Плохо гнулся и имел значительную стоимость.

Кроме того в присоединении к компьютеру были некоторые сложности. За счёт более толстого проводника передачу данных можно было осуществлять на расстояние до 500 метров со скоростью 10 Мбит/с.

Однако сложность и дороговизна установки не дали этому кабелю такого широкого распространения, как RG-58. Исторически фирменный кабель RG-8 имел жёлтую окраску, и поэтому иногда можно встретить название «Жёлтый Ethernet».

Вита́я па́ра (англ. twisted pair) — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой.

Свивание проводников производится с целью повышения связи проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов.

Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодического сближения проводников различных пар) в кабелях UTP категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом.

В зависимости от наличия защиты — электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности данной технологии:

- незащищенная витая пара (UTP — Unshielded twisted pair) - какие-либо защита или экранирование отсутствуют;

- фольгированная витая пара (FTP — Foiled twisted pair) — также известна как S/UTP присутствует один общий внешний экран;

- защищенная витая пара (STP — Shielded twisted pair) — присутствует экран для каждой пары;

- фольгированная экранированная витая пара (S/FTP — Shielded Foiled twisted pair) — отличается от FTP наличием дополнительного внешнего экрана из медной оплетки;

- защищенная экранированная витая пара (S/STP — Screened shielded twisted pair) — отличается от STP наличием дополнительного общего внешнего экрана.

Существует несколько категорий кабеля витая пара, которые нумеруются от CAT1 до CAT7 и определяют эффективный пропускаемый частотный диапазон.

Кабель более высокой категории обычно содержит больше пар проводов и каждая пара имеет больше витков на единицу длины. Категории неэкранированной витой пары описываются в стандарте EIA/TIA 568 (Американский стандарт проводки в коммерческих зданиях).

Для организации учебных ЛС чаще всего используется витая пара, как самая дешевая, поскольку требования к скорости передачи данных и длине линий не являются критическими.

Для связи компьютеров с помощью линий связи ЛС требуются адаптеры сети (или, как их иногда называют, сетевые платы). Самыми известными являются адаптеры следующих трех типов:

Адаптер сети вставляется непосредственно в свободный слот материнской платы персонального компьютера и к нему на задней панели системного блока подключается линия связи ЛС. Адаптер, в зависимости от своего типа, реализует ту или иную стратегию доступа от одного компьютера к другому.

Существует 2 схемы обжимки кабеля: прямой кабель и перекрёстный (кросс-овер) кабель.

Первая схема используется для соединения компьютера со свитчем/хабом, вторая для соединения 2 компьютеров напрямую и для соединения некоторых старых моделей хабов/свитчей (uplink порт).

Рисунок 125 – Схема обжимки, вариант по стандарту EIA/TIA-568A


Рисунок 126 – Коннектор	Рисунок 127 – Обжимной инструмент (кримпер)

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) представляет собой волоконно-оптическую систему, состоящую из элементов кабельной техники, предназначенных для передачи оптического сигнала по оптоволоконному кабелю.

- оптический кабель – представляет собой жилы оптоволокна, заключённые для защиты в оплётку;

- лазер – для формирования первоначального оптического сигнала с целью его последующей передачи по кабелю;

- датчики – для приёма сигнала на концах оптоволоконного кабеля.

Оптоволоконная связь — средство связи на больших расстояниях, построенная на основе волоконно-оптических линий связи. Представляет собой связь между источником оптического излучения (полупроводниковым лазером или светодиодом) и приёмником (фотодиодом) через оптическое волокно.

Скорость передачи данных может измеряться сотнями гигабит в секунду.

Волоконно-оптический кабель – состоит из центрального проводника света (сердцевины) стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина.

При распространении лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

Беспроводные компьютерные сети – это технология, позволяющая создавать вычислительные сети, полностью соответствующие стандартам для обычных проводных сетей (например, Ethernet), без использования кабельной проводки.

В качестве носителя информации в таких сетях выступают радиоволны СВЧ-диапазона.

Беспроводная связь на радиоволнах СВЧ диапазона может использоваться для организации сетей в пределах больших помещений типа ангаров или павильонов, там, где использование обычных линий связи затруднено или нецелесообразно.

