Информатика_Гуда

Глава 7. Компьютерные сети

диапазоном,которыйопределяетдальностьраспространениярадиоволн. Для компьютерной связи используется диапазон ультракоротких волн или волн сверхвысокой частоты. В этих диапазонах сигналы не отражаются от ионосферы, поэтому для организации канала необходима прямая видимость между передатчиком и приемником, или ретрансляция.

Формирование электрических (или иных) сигналов для передачи по линии связи осуществляется аппаратурой передачи данных (Data Circuit terminating Equipment). Примерами DCE являются модемы, и различ- ные устройства подключения.

Подготовка данных для передачи осуществляется оконечным оборудованием данных (Data Terminal Equipment), которое обычно не вклю- чают в состав линий связи.

Промежуточное оборудование линий связи служит для усиления сигнала, проходящего через линию, а также для организации совместного использования линий связи (мультиплексирования и коммутации).

В зависимости от способа формирования и приема сигналов линии связи делятся на цифровые и аналоговые. В цифровых линиях данные представляются дискретными сигналами, имеющими конечное число состояний. Это означает, что вся переносимая сигналом информация заключена в значениях этого сигнала в заданные равномерно распределенные моменты времени, причем сигнал может принимать конечное число значений. В аналоговых линиях используются аналоговые сигналы, имеющие непрерывный диапазон значений и непрерывные во времени.

При передаче данных в аналоговой форме сигналы имеют более узкий спектр, поэтому их используют в линиях связи с узкой полосой пропускания, например, в телефонных сетях. Цифровые сигналы позволяют достичь более высокой скорости передачи данных, но имеют более широкий спектр.

Типы кабелей

Самыми распространенными кабелями для построения локальных компьютерных сетей можно считать кабели UTP (Unshielded Twisted

Pair, неэкранированная витая пара).

Медный неэкранированный кабель UTP, наряду с тонким коаксиальным кабелем, является наиболее употребительным в современных локальных сетях. В стандартах описаны пять категорий данного типа кабеля. Кабели первых двух категорий были описаны в ранних стандартах, но в последней редакции признаны устаревшими.

341

Информатика

Кабели категории 3 имеют рабочий диапазон до 16 МГц и предназначены для передачи данных и голоса. Шаг скрутки проводников установлен 3 витка на 1 фут. В настоящее время этот кабель используется для передачи голоса и данных, в том числе в сетях Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с.

Кабели категории 4 являются некоторым улучшением категории 3 и имеют рабочий диапазон 20 МГц.

Кабели категории 5 — наиболее распространенный в настоящее время вид кабелей типа витая пара, ориентированный на высокоскоростные протоколы и имеющий рабочий диапазон 100 МГц.

Кабели категорий 6 и 7 имеют рабочий диапазон 200 и 600 МГц и лучшие характеристики затухания и помехозащищенности, но используются редко из-за своей дороговизны.

Волновоесопротивлениекабелейвитойпарысоставляет100Ом(стандарт ISO допускает также сопротивление 120 Ом). Все кабели выпускаются в 4-парном исполнении, каждая из пар имеет свой цвет. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45.

Кабели STP (Shielded Twisted Pair, экранированная витая пара) имеют лучшие, по сравнению с неэкранированной витой парой, характеристики. Основным стандартом, определяющим параметры кабелей данного типа, является стандарт фирмы IBM, в котором кабели разделены на девять типов.

Экранированные кабели Type 1 стандарта IBM имеют волновое сопротивление 150 Ом, поэтому для работы с ними нужно соответствующее оборудование. Данные кабели поддерживаются некоторыми сетевыми технологиями (Fast Ethernet, TokenRing и др.), наряду с кабелями

UTP.

Коаксиальные кабели широко используются не только в компьютерных сетях, но и для передачи высокочастотных телевизионных сигналов.

Кабель RG-8 и RG-11 — «толстый» коаксиальный кабель для сетей Ethernet 10Base-5. Имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0.5 дюйма. Это достаточно дорогой кабель с высокими характеристиками.

