1 Аналитический раздел
1.1 Общие сведения о вычислительных сетях
Вычислительные сети (ВС) появились давно. Еще на заре появления компьютеров существовали огромные системы, известные как системы разделения времени. Они позволяли использовать центральную ЭВМ с помощью удаленных терминалов. Такой терминал состоял из дисплея и клавиатуры. Внешне выглядел как обычный персональный компьютер, но не имел собственного процессорного блока. Пользуясь такими терминалами, сотни, а иногда тысячи сотрудников имели доступ к центральной ЭВМ.
Такой режим обеспечивался благодаря тому, что система разделения времени разбивала время работы центральной ЭВМ на короткие интервалы времени, распределяя их между пользователями. При этом создавалась иллюзия одновременного использования центральной ЭВМ многими сотрудниками.
В 70–х годах большие ЭВМ уступили место мини–компьютерным системам, использующим тот же режим разделения времени. Но технология развивалась, и с конца 70–х годов на рабочих местах появились персональные компьютеры. Однако, автономно работающие персональные компьютеры не дают непосредственного доступа к данным всей организации и не позволяют совместно использовать программы и оборудование. С этого момента начинается современное развитие компьютерных сетей.
Вычислительной сетью называется система, состоящая из двух или более удаленных ЭВМ, соединенных с помощью специальной аппаратуры и взаимодействующих между собой по каналам передачи данных. Самая простая сеть (network) состоит из нескольких персональных компьютеров, соединенных между собой сетевым кабелем.
1.2 Топология сети
Топология Шина
Рисунок 1.1 – Топология шина
Топология данного типа представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. Топология общая шина предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети. Отправляемое какой–либо рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет кому адресовано сообщение, если сообщение адресовано ей, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того, чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо несущий сигнал, либо один из компьютеров является главным и даёт разрешение остальным компьютерам такой сети.
На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.
Преимущества сетей шинной топологии:
–расход кабеля существенно уменьшен;
–отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом;
–сеть легко настраивать и конфигурировать;
–сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов.
Недостатки сетей шинной топологии:
–разрыв кабеля может повлиять на работу всей сети;
–ограниченная длина кабеля и количество рабочих станций;
–недостаточная надежность сети из–за проблем с разъемами кабеля;
–низкая производительность, обусловлена разделением канала между всеми абонентами.
Топология Звезда
Рисунок 1.2 – Топология звезда
Звезда — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный.
Рабочая станция, с которой необходимо передать данные, отсылает их на концентратор. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные, если на концентратор одновременно приходят два пакета, обе посылки оказываются не принятыми и отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных. Этот недостаток отсутствует на сетевом устройстве более высокого уровня — коммутаторе, который, в отличие от концентратора, подающего пакет на все порты, подает лишь на определённый порт — получателю. Одновременно может быть передано несколько пакетов. Сколько — зависит от коммутатора.
Преимущества сетей топологии звезда:
–легко подключить новый ПК;
–имеется возможность централизованного управления;
–сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК.
Недостатки сетей топологии звезда:
–отказ хаба влияет на работу всей сети;
–большой расход кабеля.
Топология Кольцо
В сети с топологией типа «кольцо» все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо, по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется со входом другого ПК. Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении.
Рисунок 1.3 – Топология кольцо
Принимающая рабочая станция распознает и получает только адресованное ей сообщение. В сети с топологией типа физическое кольцо используется маркерный доступ, который предоставляет станции право на использование кольца в определенном порядке. Логическая топология данной сети — логическое кольцо. Данную сеть очень легко создавать и настраивать.
К основному недостатку сетей топологии кольцо относится то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети.
1.3 Среды передачи данных
Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.
Существует 4 вида сред передачи данных:
–кабели на основе витых пар
–коаксиальные кабели
–оптоволоконные кабели
–бескабельные каналы связи
Витая пара
Витая пара— 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 степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитные помехи одинаково влияют 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.
Рисунок 1.4 – Витая пара
Витая пара — один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet, Token ring, USB. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости монтажа, является самым распространённым решением для построения проводных (кабельных) локальных сетей.
Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи разъёма 8P8C
Для защиты от электрических помех при использовании высокочастотных сигналов в кабелях категорий 6a–8 используется экранирование.
Экранирование применяется как к отдельным витым парам, которые оборачиваются в алюминиевую фольгу (металлизированную алюминием полиэтиленовую ленту). Или оплётки из медной проволоки. Экран также может быть соединён с неизолированным дренажным проводом.
Согласно международному стандарту ISO/IEC 11801, приложение E, для обозначения конструкции экранированного кабеля используется комбинация из трех букв: U — неэкранированный, S — металлическая оплётка (только общий экран), F — металлизированная лента (алюминиевая фольга). Из этих букв формируется аббревиатура вида xx/xTP, обозначающая тип общего экрана и тип экрана для отдельных пар.
