Структура и организация функционирования сетей
Модель взаимодействия открытых систем
Изготовление автомобиля, как и передача данных в компьютерной сети, представляет собой процесс, состоящий из отдельных этапов. Автомобиль собирает не один человек, т.к. производительность на сборочном конвейере значительно выше. На конвейере автомобили собираются поэтапно. Нечто подобное происходит и в многоуровневомпроцессекоммуникации, который является сложным процессом. При работе на конвейере каждый рабочий выполняет определенную операцию. В компьютерной сети роль рабочего играют протоколы. Один принимает данные от приложения, другой сжимает и шифрует данные, третий формирует пакеты и т.д. и, наконец, в принимающем компьютере последний протокол формирует из пакетов исходный документ. Каждый протокол используется на определенном уровне модели коммуникации.
В мире компьютерных сетей модель взаимодействия открытых систем(OSIOpenSystemInterconnection) – это «модель моделей». Она служит основой стандартизации оборудования и программного обеспечения сети, в ней представлено, как должны происходить процессы коммуникации. Разработана модельМеждународной организацией стандартизации(InternationalOrganizationforStandardization–ISO). Если поставщики придерживаются стандартов на каждом уровне, то их оборудование будет совместимо с оборудованием других поставщиков на других уровнях.
Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Для ее решения применяют декомпозицию, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задачмодулей, с четким определением функций каждого модуля. При декомпозиции часто применяют многоуровневый подход. Суть которого, заключается в разбиении всей системы модулей на ряд иерархических уровней. Множество модулей, составляющих каждый уровень, сформировано так, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня. Причем результаты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Взаимодействие двух узлов представлено на рис.34.
Правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах называются протоколами, а правила взаимодействия модулей соседних уровней в одном узле называютсяинтерфейсом. На практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы.
Модель OSI(см. рис.35) состоит изсемиуровней: (прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический), каждый из которых представляет определенный этап процесса сетевой коммуникации. Любой уровень моделиOSIвыполняет определенную задачу процесса коммуникации, а потом передает данные вверх или вниз на следующий уровень. По мере прохождения данных по уровням, каждый уровень добавляет свою информацию в виде заголовка перед исходными данными.
Приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например, к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата, которое состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. Из приведенного примера заголовок должен содержать информацию о месте нахождения файла и о типе операции, которую необходимо над ним выполнить. Поле данных сообщения может быть пустым или содержать какие-либо данные, например те, которые необходимо записать в удаленный файл.
После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании полученной информации из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию – заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протокола представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. до нижнегофизического уровня, который и передает его по линиям связи на физический уровень машины-адресата. С физического уровня машины-адресата сообщение последовательно передается вверх с уровня на уровень машины-адресата, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляя этот заголовок.
Рис.35. Модель
взаимодействия открытых систем
Для обозначения блоков данных определенных уровней часто используют специальные названия: кадр(frame),пакет(packet),дейтаграмма(datagram),сегмент(segment).
В модели OSIразличают два основных вида протоколов. Протоколс установлением соединения(connection-oriented) предусматривает перед обменом данными установку соединения между отправителем и получателем (примером такого взаимодействия может служить разговор по телефону). Протоколбез предварительного установления соединения(connectionless) называется дейтаграммным (примером может служить опускание письма в почтовый ящик). При взаимодействии компьютеров используются протоколы обоих типов.
Уровни модели OSI
Прикладной уровень не является пользовательским приложением, создающим сообщение. Прикладной уровень обеспечивает взаимодействие междупользовательским приложениемисетью. Протоколы прикладного уровня выполняют такие функции, как передача файлов, доступ к принтеру и служба сообщений. На этом уровне работают следующие протоколы:
FTP(FileTransferProtocol). Используется для передачи файлов между компьютерами, на которых могут быть установлены разные операционные системы или платформы.
Telnet. Используется для эмуляции терминала и для представления доступа к приложениям и файлам на другом компьютере. В отличие отFTP, протоколTelnetнельзя использовать для копирования файлов с одного компьютера на другой. Его можно использовать только для чтения и для выполнения приложений на удаленном узле.
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). Представляет собой простой протоколASCII, используемый дляпередачипосредствомInternetэлектронных сообщений. Этот протокол используется многими популярными программами отправки электронных сообщений и программами выгрузки писем из пользовательского почтового ящика на сервере (например,PostOfficeProtocol, текущая версияPOP3 илиInternetMassagerAccessProtocolIMAP).
SNMP (Simple Network Management Protocol). Используется для получения информации о сети. Входит в состав пакетовTCP/IP,IPXиOSI. В этом протоколе используетсяMIB(ManagementInformationBase), которая представляет собой базу данных с информацией о компьютерах сети.
HTTP(HypertextTransferProtocol) – протокол передачи гипертекста междуWeb-серверами иWeb-броузерами.
Существует ряд и других протоколов.
Уровень представления. Протокол прикладного уровня принимает данные от пользовательского приложения и передает их вниз по стеку протоколов на уровень представления. На этом уровне решаются задачи, связанные с представлением данных, т.е. формированием пакетов. Выполняется: а) сжатие данных, с целью быстрой их передачи по сети; б) шифрование данных – преобразование в закодированную форму; в) трансляция протоколов. Преобразование данных из одного протокола в другой для передачи их между разными платформами и операционными системами.
На этом уровне работают шлюзы – устройство или программа, служащие точкой соединения между двумя разными сетями. Наиболее распространенными являются, например: GSNW (Gateway Services for Netware). Программное обеспечение, поставляемое с ОС Windows NT и Windows2000server, позволяет клиентам сервера получать доступ к файлам на сервере Netware компании Novell. Шлюз электронной почты преобразует сообщения от различных несовместимых систем электронной почты в один из общепринятых форматов Internet, например, SMTP.
Сеансовый уровень. Протоколы этого уровня отвечают за установление сеанса связи между передающим и принимающим компьютерами. Сеансовый уровень устанавливает и прерывает диалоги приложения с приложением. На этом уровне проверяется режим связи – дуплексный или полудуплексный. В дуплексном режиме осуществляется двунаправленная коммуникация, т.е. каждая сторона может быть и передающей, и принимающей одновременно(↔).
Полудуплексный режим тоже может быть двунаправленным, однако в один момент времени сигнал может передаваться только в одном направлении → или ←.
Коммуникация в дуплексном режиме похожа на разговор по телефону (когда говорит один, то он слышит и другого), а полудуплексный – на двустороннюю радиосвязь (когда говорит один, то другого не слышит), т.е. сигналы могут передаваться в обоих направлениях, но не одновременно. [Режим однонаправленной коммуникации, в котором сигналы могут проходить только в одном направлении, называется симплексным].
Работа сеансового уровня «похожа» на работу спортивного судьи, который должен проследить, чтобы оба участника состязания знали правила игры и придерживались их на протяжении сеанса.
Транспортный уровень. На этом уровне выполняется несколько функций. Отслеживается целостность и последовательность пакетов данных и обрабатываются дубликаты пакетов.
Существует два типа протоколов транспортного уровня: протоколы с установлением логических соединений и протоколы без установления логических соединений.
Протоколы с установлением логических соединений. К этому типу принадлежит TCP, использующегося как часть стека протоколов TCP/IP. Служебные программы протоколов этого типа перед передачей данных устанавливают логическое соединение. Для проверки получения данных применяется механизм подтверждения (аналогия – посылка заказного пакета по почте с уведомлением о доставке).
Протоколы без установления логических соединений. К этому типу протоколов принадлежит протокол UDP (User Datagram Protocol), входящий в состав пакета TCP/IP. Работа этого протокола похожа на работу обычной почты. Отправляя письмо, человек надеется, что оно дойдет до адресата, но подтверждения о его доставке нет. Данные протоколы используются для передачи не очень важных сообщений, а также в том случае, если сообщение достаточно короткое и при его потере пользовательское приложение может послать повторный запрос. Например, UDP используется для передачи широковещательных сообщений всем компьютерам подсети. Преимущества: их простота и скорость передачи обуславливают более низкую стоимость коммуникации.
На транспортном уровне работает служба DNS (Domain Name System) – служба имен доменов, которая используется в Internet для отображения имен сетевых узлов на логические сетевые адреса.
Сетевой уровень. Отвечает задоставкупакетов данных адресату. На нем выполняется маршрутизация пакетов. Его можно сравнить с штурманом, планирующим наиболее эффективный путь корабля. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, в которых могут использоваться различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и произвольная структура связей.
Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а доставка данных между сетями производится на сетевом уровне, который поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения.
