Морзе Н.В., Ухань П.С., Вознюк А.Н., Козачук А.В. Пособие для дистанционного обучения

Подождите немного. Документ загружается.

I*EARN-99

Основы компьютерных сетей

Компьютерные сети

Говоря общими словами,

компьютерная сеть

– это несколько (два и более) компьюте-

ров объединенных таким образом, что между ними возможен обмен данными. Принципы сете-

вого общения не зависят от количества компьютеров в сети. Для понимания того, как происхо-

дит «общение» сотен или тысяч компьютеров достаточно понять, как это делает пара компью-

теров.

Локальные и глобальные компьютерные сети

Одна из общепринятых классификаций компьютерных сетей основана на величине тер-

ритории, на которой расположены компьютеры, подключенные к сети. Исходя из этой класси-

фикации, компьютерные сети делят на локальные и глобальные.

Локальные компьютерные сети

(LAN – Local Area Network) объединяют компьютеры на-

ходящиеся недалеко друг от друга, например в соседней комнате или здании. Иногда компью-

теры, даже находясь на расстоянии нескольких километров, могут принадлежать одной ло-

кальной сети.

Глобальные компьютерные сети

(WAN – Wide Area Network) объединяют компьютеры,

которые находятся в разных городах, странах или даже континентах.

Аппаратные компоненты сети

Для организации компьютерных сетей используются следующие устройства: сетевые ин-

терфейсные карты, повторители, хабы, модемы.

Сетевые интерфейсные карты

Для подключения компьютера к сети используются сетевые интерфейсные карты (Net-

work Interface Card, NIC), которые устанавливается в свободный разъем на материнской плате

(motherboard) компьютера. Поскольку для установки сетевой карты необходимо вскрывать кор-

пус системного блока, что иногда неприемлемо, последнее время появились устройства, по-

зволяющее подключить компьютер к сети посредством USB (Universal Serial Bus) порта.

Существующие сетевые интерфейсные карты различаются по:



типу системной шины (разъем на материнской плате) для которой они предназначены

(ISA, PCI);



типу поддерживаемой среды передачи (коаксиал – BNC, витая пара – UTP, коаксиал

или витая пара – COMBO);



производительности (10 Мбит/с, 100 Мбит/с);



типу конфигурирования (с помощью перемычек, jumpless – с помощью служебной ути-

литы, Plug&Play – автоматическая конфигурация).

Повторители и хабы

Повторители (Repeater) в сетях Ethernet, построенных на коаксиальном кабеле, исполь-

зуются как средство преодоления ограничений длины кабеля и количества подключенных уз-

лов.

Хабы (Hub) в сетях Ethernet являются обязательными соединительными элементами сети

на витой паре и средствами расширения топологических, функциональных и скоростных воз-

можностей для любых сред передачи.

Сетевые кабели

В виде среды передачи данных при организации локальных компьютерных сетей чаще

всего используются два вида кабелей:



Коаксиальный – кабель, напоминающий собой телевизионный антенный кабель, со-

стоящий из центральной жилы и оплетки. В отличие от телевизионного, волновое

сопротивление которого 75 Ом, имеет волновое сопротивление 50 Ом. Используется

I*EARN-99

для построения сетей с шинной топологией и скоростью передачи данных 10 Мбит/с.

Имеет название RG-58.



Витая пара (Twisted-Pair) – кабель представляет собой четыре пары проводов, по-

парно скрученных между собой. В зависимости от электрических характеристик ка-

беля и количества скруток на единицу длины различают кабели 3, 4 и 5 категории.

Чем выше категория, тем выше скорость передачи данных может обеспечить ка-

бель. При скорости передачи 10 Мбит/с может использоваться любой кабель, начи-

ная с 3 категории. Скорость передачи 100 Мбит/с может обеспечить только кабель 5

категории.

Для стационарной разводки применяют жесткий одножильный («Solid») кабель

(STP).

Подключение компьютеров и хабов выполняется гибким многожильным («Flex») ка-

белем (FTP), на концах которого устанавливаются вилки RG-45.

Модемы

Модем (от двух слов МОдулятор, ДЕМодулятор) – устройство для организации обмена

информацией между двумя компьютерами посредством телефонной линии.

Модемы бывают внутренними (internal) – устанавливаются в свободный слот на материн-

ской плате компьютера; и внешними (external) – подключаются к COM порту компьютера. Отли-

чаются модемы также и максимально допустимой скоростью обмена данными. Чаще всего

сейчас используются модемы со скоростью передачи данных 33600 и 56k бит/с, причем в по-

следнем случае только прием осуществляется со скоростью 56k бит/с, передача же осуществ-

ляется со скоростью 33600 бит/с.

