Локальные вычислительные сети

1

38

Содержание

Введение

Глава 1. Базовая модель взаимодействия открытых систем OSI. Уровни протоколов

Глава 2. Классификация топологических элементов сети

Глава 3. Топология, методы доступа к среде

Глава 4. Режимы передачи и качество сервиса

Глава 5. Управление потоком данных

Глава 6. Построение локальных сетей

6.1 Оборудование локальных сетей

6.2 Маршрутизаторы, как средство объединения локальных сетей

6.3 Коммутация 3-го уровня

Глава 7. Сетевые протоколы

7.1 Протокольный стек TCP/IP

7.2 Протоколы стека TCP/IP/

7.3 Фирменные протокольные стеки IPX/SPX:

Заключение

Введение

Компьютерной сетью называют совокупность узлов (компьютеров, терминалов, периферийных устройств), имеющих возможность информационного взаимодействия друг с другом с помощью специального коммуникационного оборудования и программного обеспечения.

Размеры сетей варьируются в широких пределах - от пары соединенных между собой компьютеров, стоящих на соседних столах, до миллионов компьютеров, разбросанных по всему миру (часть из них может находиться на космических объектах).

По широте охвата принято деление сетей на несколько категорий: локальные вычислительные сети - ЛВС или LAN(Local-Area Network), позволяют объединять компьютеры, расположенные в ограниченном пространстве.

Для локальных сетей, как правило, прокладывается специализированная кабельная система, и положение возможных точек подключения абонентов ограничено этой кабельной системой. Иногда в локальных сетях используют беспроводную связь(Wireless), но при этом возможности перемещения абонентов сильно ограничены. Локальные сети можно объединять в крупномасштабные образования:

CAN(Campus-Area Network)- кампусная сеть, объединяющая локальные сети близко расположенных зданий;

MAN(Metropolitan-Area Network)- сеть городского масштаба;

WAN(Wide-Area Network)- широкомасштабная сеть;

GAN(Global-Area Network) - глобальная сеть.

Сетью сетей в наше время называют глобальную сеть - Интернет.

Для более крупных сетей устанавливаются специальные проводные и беспроводные линии связи или используется инфраструктура существующих публичных средств связи. В последнем случае абоненты компьютерной сети могут подключаться к сети в относительно произвольных точках, охваченных сетью телефонии или кабельного телевидения.

Понятие интранет (Intranet) обозначает внутреннюю сеть организации, где важны два момента:

Изоляция или защита внутренней сети от внешней (Интернет);

2) Использование сетевого протокола IP и Web-технологий (прикладного протокола HTTP).

В аппаратном аспекте применение технологии интранет означает, что все абоненты сети в основном обмениваются данными с одним или несколькими серверами, на которых сосредоточены основные информационные ресурсы предприятия.

В сетях применяются различные сетевые технологии. Каждой технологии соответствуют свои типы оборудования.

Оборудование сетей подразделяется на активное - интерфейсные карты компьютеров, повторители, концентраторы и т.п. и пассивное - кабели, соединительные разъемы, коммутационные панели и т.п. Кроме того имеется вспомогательное оборудование - устройства бесперебойного питания, кондиционирования воздуха и аксессуары - монтажные стойки, шкафы, кабелепроводы различного вида. С точки зрения физики, активное оборудование - это устройства, которым необходима подача энергии для генерации сигналов, пассивное оборудование подачи энергии не требует.

Оборудование компьютерных сетей подразделяется на конечные системы (устройства), являющиеся источниками и/или потребителями информации, и промежуточные системы, обеспечивающие прохождение информации по сети.

К конечным системам относят компьютеры, терминалы, сетевые принтеры, факс-машины, кассовые аппараты, считыватели штрих-кодов, средства голосовой и видеосвязи и любые другие периферийные устройства.

К промежуточным системам относят концентраторы (повторители, мосты, коммутаторы), маршрутизаторы, модемы и прочие телекоммуникационные устройства, а также соединяющая их кабельная или беспроводная инфраструктура.

Действием, «полезным» для пользователя, является обмен информацией между конечными устройствами.

Для активного коммуникационного оборудования применимо понятие производительность, причем в двух различных аспектах. Кроме «валового» количества неструктурированной информации, пропускаемого оборудованием за единицу времени (бит/с), интересуются и скоростью обработки пакетов, кадров или ячеек. Естественно, при этом оговаривается и размер структур (пакетов, кадров, ячеек), для которого измеряется скорость обработки. В идеале производительность коммуникационного оборудования должна быть столь высокой, чтобы обеспечивать обработку информации, приходящейся на все интерфейсы (порты) на их полной скорости (wire speed)

Для организации обмена информацией должен быть разработан комплекс программных и аппаратных средств, распределенных по разным устройствам сети. Поначалу разработчики и поставщики сетевых средств пытались идти каждый по своему пути, решая весь комплекс задач с помощью собственного набора протоколов, программ и аппаратуры. Однако решения различных поставщиков оказывались несовместимыми друг с другом, что оказывало массу неудобств для пользователей, которых по разным причинам не удовлетворял набор возможностей, предоставляемых только одним из поставщиков. По мере развития техники и расширения ассортимента предоставляемых сервисов назрела необходимость декомпозиции сетевых задач - разбивки их на несколько взаимосвязанных подзадач с определением правил взаимодействия между ними. Разбивка задачи и стандартизация протоколов позволяет принимать участие в ее решении большому количеству сторон-разработчиков программных и аппаратных средств, изготовителей вспомогательного и коммуникационного оборудования, доносящих все эти плоды прогресса до конечного потребителя.

Применение открытых технологий и следование общепринятым стандартам позволяет избегать эффекта вавилонского столпотворения. Конечно, в какой-то момент стандарт становиться тормозом развития, но кто-то делает прорыв, и его новая фирменная технология со временем выливается в новый стандарт.