Сети соединяются между собой маршрутизаторами – устройствами, которые собирают информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылают пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, решение которой является одной из главных задач сетевого уровня. Критерием при выборе маршрута могут являться, например, время передачи по маршруту, которое зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика или надежность передачи. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных барьеров на пути нежелательного трафика.
Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами. На сетевом уровне адрес получателя состоит из номера сети и номера узла. На этом уровне используются два вида протоколов: сетевые (routed protocols) – выполняют функцию по продвижению пакетов через сеть и протоколы обмена маршрутизации (routing protocols), с помощью которых маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Примером протоколов сетевого уровня являются протоколы межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP.
На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровнем в локальный адрес сети. Такие протоколы называют протоколами разрешения адресов – Address Resolution Protocol (ARP).
Устройства сетевого уровня. На сетевом уровне работаю маршрутизаторы и коммутаторы сетевого уровня.
Канальный уровень делится на два подуровня:
- MAC (Media Access Control) – управление доступом к сети.
- LLC (Logical Link Control) управление логическими связями.
Подуровень MAC работает с физическими (аппаратными) адресами, которые называются MAC-адресами. В сетях Ethernet и Token Ring MAC-адреса представляют собой шестнадцатеричные числа, записанные в микросхему сетевого адаптера. MAC-адрес сети Ethernet – это 12 шестнадцатеричных цифр, каждая из которых отделена двоеточием, например, 17:А4:2С:43:2F:09 – это двоичное число длиной 48 бит или 6 байт. Первые три байта содержат код производителя, присвоенный организацией IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), последние 3 байта присваиваются производителем. Иногда MAC-адрес (физический адрес) называют адресом устройства. Он отличается от логического (т.е. IP-адреса в сети TCP/IP) тем, что его нельзя изменить. Логический адрес присваивается программным обеспечением, изменить его просто. Оба адреса служат для идентификации компьютера в сети.
Метод сетевого доступа, управляющий доступом компьютеров к сети, выполняется на подуровне MAC.
На подуровне LLC определяется логическая топология сети.
На физическом уровне происходит пересылка битов, при этом не учитывается, что физическая среда при передаче данных может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи.
Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого биты на канальном уровне группируются в наборы, называемые кадрами. Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит, в начало и конец каждого кадра для его выделения, а также вычисляетконтрольнуюсумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. После получения кадра из сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее с контрольной суммой из кадра. Если контрольные суммы совпадают, кадр считается правильным и принимается, в противном случае фиксируется ошибка. Канальный уровень не только может обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров (в некоторых протоколах этого уровня такая возможность отсутствует, например, вEthernetиFrameRelay). Примерами протоколов канального уровня могут служить протоколыEthernet,TokenRing,FDDI.
Устройства канального уровня. На канальном уровне работают мосты и коммутаторы канального уровня.
Для качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSIпредусмотрены сетевой и транспортный уровни.
Физический уровень предназначен для передачи битовпо физическим каналам связи, например, по кабелю: коаксиальному, витой паре, оптоволоконному. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом (когда соединение без адаптера на основе модема).
Здесь данные и заголовки, поступившие со всех верхних уровней, транслируются в сигнал, передаваемый в сеть. Протоколы физического уровня преобразуют все эти нули и единицы в электрические импульсы, которые передаются по линиям связи.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-TтехнологииEthernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъемRJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров и т.д.
Соответствие уровней стека ТСР/IP семиуровневой модели OSI
Модель взаимодействия открытых систем OSIшироко распространена, но существуют и другие модели сети. Например, модельTCP/IPбыла разработана в 1970-х годах (примерно на 10 лет раньше моделиOSI). Это более простая модель, соответствие уровней стека ТСР/IPи моделиOSIдостаточно условное (см. табл.16).
На разных уровнях стека TCP/IPфункционируют различные протоколы.
HTTP(HypertextTransferProtocol) – протокол передачигипертекста. ИспользуетсяWeb-серверами иWeb-браузерами (клиентами), например,Explorerдля передачи гипертекстовых файлов.
FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов. Используется для передачи файлов между узлами сети.
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – протокол передачи почты. Используется для передачи электронных сообщений поInternet.
Соответствие уровней стека ТСР/IPи моделиOSI
Таблица 16
Уровни Уровни
модели OSI стека TCP/IP
|
7прикладной |
HTTP |
SNMP |
FTP |
TELNET |
SMTP
|
1прикладной | |
|
6представительный | |||||||
|
5сеансовый |
TCP |
UDP |
2трансполртный | ||||
|
4транспортный | |||||||
|
3сетевой |
IP |
ICMP |
RIP |
OSPF |
ARP |
3уровень межсетевого взаимодействия | |
|
2канальный |
Не регламентируются Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25 |
4уровень сетевых интерфейсов | |||||
|
1физический | |||||||
TCP (Transmission Control Protocol). Предназначен длянадёжной дуплекснойпередачи данных,ориентированна установкусоединения.
UDP(UserDatagramProtocol) – дейтаграммный протокол (не ориентирован на установку предварительного соединения). Предназначен для обмена дейтаграммамибезподтверждения илигарантиидоставки. [Дейтаграмма – независимый модуль данных, который передаётся с помощью протоколаUDP].
IP (Internet Protocol) – протокол Internet. Является наиболее распространенным протоколом коммутации пакетов,не ориентированнымна установкусоединения. В нём представлены средства адресации и др.
SNMP(SimpleNetworkManagementProtocol) – специфицированный протокол для управления сетью. Отвечает за сбор информации об устройстве и ее передачу на компьютер, которому отведена роль консоли управления сетью (сообщается администратору сети о проблеме, возникшей в сети).
TELNETпротокол эмуляции терминала. Используется для установки удаленного терминального соединения, позволяющий пользователям регистрироваться в удаленной системе и получать доступ к ее ресурсам таким образом, будто это соединение с локальной сетью.
ICMP (Internet Control Massage Protocol) протокол управляющих сообщений. Протокол сетевого уровня, сообщающий об ошибках и обеспечивающий восстановление связи в аварийных ситуациях.
RIP(RoutingInformationProtocol)протокол маршрутной информации (стандартRFC1058). МаршрутизаторыRIPпериодически «объявляют» свою маршрутную информацию другим маршрутизаторам. Эти объявления передаются в широковещательных пакетах. Неплохо работает в сетях средних размеров. В больших сетях используется более совершенный протоколOSPF(стандартыRFC1247 и 1583).
OSPF(OpenShortestPathFirst)протокол маршрутизации канального уровня, призванный заменить в Интернет протоколRIP. Выполняет вычисление маршрутов минимальной стоимости, многомаршрутную маршрутизации и выравнивание нагрузки.
ARP(AddressResolutionProtocol)протокол разрешения адресов (определение по IP-адресу физического адреса узла-получателя). Одним из достоинств IP-адресации является логическая независимость IP-адресов от физических адресов. Однако для доставки данных на канальном уровне, необходимо знать физический адрес получателя, определяемый с помощью широковещательного запроса, в котором сообщается IP-адрес искомого устройства. Каждый компьютер, получив такой ARP-запрос, проверяет соответствует ли его адрес указанному IP-адресу. Если совпадение имеет место, то устройство сообщает отправителю свой физический адрес. После получения ответа компьютер, посылавший запрос, заносит новые данные в специальную ARP-таблицу, которые имеются на каждом узле. Это позволяет уменьшить объем широковещательной рассылки, так как запрос будет направлен в сеть только при отсутствии соответствия в ARP-таблице. [Иногда необходимо определить IP-адрес по MAC-адресу, при этом используется протокол RARP (Reverse Address Resolution Protocol)].
Сетевые стандарты и спецификации
Компоненты сетей стандартизируются и специфицируются не только сетевыми моделями. Организация ISOопределяет стандарты как «документированные соглашения, содержащие технические спецификации, или другие точные критерии, которых следует придерживаться в качестве правил, директив или необходимых параметров, определяющих соответствие материалов, продуктов, процессов и услуг своему назначению». Требования рынка − существенный фактор, побуждающий поставщиков придерживаться стандартов. Стандарты также облегчают процесс разработки и производства коммерческих продуктов. С точки зрения потребителя, стандартизация обеспечивает надежность и качество продуктов и услуг. К основным международным органам стандартизации относятся:
Всемирная федерация национальных органов стандартизации − ISO(InternationalStandardizationOrganization). В нее входят по одному представителю более чем из 100 стран. Организация была создана в 1947году для разработки международных стандартов всамых различныхобластях. Сотрудничает с другими международными организациями, например,IEC.