Кабели RG-58/U (сплошной тонкий проводник), RG-58 A/U (многожильный проводник) и RG-58 C/U — тонкий коаксиальный кабель для сетей Ethernet 10Base-2 с волновым сопротивлением 50 Ом. Для соединения кабеля с оборудованием используется разъем типа BNC. Кабель RG-59 с волновым сопротивлением 50 Ом для передачи телевизионных сигналов.

342

Глава 7. Компьютерные сети

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (волокна), окруженного другим проводником — оболочкой. Оболочка обладает меньшим показателем преломления, чем сердцевина, поэтому излучение не выходит за пределы волокна.

Различают одномодовое волокно (дорогое, очень тонкого диаметра, с полосой пропускания сотни гигагерц); многомодовое волокно (с более широким сердечником и меньшей полосой пропускания 500-800 МГц.

Âмногомодовом волокне из-за относительно больших размеров электромагнитнаяволнавысокойчастотыможетраспространятьсявнескольких режимах (модах), с разными скоростями, что приводит к невозможности передачи информации. Поэтому верхняя граничная частота такого волокна ограничена нижней частотой возникновения высших мод.

Âкачестве источников света в таких кабелях используют светодиоды и полупроводниковые лазеры. Для передачи информации используется свет с длиной волны 1150 нм (лазеры), 1300 нм и 850 нм. Для присоединения кабеля к оборудованию используются разъемы MIC, ST, и SC.

Типы сетевых адаптеров

Сетевой адаптер (сетевая плата, Network Interface Card, NIC) выполняет функции физического и канального уровня, то есть осуществляет формирование электрических сигналов и контроль доступа к среде передачи данных.

Управление работой сетевого адаптера осуществляется соответствующим драйвером. Взаимодействие программ и ОС с драйвером сетевого адаптера осуществляется программным модулем NDIS в OC Windows.

В функции сетевого адаптера и его драйвера входит: прием данных от LLC-подуровня, оформление кадра MAC-подуровня, логическое кодирование, физическое кодирование и передача сигнала в кабель, прием сигнала, логическое декодирование, проверка контрольной суммы, передача принятых кадров LLC-подуровню.

Распределение обязанностей между аппаратурой и драйвером адаптера может проводиться по-разному. Чем больше функций выполняется аппаратно, тем производительнее (и дороже) адаптер. Дорогие серверные адаптеры содержат встроенный процессор и выполняют почти все функции, не используя ресурсы центрального процессора компьютера.

Для различных технологий используются различные сетевые адаптеры.

Как и любые устройства, подключаемые к компьютеру, сетевые адаптеры используют ресурсы — IRQ, DMA и порты ввода-вывода.

343

Информатика

7.1.3. Основы технологий локальных сетей

7.1.3.1. Локальные сети Ethernet

В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи данных по линии связи делятся на следующие типы:

■симплексный — передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;

■полудуплексный — передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени. Примером такой передачи служит технология Ethernet;

■дуплексный — передача ведется одновременно в двух направлениях.

Дуплексный режим — наиболее универсальный и производительный способ работы канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых физических каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых технологиях, например Fast Ethernet или АТМ.

Иногда такое простое решение оказывается недоступным или неэффективным. Чаще всего это происходит в тех случаях, когда для дуплексного обмена данными имеется всего один физический канал, а организация второго связана с большими затратами. Например, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только один физический канал связи с автоматической телефонной станцией — двухпроводная линия, и приобретать второй вряд ли целесообразно. В таких случаях дуплексный режим работы организуется на основе разделения канала на два логических подканала.

Рассмотрим подробнее самую распространенную технологию построения локальных компьютерных сетей Ethernet.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 г.

В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II.

344

Глава 7. Компьютерные сети

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации — 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB. Цифра 10 в названии обозначает максимальную пропускную способность 10 Мбит/c.

В 1995 г. был принят стандарт Fast Ethernet, с пропускной способностью сети до 100 Мбит/с. Принятый в 1998 г. стандарт Gigabit Ethernet позволяет осуществлять передачу данных со скоростью до 1000 Мбит/c.