Кроме того, беспроводные линии могут связывать удаленные сегменты локальных сетей на расстояниях 3 - 5 км (с антенной типа волновой канал) и 25 км (с направленной параболической антенной) при условии прямой видимости.

Wi-Fi расшифровывается как Wireless Fidelity («беспроводная связь») и используется в качестве общего названия для устройств любого типа, поддерживающих технологию 802.11.

Wi-Fi позволяет устройствам без проводов связываться между собой с целью обмена данными.

Наиболее популярная и широко используемая версия Wi-Fi - это стандарт 802.11b, который обеспечивает передачу данных со скоростью 11 Мбит/с.

Стандарт 802.11а - более новая версия, которая лучше подходит для локальных беспроводных сетей и работает на скорости до 54 Мбит/с. (технологией Bluetooth 720 Кбит/с).

Конфигурации локальных сетей и организация обмена информацией

В простейших сетях с небольшим числом компьютеров они могут быть полностью равноправными. Сеть в этом случае обеспечивает передачу данных от любого компьютера к любому другому для коллективной работы над информацией. Такая сеть называется одноранговой.

В крупных сетях с большим числом компьютеров оказывается целесообразным выделять один (или несколько) мощных компьютеров для обслуживания потребностей сети (хранение и передачу данных, печать на сетевом принтере).

Такие выделенные компьютеры называют серверами; они работают под управлением сетевой операционной системы. В качестве сервера обычно используется высокопроизводительный компьютер с большим ОЗУ и винчестером (или даже несколькими винчестерами) большой емкости. Клавиатура и дисплей для сервера сети не обязательны, поскольку они используются очень редко (для настройки сетевой ОС).

Все остальные компьютеры называются рабочими станциями. Рабочие станции могут не иметь винчестерских дисков или даже дисководов вовсе. Такие рабочие станции называют бездисковыми. Первичная загрузка ОС на бездисковые рабочие станции происходит по локальной сети с использованием специально устанавливаемых на сетевые адаптеры рабочих станций микросхем ПЗУ, хранящих программу начальной загрузки.

ЛС в зависимости от назначения и технических решений могут иметь различную конфигурацию или архитектуру, или топологию:

В ЛС данные передаются от одного компьютера к другому блоками, которые называют пакетами данных. Станция, передающая пакет данных, обычно указывает в его заголовке адрес назначения данных и свой собственный адрес.

Пакеты могут передаваться между рабочими станциями без подтверждения - это тип связи на уровне датаграмм. Проверка правильности передачи пакетов в этом случае выполняется сетевой ОС, которая может сама посылать пакеты, подтверждающие правильную передачу данных. Важное преимущество датаграмм – возможность посылки пакетов сразу всем станциям в сети.

Процесс передачи данных по сети определяют шесть компонент:

Рисунок 132 – Процесс передачи данных по сети

В ходе процесса передачи блок протокола управляет логикой передачи по сети через схему доступа.

Каждая сетевая ОС использует определенную стратегию доступа от одного компьютера к другому.

Наиболее часто применяются две основные схемы:

Широко используются маркерные методы доступа, когда компьютер-абонент получает от центрального компьютера сети, так называемый, маркер - сигнал на право ведения передачи в течение определенного времени, после чего маркер передается другому абоненту.

При конкурентном методе доступа абонент начинает передачу данных, если обнаруживает свободной линию, или откладывает передачу на некоторый промежуток времени, если линия занята другим абонентом.

При другом способе – резервировании времени – у каждого абонента есть определенный промежуток, в течение которого линия принадлежит только ему.

Сеть Ethernet использует для управления передачей данных по сети конкурентную схему. Элементы сети Ethernet могут быть соединены по шинной или звездной топологии с использованием витых пар, коаксиальных или волоконно-оптических кабелей.

Основным преимуществом сетей Ethernet является их быстродействие. Обладая скоростью передачи от 10 до 100 Мбит/с, Ethernet является одной из самых быстрых среди существующих локальных сетей.

Cети IBM Token Ring используют для передачи данных схему с маркерным доступом.

Сеть Token Ring физически выполнена по схеме «звезда».

Пакеты данных передаются с одной рабочей станции на другую последовательно, но постоянно проходят через центральный компьютер. Сети Token Ring могут осуществлять передачу как по незащищенным и защищенным витым проводным парам, так и по волоконно-оптическим кабелям.

