Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МОСКОВСКИЙ ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
профессионального образования
<<Российский государственный торгово-экономический университет>>
(МПТ РГТЭУ)
Методическое пособие для студентов вечернего отделения.
Дисциплина:” Архитектура компьютерных сетей”
Москва
2012
1 Основы работы сети
1.1 Назначение и классификация распределенных систем.
Распределенная обработка данных - это обработка данных, выполняемая на независимых, но связанных между собой компьютерах.
Для реализации распределенной обработки данных были созданы многомашинные вычислительные комплексы, многопроцессорные системы и компьютерные (вычислительные) сети.
Компьютерной сетью называется совокупность взаимосвязанных через каналы передачи данных компьютеров, обеспечивающих пользователей средствами обмена информацией и коллективного использования ресурсов сети: аппаратных, программных и информационных. Объединение компьютеров в сеть позволяет совместно использовать дорогостоящее оборудование - диски большой емкости, принтеры, основную память, иметь общие программные средства и данные. Глобальные сети предоставляют возможность использовать аппаратные ресурсы удаленных компьютеров.
Основным назначением сети является обеспечение простого и удобного доступа пользователя к распределенным общесетевым ресурсам и организация их коллективного использования при надежной защите от несанкционированного доступа, а также обеспечение средств передачи данных между пользователями сети. С помощью сетей эти проблемы решаются независимо от территориального расположения пользователей. Существует множество задач, нуждающихся в централизованных общих данных, удаленном доступе к базам данных, передаче данных на расстояние и их распределенной обработке. Примерами являются банковские и другие финансовые структуры; коммерческие системы, отражающие состояние рынка ("спрос-предложение"); системы социального обеспечения; налоговые службы; дистанционное компьютерное обучение; системы резервирования авиабилетов; дистанционная медицинская диагностика; избирательные системы. Во всех этих приложениях необходимо, чтобы в сети осуществлялся сбор, хранение и доступ к данным, гарантировалась защита данных от искажений и несанкционированного доступа. Для полноценного функционирования сети необходим учет большого количества различных факторов.
Характеризуя возможности компьютерной сети, следует оценивать ее аппаратное (техническое), программное и информационное обеспечение.
Техническое обеспечение составляют ЭВМ различных типов, средства связи, оборудование абонентских пунктов.
Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий массивы данных общего применения и массивы индивидуального пользования. В состав информационного обеспечения входят базы знаний, банки данных и т.д.
Программное обеспечение сети предназначено для организации коллективного доступа к ее ресурсам, динамического распределения и перераспределения ресурсов сети с целью максимальной загрузки технических средств, координации работы всех ее звеньев, автоматизации программирования.
Основным компонентом программного обеспечения сети являются сетевые операционные системы (ОС), которые представляют собой комплекс управляющих и обслуживающих программ. В функции ОС входят установление последовательности решения задач и обеспечения их общесетевыми ресурсами, оперативное управление распределением ресурсов по элементам сети, контроль работоспособности элементов сети, обеспечение достоверности вводимой и получаемой информации и др. (Более подробно сетевые ОС будут рассмотрены в следующих темах).
Важную роль играет специальное программное обеспечение, предназначенное для максимального удовлетворения пользователей программами часто решаемых задач и рационального использования ресурсов сети. В его состав входят автоматизированные фонды алгоритмов и программ, информационно-поисковые системы, специализированные библиотеки программ.
Существуют различные варианты классификации компьютерных сетей.
1.Классификация по степени территориальной распределенности:
Глобальные сети (WAN) объединяют пользователей, расположенных по всему миру на значительном расстоянии друг от друга.
Региональные сети (MAN) объединяют пользователей города, области, небольших стран. Расстояния между узлами сети составляют 10-1000 км.
Локальные сети (LAN) ЭВМ связывают абонентов одного или нескольких близлежащих зданий одного предприятия или учреждения. Локальные сети могут иметь любую структуру, но чаще всего компьютеры в локальной сети связаны единым высокоскоростным каналом передачи данных.
2. Классификация сетей по назначению:
3. Классификация по соотношению узлов сети:
4. Классификация по пропускной способности:
5. Классификация по топологии:
- с шинной топологией;
- с кольцевой топологией;
- звездообразные;
- древовидные;
- решетчатые и т.д.
6. Классификация по методу доступа:
- детерминированные (метод опроса, метод передачи права, метод кольцевых слотов);
- недетерминированные - множественный метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (МДКН\ОК).
7. Классификация по среде передачи, используются для построения сетей:
- коаксиальный кабель;
- витая пара;
- радиорелейная линия;
- оптиковолоконный кабель.
Основными параметрами компьютерных сетей являются:
Скорость передачи данных по каналу связи измеряется количеством битов информации, передаваемых за единицу времени - секунду.
Единица измерения скорости передачи данных - бит в секунду.
Пропускная способность, которая оценивается количеством знаков, передаваемых по каналу за единицу времени - секунду. При этом в состав сообщения включаются и все служебные символы. Теоретическая пропускная способность определяется скоростью передачи данных.
Единица измерения пропускной способности канала связи - знак в секунду.
Достоверность передачи информации оценивают как отношение количества ошибочно переданных знаков к общему числу переданных знаков. Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура, так и канал связи. Нецелесообразно использовать дорогостоящую аппаратуру, если относительно уровня достоверности канал связи не обеспечивает необходимых требований.
Единица измерения достоверности: количество ошибок на знак - ошибок/знак.
Надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния, в общем, времени работы, либо средним временем безотказной работы.
Информация в сети передается в последовательном коде, т. е. по одному проводу последовательно во времени происходит передача каждого разряда двоичного числа, поэтому средняя скорость передачи данных невелика. Альтернативой этому могла быть параллельная передача разрядов.