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента — 500 м (без повторителей).

10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента — 185 м (без повторителей).

10Base-T — кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конеч- ным узлом — не более 100 м.

10Base-F — волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации — FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м), 10Base-FB (расстояние до 2000 м).

Стандарт 10Base-5 в основном соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим Ethernet. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2, 17 мм и внешним диаметром около 10 мм («толстый»Ethernet). Такими характеристиками обладают кабели марок RG-8 и RG-11.

Cлово Base обозначает метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband, широкополосными. Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

Для построения сетей Fast Ethernet используются следующие технологии.

100Base-FX — многомодовое оптоволокно. Каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, передача по которым осу-

345

Информатика

ществляется в двух различных направлениях. В стандарте предусматривается использование метода кодирования 4B/5B, в котором каждые 4 бита заменяются на 5 бит. Физическое кодирование проводится по методу NRZI.

Оборудование 100Base-FX не совместимо с 10 Мбит Ethernet на оптоволокне.

100Base-TX — витая пара UTP категории 5 или STP типа 1.

Для соединения используются две витые пары, логическое кодирование 4B/5B и физическое кодирование MLT-3. Оборудование 100BaseFX может работать совместно с оборудованием 10 Мбит Ethernet. Для выбора режима работы предусмотрена функция автопереговоров. Переговорный процесс заключается в том, что одно из устройств посылает определенный сигнал, кодирующий предлагаемый режим работы, начи- ная с самого приоритетного (высокоскоростного). Если этот режим не поддерживается, то происходит попытка установить связь в менее приоритетном режиме.

100Base-T4 — витая пара категории 3 (или 5). Характеристики Gigabit Ethernet следующие.

1000Base-SX — многомодовое оптоволокно, длина волны передат- чика 850 нм. Предусматривается использование двух различных типов кабеля: с диаметром внутреннего проводника 62.5 и 50 мм и предельной длиной оптоволоконного сегмента 220 и 500 м соответственно (это ограничение менее жесткое, чем ограничение на диаметр сети, но ограни- чение на диаметр сети может быть преодолено при использовании коммутаторов).

1000Base-LX — многомодовое или одномодовое оптоволокно, длина волны передатчика 1300 нм. Ограничение на максимальную длину отрезка кабеля — 550 м для многомодового оптоволокна 50 мм, 400 м для многомодового оптоволокна 52.5 мм и 5000 м для одномодового.

1000Base-CX — экранированная витая пара STP с волновым сопротивлением 150 Ом. Максимальная длина отрезка кабеля 25 м.

1000Base-TX — неэкранированная витая пара, максимальная длина отрезка кабеля 100 м.

Рассмотрим общие для всех указанных технологий принципы передачи данных в сетях Ethernet. В таких сетях используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного досту-

па с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Сarrier

Sense Multiply Access / Collision Detection).

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной, к которым относятся также и радиосети, породившие этот ме-

346

Глава 7. Компьютерные сети

тод. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (CS, Carrier Sense). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5 - 10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологи- ческой паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна.

При этом возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, и происходит искажение информации.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (CD, Сollision Detection). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называе-

347

Информатика

мой jam - последовательностью. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения, но через значительно более длительный интервал времени по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

7.1.3.2. Беспроводные локальные сети

Существует несколько стандартов на технологии беспроводных локальных сетей, наиболее распространенными из которых являются

Bluetooth è IEEE 802.11.

Bluetooth — технология, разработанная консорциумом фирм-произ- водителей устройств мобильной связи Bluetooth Special Interest Group. Передача данных осуществляется на частоте 2.4 ГГц на расстояния до 10 м (существуют модификации стандарта, увеличивающие расстояние до 100 м.) Скорость передачи данных до 432.6 Кбит/с (до 721 Мбит/с в асимметричном режиме).

