Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

Ю.А. Родичев

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ:

АРХИТЕКТУРА, ТЕХНОЛОГИИ, ЗАЩИТА

Учебное пособие для вузов

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в

области информационной безопасности в качестве учебного пособия для

студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям

090103 – «Организация и технология защиты информации» и 090105 –

«Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизиро-

ванных систем».

Издательство «Универс-групп»

Самара 2006

УДК 681.324

ББК 32.988.02я7

Р 60

Рецензенты:

Симановский Е.А., кандидат технических наук, доцент кафедры ком-

пьютерных систем Самарского государственного аэрокосмического уни-

верситета

Морозов В.К., кандидат технических наук, доцент кафедры информа-

ционных технологий Самарского технического университета

Черемушкин А.В., кандидат физико-математических наук, доцент

Родичев, Ю.А.

Р 60 Компьютерные сети: архитектура, технологии, защита :

учеб. пособие для вузов. – Самара : изд-во «Универс-

групп», 2006. – 468 с.

ISBN 5–467–00067–5

В книге изложены основные принципы построения компьютерных се-

тей, описаны распространенные технологии локальных и глобальных се-

тей. Рассмотрены вопросы информатизации мирового сообщества и роли

компьютерных сетей в этом процессе, фундаментальные математические

основы (теория графов), необходимые для построения сетей.

Отдельная глава посвящена вопросам обеспечения безопасности кор-

поративных сетей и информационных систем, описана

специфика защи-

ты IP-сетей, рассмотрены способы защиты.

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в

области информационной безопасности в качестве учебного пособия для

студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям

090103 – «Организация и технология защиты информации» и 090105 –

«Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизиро-

ванных систем».

УДК 681.324

ББК 32.988.02я7

ISBN 5–467–00067–5 © Родичев Ю.А.

Содержание

Предисловие.................................................................................7

Глава 1. Роль информационно-коммуникационных технологий

в современном обществе....................................................................

Введение ..........................................................................................

1.1. Что такое «информационное общество» .............................

1.2. Условия построения информационного общества .............

1.3. Роль образовательных учреждений в построении

информационного общества ........................................................

1.4. Основные положения «Окинавской хартии глобального

информационного общества» ......................................................

1.5. Основные положения федеральной целевой программы

«Электронная Россия (2002–2010 годы)»...................................

1.5.1. Общая характеристика Программы...............................

1.5.2. Этапы реализации Программы.......................................

1.5.3. Основные направления мероприятий по реализации

Программы.................................................................................

1.5.4. Ожидаемые результаты реализации Программы .........

1.6. Основные положения федеральной целевой программы

«Развитие единой образовательной информационной среды

(2001-2005 годы)» .........................................................................

Глава 2. Основы теории графов ......................................................

Введение. Происхождение теории графов .................................

2.1. Неориентированные графы...................................................

2.1.1. Абстрактное определение графа....................................

2.1.2. Определение геометрического графа ............................

2.1.3. Инцидентность и смежность элементов графа.............

2.1.4. Степени вершин графа....................................................

2.1.5. Изоморфизм графов ........................................................

2.1.6. Части графа ......................................................................

2.1.7. Непрерывные последовательности ребер графа...........

2.1.8. Связность графов.............................................................

2.1.9. Древовидные графы ........................................................

2.1.10. Уникурсальные графы ..................................................

2.2. Ориентированные графы. Основные понятия и свойства..

2.3. Сети .........................................................................................

Глава 3. Основы построения компьютерных сетей.......................

3.1. Основные понятия .................................................................94

3.2. Применение компьютерных сетей .......................................

3.3. Эволюция компьютерных систем.......................................

103

3.4. Конвергенция сетей .............................................................

110

3.5. Компьютерные сети, как частный случай

распределенных вычислительных систем ................................

115

3.6. Мультипроцессорные компьютеры....................................

116

3.7. Кластеры ...............................................................................

118

Глава 4. Общие принципы построения сетей ..............................

124

4.1. Связь двух узлов ..................................................................

124

4.2. Топология физических связей ............................................

129

4.3. Классификация топологических элементов сетей ............

134

4.4. Адресация узлов, маршрутизация ......................................

