Лабораторна робота № 2 Фізичні особливості з’єднання комп’ютерів в мережу

Мета роботи: зрозуміти та вивчити принципи роботи локальних мереж, використання в локальних мережах мережевих пристроїв, настройку IP-адрес та принципи IP-адресації в локальних мережах.

Завдання

1. Створити фізичні з’єднання комп’ютер-комп’ютер, комп’ютер-комутатор (концентратор) та зробити скріншоти настройки IP-адрес та перевірки даного з’єднання за допомогою команди ping.

2. Змоделювати з’єднання 2-х комп’ютерів між собою напряму, за допомогою концентратора, комутатора, моста, маршрутизатора за допомогою програмних засобів, зокрема Packet Tracer 3.1.

3. Показати обмін пакетами та колізії в змодельованій мережі, зробивши скріншоти.

4. Змоделювати просту LAN згідно з варіантом.

5. Підготувати теоретичне завдання згідно з варіантом.

6. Вивчити принципи роботи локальних мереж, принципи з’єднання в локальних мережах та IP-адресацію в локальних мережах.

Теоретичні відомості

Середовище Ethernet являє собою найбільше часто використовувану технологію локальних мереж. Уперше мережа Ethernet була реалізована групою, що одержала назва DIX (корпорації Digital, Intel і Xerox). Групою DIX була створена й реалізована перша специфікація LAN-мережі Ethernet, що послужила базою стандарту, що з'явився в 1980 році, 802.3 Інститути інженерів по електротехніці й електроніці (Institute of Electrical and Electronics Engineer- IEEE). Пізніше інститут IEEE розширив групу, що розробляла стандарт 802.3, до трьох нових комітетів, відомих як 802.3u (Fast Ethernet), 802.3z (гігабітова технологія Ethernet з використанням оптоволоконного кабелю [Gigabit Ethernet over Fiber]) і 802.3ab гігабітова технологія Ethernet з використанням кабелю UTP [Gigabit Ethernet over UTP]).

Кабельний аспект LAN-мереж розглядається на першому рівні еталонної моделі взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection - OSI). LAN-мережі підтримуються багатьма топологіями й фізичними передавальними середовищами. На мал. 1 показана підмножина реалізацій фізичного рівня, які можуть бути використані для мережі Ethernet.

Базовою функцією передавального середовища є передача інформації у формі бітів або байтів по локальній мережі LAN. За винятком бездротових мереж LAN, у яких як середовище виступає атмосфера або простір, в інших видах мережних середовищ мережні сигнали укладені в проведенні, кабелі або оптоволоконному кабелі. Мережне передавальне середовище розглядається як компонент першого рівня локальної мережі.

IEEE 802.2

Канальний

рівень

Ethernet

10 BASE 2

10 BASE 5

10 BASE -T 10 BASE 2 10 BASE 2

10 BASE -F

100 BASE-TX

100 BASE -FX

100 BASE –T4

1000 BASE -T

1000 BASE -CX

Фізичний

рівень

Стандарт

Специфікації

Специфікації

Специфікації

DIX

802.3 для

802.3u для

802.3z для

Ethernet

Ethernet

Ethernet

10Мбіт/с

100Мбіт/с

1000Мбіт/с

(Fast Ethernet)

(Gigabit Ethernet)

Рис. 1. Стандарти LAN-мереж на фізичному рівні

Кабель UTP і його установка

Якщо подивитися на прозорий штекер RJ-45 на кінці кабелю UTP, то можна побачити вісім кольорових проводів. Ці проводи скручені в чотири пари. На чотири проводи (дві пари) подається напруга; це сигнальні проводи ("tip", від Т1 до Т4); інші чотири (від R1 до R4) заземлені й передають інверсну (або фіктивну) напругу й називаються нульовим рівнем ("ring"). Терміни tip і ring (контакт і заземлення) з'явилися в перші дні появи телефону. У цей час ці терміни стають до позитивного й негативного контактів у провідній парі. Ці два проводи в першій провідній парі кабелю або гнізда позначаються як Т1 і R1, у другій парі - як Т2 і R2, і т.д.

Роз’єми RJ-45 запресоване на кінці кабелю і є зовнішньою частиною роз’єму. Якщо подивитися на нього з лицьової частини (тобто коли затискач спрямований униз), то контакти нумеруються від 8 до 1 ліворуч праворуч. Гніздо, являє собою внутрішній (female) компонент роз’єму й вбудовується в мережний пристрій, стіну, у напольную розетку або в розподільну панель. Якщо дивитися з боку порту пристрою, то контакти гнізда нумеруються від 1 до 8 ліворуч праворуч.

