Міністерство освіти І науки України
Черкаський державний технологічний університет
К. В. Колесніков
ПРОЕКТУВАННЯ КОМП’ЮТЕРНИХ
СИСТЕМ ТА
мереж
Черкаси |
|
2011 |
|
|
|
|
|
Рецензенти:
Хаханов В. І., д.т.н., професор, декан факультету комп’ютерної інженерії та управління Харківського національного університету радіоелектроніки;
Рябцев В. Г., д.т.н., професор, завідувач кафедри математичних та комп'ютерних дисциплін Європейського університету
К 60 |
Колесніков, К. В. Проектування комп’ютерних систем та мереж [Текст] : навч. посіб. / К. В. Колесніков; М-во освіти і науки України, Черкаський державний технологічний ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2011. – 343 с. – ISBN 978-966-402-065-4. |
У виданні докладно висвітлено принципи, протоколи й технології сучасних комп'ютерних мереж; розглянуто технології фізичного та канального рівнів передавання даних локальних і глобальних комп'ютерних мереж; подано методику виявлення проблемних ситуацій та їхніх причин.
Для студентів напрямів підготовки «Комп'ютерна інженерія», «Комп'ютерні науки».
УДК 004.7 (075.8)
ББК 32.973.202я7
ISBN 978-966-402-065-4 © Колесніков К. В., 2011
ЗМІСТ
ВІД АВТОРА ………………………………………………………... |
8 |
ВСТУП ................................................................................................. |
9 |
1 БАЗОВІ КОНЦЕПЦІЇ КОМП'ЮТЕРНИХ МЕРЕЖ ................ |
11 |
1.1 Класифікація мереж .................................................................. |
11 |
1.1.1 Класифікація мереж за масштабом .................................... |
11 |
1.1.2 Класифікація мереж за способами адміністрування ..... |
14 |
1.1.3 Класифікація мереж за мережевими операційними системами ........................................................................................... |
15 |
1.1.4 Класифікація мереж за мережевими протоколами ........ |
15 |
1.1.5 Класифікація мереж за топологією .................................... |
16 |
1.1.6 Класифікація локальних мереж за архітектурою ........... |
16 |
1.2 Режими передачі даних ……………………………………… |
16 |
1.3 Методи комутації ……………………………………………... |
17 |
1.4. Організація віртуальних каналів ………………………….. |
19 |
Резюме ………………………………………………………………. |
20 |
Питання …………………………………………………………….. |
20 |
2 МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ ЗВ’ЯЗКУ МЕРЕЖЕВИХ СИСТЕМ .. |
21 |
2.1 Архітектура комп'ютерної мережі ………………………… |
21 |
2.2 Еталонні моделі ……………………………………………….. |
23 |
2.2.1 Модель OSI (Open Systems Interconnection) …………….. |
23 |
2.2.2 Модель ТСР/IР ………………………………………………. |
26 |
2.3 Стандарти IEEE 802.х …………………………………………. |
29 |
2.4 Основні організації щодо стандартизації мереж ………... |
30 |
2.5 Класифікація топологічних елементів мереж …………… |
32 |
2.6. Топології ……………………………………………………….. |
35 |
2.7. Методи доступу до середовища передавання та їх класифікація ……………………………………………………….. |
36 |
Резюме ………………………………………………………………. |
40 |
Питання …………………………………………………………….. |
41 |
3 ОСНОВИ ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ …………………………. |
43 |