Почему нельзя применить параллельный код для передачи данных в сети? Это связано с тем, что тогда сетевой кабель будет многожильным, т.е. весьма дорогостоящим. Также придется делать для каждой жилы (разряда) свой приемопередатчик, в то время как для последовательного кода требуется один приемопередатчик.
Рассмотрим основные среды передачи данных в компьютерных сетях.
Кабель (рис.1.1.) содержит две или более пары проводов, скрученных один с другим по всей длине кабеля. Скручивание позволяет повысить помехоустойчивость кабеля и снизить влияние каждой пары на все остальные. Это самый дешевый тип среды. Может быть неэкранированный витой провод (UTP – Unshielded Twisted Pair), либо экранированный (STP), но характеристики у таких проводов разные.
Рисунок 1.1. Кабель UTP
Недостатки:
-низкая помехозащищенность и большой уровень собственного излучения (для UTP);
-возможность несанкционированного подключения к линии.
Иногда применяется экранированная витая пара (STP – Shielded Twisted Pair). Внутри оплетки имеется 4 (или более) пары проводов. Иногда каждая пара проводов имеет свою собственную оплетку. Медный кабель, витая пара в зависимости от электрических и механических параметров бывает 5 категорий (CAT1, CAT2, CAT3, CAT4, CAT5). Все категории кабеля имеют 4 пары проводников. Каждая пара имеет свой цвет и шаг скрутки. Наиболее распространенным сейчас кабелем является САТ5.
Кабели CAT6 и CAT7 состоят из экранированных пар проводов и предназначены для передачи данных со скоростью до 600 Мбит/сек.
Волновое сопротивление витой пары САТ5 составляет около 100 Ом. Для экранированной витой пары – 150 Ом.
Погонное затухание для кабеля витая пара на частоте 10 МГц составляет 1 …3 дБ/м. (Получается, что если длина кабеля = 20 м, то затухание сигнала по напряжению может достигать 10 раз).
Задержка сигнала (погонная) 8…12 нс./м.
Коаксиальный кабель (рис.1.2) состоит из центрального проводника (сплошного или многожильного), покрытого слоем полимерного изолятора, поверх которого расположен другой проводник (экран). Экран представляет собой оплетку из медного провода вокруг изолятора или обернутую вокруг изолятора фольгу. В высококачественных кабелях присутствуют и оплетка и фольга. Коаксиальный кабель обеспечивает более высокую помехоустойчивость по сравнению с витой парой, но он дороже. Существуют различные виды коаксиальных кабелей.
Скорость в коаксиале обычно до 10 Мбит/с, но имеются и более современные кабели со скоростью до 100 Мбит/сек и выше. Максимальная длина сети – несколько километров.
Погонное затухание коаксиала 0,1 …1 дБ/м, а погонная задержка сигнала 4 …5 нс./м.
Рисунок 1.2 Коаксиальный кабель
При использовании волоконно-оптического кабеля требуется аппаратура преобразования электрического сигнала в световой (это дороже). По такому кабелю передается информация в световом диапазоне радиоволн. Оптоволоконный кабель состоит из двух проводов (световодов), причем каждый из них может передавать данные только в одном направлении. В каждой оболочке провода находятся усиливающие волокна из слоев пластика (для механической прочности).
Помехоустойчивость такого кабеля высокая. Достоинством является также отсутствие собственного излучения, поэтому при передаче данных реализуется их высокая секретность.
Обычно скорость передачи данных по ВОК – несколько Гбит/с (до 3 Гбит). Однако есть сообщение, что инженерам фирмы Alcatel удалось передать данные по подводному оптоволоконному кабелю на расстояние свыше320 км со скоростью 1,6 Тбит/сек (т.е. 1,6 *1015 бит/сек) без применения повторителей.
В ВОК малы погонные затухания (5 дБ/км), поэтому длина сетевого кабеля может достигать много десятков километров.
Задержка сигнала в ВОК составляет около 5 нс./м.
Оптоволоконный кабель применяется в сетях, использующих метод доступа FDDI.
Недостатки ВОК:
сложность монтажа;
малая механическая прочность;
долговечность меньше, чем у коаксиального кабеля;
чувствительность к ионизирующим излучениям, т. к. снижается прозрачность волокна и затухание увеличивается;
высокая стоимость.
При использовании радиоканала (рис 1.3.) нет кабеля связи между взаимодействующими в сети ПК, что весьма удобно. Скорость обмена данными до 100 Мбит/с (зависит от диапазона волн).
Достоинства:
Экономичность. Нередко радиоканал является самой экономически оправданным решением при организации канала передачи данных в отсутствии оптических и медных кабелей. В некоторых случаях применение БШД вместо прокладки наземных каналов позволяет снизить затраты на организацию передачи данных в десятки раз.
Мобильность. Радиооборудование является мобильным, т.к. легко демонтируется и монтируется при переезде организации в новое место. Беспроводные технологии незаменимы при организации временных сетей, развертываемых на выставках, семинарах и т.п.
Технология радиодоступа позволяет организовать передачу данных между подвижными объектами.
Оперативность. При использовании радиодоступа отпадает необходимость в прокладке кабеля (организации выделенной линии), которая занимает длительное время. Средний срок организации радиоканала - 5 рабочих дней.
Защита инвестиций. Радиооборудование можно продать или установить в другое место. Тогда как кабель - это средства, "закопанные в землю".
Легкость обслуживания. Радиооборудование легко настраивается и перенастраивается. Регламентные и ремонтные работы не связаны с земляными работами, которые проводятся только уполномоченными организациями и, следовательно, требуют большого количества времени.
Гибкость. Применение беспроводных технологий позволяет создавать практически любые конфигурации сетей передачи данных на больших территориях без существенных капиталовложений.
Высокая скорость передачи данных. Оборудование радиодоступа позволяет организовывать обмен данными с пропускной способностью в несколько десятков мегабит в секунду.