136

4.5. Принципы соединения абонентов сети..............................

143

4.6. Структура сети .....................................................................

147

4.7. Требования к компьютерным сетям...................................

151

Глава 5. Технологии передачи данных.........................................

156

5.1. Многоуровневые протоколы...............................................

156

5.2. Разработка уровней..............................................................

160

5.3. Модель OSI...........................................................................

162

5.4. Функции уровней модели OSI ............................................

166

5.5. Сетезависимые и сетенезависимые уровни.......................

174

5.6. Стандартные стеки коммуникационных протоколов.......

176

5.6.1. Стек OSI .........................................................................

176

5.6.2. Стек IPX/SPX .................................................................

177

5.6.3. Стек TCP/IP....................................................................

181

5.6.4. Структура IP-пакета (IPv4) ...........................................

189

5.6.5. Протокол (IPv6) .............................................................

193

Глава 6. Составные сети ................................................................

196

6.1. Архитектура составной сети...............................................

196

6.2. Модели передачи данных в составной сети ......................

201

6.3. Интернет, как составная сеть..............................................

205

6.4. Принципы маршрутизации .................................................

206

6.5. Протоколы маршрутизации ................................................

211

6.6. Фрагментация пакетов.........................................................

213

Глава 7. Адресация и маршрутизация в IP-сетях ........................

217

7.1. Адресация в IP-сетях ...........................................................

217

7.2. Подсети .................................................................................

223

7.3. Порядок назначения IP-адресов..........................................225

7.4. Управляющие протоколы Интернета.................................

227

7.4.1. Протокол ICMP..............................................................

227

7.4.2. Протоколы разрешения адресов...................................

228

7.4.3. Организация доменов и доменных имен.....................

232

7.4.4. Протокол внутреннего шлюза OSPF ...........................

238

7.5. Маршрутизация для мобильных хостов ............................

244

Глава 8. Физические основы передачи данных ...........................

249

8.1. Линии связи..........................................................................

249

8.1.1. Типы линий связи..........................................................

249

8.1.2. Аппаратура линий связи ...............................................

252

8.1.3. Характеристики линий связи........................................

254

8.1.4. Кабели на основе витой пары.......................................

259

8.1.5. Коаксиальные кабели....................................................

261

8.1.6. Волоконно-оптические кабели.....................................

261

8.2. Беспроводные сети...............................................................

267

8.3. Режимы передачи информации ..........................................

275

8.4. Компрессия данных .............................................................

279

8.5. Структурированные кабельные системы локальных

сетей .............................................................................................

282

8.5.1. Назначение и типы стандартов СКС ...........................

282

8.5.2. Стандарт ISO/IEC IS 11801...........................................

284

8.6. Аксессуары кабельных систем ...........................................

291

Глава 9 Технологии локальных сетей...........................................

299

9.1. Общая характеристика протоколов локальных сетей ......

299

9.2. Технология Ethernet .............................................................

303

9.3. Технология Fast Ethernet .....................................................

309

9.4. Технология 100VG-AnyLAN ..............................................

311

9.5. Технология Gigabit Ethernet ................................................

313

9.6. Технология Token Ring........................................................

314

9.7. Технология FDDI .................................................................

318

9.8. Структуризация локальных сетей ......................................

320

9.9. Виртуальные локальные сети .............................................

327

Глава 10. Технологии глобальных сетей......................................

331

10.1. Основные понятия и определения....................................

331

10.2. Организация удаленного доступа.....................................

336

10.3. Сети и технологии Х.25.....................................................

343

10.4. Сети и технологии ISDN ...................................................

353

10.5. Сети и технологии PDH и SDH ........................................356

10.6. Сети и технологии Frame Relay ........................................

358

10.7. Сети и технологии ATM....................................................

362

10.8. Сети DWDM .......................................................................

371

10.9. Сети IP.................................................................................

373

Глава 11. Корпоративные сети. Защита информации в сетях ....

377

11.1. Общая структура корпоративной сети.............................

377

11.2. Основные принципы проектирования информационных

систем...........................................................................................

383

11.3. Стадии и этапы проектирования ИС................................

387

11.4. Необходимость защиты информации в

информационных системах и сетях ..........................................

391

11.5. Основные понятия информационной безопасности.......