Организация IEC(InternationalElectrotechnicalCommission) является международной комиссией по электротехнике. Работает с 1906 года, имеет узкую в отличие отISOспециализацию (области электротехники и электроники). В ее состав входят 47 национальных комиссий.
Международный союз коммуникаций ITU(InternationalTelecommunicationUnion) занимается финансированием конференций, публикацией документов и учреждением стандартов на продукты и услуги в области телекоммуникации.
Организация IETF(InternetEngineeringTaskForce) занимается различными вопросами стандартизацииInternet. Членство в ней открытое, участие в ней может принять любая заинтересованная организация. Основной задачейIETFявляется разработка и подача проектовInternet, которые затем преобразуются в официальные документыRFC(RequestsforComments) − запросы на комментарии. ДокументыRFC, пройдя процесс официального утверждения, становятся стандартамиInternet.
Организация IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers) − институт инженеров по электротехнике и электронике, занимается содействием обмену информацией и разработкой стандартов и спецификаций для нижних уровней сетевых технологий (т.е. физического и канального). Например, стандарты комитета 802:
802.1. Введение в стандарты: управление локальными и городскими сетями; мосты подуровня МАС.
802.2. LLC (Logical Link Control).Стандарт определяет разделение канального уровняOSIна два подуровняLLCиMAC.
802.3. CMSA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. Эта спецификация определяет использование вEthernetметода доступа к сетиCMSA/CD. Спецификация устанавливает также формат пакетовEthernet. Изначально спецификация определяла использование в шине коаксиального кабеля, позже в нее включена была архитектура 10BaseТ (топология звезды) на основе витой пары.
802.4. Token Bus. Спецификация устанавливает стандарты на реализацию физической и логической шинной топологии с использованием 75-омного коаксиального телевизионного или волоконно-оптического кабеля с методом доступа на основе маркеров.
802.5. Token Ring. Спецификация определяет физические стандарты и метод доступа для топологии физической звезды и логического кольца с использованием витых пар и доступа на основе маркеров. Этот стандарт лежит в основании технологииTokenRing.
802.6. Городские сети. Спецификация устанавливает стандарты на сети, которые больше локальных, но меньше глобальных.
802.7. Широкополосные системы. Спецификация предназначена для сетей, использующих широкополосные передающие системы, такие как абонентское телевидение, в котором разные сигналы передаются на разных частотах по одному кабелю методомFDM(FrequencyDividingMultiplexing− мультиплексная передача с частотным разделением или уплотнением каналов).
802.8. Волоконная оптика. Спецификация предназначена для сетей на основе волоконно-оптических кабелей, включаяFDDI.
802.9. Совместная передача голоса и данныхпосредством сетиISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork).
802.10. Безопасность локальных сетей. Специфицируются методы безопасного соединения сетейVPN(VirtualPrivateNetwork) посредством доступной сетиInternet.
802.11. Беспроводная связь.
Межсетевое взаимодействие на основе протокола TCP/IP
Стек протоколов TCP/IP–фундаментИнтернет. Это наиболее распространенный протокол сетевого и транспортного уровней (моделиOSI) для сетей всех размеров и конфигураций. ПротоколTCP/IPпредставляет собой группу коммуникационных протоколов, которые определяют то, как адресуются в сети различные компьютеры, какой метод используется для перемещения информации из одного ПК в другой. [Стек- набор протоколов, работающих совместно].
Межсетевой протокол Internet Protocol (IP)отвечает за адресацию, работает на3 уровнемоделиOSI. Каждая рабочая станция, которая хочет обменяться данными с другой рабочей станцией обладает уникальнымIP-адресом (как каждый дом на улице имеет свой адрес).
IP-адрес (логический адрес, обрабатываемый на сетевом уровне) представляет собой 32-разрядный двоичный адрес, записываемый четырьмя группами по 8 бит, которые называютсяоктетами. Полный адрес отражает три компонента модели адресации протоколаIP:адрес сети,подсетиихост-машину(отдельную машину) в сети. Например, адрес 10101100.00010000.00000001.00000001.
Оперировать адресами в двоичном формате неудобно, поэтому представляют IP-адрес в десятичной форме. Октет, в котором на всех позициях установлены 1, в десятичной форме эквивалентен 255.
111111112 = 25510 (27+26+25+24+23+22+21+20 = 128+64+32+16+8+4+2+1)
После преобразования двоичного адреса 10101100.00010000.00000001.00000001 в десятичный IP-адрес принимает вид 172.16.1.1. Существует пять классов адресов сетей (табл.17).
Класс адреса идентифицируется битами высших разрядов (в классе А0; в классеВ10; в классеС–110и т.д.). Традиционно в адресе класса А первый октет служит для идентификации класса сети, а три других октета служат для определения адреса хоста. Первый (старший) бит первого октета в адресе класса А используется для идентификации класса, а для идентификации сети используются семь битов.
Классы адресов сети
Таблица 17
|
Класс IР-адреса |
Назначение |
Старшие биты служат для идентификации сети |
Диапазон адреса первого октета
|
Количество битов в адресе сети и хоста |
Максимальное количество хостов |
|
Класс А |
Для больших организаций |
0 |
0-127*
|
7 (8-1)/24 |
16 777 214 (224-2) |
|
Класс В |
Организации среднего размера |
10 |
128-191 |
14 (16-2)/16 |
65 543 (216-2) |
|
Класс С |
Небольшие организации |
110 |
192-223 |
21 (24-3)/8 |
254 (28-2) |
|
Класс D |
Группы хостов (широковещательный) |
1110 |
224-239 |
- |
- |
|
Класс Е |
Экспериментальный |
1111 |
240-254 |
- |
- |
В классе В для идентификации сети используются два первых октета, а для идентификации хоста – два вторых. Первые два октета содержат 16 бит, однако первые два из них используются для идентификации класса. Таким образом, для идентификации номера сети используются 14 бит.
В классе С первые три октета (24 бита) используются для идентификации сети, а последний – для идентификации хостов. Три бита используются для идентификации класса сети, следовательно для идентификации номера сети используются 21 бит (24-3).
Как определить максимальноеколичествосетейикомпьютеров, которые можно реализовать в каждом классе?
В классе А для идентификации номера сети выделено 7бит «включено» (равны 1) -1111111. В десятичном формате это число 127. Учитывая, что адрес 0.0.0.0 зарезервирован для представления всехIP-адресов и что номер 127 занят для обратных адресов, используемых в проверочных и диагностических целях, можно сделать вывод, что в классеAможет существовать 126 различных сетей. Этот результат можно получить другим путем: 27= (128 – 2)=126, где степеньколичество битов, выделенных для номера сети.
Аналогично вычисляется максимальное количество сетей классов В и С:
Класс В 214= 16384
Класс C221= 2097252
В дополнение к этим трем наиболее популярным классам адресов существуют еще два класса. Адреса класса Dпредназначены дляшироковещательныхсообщений, т.е. для передачи одного сообщения одновременно многим получателям. Адрес классаDприсваивается специальной группе компьютеров, в этом случае пакеты обрабатываются и распространяются широковещательными протоколами. Класс Е является зарезервированным для экспериментального использования.
Классоваяадресация – не самый эффективный метод использования ограниченного количестваIP-адресов, допустимых в 32-разрядной схеме адресации. Например, компания желает подключить к Интернет 2000 ПК. Адреса класса С не подойдут (в этом классе может быть только 254 хоста). Следующая ступень класс В. Если компании будет выделен номер сети этого класса, то она сможет разместить в ней 65 000 хостов. Однако ей нужно разместить 2000 хостов, остальные 63 000IP-адресов окажутся незанятыми (утраченными). Эта проблема решается методом бесклассовой адресации.
Бесклассоваяадресация на основе методаCIDR(ClasslessInterdomainRouting). В этом методе используются не классы адресов, а суффиксы, добавленные к каждомуIР-адресу и определяющие количество битов, выделенное длясетевойчасти адреса. СетиCIDRиногда называют сетями «слэш х», потому чтоIP-адреса отделяются от суффикса символом слэш (/). Типичный адресCIDRвыглядит так: 192.168.1.0/24. Символы /24 означают, что крайние левые 24 битаIP-адреса используются для хранения номера сети, а остальные восемь – номера хоста. В классовой системе адресации это была бы сеть С (см. табл.18.)
Адреса CIDR(бесклассовые) и традиционные классовые адреса
Таблица 18
-
Адрес CIDR
Классовый адрес
/8
Класс А
/16
Класс В
/24
Класс С
В методе CIDRможно объединять небольшие непрерывные блоки адресов в один большой блок. Это называется созданием суперсетей.