Для того щоб струми в роз’ємі проходили в правильному напрямку, порядок проводів у штекері й гнізді повинен відповідати стандартам EIA/TIA-568-A і EIA/TIA-568-B.

Крім правильного вибору кабелю відповідної категорії EIA/TIA для з'єднання пристроїв (що визначається стандартом розпаювання, використовуваним у роз’ємі), необхідно також визначити, який з наведених нижче двох типів кабелів буде користовуватися:

• прямий кабель (straight-through), у якому порядок контактів залишається незмінним по всій довжині кабелю, і в такий спосіб контакт 1 залишається тим самим на обох кінцях кабелю;

• перехресний кабель (crossover), у якому контакти в кожній парі на кінці кабелю інвертуються (міняються місцями) для передачі й прийому сигналів у необхідному порядку.

Рис.2 Пряме з'єднання кабелю UTP

Рис.3 Перехресне з'єднання кабелю UTP

Відповідно до специфікації Ethernet, у кабелі UTP категорії 5 для передачі сигналів (TD) і прийому (RD) використаються тільки проводи 1, 2, 3 і 6. Інші чотири проводи не використаються. Як показано на рис 3, у прямому кабелі RJ-45 контакти 1, 2, 3 і 6 на одному кінці з'єднання з'єднані з контактами 1, 2, 3 і 6 на іншому кінці. Однак у технології Gigabit Ethernet використаються всі вісім проводів.

Повторювачі

Мережі LAN поєднують між собою багато пристроїв різних типів. Вони називаються апаратними компонентами локальних мереж. Пристрої мереж LAN можуть містити в собі повторювачі, концентратори, мости, а також комутатори й маршрутизатори, які переважають у сучасних локальних мережах.

Як згадувалося вище, існує безліч різних передавальних середовищ, кожне з яких має свої переваги й недоліки. Одним з недоліків кабелю категорії 5 UTP є обмеження на довжину кабелю. Максимальна довжина кабелю UTP для однієї ділянки мережі становить 100 м (приблизно 333 фути). Якщо потрібна більша відстань, то потрібно використати повторювачі. У більшості сучасних мереж Ethernet замість повторювачів використаються концентратори, які є багатопортовими повторювачами або комутуючими пристроями, створеними на основі нових технологій.

Термін повторювач виник у давню епоху візуальних комунікацій, коли людина, що перебуває на пагорбі, повторювала сигнал, тільки що отриманий від людини, що перебуває на попередньому пагорбі, для того щоб передати його тому, хто перебуває на наступному пагорбі. Повторювачі використаються для передачі сигналу на далекі відстані в телеграфії, телефонії, у Свч-зв’язку й в оптичних комунікаціях.

Призначення повторювачів, показаних на мал. 4 і 5, складається в регенерації й ресинхронізації мережних сигналів на бітовому рівні для того, щоб вони могли пройти більшу відстань по передавальному середовищу. Повторювачі звичайно використаються в тих випадках, коли в мережі є занадто багато вузлів або довжини наявного кабелю недостатньо для досягнення віддалених точок. Правило чотирьох повторювачів для шинної топології Ethernet 10 Мбіт/с, також відоме як правило 5-4-3, використовується як стандарт при розширенні сегментів локальних мереж LAN. Це правило стверджує, що не більше п'яти сегментів мережі можуть бути з'єднані один з одним за допомогою чотирьох повторювачів, але тільки три сегменти можуть при цьому мати підключені до них робочі станції (комп'ютери). Хоча правило 5-4-3 справедливо для мереж із шинною топологією, для більше складних мереж з комутаторами й зіркоподібною топологією воно не завжди застосовно.

Концентратори

Концентратори власне кажучи є багатопортовими повторювачами. У багатьох випадках різниця між цими двома пристроями складається тільки в кількості надаваних ними портів. У той час як типовий повторювач має тільки 2 порти, концентратор звичайно має від 4 до 24 портів, як показано на мал. 6. Крім того, концентратори найчастіше використаються в мережах 10BASE-T і 100BASE-T, хоча можуть використовуватися й в інших типах мереж. Використання концентратора перетворить мережну топологію із шинної, у якій кожний пристрій безпосередньо приєднаний до загальної шини, у зіркоподібну. При використанні

Рис. 4. Повторювачі

концентраторів дані, що надходять на один з портів концентратора, повторюються за допомогою мікросхем на всіх інших портах, приєднаних до цього ж мережного сегмента, за винятком порту, з якого ці дані були відправлені.