Коаксиальный кабель
Коаксиальный — электрический кабель, состоящий из центрального проводника и экрана, расположенных соосно и разделённых изоляционным материалом или воздушным промежутком. Используется для передачи радиочастотных электрических сигналов. Отличается от экранированного провода, применяемого для передачи постоянного электрического тока и низкочастотных сигналов, более однородным в направлении продольной оси сечением (форма поперечного сечения, размеры и значения электромагнитных параметров материалов нормированы) и применением более качественных материалов для электро–проводников и изоляции.
Рисунок 1.5 – Коаксиальный кабель
Оптический кабель
Волоконно–оптический кабель — кабель на основе волоконных световодов, предназначенный для передачи оптических сигналов в линиях связи, в виде фотонов (света), со скоростью меньшей скорости света из–за не прямолинейности движения.
Оптический кабель предназначен для передачи сигналов связи посредством светового потока. Основным его отличием от классических систем, в которых данные передавались посредством электрических сигналов различной величины, частоты и протяженности, является использование световых импульсов, которые генерируются в оптическом модуле и поступают к приемнику на другом конце волокна. Благодаря своей структуре оптический проводник обеспечивает проходимость световых импульсов без потерь, за исключением тех из них, где мощность потока значительно снижается за счет отражения и дисперсии.
Рисунок 1.6 – Оптический кабель
Технические характеристики передачи предоставляют практически неограниченные возможности для подключения приемников или количества передаваемых сигналов.
Конструкция кабеля определяется его назначением и местом прокладки: от самой простой (оболочка, пластиковые трубки с волокнами) до многослойной (например, подводный коммуникационный кабель), содержащей упрочняющие и защитные элементы.
Бескабельные каналы связи
Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях используются также бескабельные. Их главное преимущество состоит в том, что они позволяют реализовать мобильный вариант взаимодействия абонентов. Кроме того, не требуется прокладка проводов и компьютеры сети можно легко перемещать в пределах здания или комнаты. Для реализации беспроводных сетей используют радио и инфракрасные каналы.
Радиоканал использует передачу информации с помощью радиоволн, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие тысячи и более километров. Скорость передачи достигает сотен мегабит в секунду (зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).
В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.
Недостатками радиоканала являются его плохая защита от прослушивания и очень низкая помехозащищенность. Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, из–за чего возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн.
Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях и в пределах прямой видимости. Используются частотные диапазоны – 2,4 ГГц и 5 ГГц.
Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории, в замкнутых пространствах. Они могут использоваться во временных офисах или в других местах, где прокладка кабелей затруднена или неосуществима совсем, а также в качестве дополнения к существующей проводной локальной сети для обеспечения пользователям мобильного варианта работы.
Технология беспроводных сетей Wi–Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между несколькими компьютерами с помощью концентратора (называемого точкой доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, данная технология позволяет связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров при помощи мощных беспроводных мостов.
Использование инфракрасного канала также предполагает отсутствие соединительных проводов, так как использует для взаимодействия инфракрасное излучение. Основным его преимуществом по сравнению с радиоканалом является нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. В этом случае используют высокую мощность передачи для исключения взаимного влияния других источников теплового (инфракрасного) излучения. Применяют такие сети и в областях, где наличие электромагнитных полей является недопустимым (медицина, научные исследования). Скорости передачи данных по инфракрасному каналу не велики, обычно не превышают 5 –10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае применения радиоканала, не достигается, также требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Недостаточно надежно функционирует инфракрасная связь в условиях высокой запыленности воздуха.
Перечисленные особенности приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях достаточно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферийным оборудованием. Инфракрасные каналы делятся на две группы:
– Каналы прямой видимости, где связь осуществляется с использованием лучей, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. В этом случае связь возможна только при отсутствии непрозрачных препятствий между компьютерами сети. Протяженность такого канала прямой видимости достигает нескольких километров.
– Каналы на рассеянном излучении. Они работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Связь может осуществляться на гораздо меньших расстояниях, только в пределах одного помещения.
1.4 Технологии передачи данных
В различных сетях существуют различные моменты обмена данными между рабочими станциями. Международный институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) разработал стандарты, которые описывают методы доступа к сетевым каналам данных.
Наибольшее распространение получил метод доступа Ethernet. Ethernet – семейство технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде – на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990–х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet и Token ring. Сейчас более широко используемый в локальных сетях, быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с). Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы, так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети. При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC–адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC–адрес. Если упомянуть среду беспроводной передачи данных, то наиболее популярная Wi–Fi, сейчас широко используется в домашних и офисных сетях.