396

11.6. Проблемы защиты информации в IP-сетях .....................

402

11.6.1. Виды атак в IP-сетях ...................................................

402

11.6.2. Причины уязвимости IP-сетей ...................................

409

11.7. Модель информационной безопасности..........................

414

11.8. Уязвимость основных функциональных элементов ИС

421

11.9. Способы и средства защиты информации в сетях..........

424

11.10. Защита информации от компьютерных вирусов...........

429

11.11. Методы обеспечения безопасности сетей .....................

436

11.11.1. Стандартные методы защиты...................................

436

11.11.2. Межсетевые экраны ..................................................

439

11.11.3. Защищенные виртуальные сети VPN ......................

444

11.11.4. Обеспечение безопасности в беспроводных сетях.

446

11.12. Требования к системе обеспечения безопасности сети

449

11.13. Принципы построения системы обеспечения

безопасности корпоративной сети ............................................

454

11.14. Законы информационной безопасности ........................

459

Литература ...............................................................................

463

Образование есть то, что остается после

того, когда забывается все, чему нас учили.

Альберт Энштейн

Предисловие

Мировое сообщество в своем развитии вступило в новую фазу

своего развития – стадию информационного общества. Характерным

признаком такого общества является то, что информационные техно-

логии и телекоммуникации становятся базовыми в экономике и уро-

вень их внедрения в значительной степени определяет уровень разви-

тия страны в целом. Информация, а также средства ее хранения, пере-

дачи и доступа к ней являются важнейшими стратегическими ресур-

сами. Если несколько лет назадXVII сам термин «информационное

общество» фигурировал только в кругах профессионалов, то теперь

им оперируют и политики, и студенты, и даже школьники.

Необходимо отметить, что в России этот термин не постигла

участь зародившегося много лет назад нового научного направления

«кибернетика». Более того, Россия активно включилась в построение

информационного общества. Принят ряд законов и нормативных ак-

тов, а также Федеральных целевых программ, оперирующих этим по-

нятием и ставящих конкретные задачи на пути построения информа-

ционного общества. Более того, Россия стала участником ряда меж-

дународных соглашений в области информатизации. Среди них сле-

дует отметить «Окинавскую хартию глобального информационного

общества», принятую в 2000 году странами «большой восьмерки» и

подписанную президентом России.

Ключевыми звеньями в построении информационного общества

являются информация, компьютеры и телекоммуникации, обеспечи-

вающие процессы хранения информации и доступа к ней в соответст-

вии с установленными нормативно-правовыми актами. Информатиза-

ция общества становится стратегическим направлением, предопреде-

ляющим экономические и политические приоритеты в мировом со-

обществе. Человечество вступило в важнейший и неизбежный период

своего развития – эру информатизации. Информационные сети, ком-

пьютеры и электронные информационные ресурсы составляют основу

мировой инфраструктуры, позволяющей создавать единое информа-

ционное пространство и реализовать право каждого члена общества

на информацию.

Развитие человечества знаменуется системой эпохальных открытий

и перемен, преобладанием господствующих технологий, коренным об-

разом изменяющих характер жизни общества. Например, XVIII-е сто-

летие было веком индустриальной революции, а в XIX-ом веке насту-

пила эпоха паровых двигателей. В XX-ом веке главной технологией

можно было считать сбор, обработку и распространение информации с

помощью телефонных сетей, радио и телевидения, а также средствами

компьютерной обработки. Согласно прогнозам XXI век станет веком

глобальной информатизации и компьютеризации всего мира. В Оки-

навской хартии глобального информационного общества, в частности,

говорится: «Информационно-коммуникационные технологии являются

одной из самых мощных сил в формировании общества XXI века. Их

революционное воздействие затрагивает образ жизни людей, их обра-

зование и работу. Они становятся жизненно важным двигателем роста

мировой экономики».

Для перехода к информационному обществу и реализации его

преимуществ Окинавская хартия определила, в частности, один из

ключевых принципов, касающихся образовательных учреждений:

«Развитие человеческих ресурсов, способных отвечать требованиям

информационной эры, через образование, непрерывное обучение и

удовлетворение растущего спроса на специалистов в области инфор-

мационно-коммуникационных технологий».