Подсети. Маска подсетей.
В 1985 г. был определен стандартный процесс поддержки формирования подсетей, или разделения класса сети на меньшие части. Вместо двухуровневой иерархии формирования подсетей введена поддержка еще одного уровня – третьего: номер сети, номер подсети, номер устройства. Пример: адрес 130.5.0.0выделен для организации. Частная сеть организации может состоять из подсетей: 130.5.32.0; 130.5.64.0; 130.5.96.0; 130.5.128.0
Создание подсети предполагает заимствование битов одной части адреса для другой части адреса. Если создается подсеть, то, протокол IPдолжен иметь возможность определить, какие биты идентифицируютсеть, а какие −номерхоста. Это выполняется с помощью маски подсети. В маске подсети биты, определяющие номер сети, установлены в 1, а биты, определяющие номера хостов − в 0.
Если в Интернете маршрутизаторы используют для передачи трафика в окружение подсетей только сетевой префикс адреса, то маршрутизаторы внутри этого окружения для передачи трафика индивидуальным подсетям используют расширенный сетевой префекс (к префиксу сети добавляется номер подсети). Структуру расширенного сетевого префикса можно представить в виде маски подсети (subnetmask). [В последнее времяполеномера сети в адресе называют сетевымпрефексом].
Маска подсети– это число, двоичная запись которого содержит единицы в тех разрядах, которые должны интерпретироваться как номер сети. Маска сети позволяет провести четкую границу между двумя частямиIP-адреса. Одна часть идентифицирует номер подсети, которая используется для идентификации хостов в этой подсети. Для стандартных классов сетей маска имеет значения:
255.0.0.0– маска длясети А;
255.255.0.0– маска длясети B;
255.255.255.0– длясети С.
Например, если используется адрес класса В 130.5.0.0 и администратор хочет использовать весь третийоктет для номера подсети, ему необходимо указать маску подсети 255.255.255.0. Пример использования маски подсети приведен в табл. 19.
Использование маски подсети
Таблица 19
|
|
|
Сетевой префикс |
Номер подсети |
Номер хоста | |
|
IP-адрес |
130.5.5.25 |
10000010 |
00000101 |
00000101 |
00011001 |
|
Маска подсети |
255.255.255.0 |
11111111 |
11111111 |
11111111 |
000000000 |
|
|
|
Расширенный сетевой префикс |
| ||
Приведенный в примере адрес 130.5.5.25 с маской подсети 255.255.255.0 может быть записан как 130.5.5.25/24.
Рассмотрим пример формирования подсетей в организации.
Предположим, что организация получила сеть класса С 193.1.1.0 и ей необходимо сформировать шесть подсетей. Наибольшая подсеть должна поддерживать 25 хостов.
Для решения данной задачи сначала определяется число битов, требуемых для выделения необходимых шести подсетей (число 6 нужно округлить до ближайшей степени числа 2). В результате получается, что в данном примере администратор должен определить (23=8) восемь подсетей, т.е. для выделения подсетей будут использованытрибита (степень двойки) из выделенного адреса.
Так как в данном примере выделен адрес класса С с записью расширенного префикса в виде /24, то полученный после выделения подсетей расширенный сетевой префикс будет записан как /27 (24+3), что эквивалентно записи маски 255.255.255.224 (см. табл. 20).
В каждой подсети может быть использовано до 32 (25=32) индивидуальных адресов хостов. Но т.к. адреса, у которых всебиты равны нулю, либо единице, являютсязарезервированными, то общее число адресов хостов в каждой подсети становится равным 30 (32-2).
Определение маски подсети
Таблица 20
|
|
|
Сетевой префекс |
Байт для задания номеров хостов в данной сети | |||
|
|
|
Байты для задания номера сети |
Биты для номеров подсетей |
Биты для номеров хостов | ||
|
Адрес |
193.1.1.0 |
11000001 |
00000001 |
00000001 |
000 |
000000 |
|
Маска подсети |
255.255.255.0 |
11111111 |
11111111 |
11111111 |
111 |
00000 |
|
Эквивалентная запись: | ||||||
|
Адрес |
193.1.1.0/27 |
11000001.00000001. 00000001.000 |
00000 | |||
Возможные варианты подсетей приведены в табл.21. Для приведенного примера это 8 подсетей (номера подсетей 0-7).
Варианты подсетей
Таблица 21
|
Точечно-десятичная нотация |
Двоичное представление адреса | |
|
Базовая подсеть |
193.1.1.0/24 |
11000001. 11000001. 11000001.00000000 |
|
Подсеть #0 |
193.1.1.0/27 |
11000001. 11000001. 11000001. 00000000 |
|
Подсеть #1 |
193.1.1.32/27 |
11000001. 11000001. 11000001. 00100000 |
|
Подсеть #2 |
193.1.1.64/27 |
11000001. 11000001. 11000001. 01000000 |
|
Подсеть #3 |
193.1.1.96/27 |
11000001. 11000001. 11000001.01100000 |
|
Подсеть #4 |
193.1.1.128/27 |
11000001. 11000001. 11000001.10000000 |
|
Подсеть #5 |
193.1.1.160/27 |
11000001. 11000001. 11000001.10100000 |
|
Подсеть #6 |
193.1.1.192/27 |
11000001. 11000001. 11000001.011000000 |
|
Подсеть #7 |
193.1.1.224/27 |
11000001. 11000001. 11000001.111000000 |
Самым простымспособом проверкикорректностиопределения подсетей является контроль кратности всех десятичных номеров подсетей номеру подсети #1. В приведенном примере все номера подсетей кратны 32. [КомпанияCiscoSystemsразработала инструмент работы с адресами, называемыйIPSubnetCalculator. Администратор, введя адрес и маску подсети, получает полную классификацию].
Преимущества создания подсетей:
уменьшается загрузка сети. Подсети соединены друг с другом с помощью маршрутизаторов, которые по умолчанию не пропускают широковещательные сообщения. Это приводит к существенной экономии пропускной способности сетевых каналов;
компьютеры, расположенные в разных местах, организуются в подсети и как следствие − ими легче управлять;
повышается безопасность, так как различные сети изолируются друг от друга и передаваемые между ними сообщения можно фильтровать;
более эффективно используются выделенные адреса, так как уменьшается количество утраченных адресов.
Маршрутизация IP
Важным свойством протокола TCP/IPпри работе в межсетевых соединениях иInternetявляется возможность выполнения маршрутизации.Маршрутизация− целенаправленная передача пакетов из одной сети (или подсети) в другую, процесс выбора пути для передачи пакета в сети. Путь (маршрут) − последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет по пути к узлу-назначению. Маршрутизатор − выделенное устройство или компьютер, выполняющий функции маршрутизатора, должен принадлежать как минимум двум сетям. Маршрутизаторы имеют по несколько портов (не менее двух). Каждый порт маршрутизатора можно рассматривать как отдельный узел сети − он имеет собственный сетевой адрес и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена.
Задачу выбора маршрута решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Когда требуется отправить пакет узлу с определенным IP-адресом, то узел-отправитель выделяет с помощью маски подсети из собственного IP-адреса и IP-адреса получателя номера сетей. Далее номера сетей сравниваются и если они совпадают, то пакет направляется непосредственно получателю, в противном случае - маршрутизатору, чей адрес указан в настройках протокола IP. Выбор пути на маршрутизаторе осуществляется на основе информации, представленной в таблице маршрутизации. Таблица маршрутизации− это специальная таблица, которая представляет собой базу данных, содержащую пути к различным сетям; сопоставляющая IP-адресам сетей адреса следующих маршрутизаторов, на которые следует отправлять пакеты с целью их доставки в эти сети. Обязательной записью в таблице маршрутизации является так называемыймаршрут по умолчанию, содержащий информацию о том, как направлять пакеты в сети, адреса которых отсутствуют в таблице, поэтому нет необходимости описывать в таблице маршруты для всех сетей. Таблицы маршрутизации могут строиться «вручную» администратором или динамически, на основе обмена информацией, который осуществляют маршрутизаторы с помощью специальных протоколов −протоколов динамической маршрутизации, например, RIP, OSPF.
Глобальные сети
Глобальная сетьэто не просто большая локальная сеть. Это набор отдельных локальных сетей, соединенных каналами связи, совершенно отличными от каналов локальных сетей. Конструирование глобальной сетикомплексная задача. При выборе оптимальных технологий нужно учитывать назначение сети, количество пользователей, требования к пропускной способности и другие факторы. При создании глобальных сетей необходимо рассмотреть оборудование глобальной сети, топологии сети, типы сетевых концентраторов, новые технологии глобальных сетей, соединение локальных сетей с глобальной.