Рис. 5. Повторювач з'єднує між собою два кінцевих вузли

Рис. 6. Восьмипортовий концентратор

Бездротові комунікації

Бездротове середовище являє собою альтернативний спосіб підключення до мережі LAN. При її використанні не потрібно прокладати кабель, і тому комп'ютер легко переміщати. При бездротовому підключенні можна без використання постійного кабельного з'єднання передавати сигнали від одного комп'ютера іншому за допомогою радіозв'язку (radio frequency - RF), лазера, інфрачервоних променів (infrared - IR), а також супутникових сигналів або частот діапазону СВЧ. Як сигнали виступають електромагнітні хвилі, що переміщаються в атмосфері. Бездротовим сигналам не потрібна фізичне середовище, що робить їх гнучким і різноманітним способом побудови мережі.

Типовим застосування бездротового зв'язку є використання даної технології в мобільних застосуваннях. Прикладами такого мобільного використання технології виступають телепрацівники, літаки, супутники, космічні кораблі й станції.

В основі бездротової комунікації лежать пристрої, названі передавачами й приймачами. Джерело сигналу взаємодіє з передавачем, що перетворить дані в електромагнітні хвилі (electromagnetic - ЇМ), які потім детектуються приймачем. Приймач перетворить хвилі в цифрові дані для одержувача. Для двостороннього зв'язку кожному пристрою потрібні як передавач, так і приймач. Багато виробників мережного встаткування включають передавач і приймач в один блок, називаний трансивером (прийомопередавачем), або бездротовим мережним адаптером. Всі пристрої бездротової мережі LAN повинні мати відповідний бездротовий мережний адаптер.

Двома найбільше часто використовуваними бездротовими технологіями є використання інфрачервоних променів (infrared - IR) і радіозв'язок (radio frequency - RF). IR-технологія має свої слабкі сторони. Для неї потрібно, щоб робочі станції й цифрові пристрої перебували в межах прямої видимості передавача. Мережа на основі технології IR доцільно використати в тих випадках, коли всі цифрові пристрої, яким потрібне з'єднання з мережею, перебувають в одному приміщенні. IR-мережа може бути створена дуже швидко, однак сигнали даних можуть послаблятися або перериватися через людей, які пересуваються в приміщенні, або через підвищену вологість повітря. Однак у цей час розробляються IR-технології, що дозволяють працювати й за межами прямої видимості.

RF-технологія дозволяє здійснювати зв'язок між пристроями, що перебувають у різних приміщеннях або навіть різних будинках. Однак використання такого типу мереж обмежено діапазоном можливих частот радіосигналів. Технологія RF може використати одну або кілька частот. Одна частота може бути піддана зовнішньої інтерференції або маскуватися географічними перешкодами. Крім того, одна частота легко може бути прослухана, що робить передачу даних небезпечною. Розширення спектра дозволяє вирішити проблему безпеки при передачі даних, оскільки передача з використанням декількох частот збільшує захищеність відносно шумів і ускладнює перехоплення даних сторонніми особами.

Мости

Іноді потрібно розділити більшу локальну мережу LAN на менші, легше керовані сегменти. Така стратегія дозволяє обмежити потік даних через окрему частину LAN і розширити підтримувану мережею географічну область, як показано на мал. 7. Як пристрої, які можуть бути використані для з'єднання між собою мережних сегментів, можуть бути використані мости, комутатори, маршрутизатори й шлюзи. Комутатори й мости функціонують на канальному рівні моделі OSI. Функція мосту складається у визначенні (ухваленні осмисленого рішення) того, потрібно чи відправляти сигнали, що надійшли на нього, в інший сегмент мережі. Мости можуть також бути використані для з'єднання мереж, що використають різні протоколи або різні передавальні середовища, як, наприклад, у випадку бездротових мостів, що з'єднують мережі LAN Ethernet у мережу міського масштабу.

Рис. 7. Мости ділять мережу на сегменти

Коли міст одержує фрейм, він порівнює Мас-адресу відправника з наявної в нього адресною таблицею для визначення того, чи варто відфільтрувати цей фрейм (відкинути), розіслати його лавинним способом або скопіювати фрейм в інший сегмент. Прийняття такого рішення відбувається в такий спосіб:

• якщо пристрій-одержувач перебуває в тім же сегменті, з якого цей фрейм був отриманий, то міст запобігає його передачі в інші сегменти, як показано на мал. 8. Цей процес називається фільтрацією (filtering);

• якщо пристрій-одержувач перебуває в іншому сегменті і його адресі присутній в адресній таблиці, то міст пересилає фрейм у відповідний сегмент, як показано на мал. 9;

• якщо пристрій-одержувач відсутній у таблиці адрес (тобто "невідомо'' мосту), то міст розсилає фрейм в усі сегменти за винятком того, звідки був отриманий фрейм. Таке поводження називають лавинним розсиланням повідомлень.