Скоростные характеристики модемов:



cps – скорость передачи (байт/с), параметр больше всего интересующий конечного

пользователя, посколько именно он определяет эффективную скорость работы;



bps – скорость передачи, бит/с;



baud – количество изменений сигнала в линии за 1 секунду – этот параметр ограничен

полосой пропускания линии. Для повышения эффективной скорости работы при огра-

ниченной полосе линии применяют различные методы кодирования и модуляции, рпи

которых bps превышает baud.

Практически все современные модемы позволяют передавать и принимать факсимиль-

ные сообщения со скоростью 14400 бит/с. Некоторые из модемов предусматривают возмож-

ность автоматического определения номера, а также работу в режиме автоответчика.

Топология компьютерной сети

Существует достаточно большое количество способов, которыми можно объединять ком-

пьютеры в сеть. Геометрическую форму соединений называют

топологией сети

. Чаще всего

используется три типа топологий: звезда, кольцо и шина.

Топология «звезда»

В сети с топологией

«звезда»

все компьютеры соединены с центральным компьютером,

или устройством под названием хаб (hub). Прямые соединения между компьютерами такой се-

ти отсутствуют. На рисунке 1 показана сеть с топологий «звезда».

Данные от каждого компьютера направляются к центральному хабу. Хаб, в свою очередь,

передает данные по назначению. Основное достоинство такой технологии в том, что если по-

вредить отдельное соединение между компьютером и хабом, то только этот компьютер будет

отключен от сети, остальная же часть сети останется работоспособной. Недостаток топологии

«звезда» – прямое следствие ее достоинств: если поврежденным окажется сам хаб, то это вы-

ведет из строя всю сеть без исключения.

I*EARN-99

Рис. 1

Топология «кольцо»

Для топологии

«кольцо»

, как и следует из названия, характерно отсутствие конечных то-

чек соединения, сеть замкнута, образуя неразрывное кольцо (необязательно окружность), по

которому и передаются данные (рис. 2). Начав движение из одной точки такого кольца, данные,

в конце концов, попадают в ту же точку.

В отличие от «звезды», «кольцу» необходим неразрывный путь между всеми компьюте-

рами сети, повреждение соединения хотя бы в одном месте выводит из строя всю сеть.

Другое слабое место «кольца» состоит в том, что данные проходят через каждый компь-

ютер, подключенный к сети, что делает возможным перехват передаваемой информации.

Рис. 2

Топология «шина»

Эта топология использует один передающий канал, обычно коаксиальный кабель, назы-

ваемый

«шина»

. Все компьютеры подключаются напрямую к шине (рис. 3).

В сети с топологий «шина» данные передаются в обоих направлениях одновременно. На

обоих концах кабеля-шины устанавливаются специальные заглушки (терминаторы). Как и в

случае «кольца», нарушение соединения в одном месте приводит к прекращению работы всей

сети. Безопасность данных в сети с топологией «шина» такое же слабое место, как и в сети с

топологией «кольцо» – данные всей сети проходят через каждый сетевой компьютер.

Рис. 3

I*EARN-99

Шинный арбитраж

Независимо от используемой топологии сети, когда два компьютера начинают одновре-

менно передавать данные, в сети происходит столкновение. Шинный арбитраж – процесс, при-

званный решить эту проблему. Он устанавливает правила, согласно которым компьютеры уз-

нают, когда шина свободна и можно передавать данные. Существует два метода шинного ар-

битража: обнаружение столкновений и передача маркера.

Обнаружение столкновений

В случае, когда в сети работает метод обнаружения столкновений, компьютер, перед тем

как передать данные, «слушает» сеть. Если компьютер «слышит», что передачу ведет кто-то

другой, он должен дождаться окончания «беседы» и только после этого предпринять повтор-

ную попытку отправки данных. К сожалению, даже при соблюдении этих правил столкновения

иногда случаются.

Правила обнаружения столкновений требуют, чтобы передающий компьютер продолжал

прослушивать канал, и обнаружив в нем чьи-то чужие данные, прекращал передачу, пытаясь

возобновить ее через небольшой (случайный) промежуток времени. Такое поведение напоми-

нает человеческое: «Только после вас!».

Прослушивание канала до передачи называется «прослушивание несущей» (carrier

sense), а прослушивание во время передачи – обнаружение столкновений (collision detection).

Передача маркера

Системы с

передачей маркера

работают иначе. Для того, чтобы передать данные, ком-

пьютер должен сначала получить разрешение. Это значит, что он должен «поймать» циркули-

рующий в сети пакет данных специального вида, называемый

маркером

. Маркер перемещает-

ся по замкнутому кругу, минуя поочередно каждый компьютер, подключенный к сети.