Сети Token Ring существуют в двух версиях, со скоростью передачи в 4 или 16 Мбит/с.

Сеть ARCnet использует схему с маркерным доступом и может работать как в шинной, так и в звездной топологии.

Схема «звезда» обычно обеспечивает лучшую производительность, так как при этой топологии возникает меньше конфликтов при передаче.

ARCnet совместима с коаксиальными кабелями, витыми парами и волоконно-оптическими кабелями.

Системы ARCnet являются сравнительно медленными. Передача осуществляется на скорости лишь 2,5 Мбит/с, что значительно меньше, чем в других типах сетей.

Правила организации передачи данных в сети называют протоколом. Определенный протокол поддерживается как аппаратно (адаптерами сети), так и программно (сетевой ОС).

Международный стандарт OSI/ISO (OSI - Open Systems Interconnect, ISO - название международной организации по стандартизации) предусматривает 7 уровней протоколов, в числе которых отметим протоколы сетевого уровня, обеспечивающие сетевые режимы передачи данных, транспортные протоколы, отвечающие за обмены между разными хост-машинами сети.

Аппаратные (hardware) адреса. Эти адреса предназначены для сети небольшого или среднего размера, поэтому они не имеют иерархической структуры. Типичным представителем адреса такого типа является адрес сетевого адаптера локальной сети.

Такой адрес обычно используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного значения размером 6 байт, например 11-AO-17-3D-BC-01.

При задании аппаратных адресов обычно не требуется выполнение ручной работы, так как они либо встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем, либо генерируются автоматически при каждом новом запуске оборудования, причем уникальность адреса в пределах сети обеспечивает оборудование.

Другое название аппаратного адреса - МАС – адрес.

Transmission Control Protocol (TCP) (протокол управления передачей) — один из основных сетевых протоколов Интернет, предназначенный для управления передачей данных в сетях и подсетях TCP/IP. TCP – протокол транспортного уровня.

Каждый компьютер, включенный в сеть (а точнее каждый сетевой интерфейс) получает уникальный в рамках всего Internet адрес (адресами ведают национальные комитеты Internet).

IP-адрес (IPv4) - это 4-байтовая последовательность, каждый байт записывается в виде десятичного числа.

Например, 195.19.19.19 - адрес одной из машин Воронежского государственного педагогического университета.

o номер хоста. Под хостом следует понимать не только компьютер в сети, но и вообще любое устройство, которое имеет свой сетевой интерфейс.

o Адреса класса А предназначены для использования в больших сетях общего пользования.

o Адреса класса В предназначены для использования в сетях среднего размера.

o Адреса класса С предназначены для использования в сетях с небольшим числом компьютеров.

DNS. Поскольку числовая адресация неудобна для использования ее человеком, в сети Internet числовым адресам ставятся в соответствие буквенные доменные. Они строятся по иерархическому признаку.

Поддержка доменных адресов производится с помощью DNS (Domain Name System) – распределенная система, которая обеспечивает поиск доменных имен и IP-адресов узлов сети в зоне ответственности сервера, устанавливает между ними соответствие. DNS – протокол прикладного уровня.

FTP (англ. File Transfer Protocol — протокол передачи файлов) – протокол прикладного уровня, предназначенный для передачи файлов в компьютерных сетях.

FTP позволяет подключаться к серверам FTP, просматривать содержимое каталогов и загружать файлы с сервера или на сервер; кроме того, возможен режим передачи файлов между серверами.

DHCP (англ. Dynamic Host Configuration Protocol — протокол динамической конфигурации узла) – это сетевой протокол прикладного уровня, позволяющий компьютерам автоматически получать IP-адрес и другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP.

Для этого компьютер обращается к специальному серверу, называемому сервером DHCP.

Сетевой администратор может задать диапазон адресов, распределяемых среди компьютеров. Это позволяет избежать ручной настройки компьютеров сети и уменьшает количество ошибок.

Протокол DHCP используется в большинстве крупных (и не очень) сетей TCP/IP.

SMTP (англ. Simple Mail Transfer Protocol — простой протокол передачи почты) — это сетевой протокол прикладного уровня, предназначенный для передачи электронной почты в сетях TCP/IP.

SMTP используется для отправки почты от пользователей к серверам и между серверами для дальнейшей пересылки к получателю.