Глава 1. Базовая модель взаимодействия открытых систем OSI. Уровни протоколов

Для описания способов коммуникации между сетевыми устройствами организацией ISO была разработана модель взаимосвязи открытых систем BOS-OSI (Open System Interconnection). Она основана на уровневых протоколах, что позволяет обеспечить:

логическую декомпозицию сложной сети на обозримые части - уровни;

стандартные интерфейсы между сетевыми функциями;

симметрию в отношении функций, реализуемых в каждом узле сети (аналогичность функций в каждом узле сети);

общий язык для взаимопонимания разработчиков различных частей сети.

Функции любого узла сети разбиваются на уровни, для конечных систем их семь. Внутри каждого узла взаимодействие между уровнями идет по вертикали. Взаимодействие между двумя узлами логически происходит по горизонтали - между соответствующими уровнями. Реально же из-за отсутствия непосредственных горизонтальных связей производится спуск до нижнего уровня в источнике, связь через физическую среду и подъем до соответствующего уровня в приемнике информации. В промежуточных устройствах подъем идет до того уровня, который доступен “интеллекту” устройства. Каждый уровень обеспечивает свой набор сервисных функций (сервисов), “прикладная ценность” которых возрастает с повышением уровня. Уровень, с которого посылается запрос, и симметричный ему уровень в отвечающей системе формируют свои блоки данных. Данные снабжаются служебной информацией (заголовком) данного уровня и спускаются на уровень ниже, пользуясь сервисами соответствующего уровня.

На этом уровне к полученной информации также присоединяется служебная информация, и так происходит спуск до самого нижнего уровня, сопровождаемый заголовками. Наконец по нижнему уровню вся эта конструкция достигает получателя, где по мере подъема вверх освобождается от служебной информации соответствующего уровня. В итоге сообщение, посланное источником, в “чистом виде” достигает соответствующего уровня системы-получателя.

Служебная информация управляет процессами передачи и служит для контроля его успешности и достоверности. В случае возникновения проблем может быть сделана попытка их уладить на том уровне, где они были обнаружены. Если уровень не может решить проблему, он сообщает о ней на вызвавший его вышестоящий уровень.

Сервисы на передаче данных могут быть гарантированными (reliable - надежными) и негарантированными (unreliable - ненадежными).

Гарантированный сервис сообщит только о выполнении операции (он освободился), а дошли ли данные до получателя при этом неизвестно. Контроль достоверности и обработка ошибок может выполняться на разных уровнях и инициировать повтор передачи блока. Как правило, чем ниже уровень, на котором контролируются ошибки, тем быстрее они обрабатываются.

Стандарты на различные технологии и протоколы, как правило, охватывают один или несколько смежных уровней. Комплекты протоколов нескольких смежных уровней, пользующихся сервисами друг друга (сверху вниз), называют протокольными стеками (protocol stack). Пример протокольного стека, широко используемого в современных сетях - TSP/IP

Уровни модели OSI рассмотрим сверху вниз:

Прикладной уровень(application layer) - высший уровень модели, который обеспечивает пользовательской прикладной программе доступ к сетевым ресурсам. Примеры задач уровня: передача файлов, электронная почта, управление сетью.

Примеры протоколов прикладного уровня:

FTAM (File Transfer Access and Management) - удаленное манипулирование файлами;

FTR (File Transfer Protocol) - пересылка файлов;

X.400 - передача сообщений и сервис электронной почты;

CMIP(Common Management Information Protocol) - управление сетью в стандарте ISO;

SNMP(Simple Network Management Protocol) - управление сетью не в стандарте ISO;

Telnet - эмуляция терминала и удаленная регистрация (remote login).

Уровень представления данных (presentation layer) - обеспечивает преобразование кодов, форматов файлов, сжатие и распаковку, шифрование и дешифрование данных. Пример протокола - SSL(Secure Socket Layer), обеспечивающий конфиденциальность передачи данных в стеке TSP/IP.

Сеансовый уровень(Session Layer) - обеспечивает инициацию и завершение сеанса - диалога между устройствами, синхронизацию и последовательность пакетов в сетевом диалоге, надежность соединения до конца сеанса (обработку ошибок, повторные передачи).

Примеры протоколов сеансового уровня:

Net BIOS(Network Basic Input/Output System) - именование узлов, негарантированная доставка сообщений, общее управление. Протокол распространяется еще на 6-й и7-й уровни, различные реализации могут быть не совместимыми с оригинальной разработкой IBM;

Net BEUT(Network Basic Extended User Interface) - реализация и расширение Net BIOS фирмой Microsoft.

Транспортный уровень(transport layer) - отвечает за передачу данных от источника до получателя с уровнем качества (пропускная способность, задержка прохождения, уровень достоверности), затребованным сеансовым уровнем. Если блоки данных, передаваемые с сеансового уровня, больше допустимого размера пакета для данной сети, они разбиваются на несколько нумерованных пакетов. На этом уровне определяются пути передачи, которые для соседних пакетов могут быть разными. На приемной стороне пакеты собираются и в должной последовательности передаются на сеансовый уровень.

Протоколы транспортного уровня зависят от сервиса нижних уровней:

TPO…TP4(Transport Protocol Class 0…4) - классы протоколов модели OSI, ориентированные на различные виды сервиса нижних уровней;

TSP(Transmission Control Protocol) - протокол передачи данных с установлением соединения;

UDP(User Datagramm Protocol) - протокол передачи данных без установления соединения;

SPX(Seguenced Packet Exchange) - протокол передачи данных Novell NetWare с установлением соединения.

Сетевой уровень(network layer) - форматирует данные транспортного уровня и снабжает их информацией, необходимой для маршрутизации (нахождения пути к получателю). Уровень отвечает за адресацию (трансляцию физических и сетевых адресов, обеспечение межсетевого взаимодействия); поиск пути от источника к получателю; установление и обслуживание логической связи между узлами для установления связи как ориентированной, так и неориентированной на соединение. Форматирование данных осуществляется в соответствии с коммуникационной технологией (локальные и глобальные сети).

Примеры протоколов сетевого уровня:

ARP (Address Resolution Protocol) - взаимное преобразование аппаратных и сетевых адресов;

IP (Internet Protocol) - протокол доставки дейтаграмм, основа стека TSP/IP;

IPX (Internetwork Packet Exchange) - базовый протокол NetWare, отвечающий за адресацию и маршрутизацию пакетов.