Сетевые технологии

Примером наиболее известных сетевых технологий являются: Ethernet, ArcNet и IBM To-

ken Ring. Чаще всего сейчас используется первая из них.

Ethernet

Технология Ethernet была разработана еще в 1973 году группой американских исследова-

телей под руководством Боба Меткальфа (Bob Metcalf) в исследовательском центре Palo Alto

(Xerox Palo Alto Research Center, PARC). Сети Ethernet могут строиться как в виде звезды, так и

в виде шины. Когда в качестве канала применен коаксиальный кабель, сеть конфигурируется

как шина. Если же применена витая пара, Ethernet конфигурируется как звезда.

Чаще всего используется Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с.

ARCNET

Технология ARCNET (Attached Resource Computer NETwork) разработана фирмой Data-

point Corporation в 1968 году. Сеть данной технологии, так же как и сеть Ethernet, может стро-

иться по двум топологиям – «звезда» или «шина».

Скорость передачи данных в сети ARCNET – 2,5 Мбит/с.

Token Ring

Технология Token Ring, разработанная IBM, представляет интересную смесь топологий.

Как следует из названия, способом шинного арбитража сети Token Ring является передача

маркера, однако на самом деле эта технология является гибридом топологий «звезда» и

«кольцо». Token Ring работает по топологии «звезда» со специальным устройством, называе-

мым «станция многопользовательского доступа» (Multi-station Access Unit, MAU), в качестве

центрального хаба. Однако для связи с ним каждый компьютер имеет два кабеля, по одному из

которых он посылает, а по другому – принимает.

Скорость передачи данных в сети Token Ring – 16 Мбит/с.

I*EARN-99

Сетевые стандарты

Локальные сети чаще всего сейчас строятся с использованием следующих стандартов

Ethernet: 10Base2, 10BaseT, 100BaseT. Первая цифра в названии стандарта обозначает ско-

рость передачи данных в Мбит/с, слово Base обозначает прямую (немодулированную) переда-

чу, третья цифра обозначает длину кабеля в сотнях метров, буква Т – 2 витые пары.

10Base2 – Thin (тонкий) Ethernet. Популярный вариант построения сети с шинной тополо-

гией, использующий тонкий коаксиальный кабель RG-58, имеющий волновое сопротивление 50

Ом. Широко применяется для подключения компьютеров и прокладки базовой сети между ха-

бами.

10BaseT – Twisted-pair Ethernet – сеть на неэкранированной витой паре 3-5 категории с

топологий «звезда».

100BaseT – сеть на неэкранированной витой паре 5 категории со скоростью передачи

данных 100 Мбит/с.

Сравнительные характеристики сетевых стандартов

Стандарт 10Base

10BaseT 100BaseT

Топология Шина Звезда Звезда

Максимальная длина сегмента, м185 100 100

Расстояние между узлами, м 2,5 > 0,5 –

Тип кабеля RG-58 UTP 3, 4, 5 кат.UTP 5 кат.

Максимальное количество узлов в ка-

бельном сегменте

30 Определяется

хабами

Определяется

хабами

Сетевые протоколы

Протокол

– это набор правил и соглашений, используемых при передаче данных в сети.

Каждая страна или культура обладает собственными протоколами. Например, рукопожа-

тие – одна из форм приветствия, принятый во многих культурах протокол. Компьютеры в сети

тоже общаются друг с другом, используя общий язык – протоколы связи, без которых было бы

немыслимо управление сетью и передача данные. Другими словами, каждая программа, пре-

тендующая на работу в сети, должна следовать определенным правилам для передачи и

приема данных в сети.

Монтаж локальных компьютерных сетей

Поскольку локальную сеть можно создавать с применением одной из двух часто исполь-

зуемых топологий шина или звезда, то перед началом работ нужно сделать выбор в пользу од-

ной из топологий. Как уже говорилось раньше, шинная топология реализуется с использовани-

ем коаксиального кабеля, а топология звезда – витой пары. Для того чтобы сделать выбор

нужно решить, что для вас важнее – дешевизна и простота коаксиала или надежность, удобст-

во эксплуатации и возможность повышения производительности сети на витой паре.

Сравнительные характеристики сетей

Для упрощения выбора типа сети приводим сравнительные характеристики сетей

Ethernet на коаксиале и на витой паре.

Свойство Сеть на коаксиале Сеть на витой паре

Принадлежности

каждого узла

Сетевая карта с BNC разъе-

мом; два BNC коннекторы; Т

коннектор.