В целом в основе локальных и глобальных вычислительных сетей лежит один и тот же метод метод коммутации пакетов, однако, глобальные сети имеют достаточно много отличий от локальных вычислительных сетей (ЛВС). Так, глобальные вычислительные сети (ГВС) предоставляют в основном транспортные услуги, транзитом перенося данные между локальными сетями и компьютерами. В настоящее время намечена тенденция по поддержке служб прикладного уровня, т.е. распространение аудио-, видео- и текстовой информации, а также организация интерактивного (диалогового) взаимодействия абонентов сети в реальном масштабе времени. Эти службы появились в глобальной сети Интернет и успешно переносятся в корпоративные сети, что называется технологиейintranet(чат, почта и т.д.). Глобальные сети делятся намагистральныесети и сетидоступа.
Магистральныетерриториальные сети используются для образования одноранговых связей между крупными локальными сетями, принадлежащими большим подразделениям предприятия. Магистральные сети должны обеспечитьвысокую пропускную способность. Они должны быть доступными, могут иметь высокую стоимость. Обычно в качестве магистральных сетей используются цифровые выделенные каналы со скоростью от 2 до 622 Мбит/с.
Сеть доступаэто сети для связи небольших локальных сетей и отдельных удалённых компьютеров с центральной локальной сетью предприятия.
В качестве отдельных удалённых узлов могут выступать банкоматы или кассовые аппараты, требующие доступа к центральной базе данных для получения информации о локальных клиентах банка. Банкоматы или кассовые аппараты обычно рассчитаны на взаимодействие с центральным компьютером по сети X.25, которая разрабатывалась как сеть удалённого доступа неинтеллектуального терминального оборудования к центральному компьютеру. Так как точек удалённого доступа у предприятия может быть много, то одним из требований является наличие разветвлённой инфраструктуры доступа, которая может быть использована сотрудниками предприятия как при работе дома, так и в командировках. В качестве сетей доступа обычно применяются телефонные аналоговые сети, сетиISDNи режеFrameRelay.
Технология ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork)цифровая связь с комплексными услугами (передача голоса и данных). Основным режимом коммутации является режимкоммутации каналов.
Примером глобальных сетей с коммутацией пакетовявляются сетиX.25, Frame Relay, АТM (см. схему 10). В сетях данного типа пакеты данных могут проходить разными путями от передающего компьютера к принимающему, где пакеты собираются в правильной последовательности.
Сети Х.25один из первых типов сетей с коммутацией пакетов. Они были разработаны для связи с мэйнфреймами, такими какIBM360. В сетях данного типа используется аналоговая передача данных. Сети Х.25 хорошо работают на ненадежных линиях благодаря протоколам с установлением соединений и коррекцией ошибок на двух уровняхканальном и сетевом. Сеть Х.25 состоит из коммутаторов (Switches), расположенных в различных географических точках и соединенных высокоскоростными выделенными каналами, которые могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Компьютеры и локальные сети обычно подключаются к сети Х.25 посредством адаптера Х.25 или маршрутизатора, поддерживающего протокол Х.25. Данный тип сетей позволяет в режимереальноговремени разделять один и тот же физический канал между несколькими абонентами, чтоэкономически выгодно(используютсятелефонные линии, производится оплата за байт переданной информации, а не оплата времени).
Обычно пропускная способность сети составляет 64 Кбит/с. Имеется механизм альтернативной маршрутизации, что увеличивает надёжность работы сети.Недостатки: невозможно передать голос и видеоинформацию, ограничение скорости передачи (не более 128Кбит/c) из-за развитых механизмов коррекции ошибок.
Сети Frame Relay сравнительно новые сети, разработаны на основе технологии Х.25 для использования с цифровыми линиями. В этих сетях применяются только два первых уровняOSI, а не три, как в Х.25. Пропускная способность находится в пределахот 1,5 до 45 Мбит/с. Работают вдейтаграммномрежиме (нет предварительного соединения), что обеспечиваетвысокуюпропускную способность. Глобальные соединенияFrameRelayстановятся все более популярными вследствие более высокой производительности и меньшей стоимости по сравнению с Х.25. Высокая производительностьFrameRelayв значительной мере обусловлена и тем, что в ней не выполняются дополнительные процедуры обнаружения и коррекции ошибок, как в Х.25. кадры с ошибками попросту отбрасываются, программы приложений сами должны обнаруживать пропущенные пакеты и посылать запросы на их повторную передачу. Поскольку передаются цифровые сигналы, количество ошибок невелико.
Сети ATM (AsynchronousTransferMode) - были разработаны для поддержки приложений, требующих высокой пропускной способности, таких как аудио- и видеоданные в реальном времени. Для них характерна высокая скорость передачи данных от155 Мбит/с до 2,2 Гбит/с.(в перспективе до 10Гбит/с). В глобальных сетях применяется там, где сетьFrameRelayне справляется с большими объёмами трафика и там, где необходимо обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени. Считается, что эта технология будет одной из лучших технологий, как в локальных, так и в глобальных сетях.
Примером глобальных сетей с коммутацией каналовявляются сетиPSTN,ISDN,DSL.
Сеть PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork) − коммутируемая телефонная сеть общего пользования является аналоговой сетью. Используется довольно часто для установки связей в глобальных сетях вследствие следующих преимуществ: линииPSTNимеются практически повсеместно; связь недорогая; коммутируемое соединение по обычной телефонной линии несложно установить; кроме модема не требуется никакого дополнительного оборудования. аналоговые модемы недорогие, их легко конфигурировать. Изначально телефонная система создавалась для передачи голоса. Так как высокая скорость передачи не требовалась, то телефонным линиям присуще ограничение по пропускной способности (56Кбит/с).
Технология ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork− цифровая сеть связи с комплексными услугами) разработана для постепенной заменыPSTN. Она обеспечивает более надежное цифровое соединение, предназначенное как для голоса, так и для данных. Следует отметить, что заменаPSTNне состоялась, так как появились более быстродействующие технологии по более низкой цене.Характерные особенностисетейISDN: производительность и надежность повышаются за счет того, что будучи цифровой связью,ISDNне требует при передаче данных преобразования их в аналоговый, а затем в цифровой сигнал; линииISDNболее распространены, чем их новый конкурентDSL; хотя это коммутируемая технология, но линииISDNмогут быть и выделенными; услугиISDNдороже услугPSTN(дляISDNтребуется специальное оборудование − цифровые коммутаторы на телефонной станции и терминальные адаптеры у пользователя). Большинство телефонных компаний предлагает услугиISDNс интерфейсами: 64Кбит/cи 128Кбит/cили 64 Кбит/cи 1,472 Мбит/с.
Технология DSL(DigitalSubscriberLine− цифровая абонентская линия). Это высокоскоростная служба передачи данных по медным телефонным линиям связи. УслугиDSLпредлагаются телефонными станциями дополнительно к обычной телефонной связи, при этом используются уже существующие телефонные кабели. Основные характеристики: системаDSL(если она установлена) подключена всегда − не нужно набирать телефонный номер провайдера; по одной линии одновременно могут передаваться как данные, так и голос; на телефонной станции должно быть установлено оборудованиеDSL, клиент должен находиться на небольшом расстоянии от этой станции. Существует несколько разновидностейDSL:
ADSL(AsymmetricDSL− асимметричнаяDSL) наиболее распространенная реализация. Ее пропускная способность может находиться в пределах от 384 Кбит/cдо 6Мбит/с или больше в направлении от телефонной станции к пользователю. В обратном направлении пропускная способность ниже.
SDSL(SymmetricDSL− симметричнаяDSL). Поддерживает одинаковую пропускную способность в обоих направлениях.
HDSL(HighDataRateDSL−с высокой пропускной способностью). Поддерживает пропускную способность 768 Кбит/с в обоих направлениях.
VDSL(VeryDataRateDSL− с очень высокой пропускной способностью). Пропускная способность этой реализации находится в пределах от 13 до 53 Мбит/с.
IDSL. Предоставление услугDSLпо линиямISDN. Максимальная пропускная способность этой реализации может достигать 144 Кбит.c, однако она доступна в регионах, в которых другие реализацииDSLне работают.