2. Канальный уровень (data link layer) - обеспечивает формирование фреймов (кадров), передаваемых через физический уровень, контроль ошибок и управление потоком данных. Существует дополнительное деление этого уровня на 2 подуровня (sublayers):

Подуровень LLS(Logical-Link Control - управление логической сетью) - является стандартным интерфейсом с сетевым уровнем, независимым от сетевой технологии.

Подуровень MAC(Media Access Control - управление доступом к среде) - осуществляет доступ к уровню физического кодирования и передачи сигналов. Применительно к технологии Internet MAC-уровень укладывает данные, пришедшие с LLS, в кадры, пригодные для передачи. Далее, дожидаясь освобождения канала, он передает кадр на физический уровень и следит за результатами работы физического уровня. Если кадр передан успешно (коллизий нет), он сообщает об этом LLS-подуровню. Если обнаружена коллизия, он делает несколько повторных попыток передачи, и если передача так и не удалась, сообщает LLS-уровню. На приемной стороне MAC-уровень принимает кадр, проверяет его на отсутствие ошибок и, освободив его от служебной информации, передает на LLS.

Физический уровень (physical layer) - нижний уровень, обеспечивающий физическое кодирование бит кадра в электрические сигналы и передачу их по линиям связи. Определяет тип кабелей и разъемов, назначение контактов и формат физических сигналов.

Примеры спецификаций физического уровня:

EIA (TIA-232-D) - 25-штырьковый разъем и протокол последовательной синхронной/асинхронной связи;

IEEE 802.3, определяющий разновидности Internet (10 Мбит/с). Здесь физический уровень делится еще на 4 подуровня:

а)PLS(Physical Layer Signaling) - сигналы для трансиверного кабеля;

б)AUI(Attachment Unit Interface) - спецификации трансиверного кабеля (интерфейс AUI);

в)PMA (Physical Medium Attachment) - функции трансивера;

г)MDI (Medium Dependent Interface) - спецификации подключения трансивера к конкретному типу кабеля.

Сетевая технология охватывает канальный и физический уровни модели. Промежуточные системы (устройства) описываются протоколами нескольких уровней, начиная с 1-го и доходя до 3-го, а иногда до 4-го уровня.

В реальных сетях используются различные протокольные стеки, и далеко не всегда возможно практическое разделение систем на уровни модели OSI с возможностью обращения к каждому из них. Ради повышения производительности количество уровней уменьшается до 3 - 4 с объединением функций смежных уровней.

При всем разнообразии подходов к реализации верхних уровней стеков стандартизация на физическом, канальном и сетевом уровнях соблюдается довольно строго. Здесь играет роль необходимость обеспечения совместимости сетевых устройств от разных производителей, без которых их положение на рынке неустойчиво.

Глава 2. Классификация топологических элементов сети

Локальные сети состоят из конечных устройств и промежуточных, соединенной кабельной системой. Определим некоторые основные понятия:

Узлы сети (nodes) - конечные и промежуточные устройства, наделенные сетевыми адресами. К узлам сети относятся компьютеры с сетевым интерфейсом, выступающие в роли рабочих станций, серверов или в обеих ролях; сетевые периферийные устройства (принтеры, плоттеры, сканеры); сетевые телекоммуникационные устройства (модемы); маршрутизаторы.

Кабельный сегмент - отрезок кабеля или цепочка отрезков кабелей, электрически соединенных друг с другом, обеспечивающие соединение двух или более узлов сети.

Сегмент сети (или просто сегмент) - совокупность узлов сети, использующих общую среду передачи. Применительно к технологии Internet это совокупность узлов, подключенных к одному кабельному сегменту.

Сеть (логическая) - совокупность узлов сети, имеющих единую систему адресации 3-го уровня модели OSI. Примерами могут быть IPX-сеть, IP-сеть. Каждая сеть имеет свой адрес, этими адресами оперируют маршрутизаторы для передачи пакетов между сетями.

Облако (cloud) - коммуникационная инфраструктура с однородными внешними интерфейсами. Примером облака может быть городская - междугородная, международная телефонная сеть: в любом ее месте можно подключить телефонный аппарат и связаться с любым абонентом.

По способу использования кабельных сегментов различают:

- двухточечные соединения между узлами. Для таких соединений в основном используются симметричные электрические кабели (витая пара) и оптические кабели;

- многоточечные соединения - к одному кабельному сегменту подключается более двух узлов. Типичная среда передачи - несимметричный кабель (коаксиальный), возможно применение и других видов кабелей, в том числе и оптических.

Повторитель (repeater) - устройство физического уровня, позволяющее преодолевать топологические ограничения кабельных сегментов. Информация из одного кабельного сегмента в другой передается побитно, анализ информации не производится.

Мост (bridge) - средство объединения сегментов сетей, обеспечивающее передачу кадров из одного сегмента в другой. Кадр, пришедший из одного сегмента, может быть передан в другой или отфильтрован, решение о продвижении или фильтрации кадра принимается на основании информации 2-го уровня.

Мост MAK-подуровня позволяет объединять сегменты сети в пределах одной технологии.

Мост LLC- подуровня, он же транслирующий мост, позволяющий объединить сегменты сетей с разными технологиями.

Мост может быть локальным, удаленным или распределенным. Локальный мост - это устройство с двумя или более интерфейсами, к которым подключаются соединяемые сегменты локальных сетей. Удаленные мосты соединяют сегменты сетей, значительно удаленные друг от друга, через линию связи. Распределенный мост представляет собой совокупность интерфейсов некоторого коммуникационного облака, к которым подключаются сегменты соединяемых сетей.

Коммутатор 2-го уровня выполняет функции, аналогичные функциям мостов, но используется для сегментации - разбиение сетей на мелкие сегменты с целью повышения пропускной способности.

Маршрутизатор работает на 3-ем уровне и используется для передачи пакетов между сетями. Маршрутизатор выполняет фильтрацию на основе информации 3-го уровня. В отличии от повторителей и мостов, присутствие маршрутизаторов известно узлам сети. Каждый маршрутизатор имеет свой сетевой адрес, на этот адрес узлы посылают пакеты, предназначенные узлам других сетей.