POP3 (англ. Post Office Protocol Version 3 — протокол почтового отделения, версия 3) – это сетевой протокол прикладного уровня, используемый почтовым клиентом для получения сообщений электронной почты с сервера.

TELNET (англ. TELecommunication NETwork) – сетевой протокол прикладного уровня для реализации текстового интерфейса по сети (в современной форме — при помощи транспорта TCP).

Название «telnet» имеют также некоторые утилиты, реализующие клиентскую часть протокола.

Назначение протокола TELNET в предоставлении достаточно общего, двунаправленного, восьми битного байт ориентированного средства связи. Его основная задача заключается в том, чтобы позволить терминальным устройствам и терминальным процессам взаимодействовать друг с другом.

HTTP (англ. HyperText Transfer Protocol — «протокол передачи гипертекста») — протокол прикладного уровня передачи данных в первую очередь в виде текстовых сообщений.

Основой HTTP является технология «клиент-сервер», то есть предполагается существование потребителей (клиентов), которые инициируют соединение и посылают запрос, и поставщиков (серверов), которые ожидают соединения для получения запроса, производят необходимые действия и возвращают обратно сообщение с результатом.

HTTP в настоящее время повсеместно используется во Всемирной паутине для получения информации с веб-сайтов.

HTTPS – расширение протокола HTTP, поддерживающее шифрование.

Сетевой порт – параметр протоколов TCP и UDP, определяющий назначение пакетов данных в формате IP, передаваемых на хост по сети.

Это условное число от 1 до 65535, позволяющие различным программам, выполняемым на одном хосте, получать данные независимо друг от друга. Каждая программа обрабатывает данные, поступающие на определённый порт (иногда говорят, что программа «слушает» этот номер порта).

Обычно за некоторыми распространёнными сетевыми протоколами закреплены стандартные номера портов хотя в большинстве случаев программа может использовать любой порт.

Подразумевается использование протокола TCP там, где не оговорено иное.

В зависимости от типа каналов передачи данных различают типы оконечного пользовательского оборудования:

- Модем (для коммутируемых или выделенных линий, DSL модем).

- Сетевой адаптер (для витой пары или оптоволоконных линий).


Рисунок 134 – Модем	Рисунок 135 – Cетевая карта

Hub или Хаб (в переводе с английского повторитель, разветвитель, концентратор) – это устройство, которое служит для «разветвления» сигнала в сегменте сети. Сигнал, полученный HUB на одном порту, усиливается и передается на все порты устройства.

Сетевой коммутатор или свитч, свич (от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю.

Мост, сетевой мост, бридж (англ. Bridge) — сетевое оборудование для объединения сегментов локальной сети. В общем случае коммутатор (свитч) и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве. В настоящее время мосты практически не используются (т.к. для работы требуют производительный процессор).

Маршрутизация (англ. Routing) — процесс определения маршрута следования информации в сетях связи.

Процесс маршрутизации в компьютерных сетях выполняется специальными программно-аппаратными средствами — маршрутизаторами.

Выделяется программная и аппаратная маршрутизация.

Глобальные информационные сети - одно из основных достижений человечества в области информационных технологий, главная примета вхождения в эпоху информационного общества.

Делая возможным оперативное общение на огромных расстояниях (в разных странах и даже на континентах), глобальные сети уже изменили для многих людей характер и возможности образования и профессиональной деятельности.

Самой известной глобальной сетью является Internet, представляющий собой объединение огромного числа сетей – национального, отраслевого и еще более узкого – регионального уровня.

Локальные сети (Intranet) имеют выходы (шлюзы) в сети более высокого ранга, в согласованную систему адресов и протоколов (правил) передачи данных, и так образуют Internet - сеть сетей.

В глобальных сетях существует два режима информационного обмена.

Диалоговый режим (или режим реального времени), в котором пользователь, получив порцию информации, может немедленно на нее реагировать, подавать новую команду в сеть для получения новых порций информации, называется on-line.

Пакетный режим, называемый off-line. Пользователь передает порцию информации (или принимает ее) в коротком сеансе связи и на некоторое время отключается от сети. Это время может быть достаточно длительным – от нескольких часов до нескольких суток – пока его запрос не будет обработан.

Учебное пособие -> Глава 12

Глава 12. Компьютерные сети и телекоммуникации