Стратегічно правильно встановлений міст може значно збільшити продуктивність мережі.

У даному прикладі пакет даних відправляється з комп'ютера V, а пунктом призначення є комп'ютер Хс. Пакет надходить у пункт призначення й не розсилається широкомовно в інші сегменти мережі.

Рис. 8. Мости сегментують мережу: фільтрація

У даному прикладі пакет даних відправляється з комп'ютера V, а пунктом призначення є комп'ютер Hh. Міст переглядає свою адресну таблицю й визначає, чи варто відправляти сигнал в інші сегменти мережі.

Рис. 9. Мости сегментуют мережу: пересилання

Комутатори

Комутатор іноді називають багатопортовим мостом. У той час як типовий міст має тільки два порти (з'єднує два мережних сегменти), комутатор може мати кілька портів, залежно від кількості мережних сегментів, які необхідно з'єднати. Як і мости, комутатори витягають певну інформацію з пакетів даних, які вони одержують від різних комп'ютерів мережі. Надалі ця інформація використовується для побудови таблиць комутації даних, які потім використовуються для визначення напрямку потоків даних, що відправляються одним з комп'ютерів мережі іншому, як показано на мал. 10.

Рис. 10. Таблиця комутації

Хоча в роботі мостів і комутаторів є багато загального, комутатор являє собою більше складний пристрій, ніж міст. Міст визначає, чи направляється фрейм в інший мережний сегмент, на основі Мас-адреси одержувача. Комутатор має кілька портів, до яких приєднані сегменти мережі. Комутатор вибирає порт, до якого приєднаний пристрій-одержувач або робоча станція. Комутатори Ethernet стають усе більше популярними, оскільки, як і мости, значно підвищують продуктивність мережі (швидкість передачі й смугу пропущення).

Комутація являє собою технологію, що знижує ймовірність виникнення в мережах Ethernet LAN заторів за рахунок зменшення обсягів переданих по мережі даних і збільшення смуги пропущення. Комутатори часто використовуються для заміни концентраторів, оскільки не вимагають зміни існуючої кабельної інфраструктури, що дозволяє підвищити продуктивність мережі з мінімальною кількістю змін у вже існуючій мережі. У цей час у сфері передачі даних все комутуюче устаткування виконує дві основні операції:

Комутатори працюють із більшими швидкостями, ніж мости, а також можуть підтримувати додаткові й досить важливі функції, такі, як віртуальні локальні мережі VLAN (Virtual LAN).

Комутатор Ethernet має багато переваг, зокрема, дозволяє багатьом користувачам здійснювати зв'язок паралельно за рахунок використання віртуальних каналів і створювати виділені мережні сегменти, вільні від колізій. Такий підхід дозволяє максимізувати доступну смугу пропущення в загальному середовищі. Іншою перевагою є можливість повторно використати вже існуюче апаратне забезпечення й кабельну інфраструктуру, що робить перехід до використання комутаторів фінансово ефективним.

Приєднання станцій до мережі

Карта мережного інтерфейсу (NIC), зовнішній вигляд якої показаний на мал. 11 і 12, являє собою друковану плату, що вставляється в гніздо на материнській платі комп'ютера або периферійного пристрою. Вона також називається мережним адаптером. У переносних комп'ютерах адаптер NIC звичайно має розміри кредитної карти. Його функція складається в приєднанні робочої станції до мережного середовища.

Рис. 11. Карта мережного інтерфейсу (друкована плата)

Адаптери NIC функціонують на першому й другому рівнях еталонної моделі OSI. Вони розглядаються як пристрої другого рівня, оскільки кожний з них має унікальний код, називаний адресою керування доступом до середовища (Media Access Control — MAC). Ця адреса використовується для керування обміном даних між пристроєм і мережею. Мас-адреса кожного індивідуального адаптера NIC використовується пристроями другого рівня, такими, як мости й комутатори. Як показує саму назву, адаптер NIC управляє доступом пристрою до передавального середовища. Із цієї причини адаптер NIC також працює на першому рівні, оскільки він переглядає тільки біти й не аналізує адресну інформацію або інформацію протоколів більше високих рівнів. Як правило, адаптери NIC мають убудовані трансивери для бездротового зв'язку.