Сетевая карта с RJ-45 разъемом; ка-

бель с двумя коннекторами RJ-45 на

концах; порт хаба.

Общие элементы Кабель с двумя терминатора-

ми.

Хаб.

Правила заземле-

ния

Заземлять компьютеры (через

шнуры питания) и сеть (один

итолько один из терминато-

ров); корпус компьютера не

должен соприкасаться с кор-

пусом BNC-разъема.

Заземлять компьютеры и хабы через

шнуры питания.

Последствия не- Любой обрыв или короткое Одиночный обрыв или короткое замы-

I*EARN-99

исправностей замыкание в шине, а иногда и

отказ выходных цепей адап-

тера, приводит к выходу со

строя всего сегмента сети.

кание в кабеле, отказ адаптера или

порта хаба приводит к потере связи

только с одним компьютером; отказ

или обесточивание хаба приводят к

отказу сегмента сети, обслуживаемого

этим хабом.

Возможности ло-

кализации неис-

правности

Последовательное отключе-

ние Т-коннекторов и проверка

сопротивления омметром.

Светодиодные индикаторы портов ха-

ба показывают состояние каждой ли-

нии (порта с кабелем и адаптером);

средства управления (SNMP) интел-

лектуального хаба обеспечивают цен-

трализованное наблюдениие и управ-

ление хабами с любого компьютера

сети.

Возможности по-

вышения произ-

водительности

сети

Практически нет. Замена простых хабов на:

интеллектуальные маршрутизаторы,

сегментирующие сеть; коммутирующие

хабы; полнодуплексные хабы; переход

на скорость 100 Мбит/с.

Установка сетевой карты

Для установки сетевой карты необходимо снять корпус системного блока и установить

карту в свободный разъем на материнской плате, зафиксировав ее там винтом. При установке

сетевой карты следует помнить, что электронные компоненты могут быть повреждены статиче-

ским электричеством, поэтому перед установкой рекомендуется снять с себя статическое элек-

тричество, прикоснувшись к заземленному корпусу компьютера или к металлическому элемен-

ту отопительной системы.

После установки сетевую карту необходимо сконфигурировать. Конфигурирование под-

разумевает настройку на использование свободных системных ресурсов (прерывания и порта

ввода/вывода) а также выбор среды передачи, в случае если карта имеет несколько разъемов

(BNC, TP).

Все современные PCI-карты поддерживают технологию Plug&Play и не требуют ручного

конфигурирования прерывания и порта ввода/вывода. Современные Combo-карты поддержи-

вают также автоматический выбор среды передачи, используя тот разъем, к которому подклю-

чен кабель.

ISA-карты, чаще всего требуют ручного конфигурирования, хотя существуют и экземпля-

ры поддерживающие Plug&Play. Ручное конфигурирование осуществляется или с помощью пе-

ремычек на карте, или в случае их отсутствия с помощью специальной утилиты, поставляемой

вместе с сетевой картой. Программно установленные параметры сохраняются в энергонезави-

симой памяти карты. Следует обратить внимание на то, что конфигурационные утилиты явля-

ются. как правило, DOS-программами и не работают по Windows 9x, а требуют загрузки компь-

ютера в режиме эмуляции DOS.

Монтаж сети с использованием коаксиального кабеля

При монтаже сети кабель прокладывается по стенам или в специальных коробах. Не ре-

комендуются длинные прогоны коаксиала рядом с силовым кабелем, а также проводка по полу.

При прокладке и эксплуатации следует избегать перегибов и сжатий коаксиального кабеля, так

как это может значительно понизить скорость обмена данными в сети или полностью вывести

сеть со строя.

Крайне не рекомендуется применение кабеля отличного от RG-58.

При монтаже сети (рис. 4) применяются следующие соединители: BNC-коннектор – на

концах отрезков кабеля, BNC T-коннектор – для подключения узлов, BNC I-коннектор – для со-

единения отрезков кабеля (использование I-коннекторов в сети следует по возможности огра-

ничить). Большинство BNC-разъемов для монтажа требуют применения специального обжим-

ного инструмента. Существуют также разъемы под пайку и завинчивающиеся разъемы для

многократного использования.

I*EARN-99

Рис. 4

На концах сегмента устанавливаются 50-Омные терминаторы, один (и только один!) из

которых заземляется. Сеть не с 50-Омным терминатором неработоспособна.

Компьютеры к сети подключаются с помощью Т-коннекторов, минимальное расстояние

сежду коннекторами 0,5 м, ответвления от кабеля недопустимы. Соприкосновение BNC-

разъемов с металлическими частями корпуса компьютера может приводить к помехам и сни-

жении скорости передачи данных в сети.