Коммутатор 3-го уровня решает задачи, близкие задачам маршрутизаторов, и ряд других с более высокой производительностью. В настоящее время коммутаторы стали «забираться» и на 4-ый уровень.

Глава 3. Топология, методы доступа к среде

Каждая сетевая технология имеет характерную для нее топологию соединения узлов сети и метод доступа к среде передачи.

Различают физическую топологию, определяющую правила физических соединений узлов и логическую топологию, определяющую направление потоков данных между узлами сети. Логическая и физическая топологии относительно независимы друг от друга.

Физические топологии - шина, звезда, кольцо, дерево, сетка.

В логической шине информация, передаваемая одним узлом, одновременно доступна для всех узлов, подключенных к одному сегменту. Логическая шина реализуется на физической топологии шины, звезды, дерева, сетки. В логическом кольце информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает кадры только от предыдущего узла и посылает только последующему. Реализуется на физической топологии кольца и звезды.

Методы доступа к среде делятся на вероятностные и детерминированные.

При вероятностном методе доступа узел, желающий послать кадр в сеть, прослушивает линию. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), попытка передачи откладывается на некоторое время.

Общий недостаток вероятностных методов доступа - неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени.

При детерминированном методе узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Последовательность определяется контроллером сети.

Основное преимущество метода - ограниченное время прохождения кадра, мало зависящее от нагрузки.

Сети с большой нагрузкой требуют более эффективных методов доступа. Один из способов повышения эффективности - перенос управления доступом от узлов в кабельные центры. При этом узел посылает кадр в коммуникационное устройство. Задача этого устройства - обеспечить прохождение кадра к адресату с оптимизацией общей производительности сети и обеспечением уровня качества обслуживания, требуемого конкретным приложением.

Глава 4. Режимы передачи и качество сервиса

Режим передачи определяет способ коммуникаций между двумя узлами.

Симплексный режим позволяет передавать данные только в одном направлении, передающий узел полностью занимает канал. В телекоммуникациях такой режим практически не используется - он не позволяет отправителю информации получать подтверждение о его приеме, что необходимо для обеспечения нормальной связи.

Полудуплексный режим допускает двустороннюю передачу, но в каждый момент времени только в одном направлении. Для смены направления требуется подача специального сигнала и получение подтверждения.

Полнодуплексный режим допускает одновременную передачу сразу в двух направлениях. При этом передача в одном направлении занимает только часть канала. Дуплексный режим может быть симметричным (полоса пропускания канала в обоих направлениях одинакова) и несимметричным (пропускная способность в одном направлении значительно больше, чем в противоположном).

Качество сервиса сети определяется несколькими параметрами:

Скорость передачи данных, определяется, как количество бит данных, переданных за единицу времени.

Задержка доставки данных, определяемая как время от передачи блока информации источником до его приема получателем.

Уровень ошибок определяется либо как вероятность безошибочной передачи определенной порции данных (от бита до кадра).

Для высших уровней (прикладной) интересны такие параметры, как время отклика и производительность обслуживания запросов. Эти параметры определяются как сетью (время на транспортировку), так и серверами, обслуживающими прикладные запросы.

Приложения разных классов имеют разные требования к качеству обслуживания и современные сети на своем уровне при передаче данных должны уметь различать передаваемый трафик. В противоположном случае для работы некоторых приложений придется организовывать излишне мощные, а значит и дорогие каналы, которые в среднем окажутся недостаточно загруженными.

Глава 5. Управление потоком данных

Управление потоком данных является средством согласования темпа передачи данных с возможностями приемника. Несмотря на то, что битовые скорости приемников и передатчиков всегда должны совпадать, возможны ситуации, когда передатчик передает информацию в темпе, неприемлемом для приемника. При этом входной буфер приемника переполняется, и часть передаваемой информации теряется. Средства управления потоком позволяют приемнику подать передатчику сигнал на приостановку или продолжение передачи. Эти средства требуют наличие обратного канала передачи (от приемника к передатчику).

Для контроля получения информации приемником применяют квитирование (handshaking - рукопожатие)- посылку-уведомление о получении кадра. На каждый принятый кадр приемник отвечает коротким кадром-подтверждением.

Возможна пакетная передача, при которой передатчик посылает серию последовательных кадров, на которую должен получить общее подтверждение, что экономит время. Если в подтверждении есть место для списка хороших и плохих кадров, то посылать повторно можно только плохие. При этом появляется необходимость в идентификации кадров и подтверждений.

Метод `скользящего окна” является эффективным гибридом индивидуальных подтверждений и пакетной передачи. Здесь передатчик посылает серию нумерованных кадров, зная, что приход подтверждения может задерживаться относительно своего кадра на время оборота по сети. это время может быть предварительно определено, и ширина “окна” определяется числом кадров, которые можно послать. Подтверждение нумеруется в соответствии с кадрами, эта нумерация может быть циклической с модулем, определяемым шириной окна. Если передатчик не получает подтвнрждение на кадр, выходящий из окна наблюдения, он считает его потерянным и повторяет его передачу. На случай повтора передатчик должен держать в своем буфере все кадры окна, замещая выходящие (подтвержденные) новыми.

Метод позволяетт полностью использовать пропускную способность канала не6зависимо от дальности передачи.

Глава 6. Построение локальных сетей

Для построения сетей из нескольких компьютеров, соединенных общей шиной Ethernet, достаточно проложить и разделать кабели, установить и сконфигурировать сетевые адаптеры и установить сетевые операционные системы на компьютеры.

После этого сеть работала, а администратору на аппаратном уровне оставалось только присматривать за порядком в нехитром, но ненадежном кабельном хозяйстве. Добавление новых пользователей тоже не вызывало особых проблем, но лишь до тех пор, пока хватало длины кабеля, терпение при поиске плохих разъемов и полосы пропускания разделяемой среды передачи. Современные сети представляют собой довольно сложные распределенные аппаратно-программные комплексы, способы, построения которых неоднозначны.