Изначально данная технология была ориентирована на подключе- ние к компьютеру мобильных устройств — карманных компьютеров и телефонов, но в настоящее время разработчики активно продвигают ее в качестве основы построения сети для нескольких офисов. Сейчас уже производятся принтеры с беспроводным доступом и мосты для подклю- чения Bluetooth-адаптеров к Ethernet.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (AP, Access Point), которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания (BSS, Basic Service Set). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (DS,

348

Глава 7. Компьютерные сети

Distribution System), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных компьютерных сетей. Вся инфраструктура, вклю- чающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set).

Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняется непосредственно рабочими станциями.

Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой в многосотовых системах предусмотрены специальные процедуры сканирования, активного и пассивного прослушивания эфира, присоединения, однако строгих спецификаций по их реализации стандарт 802.11 не предусматривает.

Стандартом IEEE 802.11 предусмотрен целый комплекс мер безопасности передачи данных под общим названиемWired Equivalent Privacy (WEP). Он включает средства противодействия несанкционированному доступу к сети, механизмы и процедуры аутентификации, а также шифрование информации при е¸ передаче.

Принятые впоследствии (а также разрабатываемые в настоящее время) дополнительные спецификации 802.11a — 802.11h предусматривают использование других частотных диапазонов и увеличение максимальной пропускной способности (до 54 МБит/с и более) за счет расширения спектра и использования других способов кодирования.

7.2. Основы Internet-технологии

7.2.1. История возникновения и развития Internet

Â1969 г. Агентство перспективных исследований (ARPA) МинистерстваобороныСШАразработалоипостроилоновуюсетьARPANet,ставшую прообразом Internet. Сеть имела следующие особенности:

■децентрализованное управление и распределенность информационных ресурсов;

■использование телефонных каналов связи;

■пакетная коммутация;

■специально разработанный протокол IP (InternetWorking protocol).

Âсередине 1970-х г.г. было выпущено описание в открытой техни- ческой печати сети ARPANet, протокола IP и выполнено подключение к сети ARPANet гражданских государственных и академических организаций.

349

Информатика

Âначале 1980-х г.г. на технологической базе APRANet создана общая сеть, объединившая множество локальных и корпоративных сетей США и получившая название Internet (межсетевое пространство).

Âконце 1980-х гг. подключилось к Internet большинство стран мира.

Â1989 г. произошло особо знаменательное событие — разработка Тимом Бернерс-Ли WWW-технологии (World Wide Web, всемирная паутина). До этого времени пользователями Internet могли быть только специалисты, знакомые с командами операционной системы Unix. После практической реализации в 1993 г. WWW-технологии началось массовое освоение Internet непрофессионалами в области компьютерных технологий.

Âдальнейшем был снят запрет на подключение к Internet пользователей, не имеющих специального разрешения, после чего в Internet стал активно вовлекаться бизнес (в настоящее время около 80 % ресурсов Internet финансируются коммерческими организациями).

После 2000 г. количество пользователей Internet превысило 300 млн. чел., и число подключившихся пользователей на сегодняшний день составляет более 400 млн. чел.

Структурно Internet представляет собой совокупность множества локальных и региональных сетей, принадлежащих к различным организациям и государствам, связанных между собой различными каналами связи на основе протокола IP; совокупность хостов (от англ. host — хозяин) — серверов, предоставляющих информационные и коммуникационные услуги и ресурсы по запросу клиента. Программное обеспече- ние Internet делится на клиентское, которое обеспечивает передачу запросов к серверу и получение ответов от него, и серверное, обеспечивающее предоставление сетевых услуг сервером по запросу клиента.

7.2.2. Базовые протоколы и адресация в Internet

Передача данных по сети Internet осуществляется на основе семейства протоколов TCP/IP. IP-протокол– межсетевой протокол, отвеча- ющий за передачу данных. TCP-протокол– протокол управления передачей данных.

Данные в Internet передаются в виде коротких пакетов (до 1,4 кбайт). В заголовке каждого пакета вместе со служебной информацией (контрольная сумма) указывается IP-адрес получателя. Каждый клиент Internet имеет уникальный IP-адрес. IP-адрес представляет собой 4-х байтовое число, которое представляется чаще всего в виде 4-х чисел от

350