Монтаж сети на витой паре

По трудоемкости монтаж неэкранированной витой пары практически не отличается от

монтажа коаксиала, правила прокладки кабеля практически те же. Монтаж может вестись как с

использованием стационарной разводки, так и без нее. Для стационарной разводки применяют

одножильный кабель категории 3-4, но лучше 5, чтобы в перспективе переход на 100 Мбит/с не

потребовал замены кабеля. Стационарная разводка делается от настенных розеток до кабель-

ного центра (хаба). Для монтажа стационарной проводки не требуется специального инстру-

мента, провода вставляются в ножевые контакты розеток и прижимаются колпачками из ком-

плекта розеток.

Кабели подключения компьютеров и хабов выполняются гибким многожильным кабелем,

на концах которого устанавливаются вилки RJ-45 (рис. 5). Для установки вилок применяется

специальный обжимный инструмент. Можно также приобрести уже готовые отрезки кабеля с

установленными вилками (patch-cord).

Контакты розеток стационарной разводки и вилок кабелей подключения соединяются

«один-в-один» (прямые кабели). Для соединения двух хабов через обычные порты (или двух

компьютеров при двухточечном соединении) применяются перекрестные кабели. Кабель, со-

единяющий специальный порт «Up-Link» хаба c обычным портом другого хаба – прямой.

I*EARN-99

Рис. 5

I*EARN-99

Сетевые возможности операционных систем

Особенности поддержки работы в сети

разными операционными системами

Операционная система MS-DOS не имела встроенных возможностей для работы в сети.

Хотя уже в те времена существовали программные продукты, позволяющие организовать ра-

боту в сети под управлением операционной системы MS-DOS.

Операционные системы Windows 9x и Windows NT содержат все необходимые компонен-

ты для сетевой работы. Причем поддержка сети появилась еще в Windows 3.11, второе назва-

ние которой было Windows for Workgroups.

Протоколы NetBEUI, NetBIOS, IPX/SPX, TCP/IP

и их особенности

NetBEUI

NetBEUI – не требующий настройки протокол, разработанный фирмой Microsoft, и пред-

назначенный для небольших локальных сетях, состоящих из 20-200 компьютеров. NetBEUI

обеспечивает совместимость с существующими сетями, в которых применяется этот же прото-

кол, и обеспечивает совместимость со старыми сетевыми системами вроде Microsoft LAN Man-

ager и Microsoft Windows for Workgroups 3.11.

NetBEUI – немаршрутизируемый (неприменимый в глобальных сетях) широковещатель-

ный протокол. Так как NetBEUI полагается на широковещательную передачу при выполнении

многих функций, например, при обнаружении и регистрации имен компьютеров, его примене-

ние приводит к увеличению широковещательного трафика (количества данных, передаваемых

всем компьютерам) по сравнению с другими протоколами.

NetBIOS

Сетевой интерфейс, разработанный фирмой IBM, ставший стандартом де-факто. Исполь-

зуется многими сетевыми программами.

Интерфейс NetBIOS дает возможность при работе в сети кроме использования сетевых

адресов компьютеров оперировать еще и именами компьютеров, такими как, например, «Net-

Server», «Workstation_5», «Mike».

IPX/SPX

IPX (Internetwork Packet Exchange) транспортный протокол использующийся в сетях

Novell, отвечающий за адресацию и маршрутизацию пакетов и основанный на нем SPX (Se-

quenced Packet Exchange), протокол сетевого уровня с установлением соединения, являются

базовыми протоколами сетей Novell.

TCP/IP

TCP/IP был разработан по заказу Управления перспективных исследований и разработок

Министерства обороны США (ARPA) и внедрен в государственной сети Defense Data Network

(DDN), включающей сети Arpanet и Milnet. Основной задачей этого проекта было обеспечение

работоспособности сети даже в случае отказа или повреждения какой-либо ее части – путем

реализации возможности выбора альтернативных маршрутов для передачи данных.

Среди частных пользователей TCP/IP получил распространение с 1982 года, когда сред-

ства его поддержки были включены в ядро операционной системы 4.2BSD. Это объединение

TCP/IP с UNIX сделало протоколы TCP/IP бесплатными и доступными для всех UNIX сетей.

TCP/IP – это не один протокол и не пара протоколов, как может показаться при взгляде на

название. TCP/IP – это гибкий стек протоколов, созданных для глобальных компьютерных се-

тей, легко адаптируемый к широкому спектру оборудования. TCP/IP можно применять для

взаимодействия с системами, использующими как продукты фирмы Microsoft, так и с система-

ми под управлением операционных систем других фирм, например, с UNIX-системами.