6.1 Оборудование локальных сетей

Конечное сетевое оборудование

Конечное сетевое оборудование является источником и получателем информации, передаваемой по сети.

Компьютеры, подключенные к сети, являются самым универсальным узлом. Прикладное использование компьютеров в сети определяется программным обеспечением и установленным дополнительным оборудованием. Установка мультимедийного оборудования может превратить в IP-телефон, видеотелефон, терминал видеоконференцесвязи.

Сетевой интерфейс обеспечивается адаптером локальной сети и программными средствами загружаемой операционной системы. Для дальних коммуникаций используется модем внутренний или внешний. С точки зрения сети,”лицом” компьютера является его сетевой адаптер. Тип сетевого адаптера должен соответствовать назначению компьютера и его сетевой активности.

Сервер является тем же компьютером, но подразумевается его более высокая сетевая активность. Для подключения к сети желательно использовать полнодуплексные высокопроизводительные адаптеры. Серверы желательно подключать к выделенному порту коммутатора в полнодуплексном режиме. При установке двух или более сетевых интерфейсов и соответствующего программного обеспечения сервер может играть роль маршрутизатора или моста. Серверы могут иметь возможность “горячей” замены дисковых накопителей, резервирование питания, блокировку несанкционированного доступа, средства мониторинга состояния (включая возможность сообщения о критических событиях на пейджер администратора). Серверы, как правило, должны иметь высокопроизводительную дисковую подсистему, в качестве интерфейса которой используют шину SCSI.

Терминалы, алфавитно-цифровые и графические, используются в клиент-серверных системах в качестве рабочих мест пользователя, а также в качестве консолей для управления сетевым оборудованием. Терминалы, как правило, имеют последовательный интерфейс RS-232 C. Терминал имеет собственную систему команд. Терминал может эмулироваться и персональным компьютером, при этом в качестве интерфейса может выступать как СОМ - порт, так и сетевой интерфейс.

Разделяемые принтеры обеспечивают печать заданий от множества пользователей локальгой сети. В общем случае для этого требуется принт-сервер - средство выборки заданий из очереди и собственно принтер, логически подключенный к принт-серверу. В роли принт-сервера может выступать обычный компьютер, подключенный к сети, и принтер подключается к его порту. Принт-сервер может встраиваться в собственно принтер или исполняться в виде отдельного сетевого устройства. Использование разделяемых принтеров, особенно лазерных в графическом режиме с высоким разрешением, значительно нагружает сеть. Принт-сервер (сетевой принтер) желательно подключать к выделенному порту, полный дупликс ему не нужен. Подключение принтера кабелем параллельного интерфейса территориально привязывает принтер к компьютору, поскольку кабель имеет длину 1,5-5 м. Для принтера это не всегда удобно.

Сетевые принтеры в дополнение к локальным имеют встроенный сетевой интерфейс Ethernet на 10 или 100 Мбит в секунду. В этом случае у них должно присутствовать встроенное программное обеспечение, рассчитанное на тот или иной сетевой протокол. Сетевой принтер территориально может располагаться в любом месте помещения, где есть розетка кабельной сети.

Аппаратный принт-сервер представляет собой микроконтроллер, снабженный сетевым интерфейсом и несколькими последовательными и параллельными портами. К портам подключаются обычные принтеры. Встроенное ПО обеспечивает выборку заданий из очереди на файл - сервере. Принт-сервер обычно поддерживает протокол какой-нибудь одной операционной системы, возможность перезаписи встроенного ПО в некоторых случаях позволяет сменить протокол или улучшить предоставляемый сервис.

Коммуникационное сетевое оборудование не является источником или конечным получателем данных. Приведем краткие характеристики коммуникационного оборудования локальных сетей.

Повторитель является средством объединения кабельных сегментов в единый логический сегмент. В сетях на витой паре повторитель является самым дешевым средством объединения конечных узлов и других устройств в единый разделяемый сегмент.

Мост является средством передачи кадров между двумя и более логическими сегментами. По логике работы является частным случаем коммутатора. Скорость обычно 10 Мбит в секунду.

Коммутатор является средством организации виртуальных цепей для передачи каждого кадра между двумя его портами. Скорости портов могут быть разными у разных портов одного устройства - 10, 100 или 1000 Мбит/сек. Реальная пропускная способность ниже из-за несимметричности загрузки портов коммутатора.

Хаб - устройство, к которому подключаются кабели от множества конечных узлов и коммуникационных устройств. Внутренняя структура может быть различной. Чаще всего под хабом подразумевают повторитель. Сегментирующий хаб является комбинацией нескольких повторителей, между которыми может присутствовать мост.

Концентратор считается синонимом хаба, но может трактоваться шире (может включать набор повторителей, коммутаторов и мостов, соединяющих разные технологии).

преобразователь интерфейсов позволяет осуществлять переходы из одной среды передачи данных в другую без логического преобразования сигналов. Благодаря усилению сигналов, эти устройства могут позволять преодолевать ограничения на длину линий связи. Используются для связи оборудования с разнотипными портами.

Маршрутизатор - устройство с несколькими физическими интерфейсами, возможно, различных сетевых технологий. Выполняет передачу пакетов между интерфейсами на основании информации 3-го уровня.

Брандмауэр - устройство (программное средство), по уровню функционирования аналогичное маршрутизатору, но с более развитой системой фильтрации и малым (как правило, 2) числом портов. Для сетевых узлов присутствие брандмауэра не должно быть заметно. Используется для защиты локальных сетей от несанкционированного вмешательства извне. Обычно устанавливается между маршрутизатором и внешним интерфейсом глобальной сети. Может быть встроен в маршрутизатор или коммуникационное оборудование подключенное к глобальной сети.

Модем - устройство для передачи данных на дальние расстояния по выделенным или коммутируемым линиям. Интерфейс, обращенный к источнику и приемнику данных, может быть последовательным, параллельным или даже шиной USB.

