Локальные сети

Содержание

Введение.................................................................................................................................... 3

Глава 1. Базовая модель взаимодействия открытых систем OSI. Уровни протоколов..... 7

Глава 2. Классификация топологических элементов сети................................................. 12

Глава 3. Топология, методы доступа к среде....................................................................... 14

Глава 4. Режимы передачи и качество сервиса.................................................................... 15

Глава 5. Управление потоком данных.................................................................................. 17

Глава 6. Построение локальных сетей.................................................................................. 18

Глава 7. Сетевые протоколы.................................................................................................. 26

Заключение.............................................................................................................................. 31

Список использованной литературы.................................................................................... 36

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:

1)    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:

a)    логическую декомпозицию сложной сети на обозримые части – уровни;

b)    стандартные интерфейсы между сетевыми функциями;

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

d)   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:

7. 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).

6. 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.

5. 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.

4. 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.

 3. 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):

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

2)         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.

1.    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:

ü  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.

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

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

ü  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.

ü  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.

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

ü  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.

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

2)    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.

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

ü  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.

ü  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.

ü  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.

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

ü  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:

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

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

ü  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.