Наибольшее распространение сегодня получила реализация ADSL, которая обеспечивает высокую пропускную способность в направлении от телефонной станции к пользователю (чаще всего это 1,5 Мбит/с) и более низкую пропускную способность в обратном направлении. Такое соотношение оправдано, т.к. большинство пользователейInternetпередает наWeb-узлы короткие запросы и принимает от них длинные ответы. Однако, если пользователь решит установить у себяWebилиFTP-сервер, то низкая пропускная способность не позволит выполнить эту операцию.
Интернет.
Сеть Интернет появилась в 1960-х годах как сеть ARPAnet. В основе ее появления лежат исторические события. В 1957 году в Советском Союзе был произведен запуск первого в истории человечества искусственного спутника Земли. В ответ на это в Соединенных Штатах Америки было создано Агентство перспективных научных исследований при Министерстве обороны США (AdvancedResearchProjectsAgency–ARPA). Перед этой организацией была поставлена цель − обеспечить лидерство США в области передовых технологий, чтобы военная компьютерная сеть продолжала функционировать даже в случае ядерной атаки. Другими словами, найти такой способ передачи информации по сети, который полностью исключал бы возможность сбоя. Решение, которое было найдено, сегодня называетсякоммутацией пакетов (packet switching). Суть его заключается в том, что в сообщения (пакеты), пересылаемые по компьютерной сети, закладывается информация о маршруте, в результате чего любой подключенный к сети компьютер может определить, куда нужно отправить (или переключить) то или иное сообщение. В 1969 году организацияARPAсоздала сетьARPANET. Целью этого проекта было предоставление своим сотрудникам (ученые и исследователи) средства эффективного обмена информацией. Были созданы процессоры передачи сообщений (InterfaceMessageProcessors–IMP) на основе технологии коммутации пакетов, которые со временем трансформировались вIP-маршрутизаторы. Следующее важное событие в истории Интернет произошло в 1983 году, когдаARPANETперешла к использованию протоколаTCP/IP, который позволяет объединять различные сети.
В 1992 году Тим Бернес Ли, физик из швейцарского института CERN, выдвинул идею создания всемирной информационной сети (WWW–WorldWideWeb) как более эффективного способа представления информации, позволяющего пользователям всего мира свободно обмениваться данными. В основе его проекта лежало использование гипертекста.Гипертекстпозволяет устанавливать связь между некоторым фрагментом текста и другим документом, т.е. при активизации связи (или ссылки) программа-клиент откроет соответствующий документ.
В инфраструктуре сети Internetиспользуется гибридная ячеистая топология. Благодаря избыточности такой топологии при выходе из строя одной из связей пакеты могут проходить в пункт назначения альтернативным путем. Для установки соединения сInternetнеобходимо иметь локальный компьютер, на котором выполняются соответствующие протоколы и программное обеспечение. Компьютер должен иметь модем или соединение с локальной сетью, предоставляющей услуги прокси илиNAT(NetworkAddressTranslation− метод трансляции адресов. Это наиболее дешевый метод подключения всех компьютеров небольшой локальной сети к глобальной сети. Доступ к глобальной сети обеспечивается посредством одного главного компьютера, при этом используется только одна телефонная линия, одна учетная запись провайдера и один зарегистрированный публичный адрес). Стеком протоколовInternetслужитTCP/IP, поэтому он должен быть установлен и сконфигурирован на локальном компьютере или на компьютере прокси/NAT. Для коммутируемого соединения необходимо соответствующее устройство и программное обеспечение. Дорогое и сложное оборудование, необходимое для установки доступа в Интернет находится в собственностипровайдеров услугИнтернет. Провайдеры арендуют у телефонных компаний выделенные скоростные линии или имеют собственные линии. Провайдеры, не имеющие непосредственного соединения с национальной магистралью, платят региональным провайдерам за соединение с региональной сетью, подключенной к национальной магистрали. Точка, в которой взаимодействуютпровайдеры доступак магистрали называется пунктомNAP.
Передача сообщения посредством Internetвыполняется по следующей схеме:
данные разбиваются на небольшие порции (пакеты);
сетевые протоколы добавляют к пакетам заголовки и трейлеры;
двоичные нули и единицы преобразуются в электрические или световые сигналы, передаваемые на носитель, например, кабель;
если компьютер находится в локальной сети, то данные проходят по ней к серверу или маршрутизатору, соединенному с телефонной или выделенной арендованной линией;
если используется модемное соединение, то пакеты инкапсулируются протоколами канального уровня, например PPP, и модулированные электрические сигналы передаются по аналоговой телефонной линии;
сигналы поступают на принадлежащий провайдеру сервер удаленного доступа (RAS−RemoteAccessServer), настроенный для установки коммутируемого соединения. Другой вариант − использование прямой выделенной линии с провайдером. Если необходимо, пользователь регистрируется на сервере, набрав имя пользователя и пароль;
компьютер становится удаленным узлом локальной сети провайдера;
данные передаются с сервера провайдера в региональную сеть, к которой подключен провайдер;
данные проходят через один из пунктов NAP(если это необходимо) и передаются в коммерческую магистральInternet;
на другом конце данные проходят через другой NAP, через другую региональную сеть и через провайдера на принимающей стороне поступают в пункт назначения (или через почтовый сервер провайдера, который передает данные на принимающий компьютер);
данные передаются клиентской почтовой программе пользователя, который подключен к провайдеру. Другой вариант − почтовый сервер провайдера некоторое время сохраняет, а затем выгружает содержимое почтового ящика. В конфигурации почтового ящика должна быть заложена учетная запись принимающего пользователя.
Ресурсы Интернет
Предоставление набора услуг в любой компьютерной сети осуществляется специальными службами, для доступа к которым на компьютере пользователя должны быть установлены специальные программы. Наиболее распространенными службами Интернет являются:
Электронная почта (e-mail) и списки рассылки. Электронная почта одна из первых служб, разработанных дляInternet. Она используется для обмена текстовыми сообщениями и присоединенными файлами между пользователями, подключенными к сети Интернет. Электронная почта предоставляет возможность подписаться на различные службы, доставляющие в почтовый ящик пользователя информацию на разные темы: текущие события, погода спорт и т.д. Списки рассылок могут большими, тогда электронные письма распространяются автоматически с помощью специальной программы − сервера списка, например,ListServ;Topica
Сеть WorldWideWeb(WWW− Всемирная информационная сеть-паутина). Это огромный набор связанных между собой статических и интерактивных документов. СетьWWWпозволяет выполнить поиск нужной информации, создавать своиWeb-страницы, которые могут просматривать другие пользователи. Информация содержится наWeb-серверах, разбросанных по всему миру, а для ее просмотра нужно использовать специальную программу − программу-клиент, которая называетсяWeb-броузером (браузером), например,NetscapeNavigator(компанииNetscape), броузер корпорацииMicrosoft–InternetExplorer. Для того, чтобы облегчить поиск вWebнужной информации разработаны сотни различных поисковых служб. Поисковая служба представляет собойWeb-узел с интерактивной индексированной базой данных. В поисковых службах применяются следующие компоненты: 1) паук (spider) − программа, «путешествующая» по различнымWeb-узлам и собирающая индексную информацию; 2) индексная база данных, в которой хранится индексная информация, собранная пауком; 3) механизм поиска и выдачи результата − программы интерфейса между пользователями и поисковой службой, с помощью которой пользователи задают вопросы и получают на них ответы. Наиболее популярные поисковые системы:Апорт (русскоязычная) http://www.aport.ru; Яндех (русскоязычная) http://www.yandex.ru; Rambler (русскоязычная) http://www.rambler.ru; Yahoo! (англоязычная) http://www.yahoo.com; AltaVista (англоязычная) http://www.altavista.com; Google (http://www.google.com).
Служба FTP(FileTransferProtocol− протокол передачи файлов). Это первая служба, созданная для Интернет; обеспечивает пересылку файлов между компьютерами сети независимо от их типа, особенностей операционных систем, файловых систем и форматов файлов. В большинстве операционных систем, в которых установлен стекTCP/IP, есть встроенные клиентские программыFTP, запускаемые из командной строки. Многие компании поставляют удобные клиентские программыFTPс графическим интерфейсом. Встроенные средстваFTPсодержат почти все последние версии популярныхWeb-броузеров, например,InternetExplorer,Netscape,Opera.
Группы новостей. Серверы и клиенты групп новостей связываются друг с другом, управляют потоками новостей чаще всего с помощью протокола NNTP(NetworkNewsTransferProtocol− протокол передачи сетевых новостей). Программа сервера новостей чаще всего входит в составWeb-сервера, например,MicrosoftIIS. Многие программы электронной почты иWeb-броузеры, например,NetscapeNavigator,MicrosoftInternetExplorerпоставляются с встроенным клиентом новостей.