Модемный пул - сборка из нескольких модемов, которые объединены общим портом с интерфейсом ЛВС. Каждый модем пула подключается к своей внешней линии. Устройство позволяет одновременно нескольким абонентам локальной сети пользоваться индивидуальными выходами во внешний мир или обеспечивать нескольким пользователям доступ к локальной сети.

LAN-модем - комбинация модема и маршрутизатора, имеющая в качестве интерфейса порт Ethernet (иногда несколько портов, объединенных повторителем). Позволяет одновременно пользоваться одним выходом во внешний мир группе абонентов локальной сети.

Концентраторы могут иметь различное конструктивное исполнение, каждый тип исполнения имеет определенную сферу применения:

Малогабаритные концентраторы с фиксированным числом портов (4-16) - самые дешевые устройства, применяемые в небольших сетях. Они занимают мало места и могут устанавливаться на столах, полках или подвешиваться на стену. Самые дешевые из них имеют выносной адаптер питания - блок с трансформатором и выпрямителем, смонтированный прямо на питающей вилке. Такое подключение питания не предусматривает заземления, что очень плохо.

Концентраторы с фиксированной конфигурацией формата 19”. Находятся в средней ценовой категории. Они предназначены для установки в шкафах или на полках. Блок питания, как правило, встроенный, заземление предусмотрено, количество портов до 36.

Модульные концентраторы выполняются в виде шасси с пассивной объединяющей шиной. Шасси снабжается источником питания. Количество портов исчисляется сотнями. Это дорогие устройства, который оправдывают себя при большом количестве портов и высоких требованиях к надежности.

Стековые концентраторы представляют собой устройства с фиксированной конфигурацией, имеющие специальный интерфейс для объединения нескольких устройств в стек. Стек подразумевает, что несколько физических устройств выступают как единое устройство. Стек может быть локальным - устройства соединяются специальными короткими кабелями (0,3 - 1,5) или распределенным - устройства соединяются обычным 4-парным кабелем длиной до 100м. Распределенный стек возможен только для повторителей 10 Мбит/с. Для коммутаторов стековый интерфейс может стать узким местом.

Списком приведенных устройств не ограничивается весь ассортимент коммуникационного оборудования, которое выпускается множеством фирм.

6.2 Маршрутизаторы как средство объединения локальных сетей

Маршрутизатор представляет собой промежуточную систему с несколькими интерфейсами (портами), оперирующую информацией пакетов сетевого уровня, заключенных в кадры сети. Каждый порт имеет свой физический адрес (МАС-адрес), по которому к нему обращаются узлы, нуждающиеся в межсетевой передаче пакетов. С каждым из портов связываются один или несколько сетевых протоколов (IPX, IP, Apple Talk) и одна или несколько подсетей. Маршрутизатор пересылает между портами (подсетями) только те пакеты, которые предназначаются адресатам подсети выходного порта. При этом возможна фильтрация - передача пакетов, удовлетворяющих определенным критериям. Маршрутизаторы используются и как средства обеспечения безопасности, препятствующие прозрачному взаимодействию между узлами разных подсетей. Маршрутизаторы необходимы для связи пространственно удаленных подсетей, когда имеются жесткие ограничения на полосу пропускания каналов связи между ними. Маршрутизатор будет посылать в канал только те пакеты, которые действительно предназначены для получателей противоположной стороны.

Функции маршрутизатора рассмотрим применительно к протоколу IP. Маршрутизатор принимает адресованный ему кадр во входной буфер и анализирует заключенный в него пакет. Для маршрутизации интересен адрес назначения, Для фильтрации могут анализироваться и другие поля. В зависимости от результата анализа пакт направляется в выходную очередь соответствующего интерфейса или уничтожается.

У маршрутизатора могут быть порты с разными сетевыми технологиями - переход осуществляется просто вкладыванием пакета в кадр соответствующей технологии. Изменять протокол маршрутизатор не может. В случае обнаружения ошибок в пакете маршрутизатор генерирует соответствующий пакет-сообщение (для стека TCP/IP пакет ICMP).

Маршрутизаторы, как правило, имеют небольшое число физических интерфейсов и реализуется на основе одного процессора. В отличии от «прозрачных» устройств 1 - 2-го: все узлы подсети, желающие участвовать в обмене с узлами других подсетей, должны знать сетевой адрес маршрутизатора и иметь возможность получения его физического адреса.

Необходимость применения маршрутизатора может быть и не всегда очевидна. Однако, если по каким-либо причинам приходится узлы этой сети приписывать к различным IP-подсетям, то для взаимодействия между ними необходим маршрутизатор.

Хороший маршрутизатор является очень дорогим устройством со сложной настройкой, производительность которого из-за более сложных манипуляций с кадрами, выполняемых, как правило, одним процессором, гораздо ниже, чем у коммутатора. В результате маршрутизатор в сети с интенсивным обменом между подсетями может оказаться узким местом.

Объединять подсети в более крупную сеть допустимо не всегда, поскольку при увеличении числа узлов подсети возникает вероятность широковещательных «штормов». Выходов может быть два - увеличивать производительность маршрутизатора или по возможности заменять маршрутизаторы коммутаторами с поддержкой ВЛС (виртуальная локальная сеть).

6.3 Коммутация 3-го уровня

Fast IP

Коммутаторы 3-го уровня строятся на определенной архитектуре - каждый порт имеет собственный специализированный процессор (ASIC), занимающийся анализом кадров и пакетов для определения их точки назначения, и общий управляющий процессор. Они выполняют те же функции, что и традиционные маршрутизаторы, но с большей скоростью и дополнительными возможностями. У них, как правило, большее количество портов, а подсети можно определять для групп портов.

Кадры, приходящие в порт и адресуемые узлам той же подсети, но другого порта, коммутируются (IP-заголовок не используется и не модифицируется). Кадры, приходящие на MAC-адрес порта, маршрутизируются - порт назначения определяется по IP-адресу. Отличие от комбинации отдельного коммутатора с обычным маршрутизатором заключается в масштабировании пропускной способности каждой подсети: чем больше портов в нее входит, тем выше пропускная способность. Кроме того, при коммутации может использоваться информация 3-го уровня.