Настоящее учебное пособие посвящено изложению основ теории

построения информационных сетей. В нем описаны основные прин-

ципы передачи данных по физическим каналам, а также технологии

построения локальных и глобальных сетей. В связи с возрастающей в

последние годы проблемой защиты информации, в пособии описаны

основные принципы обеспечения безопасности при построении ком-

пьютерных сетей и информационных систем.

Учебное пособие

написано на основе накопленного автором мно-

голетнего опыта практической работы в области разработки и вне-

дрения информационно-коммуникационных технологий, проведен-

ных научных исследований, а также чтения лекций в Самарском го-

сударственном университете. Оно рассчитано на студентов вузов,

специализирующихся в области информационно-коммуникационных

технологий, защиты информации и компьютерной безопасности.

Автор выражает

искреннее признание рецензентам и специали-

стам Самарского государственного университета в области информа-

ционных технологий и компьютерных сетей за ценные советы и заме-

чания по поводу содержания материала и методики его изложения.

ГЛАВА 1

РОЛЬ ИНФОРМАЦИОННО-

КОММУНИКАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ В СОВРЕМЕННОМ

ОБЩЕСТВЕ

Введение

Современная научно-техническая революция характеризуется

гигантским возрастанием социального и экономического значе-

ния информационной деятельности как средства обеспечения на-

учной организации, контроля, управления и осуществления об-

щественного производства. Сформировалась и бурно развивается

особая, находящаяся на самом острие научно-технического про-

гресса (НТП) отрасль народного хозяйства – индустрия информа-

тики, организация которой обусловливает все

в большей степени

эффективное функционирование всех прочих отраслей народного

хозяйства.

По данным ЮНЕСКО в настоящее время уже более половины

занятого населения развитых стран прямо или косвенно прини-

мают участие в процессе производства и распространения ин-

формации. Так, по статистическим данным процесс перераспре-

деления трудовых ресурсов из сферы материального производст-

ва

и обслуживания в информационную сферу хозяйства США

привел к тому, что уже сейчас в информационной сфере работает

более 60 % занятого населения страны. Это свидетельствует о на-

чале перехода развитых стран на качественно новый этап их тех-

нического развития, который часто называют «веком информа-

ции». Действительно, материальные затраты многих стран на

хранение, передачу и обработку информации превышают анало-

гичные расходы на энергетику.

Академик Б.Н. Наумов еще в 80-х годах писал, что «индуст-

рия обработки информации играет в настоящее время для про-

мышленно развитых стран ту же роль, которую на этапе индуст-

риализации играла тяжелая промышленность». «В конце этого

(ХХ!) столетия

информационные ресурсы станут основным на-

циональным богатством (промышленно развитых стран), а эф-

фективность их промышленной эксплуатации во все большей

степени будет определять экономическую мощь страны в целом».

Причем ведущую роль будут играть «активные» информацион-

ные ресурсы, то есть та часть ресурсов, которую составляет ин-

формация, доступная для автоматизированного поиска, хранения

обработки. В США, например, компьютерная информатика, за-

нимавшая по объему капиталовложений совсем недавно третье

место среди отраслей хозяйства (после автомобильной промыш-

ленности и нефтепереработки), сейчас вышла на первое место.

1.1. Что такое «информационное общество»

Непрерывно увеличивающийся объем информации во всех

отраслях человеческой деятельности и все возрастающая потреб-

ность в ее оперативном и полном получении обусловили активи-

зацию работ в области создания и внедрения компьютерных ин-

формационных технологий. Развитие систем телекоммуникаций

и использование Internet/Intranet технологий позволили вывести

информатизацию на новый качественный уровень. Современные

автоматизированные информационные системы (АИС

), опираясь

на последние достижения в области аппаратно-программных

средств и систем телекоммуникаций, дают возможность хранить

в базе данных большие объемы информации, поддерживать рас-

пределенную обработку данных, обеспечивать доступ к ресурсам

системы, как по локальной вычислительной сети (ЛВС), так и че-

рез Internet.

Значительный рост вычислительной мощности современных

ПЭВМ и увеличение пропускной

способности локальных вычис-

лительных сетей обусловили в области информационных техно-