Надежность. Использование шумоподобной полосы позволяет получать помехозащищенные каналы связи, обеспечивающие надежность передачи данных и защищенность от несанкционированного доступа.
Недостатки:
-высокая стоимость приемопередатчиков;
-низкая помехозащищенность;
-низкая секретность;
-низкая надежность связи.
Применяется для связи между ПК в одной комнате.
Достоинства инфракрасных каналов совпадают с достоинствами радиоканала и дополнительно необходимо отнести отсутствие чувствительности к электромагнитным помехам.
Недостатки:
-высокая стоимость приемопередатчиков;
-низкая помехозащищенность;
-низкая секретность;
-низкая надежность связи. Связь может быть только в условиях прямой видимости между ПК.
Летом 2001 года представители альянса HomePlug Powerline Alliance обнародовали спецификацию развиваемого ими варианта домашних компьютерных сетей на базе имеющейся электропроводки. Поскольку электрические розетки в изобилии имеются в каждом доме, приверженцы подобного решения полагают, что такая технология построения сетей окажется проще и дешевле всех других вариантов. Реальная скорость передачи данных в такой сети близка к 10 Мбит/сек, т.е. такая же, как и в традиционных сетях.
Передача данных по электрической сети, к которой может получить доступ любой желающий, порождает вопросы, связанные с защитой информации. В этой связи предполагается введение шифрования данных. Для исключения влияния помех от бытовых электроприборов предусмотрена возможность смены частоты сигнала.
На рынке уже имеются устройства, превращающие электророзетки в порты Ethernet. Для создания домашней локальной сети достаточно подключить такой блок к розетке и соединить его стандартным кабелем с компьютером.
Под архитектурой вычислительной сети принято понимать совокупность стандартов, топологий и протоколов, необходимых для ее функционирования.
Ранее уже отмечалось, что разработка стандартов локальных вычис лительных сетей возложена на комитет 802 международного института IEEE, который почти за четверть века своего существования разработал и утвердил, по крайней мере, три наиболее распространенные на сегодняшний день стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей (рис. 2.1):
- Ethernet - IEEЕ 802.3;
- Token bus-IEЕЕ 802.4;
- Token ring - IEЕЕ 802.5.
Рисунок 2.1. - Стандартные локальные вычислительные сети
Архитектура Ethernet - IEEE 802.3
Общая характеристика архитектуры сетей стандарта IEEЕ 802.3 такова:
- информационный блок - кадр;
- размер кадра - до 1518 байт (без учета преамбулы (8 байт) и завершителя кадра (1 байт);
- обмен кадрами - широковещательный с проверкой адресата;
- среда передачи - коаксиальный кабель (тонкий, толстый), витая пара (3,4, 5-й категории), оптоволоконный кабель;
- доступ к среде передачи - множественный доступ с обнаружением несущей (CSMA/CD);
- скорость передачи данных - 10-1000 Мбит/с;
- физическая топология - «шина», «звезда»;
- логическая топология - «шина»;
- размеры сетей - от нескольких метров до нескольких километров (при использовании повторителей).
В зависимости от среды передачи данных IEЕЕ 802.3 определяет не сколько различных стандартов физических подключений локальных сетей, каждый из которых имеет наименование, в котором отражены такие его важнейшие характеристики:
- 1 Base5 - неэкранированная витая пара категории 2;
- 10Base5 - толстый коаксиальный кабель;
- 10Base2 - тонкий коаксиальный кабель;
- 10 Base-T - неэкранированная витая пара категории 3;
- 10 Base-F - волоконно-оптический кабель.
Высокоскоростные сети класса Ethernet (Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) определены стандартами IEEE 802.3u и IEEE 802.3z соответственно. В первом случае различают варианты 100 мегабитовых сетей:
- 100Base-TX - 2 неэкранированные витые пары категории 5;
- 100Base-T4 - 4 неэкранированные витые пары категории 5;
- 100 Base-FX - волоконно-оптический кабель.
Для Gigabit Ethernet стандартом определены следующие стандартные физические подключения сети:
- 1000Base-SX - многомодовый волоконно-оптический кабель с длиной волны 830 нм;
- 1000Base-LX — одномодовый (с длиной волны 1270 нм) или много модовый волоконно-оптический кабель;
- 1000Base-CX-экранированная витая пара;
- 1000Base-T-неэкранированная витая пара категории 5.
Рисунок 2.2. Шинная топология
При использовании шинной топологии (рис.2.2.) компьютеры (РС – рабочая станция) соединяются в одну линию, на концах которой устанавливают терминаторы (заглушки). Терминаторы представляют собой резисторы, устанавливаемые на обоих концах сегмента для согласования волнового сопротивления кабеля. Сигнал, дошедший до конца сегмента, поглощается терминатором - это позволяет избавиться от паразитных отраженных сигналов в сети. Если терминаторы не устанавливать, отраженный от конца кабеля сигнал снова попадает в кабель - этот отраженный сигнал будет являться в данном случае помехой и может породить множество проблем вплоть до полной неработоспособности сети. Преимущества шинной топологии заключаются в простоте организации сети, низкой стоимости и в случае выхода из строя станции на работу сети это не влияет. Недостатком является низкая устойчивость к повреждениям - при любом обрыве кабеля вся сеть перестает работать, а поиск повреждения весьма затруднителен, небольшая дальность передачи, нельзя использовать разный тип кабеля на разных участках сети.
При использовании топологии "звезда"(рис.2.3.), каждый компьютер подключается к специальному концентратору (хабу). Преимуществом этой топологии является ее устойчивость к повреждениям кабеля - при обрыве перестает работать только один из узлов сети и поиск повреждения значительно упрощается
Рисунок 2.3. Топология «звезда»
Недостатком является более высокая стоимость из-за наличия HUB. В случае выхода из строя центрального узла, вся сеть перестает работать. Количество рабочих станций в этой схеме определяется конструкцией хаба.