Коммутаторы 3-го уровня в основном предназначены для связи подсетей в локальных сетях, и интерфейсов глобальных сетей они могут не иметь. Кроме протокола IP. они могут поддерживать и другие протоколы (IPX, Apple Talk).

Глава 7. Сетевые протоколы

7.1 Протокольный стек TCP/IP

Комплект протоколов TCP/IP разрабатывался для сети Интернет, в настоящее время он широко используется как в локальных, так и в глобальных сетях.

Весь комплекс базируется на IP-протоколе негарантированной доставки пакетов без установления соединения.

Информация в TCP/IP передается пакетами со стандартизованной структурой, называемыми IP-дейтаграммами, имеющими поле заголовка и поле данных. Конечные узлы - отправители и получатели информации, называются хостами, промежуточные устройства, оперирующие IP-пакетами, называют шлюзами.

Длина дейтаграммы определяется сетевым ПО, так чтобы она помещалась в поле данных сетевого кадра, осуществляющего ее транспортировку.

7.2 Протоколы стека TCP/IP/

Стек TCP/IP охватывает верхние уровни модели OSI.

Сетевой уровень:

IP - обеспечивает негарантированную доставку пакета от узла к узлу, в работе с нижними уровнями использует протоколы ARP и RARP.

ARP - динамически преобразует IP-адрес в физический.

RARP - обратный к ARP, преобразует физический адрес в IP-адрес.

ICMP - управляет передачей управляющих и диагностических сообщений между шлюзами, маршрутизаторами и узлами, определяет доступность и способность к ответу абонентов-адресатов, назначение пакетов, работоспособность маршрутизаторов. Взаимодействует с вышестоящими протоколами TCP/IP. Сообщение передаются с помощью IP-дейтаграмм.

IGMP - позволяют формировать в маршрутизаторах списки групп многоадресного вещания.

Транспортный уровень:

UDR - обеспечивает негарантированную доставку пользовательских дейтаграмм без установления соединения между заданными процессами передающего и принимающего узлов. Протокол позволяет множеству клиентов использовать совпадающие порты: дейтаграмма доставляется клиенту с заданным IP-адресом и номером порта. Если клиент не находится, то дейтаграмма отправляется по адресу 0.0.0.0, обычно это «черная дыра».

TCP - обеспечивает гарантированный поток данных между клиентами, установившими виртуальное соединение. Поток представляет собой неструктурированную последовательность байт, их интерпретация согласуется предварительно. Комбинация IP-адреса и номера порта называется гнездом TCP. Поток сегментируется, и каждому сегменту назначается последовательный номер. Передающая сторона ожидает подтверждения приема каждого сегмента, при его длительном отсутствии делает повторную передачу сегмента. Процесс использующий TCP, получает подтверждение о нормальном завершении передачи только после успешной сборки потока приемником. Протокол обеспечивает полный дуплекс, это означает, что потоки данных могут идти одновременно в двух направлениях.

Уровень представления данных и прикладной уровень.

TelNet - обеспечение удаленного терминала (символьного и графического);

FTP - протокол передачи файлов на основе TCP;

TFTP - простейший протокол передачи файлов на основе UDP;

SMTP - протокол передачи электронной почты, определяющий правила взаимодействия и форматы управляющих сообщений;

RIP - протокол обмена информацией между маршрутизаторами, обеспечивающий динамическую маршрутизацию;

OSPF - протокол распространения маршрутной информации между маршрутизаторами в автономной среде;

DNS - система обеспечения преобразования символических имен и псевдонимов сетей и узлов в IP-адреса и обратно;

SNMP - простейший протокол управления сетевыми ресурсами;

RPC - протокол вызова удаленных процедур (запуска процессов на удаленном компьютере);

NFS - открытая спецификация сетевой файловой системы.

Кроме перечисленных, в стек входят и другие протоколы, их состав постоянно расширяется.

7.3 Фирменные протокольные стеки IPX/SPX

Протокольный стек IPX/SPX разработан фирмой Novell для сетей NetWare начиная с самых первых поколений.

По своей структуре стек напоминает TCP/IP. Основу стека составляет протокол сетевого уровня IPX, отвечающий за адресацию и маршрутизацию пакетов, и их негарантированную доставку между узлами различных IPX-сетей. Поверх него работает протокол SPX, обеспечивающий установление соединений и гарантированную доставку пакетов в правильном порядке.

В отличии от IP-адреса, где сетевая и хост-часть для всех узлов начинаются явно и по желанию администратора, в IP-адресе в качестве адреса узла выступает физический адрес адаптера.

В роли маршрутизатора, как правило, выступает внутренний маршрутизатор, входящий в операционную систему NetWare. Его функции очевидны, когда к серверу подключено более одного адаптера, и менее очевидны, когда две сети присутствуют в одном адаптере. При конфигурировании маршрутизирующих узлов номер IPX-сети должен задаваться обязательно. При конфигурировани сервера NetWare номер задается строкой:

Bind IPX to “ board” NET=”net_num”,

где board - ссылка на логическую интерфейсную плату, в которой прямо или косвенно определен тип кадра, а net_num - номер IPX-сети. Номер сети задается администратором. Номера сетей в узлах, подключенных к одной локальной сети и использующих совпадающий тип кадра, должны быть согласованны. В ином случае серверы будут постоянно обнаруживать ошибку маршрутизации. Поддержка протоколов IPX/SPX аппаратными маршрутизаторами осуществляется далеко не во всех моделях. Отчасти благодаря этому обстоятельству локальные сети IPX-сети оказываются более защищенными от внешнего вторжения, чем IP-сети без специальных мер защиты.

AppleTalk

Протокольный стек AppleTalk является “родным” протоколов сетей компьютеров Macintosh. Этот стек охватывает все уровни моделей, начиная с физического. Стек разрабатывался в середине 80-х годов, позднейшая его реализация была введена в 1989 году. Рассмотрим ее послойно.