Средства интерактивного общения и конференции. Текстовая коммуникация посредством Интернет в реальном времени осуществляется с помощью различных программ мгновенной передачи сообщений, например, IRC(InternetRelayChat),ICQ.
Наиболее распространенные программы видеоконференций MicrosoftNetMeeting,CUseeMe. Программное обеспечение видеоконференций можно разделить на две категории: 1) двухточечное − обеспечивает соединение между двумя компьютерами аналогично видеотелефону; 2) многоточечное − предполагает количество участников видеоконференции больше двух. ОрганизацияIMTC(InternationalMultimediaTeleconferencingConsortium) разрабатывает и внедряет стандарты, финансирует различные мероприятия и распространяет информацию о мультимедийных технологиях телеконференций.
Internet-телефония. С помощью приложенийInternet-телефонии пользователи могут устанавливать голосовую связь на больших расстояниях. Эта технология называетсяVoiceoverIP. Расходы оказываются меньше, чем при использовании обычного телефона, так как стоимость дальней телефонной связи довольно высока. Примерами популярных клиентских приложений телефонииInternetявляютсяInternetPhone(дляWindows),CyberPhone(дляUNIXиWindows),SpeakFreely(дляUNIXиWindows). Существующее оборудование и программное обеспечение Интернет позволяют поддерживать не только средства телефонной связи с помощью протокола IP, но и передачу движущихся изображений повышенного качества и данных посредством протокола TCP/IP.
Виртуальные частные сети VPN (Virtual Private Networking). Среди компаний популярность этих сетей растет за счет минимальных затрат на их установку. В технологииVPNсетьInternetиспользуется как промежуточный носитель, с помощью которого устанавливаются надежные и безопасные соединения с удаленными клиентами частной локальной сети.
Процессами коммуникации между устройствами сети и совместным использованием (разделением) сетевых ресурсов управляет сетевая операционная система, специально созданная для работы на сетевом сервере, например,NovellNetWare,MicrosoftWindowsNT4.0,MicrosoftWindows2000,UNIXи т.д. Выбор сетевой операционной системы − довольно сложная задача. Каждая популярная операционная система имеет свои достоинства и недостатки. Сетевые операционные системы намного дороже клиентских. В зависимости от количества подключенных к серверу клиентов, стоимость сетевой операционной системы может достигать несколько тысяч долларов. Сетевым администраторам нужно знать, как минимум, основные характеристики наиболее распространенных семейств сетевых операционных систем −Windows,NetWare,UNIX/Linux.
Сети персональных компьютеров сегодня
Сегодня одной из главных задачобъединения в сеть является организация доступа в Интернет. Обычными становятся волоконно-оптические и другие соединения с высокой пропускной способностью. Обучение тоже проводится с использованием сети. Уже сегодня почти у всех есть дома устройства со встроенными микропроцессорами (миниатюрные компьютеры), которые контролируют температуру, время приготовления пищи и т.д. В недалеком будущем станет возможным подключение их к сети, с целью управления ими на расстоянии (находясь на работе можно дать команду на приготовление кофе и т.д.). Станет возможным создание «умного дома», который полностью станет компьютеризированным и подключенным к центральной компьютерной сети – пример – дом Билла Гейтса – президента компании Microsoft. В его доме компьютеризированные устройства регулируют микроклимат и перемещают «музыкальные зоны» из одной комнаты в другую, следуя за хозяином. Многие компании уже сегодня предлагают клиентам сделать их дом «умным», опутав его локальной сетью Ethernet с компьютеризированным телефоном, системой безопасности, домашним театром, системами отопления, кондиционирования и освещения. Всеми этими устройствами можно управлять щелчком мыши или с помощью голосовых команд.
Новые направления сетевых технологий.
Нейронные сети. Архитектура искусственной нейронной сети моделирует нейронную сеть человеческого мозга (большое количество относительно простых процессоров объединены в систему аналогично нейронам мозга).
Модель нейронной сети основана на концепции параллельных вычислений (миллионы нейронов человеческого мозга совместно обрабатывают поступающую информацию). В ней используется огромное количество небольших процессоров, в то время как в традиционной компьютерной архитектуре вычисления выполняются одним или несколькими мощными процессорами. [Нейрон (от греческого слова neuron – нерв) – нервная клетка, состоящая из тела и отходящих от нее отростков. Это основная структурная и функциональная единица нервной системы].
Предполагается, что нейронная сеть составит фундамент искусственного интеллекта, который рассматривают как вершину развития компьютерных технологий.
Квантовые сети. Основой квантовой теории является концепция неприменимости физических законов макромира к явлениям микромира, в котором элементарные частицы вещества составляют атомы и молекулы. Традиционные компьютеры работают с двоичным кодом. Их принцип действия основан на том, что каждый бит информации в конкретный момент времени может находиться только в одном из 2-х состояний – "выключено" (нуль) и "включено" (единица). В то же время в физике микромира квантовый бит (q-бит) может в один и тот же момент времени находиться как во включенном, так и выключенном состоянии. На основе теории квантовой физики в современной промышленности работают многочисленные устройства, например, лазеры, приборы ядерного магнитного резонанса и др. Квантовая теория охватывает представления о ветвящихся вселенных (мультивселенных). Парадоксальные идеи квантовой теории не укладываются в рамки обычного здравого смысла. Например, принцип шредингерова кота, сформулированного знаменитым физиком Эрвином Шредингером. Данный принцип утверждает, что кот, находящийся в ящике может быть живым и мертвым одновременно.[Эрвин Шредингер (1887-1961гг.) – австрийский физик теоретик, один из создателей квантовой механики, разработал волновую механику. Создателями квантовой теории являются также Вернер Гейзенберг и Нильс Бор. Вернер Гейзенберг (1901-1976гг.) немецкий физик теоретик. Нильс Бор (1884-1962гг.)датский физик, создал теорию атома и др.]
В настоящее время прослеживается влияние сетевых технологий на все сферы деятельности человека: дистанционное обучение, дистанционные операции, электронные книги, в правоохранительных органах и т.д.
Контрольные работы
Контрольная работа 1.
Вариант 1
Что понимают под термином топология сети?
Привести определение для понятия полнодуплексная сеть;
В какой форме передаются данные?
Что понимают под термином «толстая сеть»?
В топологии «звезда» сигнал посылается от концентратора ко всем компьютерам сети или только к одному?
Суть технологии коммутация пакетов.
Назвать уровни модели OSI.
Дать определение метода доступа к сети CSMA/CD.
Определить маску сети С, в которой должно быть 30 подсетей по 6 хост-узлов в каждой.
Вариант 2
С какой целью применяют коннекторы при организации сети?
В сети какого типа параметры защиты и доступа устанавливаются отдельно на каждом компьютере?
Определите, будет ли работать сеть, если 25 компьютеров подключены к 300-метровому сегменту кабеля «тонкий» Ethernetс использованием топологии «шина»? Ответ пояснить.
Какую пропускную способность имеет сеть Ethernet?
Топология «кольцо» является активной или пассивной?
На чем основана модель нейроннойсети?
На каком уровне модели OSIработает протоколIP?
Суть метода доступа к сети с помощью маркера.
Определить маску в сети В, в которой должно быть 14 подсетей по 40946 хост-узлов в каждой.
Вариант 3
Что понимают под терминами «протокол» и «интерфейс»?
Какие способы соединения сетевых устройств вам известны? Дать полный ответ
Что является примером полнодуплексной связи?
Шинная топология является активной или пассивной?
Какая концепция лежит в основе квантовой теории, на основе которой создается образ квантовой сети?
Описать алгоритм передачи сообщения в соответствии с уровнями модели OSI.
Дать определение метода доступа к сети CSMA/CA.
На каком уровне (физическом или логическом) реализовано кольцо в сети TokenRing?
Определить маску в сети С, в которой должно быть 2 подсетей по 62 хост-узла в каждой.
Вариант 4
Какая физическая топология используется в сетях TokenRing?
Что такое активная топология?
В сети с шинной топологией, в каждый момент времени, сколько компьютеров могут посылать сообщение (один, два, все)? Ответ пояснить.
Что такое IР-адрес? Назначение и обозначение адреса
Какие разновидности кабеля вам известны?
Что понимают под термином «тонкая сеть»?
Какие методы доступа к сети вам известны?
Дать «расшифровку» названия архитектуры 10BaseT
Определить маску сети В, в которой должно быть 5 подсетей по 6 хост-узлов в каждой.