При топологии кольцо (рис.2.4.) узлы сети образуют виртуальное кольцо (концы кабеля соединены друг с другом). Каждый узел сети соединен с двумя соседними. Эту топологию активно продвигает фирма IBM (сети Token Ring). Преимуществом кольцевой топологии является ее высокая надежность (за счет избыточности), однако стоимость такой сети достаточно высока за счет расходов на адаптеры, кабели и дополнительные приспособления.
Недостатки:
Рисунок 2.4.Топология кольцо
При смешанной топологии (рис.2.5.) в одной сети используются разные виды топологий, т. е. отдельные сегменты сети имеют разную топологию (общую шину, кольцо, звезду).
Рисунок 2.5. Смешанная топология
Контрольные вопросы
При организации одноранговой сети, все ПК в сети равнозначны по отношению друг к другу и отсутствует выделенный сервер, т. е. ПК, управляющий работой всей сети в целом. Одноранговые сети позволяют любой рабочей станции функционировать одновременно в качестве сервера, если этого требуют задачи.
Примеры одноранговых сетей:
а) сеть, построенная путем соединения сетевым кабелем нескольких ПК, на которых установлена сетевая операционная система.
б) сеть из нескольких соединенных друг с другом ПК с установленной на них сетевой операционной системой.
Преимущества одноранговых сетей:
Недостатки одноранговых сетей:
При этом один ПК – сервер, другие – рабочие станции (РС). Взаимодействие между РС идет через сервер.
Достоинство: один мощный ПК (сервер) обслуживает много простых РС.
Преимущества сетей клиент-сервер:
Упрощение централизованного управления пользователями, доступом к данным и безопасностью (т. е. сохранностью данных и секретность).
Пользователь для работы в сети должен помнить только свой пароль.
Недостатки сетей клиент-сервер:
Если сервер неисправен, то сеть не работает.
Необходима высокая квалификация администратора и другого обслуживающего персонала, поэтому стоимость эксплуатации высокая.
Необходимо дополнительное оборудование и программное обеспечение. Поэтому стоимость также увеличивается.
Несмотря на указанные недостатки в настоящее время наиболее часто в сетях используется организация типа клиент-сервер.
Однако в целом ряде случаев использование архитектуры клиент-сервер обходится слишком дорого. Например, в медицинской отрасли характерны большие объемы транзакций при передаче неопределенно больших файлов (в частности рентгеновских снимков), поэтому здесь рациональнее применять одноранговую структуру сети, называемую еще «технология р2р». Технология р2р соответствует информационной модели, при которой компьютеры поддерживают взаимодействие друг с другом через сеть с целью совместного использования данных и вычисли тельных ресурсов. Приложения могут обращаться к одним и тем же файлам, задействовать свободные процессорные ресурсы других компьютеров при выполнении сложных вычислений и размещать большие базы данных на свободном дисковом пространстве настольных компьютеров и серверов, входящих в сеть. Данная модель вычислений обладает целым рядом достоинств. Узкие места, присущие перегруженным центрам данных и ведущим к ним маршрутизаторам, устраняются путем размещения информации непосредственно на компьютерах конечных пользователей. Получение «максимальной мощности за минимальные деньги» возможно за счет объединения вычислительных ресурсов всех машин, подключенных к сети.
Поэтому все больше ИТ-компаний, как начинающих, так и твердо стоящих на ногах, обращают свои взор на одноранговые архитектуры. Корпорация Sun Microsystems развивает технологию Juxtapose (Jxta), предназначенную для орга низации взаимодействия в сетях р2р, В Intel также проявляют значительный интерес к одноранговым средам.
Метод доступа – это правила обмена данными между ПК в сети.
Существует международное соглашение, устанавливающее стандартные методы доступа для взаимодействия в сети. К ним относятся, в частности:
Каждая сеть должна следовать определенным правилам (протоколам) при передаче данных от одного компьютера к другому. Протокол определяет способ доступа узла к передающей среде (кабелю) и способ передачи информации от одного узла к другому.
В настоящее время используется два типа протоколов доступа к среде:
Разработан фирмой Xerox в 1975 г. Наиболее популярен сейчас. Дает высокую скорость обмена и надежность. Стандарт Ethernet принят в 1980 г. Для этого метода используется топология "Общая шина" и "Звезда". Каждая РС отправляет сообщение в сеть с указанием адреса ПК-получателя. Все другие ПК при этом игнорируют сообщение.
Пропускная способность Ethernet – 10 Мбит/с. Основной принцип Ethernet – случайный метод доступа. ПК может передавать данные в сеть, только если сеть свободна, т. е. никакой другой ПК сеть не занимает.
После того как ПК убедился, что сеть свободна, он начинает передачу (т. е. захватывает среду). Допустимое время захвата среды равно времени передачи кадра. Кадр – это единица данных (пакет данных), которыми обменивается ПК в сети. Кадр содержит данные и адреса отправителя и получателя.
Все ПК принимают каждый кадр, но только ПК-получатель передает кадр к себе во внутренний буфер сетевого адаптера. Если при этом применяется протокол TCP/IP, то отправитель получает подтверждение о приеме данных от получателя.
Иногда может возникнуть коллизия, т. е. когда два или более ПК решают, что сеть свободна и начинают передавать информацию.
После обнаружения коллизии ПК прекращают передачу, и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к сети и передать вновь тот кадр, который вызвал коллизию. Один из ПК будет передавать, а другие ПК – ждать.
Достоинство Ethernet: дешевизна т. к. здесь используются простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Из-за этой простоты здесь также мы имеем и высокую надежность.
Данный метод применяется для топологии "Кольцо. Это более сложный метод, чем Ethernet т. к. имеет свойство отказоустойчивости. Метод Token Ring активно продвигается фирмой IBM.