Резюме ………………………………………………………………. |
46 |
Питання …………………………………………………………….. |
47 |
4 ПЕРЕДАВАННЯ ТА КОДУВАННЯ ІНФОРМАЦІЇ ……….. |
48 |
4.1 Кількість інформації та ентропія …………………………... |
48 |
4.1.1 Моделі Хартлі (Шеннона) …………………………………. |
48 |
4.1.2 Властивості ентропії: ……………………………………….. |
50 |
4.2 Вимоги до мереж з позиції якості обслуговування ……… |
51 |
4.3 Кодування інформації ……………………………………….. |
53 |
4.4 Логічне кодування ……………………………………………. |
56 |
4.5 Коди, що самосинхронізуються ……………………………. |
60 |
Резюме ………………………………………………………………. |
60 |
Питання …………………………………………………………….. |
62 |
5 УПРАВЛІННЯ ПЕРЕДАВАННЯМ ІНФОРМАЦІЇ ТА СТИСНЕННЯ ДАНИХ …………………………………………… |
64 |
5.1 Режими передачі ……………………………………………… |
64 |
5.2 Асинхронна, синхронна, ізохронна і плезіохронна передача ……………………………………………………………. |
64 |
5.3 Контроль достовірності передачі …………………………... |
66 |
5.4 Алгоритми стиснення даних ……………………………….. |
72 |
5.4.1 Алгоритм RLE ……………………………………………….. |
73 |
5.4.2 Алгоритм Лемпела –Зіва …………………………………... |
74 |
5.4.3 Кодування Шеннона-Фано ……………………………….. |
74 |
5.4.4 Алгоритм Хаффмана ………………………………………. |
75 |
Резюме ………………………………………………………………. |
76 |
Питання …………………………………………………………….. |
77 |
6 СЕРЕДОВИЩА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ. ЛІНІЇ ЗВ’ЯЗКУ …………………………………………………………….. |
78 |
6.1 Сeредовища передавання даних …………………………… |
78 |
6.2 Лінії зв'язку …………………………………………………….. |
78 |
6.2.1 Мідні кабелі: коаксіальний кабель (coaxial) ……………. |
80 |
6.2.2 Мідні кабелі: кабелі на основі скручених пар …………. |
81 |
6.2.3 Волоконно-оптичний кабель ……………………………... |
84 |
6.3 Безпровідні середовища передачі даних (радіоканали наземного і супутникового зв'язку) ……………………………. |
87 |
6.3.1 Інфрачервоні канали (InfraReD channel) ……………….. |
87 |
6.3.2 Радіохвилі, сигнали з вузькосмуговим спектром ……… |
88 |
6.3.3 Радіохвилі, сигнали з широкосмуговим спектром ……. |
88 |
6.3.4 Супутниковий зв'язок ……………………………………… |
89 |
6.3.5 Стільниковий зв'язок ……………………………………….. |
91 |
Резюме ………………………………………………………………. |
92 |
Питання …………………………………………………………….. |
93 |
7 ЛОКАЛЬНІ МЕРЕЖІ ETHERNET …………………………….. |
95 |
7.1 Стандарти локальних мереж IEEE 802 ……………………. |
95 |
7.2 Протокол управління логічним каналом IEEE 802.2 …… |
95 |
7.3 Локальна мережа Еthernet. Характеристика та історія створення …………………………………………………………… |
98 |
7.3.1 Мережа Ethernet 10 Мбіт/с ………………………………... |
99 |
7.3.2 Мережа Fast Ethernet 100Мбіт/с ………………………….. |
103 |
7.3.3 Технологія Gigabit Ethernet 1000 Мбіт/с ………………… |
107 |
7.3.4 Мережі 10- та 100 Gigabit Ethernet ………………………. |
111 |
7.3.5 Тенденції розвитку Ethernet ………………………………. |
112 |
7.4 Метод доступу CSMA/CD (МДКН/ВК) …………………... |
113 |
7.5 Час подвійного оберту ……………………………………….. |
114 |
7.6 Формати кадрів Ethernet …………………………………….. |
114 |
7.7 Пропускна здатність мережі Ethernet 10Base …………….. |
117 |
Резюме ……………………………………………………………… |
117 |
Питання ……………………………………………………………. |
118 |
8 ЛОКАЛЬНІ МЕРЕЖІ TOKEN RING, FDDI, FIBER CHANNEL, APPLETALK ………………………………………… |
120 |