Контрольная работа 2
Привести определения для следующих понятий:
-полнодуплексная сеть;
-широкополосная сеть;
-коммутация каналов;
- клиент-серверная сеть.
В сети какого типа параметры защиты и доступа устанавливаются отдельно на каждом компьютере?
Что понимают под терминами «протокол» и «интерфейс»?
Что является примером полнодуплексной связи?
На каком уровне модели OSIработает протоколIP, его функциональное назначение?
На каком уровне модели OSIработает протоколTCP, его функциональное назначение?
Как называются уровни модели OSI? Их функциональное назначение.
Какая физическая топология используется в сетях TokenRing? С какой скоростью работают данные сети?
Какую пропускную способность имеют сети Ethernet?
В сетях, с какой топологией нужно использовать терминаторы?
С протоколами, какого уровня, связан сетевой адаптер?
Контрольная работа 3
Привести определение симплексного режима передачи сигналов.
В сетях, с какой технологией нужно использовать терминаторы?
Сигнал в шине (шинная топология) передается всем или каким-то определенным компьютерам?
Что такое активная топология сети? Примером данной сети является шинная топология или кольцо?
Что такое маркер сети?
Что собой представляет IP-адрес?
Какие методы доступа к сети вам известны?
Дать определение метода доступа к сети CSMA/CD.
Какой основной признак лежит в основе организации распределённых вычислительных сетей?
Какому классу сети относится сеть (адрес сети 192.168.0.1)?
Какая сетевая технология используется в телефонной сети?
По способу администрирования различают сети: ….?
13.Для каждого из перечисленных ниже протоколов, функций или понятий определить уровень модели OSI, к которому он относится:
|
№ |
Вопросы |
Ответы |
|
1 |
Среда, по которой можно передавать несколько сигналов одновременно |
а) полнодуплексная сеть б) широкополосная сеть в) коммутация каналов г) клиент-серверная сеть д) узкополосная сеть |
|
2 |
Технология, в которой канал для связи устанавливается до начала передачи данных | |
|
3 |
Сеть, в которой системы выполняют только назначенные им роли | |
|
4 |
Среда (сеть), способная осуществлять трафик одновременно в обоих направлениях | |
|
5 |
Среда (сеть), по которой можно одновременно передавать только один сигнал |
В сети какого типа параметры защиты и доступа устанавливаются отдельно на каждом компьютере?
Как называются правила, с помощью которых два компьютера общаются друг с другом?
Телефонный звонок является примером полнодуплексной, полудуплексной или симплексной связи?
Как называется сеть, в которой данные разбиваются на дискретные элементы, передаваемые отдельно (с коммутацией каналов или коммутацией пакетов)?
Для каждого из перечисленных ниже протоколов, функций или понятий определить уровень модели OSI, к которому он относится.
|
№ |
Вопросы |
Ответы |
|
1 |
Разделение диалога |
а) прикладной б) представительский в) сеансовый г) транспортный д) сетевой е) канальный ж) физический |
|
2 |
Какой уровень обеспечивает взаимодействие между приложением и сетью? | |
|
3 |
Маршрутизация | |
|
4 |
Какой уровень отвечает за управление доступом к сетевой среде? | |
|
5 |
На каком уровне формируются пакеты? | |
|
7 |
На каком уровне модели выполняются функции моста? | |
|
8 |
На каком уровне модели работают маршрутизаторы? | |
|
9 |
На каком уровне модели действуют протоколы TCP и UDP? | |
|
10 |
На каком уровне модели работает протокол IP? |
Определить, будет ли функционировать сеть в описанных ситуациях? Если нет, объяснить почему.
a) 25 компьютеров подключены к 300-метровому сегменту кабеля «тонкий»Ethernetс использованием топологии «звезда».
b)15 компьютеров объединены в сетьTokenRingс физической топологией «кольцо».
20. В сетях, с какой топологией нужно использовать терминаторы (шина, звезда, кольцо)?
21. Что делает мост с полученным пакетом, если отправитель и получатель находятся в одном и том же сегменте (игнорирует, передает как широковещательное сообщение, ретранслирует)?
22. На какой скорости работают современные сети TokenRing(4 Мбит/cек, 16Мбит/сек, 100Мбит/сек, 1000Мбит/сек)?
23. Какой класс IP-адресов позволяет включать в сеть максимальное количество хостов (класс А, класс В, класс С)?
24. Характеристики сети Ethernet.
25. Какие кабели используют при построении сети?
Рекомендуемая литература
Архитектура компьютера. 4-е изд. / Э.Таненбаум. ─ СПб.: Питер, 2003. 704 с.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. – 2-е изд., перераб. и доп.//А.П.Пятибратов, Л.П.Гудыно, А.А.Кириченко; Под ред.А.П.Пятибратова.-М.: Финансы и статистика, 2002. 512 с.
Жаров А. Железо IBM- М.: МикроАрт, 2001.368 c.
Интернет-технологии − образованию / Под редакцией В.Н.Васильева, Л.С.Лисицыной. − СПб.: Питер, 2003. − 464 с.
Информатика. Базовый курс/ Симонович С.В. и др.—СПб: Питер, 1999. 640 с.
Информатика: Учеб.пособие для студ.пед.вузов/ А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хённер-М., 1999. 816 с.
Ирвин Дж., Харль Д. Передача данных в сетях: инженерный подход: Пер.с англ. ─СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 448 с.
Использование Интернет: Пер.с англ./Дж. Хоникатт, М.Р. Браун, Т. Фронцковяк и др. −
4-е изд. К.; М.; СПб: Издат.дом «Вильямс», 1998. − 592 с.
Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб.пособие для вузов. – М.: Энергоавтомиздат, 1991. 592 с.
Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы/В.Г.Олифер, Н.А.Олифер – СПб.: Питер, 2001. 672 с.
Компьютерные сети. Сертификация Network+.Учебный курс/Пер. с англ. – М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2002. – 704с.
Кульгин М. практика построения компьютерных сетей. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001.320 с.
Кэрриэ. Б. Криминалистический анализ файловых систем. − СПб.: Питер, 2007. −480 с.
Мулярчик С.Г. Интегральная схемотехника (функционально-логический уровень). Мн.: Изд-во БГУ, 1983.189 с.
Мураховский В.И, Евсеев Г.А. Железо ПК 2002. Практическое руководство – М.: «ДессКом», 2002.- 672c.
Партин А.С. Популярно о цифровых микросхемах. – Свердловск: Сред-Урал.кн.изд-во. 1989. –192 с.
Русак И.М., Луговский В.П. Технические средства ПЭВМ: Справочник/ Под ред. И.М.Русака. – Мн.: Выш.шк., 1996.
Таненбаум Э. Компьютерные сети ─ СПб.: Питер, 2002. 848 с.
Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ.. – М.: Мир, 1988. – 392 с.
Системный администратор школьной Интернет-площадки/ Учебный курс – М.: Федерация Интернет Образования/©MicrosoftCorporation, 2002.
Шиндер, Дебра, Литтлджон. Основы компьютерных сетей. Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. 656 с.
Ямпольский В.С. Основы автоматики и электронно-вычислительной техники: Учеб. пособие для студентов физ.-мат.фак.пед.ин-тов. – М.: Просвещение, 1991. − 223 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
МОДУЛЬ 1. Вычислительные системы 4
Основы построения и функционирования ЭВМ 8
Краткая история вычислительной техники 8
Эволюция вычислительных систем 11
Тест для самопроверки 14
Архитектурные особенности и организация функционирования ЭВМ 18
Архитектура ЭВМ и ее основы 18
Основные характеристики ЭВМ 20
Классификация ЭВМ 22
Информационно-логические основы ЭВМ 25
Контрольные работы 54
Общие принципы построения современных ЭВМ 56
Структура и функции программного обеспечения ЭВМ 95
Тест для самопроверки 103
МОДУЛЬ 2. Телекоммуникации 107
Общие принципы построения вычислительных сетей 108
Вычислительные сети – распределенные системы 108
Физическая и логическая структуризация сетей 114
Адресация компьютеров в сети 117
Передача данных 122
Классификация и архитектура вычислительных сетей 125
Классификация сетей по области действия и администрированию 125
Классификация по операционным системам и протоколам 127
Классификация сетей по топологии и архитектуре 128
Базовые технологии локальных сетей 130
Ethernet131
Методы доступа к сети 132
TokenRingиFDDI133
Структура и организация функционирования сетей 135
Модель OSI135
Сетевые стандарты и спецификации 144
Межсетевое взаимодействие на основе протокола TCP/IP146
Глобальные сети. Интернет 152
Контрольные работы 164
Рекомендуемая литература 167