При этом методе доступа используется посылка маркера для обеспечения равного доступа к сети каждого ПК. Каждый ПК не может посылать данные пока он не получит маркер. Причем не может быть одновременная посылка данных в сеть от двух ПК.
Отказоустойчивость обеспечивается тем, что посланный кадр всегда возвращается на ПК-отправитель, имея в себе признак подтверждения того, что кадр принят.
Для контроля сети один из ПК выполняет роль активного монитора.
Если произошел отказ активного монитора, то остальные ПК начинают процедуру выбора нового активного монитора.
Все ПК в кольце ретранслируют кадр. Если кадр попал на ПК-назначения, то кадр копируется в буфер этого ПК.
Для связи между ПК в кольце применяются концентраторы типа MAU и MSAU" (рис. 4.1.).
Рисунок 4.1. Кольцевая топология через концентраторы
Сети Token Ring в качестве среды передачи данных используют витую пару и оптоволокно. Они могут работать на двух скоростях 4 или 16 Мбит/сек.
Максимальное количество ПК в такой сети – 260. Максимальная длина кольца – 4 км.
При использовании метода Arcnet применяется посылка маркера для установки очередности передачи данных по сети по отношению ко всем ПК в сети. Но в отличие от Token Ring здесь ПК могут быть соединены в сети по схеме "Общая шина" или "Звезда" (но не "Кольцо").
Достоинство: дешевле оборудование, чем в Ethernet.
Недостатки: скорость передачи данных 2,5 Мбит/с; необходимо вручную конфигурировать сетевые карты Arcnet, установленные в ПК.
Для связи между ПК по методу Arcnet можно использовать витую пару, оптоволокно, но стандартным является коаксиальный кабель RG-62 с волновым сопротивлением 93 Ом.
Несмотря на то, что указанные недостатки были в свое время устранены (максимальная скорость возросла до 100 Мбит/сек), компания Datapoint Corporation, продвигавшая этот стандарт, не выдержала конкуренции и с 1993 года аппаратура Arcnet не выпускается.
Метод доступа FDDI используется для кольцевой топологии. Здесь применяется оптоволоконный кабель. Для быстрой и надежной связи используется маркер. Обычно сервер в сети FDDI имеет более высокий приоритет для посылки маркера, чем у других ПК. Это дает возможность серверу посылать большее количество кадров данных, чем другим ПК.
Сети FDDI организуются в виде двух колец: первичного и вторичного (рис.4.2.).
Все данные обычно пересылаются по первичному кольцу. Если в первичном кольце произошел разрыв, то данные пойдут по вторичному кольцу, (это называется перенаправленный трафик). Скорость передачи данных до 3 Гбит/с.
Рисунок 4.2.Двух кольцевая топология
Этот метод разработан в 1995 г. для повышения скорости в сетях Ethernet до 100 Мбит/с.
Все отличия FAST Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне.
В FAST Ethernet используются:
Коаксиальный кабель в FAST Ethernet не используется.
В методе FAST Ethernet для повышения скорости применяется полнодуплексный режим работы ПК, т. е. каждый ПК может одновременно передавать и принимать данные из сети. Это достигается применением специальных коммутаторов в сети, к которым подключаются все ПК, и двух и четырех парных кабелей САТ 3 и САТ 5 (а также многомодовый оптический кабель, т. е. на одной поднесущей ПК передает данные, а на другой - принимает).
Максимальный диаметр сети, использующей данный метод доступа -200 метров. Однако это не препятствует построению крупных сетей, т.к. применение коммутаторов не накладывает ограничений на общую длину сети, а ограничивает лишь длину физического сегмента, соединяющего соседние устройства (адаптер-коммутатор или коммутатор-коммутатор).
Этот метод принят в качестве стандарта в конце 1999 г. Здесь максимальная скорость передачи данных доходит до 1000 Мбит/с.
Для достижения этой цели применяются новые методы кодирования, чтобы сжать спектр сигнала и уложить его в полосу пропускания кабеля. (рис.4.3.)
Здесь можно использовать оптоволокно, специальный коаксиальный кабель и витую пару САТ 5 (используются все 4 пары проводников), а также новый вид витой пары САТ 6.
Рисунок 4.3.
В оптоволокне применяются одномодовый и многомодовый режимы.
Разработан специальный двойной коаксиальный кабель (твинаксиальный) (волновое сопротивление 150 Ом). Данные пересылаются в этом кабеле по паре проводников в экранированном "чулке". При этом реализуется полудуплексный режим работы.
Для полнодуплексной передачи необходимо применение 4-х пар таких проводников, поэтому был разработан еще один вид твинаксиального кабеля Quad – кабель.
Разработан в самое последнее время, однако в качестве стандарта будет принят, скорее всего, в 2002 году. Уже имеются в продаже устройства, поддерживающий этот метод: сетевые адаптеры, коммутаторы, но они еще очень дороги. По прогнозам экспертов объем продаж систем 10Gigabit Ethernet в 2004 году составит17% от общего рынка систем Gigabit Ethernet.
6. Сетевые программные средства
Для обеспечения обмена данными между различными ПК необходимо выполнить определенные правила (также как для осуществления транспортных потоков при езде автомашин по дороге разработаны правила дорожного движения, дорожные знаки).
В ЛВС в качестве правил движения выступают протоколы.
В ЛВС данные передаются между ПК в виде блоков, т. е. пакетов одинаковой длины. Разделение на пакеты необходимо, т. к. длина передаваемой информации может быть разной.
Пакет состоит из заголовка и блока данных. В заголовке указывается адрес назначения пакета, т. е. адрес ПК, которому адресован этот пакет, а также обратный адрес (ПК-отправителя). Здесь – как в письме, отправляемом по традиционной почте. Как и на почте, в ЛВС могут быть "письма с уведомлением о вручении", т. е. может быть подтверждение о получении пакета по нужному адресу.