8.1 Локальна мережа Token Ring ……………………………….. |
120 |
8.1.1 Топологічна структура й алгоритм функціонування ... |
121 |
8.1.2 Адресація, типи та структура кадрів ……………………. |
122 |
8.1.3 Маркерний метод доступу ………………………………… |
122 |
8.1.4 Формати кадрів Token Ring ……………………………….. |
125 |
8.2 Технологія FDDI ………………………………………………. |
128 |
8.3 Волоконно-оптичний канал (Fiber Channel) ……………... |
133 |
8.4 Архітектура локальних мереж AppleTalk ………………… |
136 |
Резюме ………………………………………………………………. |
137 |
Питання …………………………………………………………….. |
138 |
9 СТЕК ПРОТОКОЛІВ TCP/IP ………………………………….. |
139 |
9.1 Система адресації в TCP/IP …………………………………. |
139 |
9.2 Протокол IP ……………………………………………………. |
143 |
9.3 Протокол ARP …………………………………………………. |
148 |
9.4 Протокол ICMP ……………………………………………….. |
149 |
9.5 Утиліти для тестування мереж TCP/IP …………………… |
151 |
9.6 Порти …………………………………………………………… |
152 |
9.7 Протоколи транспортного рівня …………………………... |
153 |
9.7.1 Протокол UDP ………………………………………………. |
153 |
9.7.2 Протокол TCP ……………………………………………….. |
154 |
9.8 IP-протокол версії 6 (IPv6) …………………………………… |
157 |
Резюме ………………………………………………………………. |
160 |
Питання …………………………………………………………….. |
161 |
10 СЛУЖБА ДОМЕННИХ ІМЕН DNS. ПРОТОКОЛИ ІР-МАРШРУТИЗАЦІЇ ……………………………………………….. |
165 |
10.1 Служба доменних імен DNS ………………………………. |
165 |
10.2 Записи ресурсів, формати, повідомлення DNS ………… |
167 |
10.3 Протокол мережного управління SNMP ………………… |
173 |
10.4 Протоколи маршрутизації …………………………………. |
175 |
10.4.1 Протокол внутрішньої маршрутизації RIP …………… |
177 |
10.4.2 Протокол маршрутизації OSPF …………………………. |
179 |
10.4.3 Протоколи зовнішньої маршрутизації ………………… |
183 |
Резюме ………………………………………………………………. |
185 |
Питання …………………………………………………………….. |
186 |
11 ТЕХНОЛОГІЇ МЕРЕЖ З КОМУТАЦІЄЮ ПАКЕТІВ ……... |
187 |
11.1 Технологія X.25 ………………………………………………. |
187 |
11.2 Технологія Frame Relay …………………………………….. |
189 |
11.3 Плезіохронна цифрова ієрархія (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) …………………………………………………… |
192 |
11.4 Синхронна цифрова ієрархія (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) ……………………………………………………. |
195 |
11.5 Передача мовлення зверх IP або VoIP (інтернет-телефонія) …………………………………………………………. |
195 |
Резюме ……………………………………………………………… |
207 |
Питання ……………………………………………………………. |
208 |
12 ТЕХНОЛОГІЇ ISDN, АТМ, DSL ……………………………… |
211 |
12.1 Технологія ISDN ……………………………………………... |
211 |
12.2 Технологія АТМ ……………………………………………… |
214 |
12.3 Технологія DSL ……………………………………………….. |
220 |
Резюме ………………………………………………………………. |
226 |
Питання …………………………………………………………….. |
227 |
13 БЕЗПЕКА ДАНИХ У КОМП'ЮТЕРНИХ МЕРЕЖАХ …… |
231 |
13.1 Загальна характеристика системи безпеки. Рівні захисту мережевих систем ………………………………………. |
231 |
13.2 Персональна ідентифікація ……………………………….. |
233 |
13.3 Надання права на доступ, автентифікація і реєстрація підключень ………………………………………………………… |
233 |
13.4 Захист мережі з використанням брандмауерів та серверів-посередників ……………………………………………. |
236 |
13.5 Захищені з’єднання та віртуальні приватні мережі …… |