На физическом уровне могут использоваться следующие сетевые архитектуры:

Local Talk - сеть на витой паре, скорость до 230,4 Кбит/с, топология - шина. В сети может быть до 255 узлов, максимальное расстояние 300 метров. Встраивались во все компьютеры Apple 80-х и начала 90-х годов;

Ether Talk - фирменная реализация Ethernet, сменившая Local Talk;

Token Talk - реализация маркерного кольца, совместимая с IBM Token Ring;

Serial (RC - 422) - последовательный интерфейс удаленного подключения.

На канальном уровне эти технологии поддерживаются протоколами LLAP, ELAP, TLAP, Access, FLAP, ARAP.

На сетевом уровне связующей основой протокола является DDP, подготавливающий пакеты и маршрутизирующий их по сети. Протокол обеспечивает негарантированную доставку пакетов между узлами независимо от архитектур нижнего уровня.

На верхних уровнях (от транспортного и выше) располагается множество протоколов, некоторые из них охватывают несколько смежных уровней и обеспечивают надежную доставку данных.

Заключение

Локальные сети малых предприятий

Задумываясь о возможности создания локальной сети, руководители многих фирм зачастую сталкиваются с недостатком информации о необходимом для этого оборудования и о технологиях, позволяющих построить такую сеть с минимальными затратами.

Начнем с одного из самых дешевых вариантов объединения нескольких компьютеров в локальную сеть - со схемы, которую принято называть стандартом 10Base2.

Компьютеры объединяются в локальную сеть последовательной цепочкой или гирляндой с использованием экранированного коаксиального кабеля. Каждый отрезок кабеля имеет на концах круглые металлические разъемы с проворачивающимся замком - фиксатором, отдаленно напоминающие телевизионный антенный штекер. Смонтировать такой разъем и зафиксировать его на кабеле не составляет труда, для этого необходимо уметь обращаться с паяльником и пассатижами.

В каждом ПК, который планируется подключить к локальной сети, вставляется сетевая карта - устройство, обеспечивающее двусторонний обмен данными между машиной и локальной сетью. Для работы в сети 10Base2 вполне подойдут самые дешевые модели сетевых карт, например, NE2000 - совместимые, ценой всего $ 5 - 10 за штуку и более современные карты семейство LAN Planet по цене от $10 - 25. Для каждого из подключаемых к сети компьютеров необходимо приобрести так называемый Т-коннектор. Это металлическое устройство в виде буквы «Т», состоящее из трех разъемов: один из них вставляется в порт сетевой карты, к двум другим присоединяются кабели, идущие от соседних машин. Свободные разъемы, которые останутся на Т-коннекторах крайних в цепочке компьютеров, закрываются специальными «заглушками», образующими на выходе сетевой карты необходимое для нормальной работы сопротивление нагрузки. Одна из таких «заглушек» должна быть укомплектована небольшой металлической цепочкой, которая выполняет роль заземления для всей сети, обеспечивая беспрепятственный сток накапливающегося на сетевых разъемах статистического напряжения. Сетевые принтеры подключаются к стандартным портам работающих в сети компьютеров.

Одно из достоинств этой сети в том, что коаксиальные кабели не требуют прокладки: их можно набросить между столами сотрудников или закрепить на плинтусах офисного помещения. В такую сеть может входить произвольное количество компьютеров, надо лишь следить за тем, чтобы длина кабеля, соединяющего отдельные узлы сети, не превышала 120 метров. Максимальная пропускная способность канала связи в такой системе составляет 10 Мбит/с, однако на практике она, как правило, значительно ниже.

К недостаткам сети следует отнести крайне низкую надежность: чем больше в ней компьютеров, тем больше вероятность отказа одного из сегментов сети. Достаточно небольшого смещения любого разъема в каком-либо Т-коннекторе (неосторожного касания сетевого кабеля), и вся сеть мгновенно перестает работать. После этого администратору придется последовательно проходить все участки сети, отыскивая плохой контакт.

Более дорогостоящим вариантом компоновки локальной сети является система с архитектурой Ethernet 10BaseT. В отличии от 10Base2, эта сеть имеет звездообразную структуру, в которой роль «центра» всего комплекса играет специальное устройство, называемое хабом, или концентратором. В упрощенном виде компоновка сети 10BaseT выглядит следующим образом. В офисном помещении прокладывается сетевой кабель, который принято называть «витой парой». Обычно используется кабель пятой категории с пропускной способностью 10 Мбит/с. Он представляет собой жгут изолированных проводников, запаянных в экранированную оплетку из полимерного материала.

Разводка кабеля осуществляется так, чтобы с одной стороны линии подходили к каждому рабочему месту, с другой - объединялись в некой точке офиса, где будет установлен хаб. При этом длина каждого отрезка сети должна быть менее 120 метров. На концах проводов, ведущих к хабу, с помощью специального инструмента, напоминающего пассатижи, монтируется пластмассовый разъем с замком, устройство которого аналогично разъемам на модемных шнурах или в современных электронных телефонных аппаратах. С другой стороны каждого отрезка кабеля устанавливается специальная сетевая розетка с ответным контактным отверстием. Для всех ПК сети изготавливаются специальные небольшие отрезки кабеля, заканчивающиеся аналогичными пластмассовыми разъемами (на жаргоне компьютерщиков они называются «поводками»). Каждый 2поводок - одним концом соединяется непосредственно с приемным портом сетевой карты ПК, а другим вставляется в сетевую розетку. Осталось только подключить идущие от розеток отрезки кабеля к соответствующим портам концентратора, и сеть готова к работе.

Основные недостатки сети - это высокая стоимость хабов. Однако достоинства этой системы покрывают все ее недостатки. Во-первых, сети 10BaseТ гораздо надежнее и быстрее своих аналогов; проблем с плохими контактами, от которых постоянно страдают пользователи сетей 10Base2, здесь, практически , никогда не возникает. Во-вторых, такая сеть мобильна: для того чтобы переставить компьютеры, не нужно менять всю компоновку сети - вполне достаточно отключить соответствующий «поводок» и присоединить его к порту другого компьютера. К такой сетевой системе очень просто присоединить новые сегменты: для этого нужно лишь связать между собой концентраторы двух различных сетей, расположенных, например, в соседних офисах.