Существуют различные типы протоколов передачи данных в компьютерной сети. Рассмотрим самые употребительные из них.
Протокол Netbios (Netbeui) был разработан в 1980 г. фирмой IBM.
С его помощью происходят внутренние взаимодействия серверов и служб Windows NT/2000, такие как просмотр и межпроцессное общение между сетевыми серверами. Это очень быстрый протокол взаимодействия. При передаче данных в сети между ПК по этому протоколу используются имена Netbios, присвоенные каждому ПК
Недостаток протокола Netbios: в нем нет средств маршрутизации, поэтому его нельзя использовать для больших сетей.
В настоящее время наиболее перспективен протокол TCP/IP
Достоинства TCP/IP:
Основную идею протокола TCP/IP можно иллюстрировать на примере перевозки деревянного сруба дома на другое место. Необходимо разобрать дом, пронумеровать до этого все бревна, погрузить на грузовики, привести на место и собрать, причем пути передвижения грузовиков с частями дома могут быть различны.
Протокол TCP/IP состоит в свою очередь из набора других протоколов (Telnet, SNMP, RIP и др.), поэтому он называется стеком.
Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.
Протокол IP передает IP-пакеты с одного узла сети на другой по лучшему из маршрутов, но IP не гарантирует доставку пакета. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.
Протокол TCP обеспечивает коррекцию ошибок за счет подтверждения приема всех посланных пакетов.
Сначала формируется "стартовый пакет", который посылается на узел-адресат (через IP). Когда возвращается пакет "O'K, я готов", то начинается контролируемый разговор между хостами. Если пакет поврежден, тогда TCP посылает данные повторно.
Размеры пакета определяются TCP исходя из возможностей среды, к которой подключен узел. Обычно он лежит в пределах 100…1500 байтов.
На рисунке 6.1.представлена схема передачи информации по протоколу TCP/IP.
Каждый IP-пакет имеет IP-адрес узла-получателя и IP-адрес узла-отправителя. Для отправки IP-пакета на другой узел необходимо знать аппаратный адрес этого узла.
Есть специальный протокол ARP (Address Resolution Protocol) где хранится IP-адрес узла локальной сети и соответствующий ему аппаратный адрес.
Если в кэше ARP будет найден нужный аппаратный адрес, то пакет отправится адресату.
Если в кэше ARP этого адреса нет, то будет выдан широковещательный ARP-запрос в локальную сеть: "Эй, кто-нибудь использует IP-адрес WXYZ? Если да, то отправьте ваш аппаратный адрес мне на мой аппаратный адрес ABCD".
Если ответ получен, то он помещается в кэш для дальнейшего использования. Если нет, то в кэше ARP будет поиск аппаратного адреса шлюза по умолчанию, чтобы шлюз отправил этот пакет в другую сеть.
Рисунок 6.1.Схема передачи информации по протоколу TCP/IP
Особенность архитектуры TCP/IP.
В сетях, работающих по протоколу TCP/IP нет центрального узла. Узлы сети взаимодействуют друг с другом и если какой-либо ПК вышел из строя, то сеть продолжает работу. Это – причина его высокой надежности. TCP/IP использует одноранговую структуру в отличие от традиционной структуры, когда всем в сети управляет центральный ПК.
Адресация TCP/IP
Для идентификации ПК в такой одноранговой среде необходимо присвоить адрес каждому ПК и сегменту сети, в которой находится этот ПК.
Адрес узла – это 32-разрядное двоичное число, которое состоит из четырех полей (октетов).
Пример:
При выводе на экран в TCP/IP используется десятичный эквивалент этого адреса, например:
т. е. каждый октет отображается десятичным трехразрядным числом.
С помощью такой адресации можно отображать конкретные адреса тремя способами (классами).
В адресе класса А: первый октет служит для отображения номера сети. Второй, третий и четвертый – для отображения номера отдельных РС в сети. Такая адресация используется провайдерами Internet, т. к. у них очень много пользователей (т. е. РС).
В адресе класса В: первый и второй октеты служат для номера сети, а третий и четвертый – для номера отдельных РС. Такая адресация используется крупными организациями.
В адресе класса С: первый, второй и третий октеты используются для обозначения номера сети, а четвертый октет – для обозначения РС. Такой способ удобен для локальных сетей (мы его будем использовать).
Для идентификации класса адреса используются первые три бита первого октета в адресе:
Класс А 0 т. е. первый бит обязательно 0
Класс В 10 первый и второй биты 1 и 0 соответственно
Класс С 110 диапазон возможных номеров сетей от 192 001 001
до 223 254 254 (номера 000 и 255 не используются – это резерв), т. е. можно получить 2097152 номеров сетей. В одной сети можно адресовать только 254 рабочие станции.
Если взаимодействуют сети с разными классами адресации, в сети должен быть маршрутизатор.
Маршрутизатор выполняет передачу потоков данных между различными сетями.
Если один из ПК сети хочет связаться с другим ПК из другой сети, то он сначала посылает свои данные на маршрутизатор своей сети. Затем этот маршрутизатор посылает данные на маршрутизатор другой сети, а тот уже пересылает их на нужную РС в своей сети.
В противном случае каждая РС должна была бы запоминать путь к каждой РС (т. е. огромные расходы памяти).
Маски подсетей
При использовании подсетей внешним машинам надо знать только адрес шлюза всей сети организации. Маршрутизация внутри сети - это её внутреннее дело.
При разбиении сети на подсети используют ту часть IP-адреса, которая закреплена за номерами рабочих станций. Администратор сети может замаскировать часть IP-адреса и использовать его для назначения номеров подсетей.