241 |
13.6 Шифрування даних ………………………………………… |
245 |
13.7 Цифрові сертифікати ………………………………………. |
248 |
13.8 Захист з використанням маршрутизаторів ……………... |
249 |
Резюме ……………………………………………………………… |
254 |
Питання ……………………………………………………………. |
254 |
14 ВІРТУАЛЬНІ ПРИВАТНІ МЕРЕЖІ VPN …………………... |
257 |
Резюме ………………………………………………………………. |
262 |
Питання …………………………………………………………….. |
262 |
15 ОРГАНІЗАЦІЯ МЕРЕЖЕВИХ ОПЕРАЦІЙНИХ СИСТЕМ ……………………………………………………………. |
263 |
15.1 Складові частини КМ та ОС ………………………………. |
263 |
15.2 Класифікація ОС KM ……………………………………….. |
264 |
15.3 Структурна схема та головні функції операційної системи KM ………………………………………………………… |
265 |
15.4 Загальна характеристика принципів побудови багатопротокольних систем …………………………………….. |
268 |
Резюме ………………………………………………………………. |
273 |
Питання …………………………………………………………….. |
274 |
16 СЛУЖБИ КАТАЛОГІВ КОМП'ЮТЕРНИХ МЕРЕЖ …….. |
275 |
16.1 Служба каталогів та її головні властивості ……………… |
275 |
16.2 Еволюція СК ………………………………………………….. |
277 |
16.3 Служба каталогів Х.500 та LDAP ………………………….. |
279 |
16.4 Служба каталогів NDS (eDirectory) ………………………. |
282 |
16.5 Служба каталогів Active Directory ………………………… |
284 |
16.6 Служби NIS та NIS+ …………………………………………. |
288 |
Резюме ………………………………………………………………. |
289 |
Питання ……………………………………………………………. |
290 |
17 БЕЗПРОВІДНА ПЕРЕДАЧА СИГНАЛІВ ………………….. |
291 |
17.1 Мобільний безпровідний зв'язок …………………………. |
291 |
17.2 Безпровідні локальні мережі ………………………………. |
306 |
17.3 Мережа Bluetooth ……………………………………………. |
311 |
17.4 Технологія Wi-Max ………………………………………….. |
316 |
17.4.1. Стек протоколів 802.16 …………………………………… |
318 |
17.4.2. Стандарт 802.16: структура кадру ……………………… |
322 |
17.4.3 Відмінність між мережами 802.11 і 802.16 ……………… |
324 |
Резюме ……………………………………………………………… |
322 |
Питання ……………………………………………………………. |
333 |
ПЕРЕЛІК ПРИЙНЯТИХ СКОРОЧЕНЬ ……………………….. |
336 |
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ……………………….. |
343 |
Від автора
В основі книги лежить курс лекцій з комп'ютерних мереж, що викладається автором у Черкаському державному технологічному університеті протягом останніх п’ятнадцяти років. Слід зауважити, що матеріал, який викладається, відповідає програмі дисципліни «Проектування Комп'ютерних систем та мереж», затвердженій Міністерством освіти і науки України для технічних університетів, що, на мою думку, зробить цей посібник корисним при вивченні дисциплін: «Комп'ютерні мережі», «Проектування Комп'ютерних систем та мереж», «Адміністрування комп'ютерних мереж», «Мережеві сервіси і служби».
Головна аудиторія книги – студенти комп'ютерних спеціальностей. Ми ставили за мету висвітити досить складні питання, орієнтовані на студентів, які бажають стати фахівцями. Ця книга буде корисна і доступна всім бажаючим одержати або поглибити свої знання в галузі комп'ютерних мережевих технологій. Матеріал викладається в такому вигляді й обсязі, що його засвоєння потребує мінімальних знань в галузі комп'ютерної техніки та інформаційних технологій..