Рис. 12. Карта мережного інтерфейсу (підключення до середовища)

У деяких випадках тип роз’єму на адаптері NIC не відповідає типу передавального середовища, до якої він повинен бути підключений. Прикладом такої ситуації може служити маршрутизатор Cisco серії 2500. На маршрутизаторі Ethernet-інтерфейс являє собою гніздо AUI, а до нього потрібно приєднати Ethernet-кабель UTP категорії 5. Для цього використовується трансивер (прийомопередатчик). Трансивер середовища Ethernet виконує функцію передач-прийому (оскільки жодна з них не забезпечується Ethernet-інтерфейсом) і в той же час перетворить один тип роз’єми або штекера в іншій (наприклад, приєднує 15-контактний інтерфейс AUI до кабелю RJ-45).

Мережі "клієнт-сервер"

У мережі зі структурою "клієнт-сервер" мережні служби зосереджені на одному спеціально призначеному (виділеному) комп'ютері, названому сервером, що відповідає на запити клієнтів. Цей сервер є центральним комп'ютером, що постійно доступний для того, щоб відповідати на запити клієнтів щодо файлових служб, друкури, надання додатків і інших служб. Більшість мережних операційних систем (Network Operating System - NOS) підтримують роботу мережі по моделі клієнт-сервер. Звичайно настільні комп'ютери функціонують як клієнти, а один або більше комп'ютерів, що володіють більшою потужністю процесорів, більшим обсягом пам'яті й спеціалізованим програмним забезпеченням, виступають як сервери.

У табл. 1 і 2 узагальнені переваги й недоліки однорангових мереж і мереж зі структурою "клієнт-сервер".

Таблиця 1. Переваги однорангових мереж і мереж "клієнт-сервер"

Переваги однорангової мережі Переваги мережі "клієнт-сервер"

Вимагає менших фінансових витрат Має більше високий рівень . безпеки й масштабованості

Не вимагає серверного програмного Полегшує адміністрування великих мереж забезпечення операційної системи NOS за рахунок централізації

Не потрібно спеціальний мережний Резервне копіювання всіх даних адміністратор виконується в одному місці

Таблиця 2. Недоліки однорангових мереж і мереж "клієнт-сервер"

Недоліки однорангової мережі Недоліки мережі "клієнт-сервер"

Із працею піддається розширенню Вимагає мережного програмного забезпечення й зі збільшенням кількості станцій стає NOS, такого, як Windows NT/2000/XP, Novell малокерованою NetWare або UNIX

Кожного користувача потрібно навчити Для станцій-серверів потрібно дороге рішенню адміністративних завдань апаратне забезпечення

Низький рівень безпеки Потрібен професійний адміністратор

Спільне використання ресурсів усіма Є одна основна, критично важлива станціями негативно впливає точка збою, і якщо в мережі є тільки один на продуктивність мережі сервер, то при його виході з ладу дані всіх користувачів стають недоступні

Фізичний рівень розподіленої мережі

Багато фізичних реалізацій передбачають передачу даних по мережі WAN. Потреби в службах WAN-мереж залежать від відстані між устаткуванням і службами, від швидкості передачі й характеру самої служби. Тип фізичного рівня, обираний користувачем, залежить від відстаней, швидкості передачі й типу інтерфейсу, до якого необхідно здійснити приєднання.

Послідовні з'єднання служать для підтримки служб WAN-мереж, таких, зокрема, як виділені лінії, на яких використовуються протокол двоточкових з'єднань (Point-to-Point Protocol - РРР) і технологія Frame Relay. Швидкість передачі по таких з'єднаннях змінюється в інтервалі від 2400 біт/з до рівня лінії Т1 (1,544 Мбіт/с). Інші WAN-служби, такі, як канали ISDN, дозволяють установлювати з'єднання на вимогу (dial-on-demand) або забезпечують службу резервного вилученого доступу (dialbackup). Інтерфейс BRI мережі ISDN складається із двох каналів-носіїв по 64 Кбіт/з (У-канали), які використовуються для передачі даних і одного дельта-каналу (D-канал) зі швидкістю 16 Кбіт/з, що служить для сигналізації й керування з'єднанням. Для передачі даних по У-каналі звичайно використовується протокол РРР. Усе більше зростаючий попит на широкополосні (високошвидкісні) служби в домашніх умовах підвищив популярність каналів DSL і кабельних модемів. Швидкість служби DSL може досягати рівня Т1/Е1 по існуючій телефонній лінії. Кабельні служби, що функціонують по існуючому коаксіальному телевізійному кабелі, також пропонують високошвидкісні з'єднання зі швидкостями на рівні DSL, а іноді й переважаючими їх.