Маска подсети это 4 байта, которые накладываются на IP- адрес для получения номера подсети. Например, маска 255.255.255.0 позволяет разбить сеть класса В на 254 подсети по 254 узла в каждой.
Рассмотрим пример 1: выделим в качестве дополнительного бита для адресации сети класса С первый бит из последнего октета. Теперь для правильной адресации ПК в сети необходимо об этом выделении сообщить. Это делается с помощью введения маски подсети (которая устанавливается при инсталляции протокола TCP/IP в сети). Если указывается маска подсети 255.255.255.128 (11111111 11111111 11111111 10000000), то это значит, что для адресации сети в рассматриваемом IP-адресе надо взять дополнительно первый бит в последнем октете.
Если для адресации сети нужно выделить два первых бита в последнем октете, то маска подсети будет 255.255.255.192, т. е. 11111111 11111111 11111111 11000000.
Если маска задана 255.255.255.0 (11111111 11111111 11111111 00000000), то адрес сети определяется традиционно по первым трем октетам.
Пример 2:
Пусть маска подсети 255.255.255.128, тогда будем иметь:
|
Номер сегмента сети |
Адрес сети |
Адрес узлов (хостов) |
|
первый сегмент |
192.168.004 |
001 – 127 |
|
второй сегмент |
192.168.004 |
128 – 254 |
Получили две подсети по 127 номеров в каждой (всего 254 номера, т. к. номера 0 и 255 не используются – это резерв). Иначе пришлось бы выделять для двух этих подсетей вдвое больше номеров (т. е. надо было бы выделить 192.168.004 и 192.168.005).
Стандартная маска для класса С – это маска 255.255.255.0
Маска подсети обрабатывается маршрутизаторами.
Алгоритм обработки маски подсети маршрутизатором
Ранее маршрутизатор проверял, не совпадает ли адрес сети полученного IP-адреса с адресом какой-либо непосредственно подсоединенной к маршрутизатору сети. Теперь маршрутизатор использует маску подсети, чтобы выделить адрес сети получателя. При этом выполняется побитовая операция И для маски подсети и IP-адреса.
Если полученный в результате адрес не совпадает с адресом подсети, то пакет направляется на другой маршрутизатор, который делает аналогичные операции.
Преимущества подсетей
Если данная ЛВС не подключена к Internet, то её не нужно разбивать на подсети, т. к. можно использовать все адреса TCP/IP.
Также можно не создавать подсети, если сеть соединена с Internet через Proxy-сервер или Firewall (брандмауэр). Эти устройства скрывают внутреннюю структуру сети и обслуживают передачу информации через один IP-адрес. Тем более каждый пакет, покидающий сеть, воспринимается как пришедший непосредственно с Proxy-сервера, а не от узла, который его отправил. Proxy-сервер сам заботится о распределении пакетов нужным узлам.
Известно, что Internet исчерпала собственное адресное пространство. Эта проблема вызывает беспокойство у исследователей, производителей и поставщиков услуг.
Суть в том, что IPv4, нынешний стандарт протокола Internet, ограничивает допустимое число адресов Internet четырьмя миллиардами.
Все популярнее становятся телефоны и другие интеллектуальные устройства персональной электроники с доступом в Internet, и для них требуются постоянные IP-адреса.
Новый стандарт для IP-адресов IPv6 существует с 1997 года, он постоянно совершенствуется рабочей группой Internet Engineering Task Force. Привлекательность нового стандарта заключается в том, что в отличие от предыдущей и ныне действующей версии Ipv4 c его 32-разрядной адресацией, Ipv6 использует 128-разрядную схему формирования IP- адресов. Новый стандарт ускоряет процесс маршрутизации пакетов, а также обеспечивает встроенные в нем средства аутентификации и шифрования пакетов.
Технология стека TCP/IP сложилась в основном в конце 1970-х годов и с тех пор основные принципы работы базовых протоколов, таких как IP, TCP, UDP и ICMP, практически не изменились. Однако, сам компьютерный мир за эти годы значительно изменился, поэтому долго назревавшие усовершенствования в технологии стека TCP/IP сейчас стали необходимостью.
Основными обстоятельствами, из-за которых требуется модификация базовых протоколов стека TCP/IP, являются следующие.
Сообщество Internet уже несколько лет работает над разработкой новой спецификации для базового протокола стека - протокола IP. Выработано уже достаточно много предложений, от простых, предусматривающих только расширения адресного пространства IP, до очень сложных, приводящих к существенному увеличению стоимости реализации IP в высокопроизводительных (и так недешевых) маршрутизаторах.
Основным предложением по модернизации протокола IP является предложение, разработанное группой IETF. Сейчас принято называть ее предложение версией 6 - IPv6, а все остальные предложения группируются под названием IP Next Generation, IPng.
В предложении IETF протокол IPv6 оставляет основные принципы IPv4 неизменными. К ним относятся дейтаграммный метод работы, фрагментация пакетов, разрешение отправителю задавать максимальное число хопов для своих пакетов. Однако, в деталях реализации протокола IPv6 имеются существенные отличия от IPv4. Эти отличия коротко можно описать следующим образом.
Адресация в IPv6
Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:
Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.
Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast.
Адрес этого класса имеет следующую структуру:
|
010 |
Идентификатор |
Идентификатор |
Идентификатор |
Идентификатор |
Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы, и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.
Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.
Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, таких как телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.
Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС-адреса локальных сетей непосредственно.
Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот
Пример:
Пусть IP-адрес некоторого узла подсети 198.65.12.67. Значение маски 255.255.255.240. Определить номер подсети, номер узла. Какое максимальное число узлов может быть в этой подсети?
Решение:
|
128 |
64 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
|
|
27 |
26 |
25 |
24 |
23 |
22 |
21 |
20 |
|
|
последний октет: 67 = |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
128 |
64 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
|
|
27 |
26 |
25 |
24 |
23 |
22 |
21 |
20 |
|
|
маска: 240 = |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Маска указывает, что старшие 4 разряда адреса узла отведены для номера подсети. Следовательно, номер подсети равен 0100 0000 = 4 – ответ.