Користуючись нагодою, хочу висловити подяку всім, хто сприяв виходу книги в світ: доценту кафедри комп’ютерних систем п. В. Швидкому, якій витратив багато зусиль і часу на шліфування мовних і термінологічних аспектів, професору п. В. Снитюку за цінні поради, допомогу у вирішенні організаційних питань, розуміння та підтримку. Певний внесок в книгу був також зроблений моїми студентами, які брали участь в обговоренні багатьох матеріалів і питань. Нарешті, автор хотів б висловити сердечну подяку своєї родині за підтримку моєї щоденної праці, без чого їх завершення було б неможливе.
У книзі, напевне, є неточності та й матеріал може дещо застаріти в зв'язку із швидкими змінами у мережевих технологіях. Автор буде вдячний, якщо читач з розумінням поставиться до цього, і з радістю прийме всі зауваження та побажання.
ВСТУП
Безпосереднім провісником сучасних комп'ютерних мереж (KM) була телефонна мережа ХХ ст. Виникнення мереж передавання даних і розподіленого їх опрацювання було результатом науково-технічної революції та розвитку мікроелектроніки. Проте справжній розвиток мереж розпочався завдяки появі доступних мікропроцесорів та ЕОМ, які стали масовим явищем. З появою персонального комп'ютера стало можливим наблизити місце опрацювання інформації до місця її виникнення і, таким чином, збільшити ефективність роботи інформаційної системи. Це спонукало організувати надійний зв'язок між ними для сумісного розв'язування задач та використання ресурсів.
Комп'ютерною мережею називають сукупність вузлів (комп'ютерів, терміналів, периферійних пристроїв), що мають можливість інформаційної взаємодії один з одним за допомогою спеціального комунікаційного обладнання і програмного забезпечення. Розміри мереж змінюються в широких межах – від пари сполучених між собою комп'ютерів, що стоять на сусідніх столах, до мільйонів комп'ютерів, розкиданих по всьому світу. Обладнання мереж підрозділяється на активне (інтерфейсні карти комп'ютерів, повторювачі, концентратори тощо) і пасивне (кабелі, роз'єми, комутаційні панелі тощо. Крім того, є допоміжне обладнання – пристрої безперебійного живлення, кондиціонування повітря і аксесуари – монтажні стійки, шафи, панелі. З погляду фізики, активне обладнання – це пристрої, яким необхідне живлення для генерації сигналів, пасивне обладнання подачі енергії не вимагає.
Обладнання комп'ютерних мереж поділяється на кінцеві системи (пристрої), що є джерелами і/або споживачами інформації, і проміжні системи, що забезпечують проходження інформації по мережі. До кінцевих систем ES (End Systems) відносять комп'ютери, термінали, мережеві принтери, факси, касові апарати, зчитувачі штрих-кодів, засоби мовного і відеозв'язку та будь-які інші периферійні пристрої, забезпечені тим або іншим мережевим інтерфейсом. До проміжних систем IS (Intermediate Systems) відносять концентратори (повторювачі), мости, комутатори, маршрутизатори, модеми і інші телекомунікаційні пристрої, а також кабельну і/або безпровідну інфраструктуру, що їх з’єднує.
Потік інформації в мережі називають мережевим трафіком. Трафік, окрім корисної інформації, включає і службову її частину – неминучі накладні витрати на організацію взаємодії вузлів мережі. Пропускна спроможність ліній зв'язку, яку називають також смугою пропускання (bandwidth), визначається як кількість інформації, що проходить через лінію за одиницю часу. Для активного комунікаційного обладнання застосовують поняття продуктивність, причому в двох різних аспектах. Окрім «валової» кількості неструктурованої інформації, що пропускається обладнанням за одиницю часу (біт/с), вводять поняття швидкісті обробки пакетів (pps – packets per second), кадрів (fps – frames per second) або комірок (cps – cells per second).
Для організації обміну інформацією повинен бути створений комплекс програмних і апаратних засобів, розподілених по різних пристроях мережі.