Wi–Fi— стандарт на оборудование Wireless LAN. Установка Wireless LAN рекомендовалась там, где развёртывание кабельной системы было невозможно или экономически нецелесообразно. В нынешнее время во многих организациях используется Wi–Fi, так как при определённых условиях скорость работы сети уже превышает 100 Мбит/сек. Пользователи могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия сети Wi–Fi, подключаясь к локальной сети и получать доступ в Интернет через точки доступа.
Обычно схема сети Wi–Fi содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка–точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi–Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала.
Однако стандарт не описывает всех аспектов построения беспроводных локальных сетей Wi–Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по–своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения.
Использование устройств Wi–Fi на предприятиях обусловлено высокой помехоустойчивостью, что обуславливает их применение на предприятиях с множеством металлических конструкций.
1.5 Оборудование
Сетевой коммутатор (Рисунок 1.7) — это электронный прибор, объединяющий несколько компьютеров и/или других цифровых устройств в локальную сеть и позволяющий им обмениваться данными.
Switch (коммутатор, переключатель) это достаточно простые устройства. Они не содержат сложных контроллеров, не требуют повышенного питания, меньше греются, их работу сложнее нарушить, а при выходе из строя их довольно просто заменить (не требуется перенастраивать).
Ещё один несомненный плюс — неуправляемые коммутаторы стоят дешевле. Такие устройства применяются в простых сетях, где не требуется применения сложных сетевых конфигураций.
Тут надо отметить, что под понятием «простые сети» может скрываться вполне себе развитая инфраструктура среднего предприятия на 100 + локальных клиентов.
Управляемые коммутаторы L2 — вещь довольно распространенная. Например, их удобно использовать на уровне доступа, чтобы гибко управлять клиентским трафиком.
Защита от петель
Ошибки в виде «двойного подключения» приводят к созданию «петель» в сетях Ethernet и лишают сеть работоспособности.
Для их защиты придуманы специальные средства — в первую очередь мы говорим о семействе протоколов STP, который, кроме защиты от петель, предотвращает возникновение широковещательного шторма в сетях. Протоколы семейства STP работают на 2 уровне модели OSI (L2).
Агрегирование каналов
Позволяет объединить два или несколько портов (обычно применяется число, кратное 2) в один канал передачи данных. Один из известных проколов для агрегации — LACP поддерживаемый большинством Unix–like операционных систем. LACP работает в режиме Active–Active и, благодаря ему, помимо повышения отказоустойчивости увеличивается и скорость передачи данных.
Поддержка VLAN
VLAN — группа устройств, обменивающихся трафиком на канальном уровне (2 уровень сетевой модели OSI), хотя физически они могут быть подключены к разным коммутаторам.
Известен и обратный прием, когда один коммутатор при помощи VLAN «нарезается» на несколько независимых сегментов. Устройства из разных VLAN по умолчанию (без маршрутизации) «недоступны» на канальном уровне, не важно, подключены они к одному коммутатору или к разным.
В то время как как устройства из одного VLAN могут общаться между собой на канальном уровне, даже будучи подключенными к разным коммутаторам. устройства из одного VLAN могут общаться между собой на канальном уровне, даже будучи подключенными к разным коммутаторам.
Рисунок 1.7 – Коммутатор
Термин сетевое оборудование применим к тем устройствам, которые подключены к сегменту сети и умеют принимать или передавать какие–то данные.
Рисунок 1.8 – Сетевая карта
Сетевая карта (Рисунок 1.8) — это интерфейсное устройство, с помощью которого компьютер подключают к локальной сети. При этом она может быть подключена к сети более высокого уровня — Интернету. Получается, что сетевая карта — это часть компьютера, которая отвечает за доступ к сети и Интернету.
Маршрутизатор (Рисунок 1.9) – это физическое сетевое устройство, которое облегчает и устанавливает соединение между локальной сетью и Интернетом путем передачи информации в сети с пакетной коммутацией и из них. Он выполняет эту функцию посредством анализа заголовка пакета данных, который содержит IP–адрес назначения пакета. На основе пакета данных маршрутизатор определяет наиболее эффективный маршрут к адресу назначения.
Рисунок 1.9 – Маршрутизатор
Сервер (Рисунок 1.10) — выделенный или специализированный компьютер для выполнения сервисного программного обеспечения (в том числе серверов тех или иных задач). Сервером называется компьютер, выделенный из группы персональных компьютеров (или рабочих станций) для выполнения какой–либо сервисной задачи без непосредственного участия человека. Сервер и рабочая станция могут иметь одинаковую аппаратную конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека за консолью.
Рисунок 1.10 – Сервер
Рассмотрены различные топологии сети, использующиеся в построении локальных сетей, среды передачи данных, технологии и устройства с оборудованиями для их подключения проведения и настройки. Эта информация даст нам вспомнить необходимые знания и воспользоваться ими для выполнения индивидуального задания.