Маска указывает, что 4 младшие разряда октета отведены для адреса узла (номера). Номер адреса узла будет 3. Следовательно, максимальное количество номеров узлов может быть 23 + 22 + 21 + 20 = 15 – ответ.
Пример для самостоятельной работы.
Дано: Адрес узла 192.168.18.94.
Маска 255.255.255.224.
Определить № подсети? № рабочей станции в подсети и какое максимальное количество узлов может быть в этой подсети?
Решение:
|
128 |
64 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
|
|
Маска |
27 |
26 |
25 |
24 |
23 |
22 |
21 |
20 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Из кода маски видно, что первые старшие три разряда последнего октета в адресе отведены для номера подсети, а остальные пять разрядов – для номера узла.
Поэтому теперь разложим число 94 в двоичный код:
|
128 |
64 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
|
27 |
26 |
25 |
24 |
23 |
22 |
21 |
20 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Следовательно, макс
Максимальное количество номеров узлов может быть 24 + 23 + 22 + 21 + 20 = 31 узел.
1.Количество октетов, используемых для идентификатора номера сети в адресах класса В?
А. 1
В. 2
С. 3
D. 4
2.К какому классу принадлежит адрес 13.245.88.23?
А. А
В. В
С. С
D. D
3.Каково десятичное значение октета 11111001?
A. 224
B. 225
C. 248
D. 249
4.Каково двоичное значение числа 225?
A. 11100000
B. 11100001
C. 11111000
D. 11111001
Маршрутизация – это процесс передачи данных с одного ПК на другой ПК, когда эти ПК находятся в разных сетях.
При передаче пакета из одной подсети в другую происходит модификация заголовка пакета с учетом адреса следующей подсети (т. е. следующего маршрутизатора). Это похоже на путь письма с адресом кода страны, города, улицы и т. д. В данном примере роль маршрутизатора играют почтовые отделения разного уровня (международный почтамт, городской почтамт, почтовое отделение района). В сложных сетях обычно есть несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между узлами.
Маршрут – это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения.
Маршрут выбирается маршрутизатором на основании нескольких критериев (текущая схема сети, длина пути, пропускная способность выбранного пути).
Вся информация для выбора пути хранится в таблице маршрутизации, которая может создаваться и обновляться самими маршрутизаторами либо администратором (статическая маршрутизация). В первом случае это делается на основании обмена служебной информацией между самими маршрутизаторами (динамическая маршрутизация). Таблицы маршрутизации содержат только список путей к сетям, но не к отдельным узлам. Когда с какого-либо узла приходит пакет, маршрутизатор проверяет таблицу маршрутизации. Если узел-получатель пакета не указан в таблице маршрутизации, то данные отправляются на шлюз по умолчанию (если он задан). Если узел-адресат найден, то пакет отправляется ему. Если нет, то узел-отправитель получает сообщение об ошибке.
В сети может быть определено несколько шлюзов, но в качестве шлюза по умолчанию будет выбран первый из них.
Рисунок 7.1.Соединение маршрутизатора с двумя сетями
т. е. в этом ПК стоят две сетевые карты для разных сетей (сеть 1 и сеть 2см. рис.7.1.).
Если маршрутизатор подключен более чем к двум сетям, то его называют шлюзом (см. рис.7.2.).
Рисунок 7.2. Соединение маршутизатора с несколькими сетями
Пример маршрутизации (рисунок 7.3.)
Рисунок 7.3. Схема маршрутизации
При инициализации узел РС1 вычисляет на основании своего IP-адреса и маски подсети номер своей подсети. Для этого примера: 192.168.24. последний октет:
|
128 |
64 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Допустим узел РС1 отправляет пакет по адресу 192.168.24.91. Тогда узел РС1 вычисляет номер подсети адресата:
|
128 |
64 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
|
|
9110 = |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Видим, что адрес подсети адресата совпадает с подсетью отправителя, поэтому пакет будет отправлен непосредственно в этой же подсети.
Пусть теперь узел РС1 отправляет пакет по адресу 192.168.24.97. Вновь узел РС1 вычисляет номер подсети адресата:
|
128 |
64 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
|
|
9710 = |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Видим, что адресат находится в другой подсети, поэтому этот пакет будет отправлен маршрутизатору, чтобы он его переправил дальше (либо в другую подсеть, к которой он подключен, либо на другой маршрутизатор).
Рассмотрим схему простейшей маршрутизации на рисунке 7.4.
Рисунок 7.4.
HWA – Hardware Address – номер сетевой карты.
Пусть РС1 отправляет пакет на РС2. Ход процесса:
РС1 проверяет, находится ли адрес РС2 в его локальной сети. Для этого РС1 выдает широковещательный ARP-запрос: "Эй, есть ли здесь РС с адресом 172.16.2.18? Если есть, то пришли мне свой HWA." Если ответа нет, то пакет отсылается на маршрутизатор (шлюз) по адресу HWA: 5. При этом заголовок пакета имеет вид:
HWA отправителя 14
IP-адрес получателя 172.16.2.18
IP-адрес отправителя 172.16.1.1.
HWA получателя 5
Маршрутизатор делает широковещательный ARP-запрос для определения HWA получателя в своей другой сети (справа). Если эта РС2 есть в этой сети, то маршрутизатор получает в ответ HWA этой РС2 и маршрутизатор отсылает пакет на РС2 с таким заголовком:
HWA 23
IP-адрес отправителя 172.16.1.1
IP-адрес получателя 172.16.2.18
HWA получателя 7
Если маршрутизатор по своему ARP не найдет РС2 в своей правой сети, то он отошлет пакет на шлюз по умолчанию.