Основы информационных сетей (110

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

Учебно-методическое пособие для вузов

Составители:

А.А. Вахтин, М.А. Артемов

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2011

Утверждено научно-методическим советом факультета прикладной математики, информатики и механики 30 июня 2011 г., протокол № 10

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. Е. М. Михайлов

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре программного обеспечения и администрирования информационных систем факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 4-го и 5-го курсов дневного отделения факультетов компьютерных наук и ПММ.

Для направлений: 654700 – Информационные системы; 071900 – Информационные системы и технологии; специальностей: 010503 – Математическое обеспечение и администрирование информационных систем; 080801 – Прикладная информатика в юриспруденции

2

ВВЕДЕНИЕ

В коммерческих фирмах и государственных учреждениях, учебных заведениях и даже в квартирах у граждан все реже можно встретить компьютеры, никаким образом не связанные с другими. Если для предприятий и организаций наиболее важным оказалось развертывание локальных сетей, то домашних пользователей все больше привлекают глобальные сети

(InterNet).

Внедрение локальных сетей мотивируется в основном повышением эффективности и производительности труда персонала. Использование вычислительных сетей позволяет облегчить доступ к различным устройствам, расположенным удаленно. Это не только компьютеры (персональные, мини- и большие ЭВМ), но и принтеры, графопостроители и все возрастающее число электронных устройств хранения и обработки данных.

На сегодняшний момент существует множество приложений, требующих дистанционного обновления баз данных, которое сочетается с доступом к данным. Системы резервирования авиабилетов, автоматического подсчета голосов, управления инвентаризацией и т.д. служат примерами таких приложений.

Данное учебное пособие является конспектом лекций по предмету «Локальные вычислительные сети» и предназначено для студентов, обучающихся специальностям, непосредственно связанным с информационными технологиями. Им необходимо получить базовые знания о принципах функционирования, технологиях и протоколах компьютерных сетей.

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

1.1. Классификация вычислительных сетей

Для классификации компьютерных сетей используются различные признаки, но чаще всего сети делят на типы по территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть.

К локальным сетям Local Area Networks (LAN) относят сети компью-

теров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1–2 км). В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данными.

Глобальные сети Wide Area Networks (WAN) объединяют территори-

ально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Так как прокладка высококачественных линий связи

3

на большие расстояния обходится очень дорого, в глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, многие глобальные сети строятся на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения. Для устойчивой передачи дискретных данных по некачественным линиям связи применяются методы и оборудование, существенно отличающиеся от методов и оборудования, характерных для локальных сетей. Как правило, здесь применяются сложные процедуры контроля и восстановления данных, так как наиболее типичный режим передачи данных по территориальному каналу связи сопряжен со значительными искажениями сигналов.

Региональные сети – менее распространенный тип сетей. В то время как локальные сети наилучшим образом подходят для разделения ресурсов на коротких расстояниях и широковещательных передач, а глобальные сети обеспечивают работу на больших расстояниях, но с ограниченной скоростью и небогатым набором услуг, региональные сети занимают некоторое промежуточное положение. Они используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, и предназначены для связи локальных сетей и соединения локальных сетей с глобальными. Эти сети первоначально были разработаны для передачи данных, но сейчас они поддерживают и такие услуги, как видеоконференции и интегральные передачи голоса и текста.

Еще одним популярным способом классификации сетей является их классификация по масштабу производственного подразделения, в пределах которого действует сеть. Различают сети отделов, сети кампусов и корпоративные сети.

Сети отделов – это сети, которые используются сравнительно небольшой группой сотрудников, работающих в одном отделе предприятия. Эти сотрудники решают некоторые общие задачи, например ведут бухгалтерский учет или занимаются маркетингом. Считается, что отдел может насчитывать до 100–150 сотрудников.

Главной целью сети отдела является разделение локальных ресурсов – таких, как приложения, данные, лазерные принтеры и модемы. Обычно сети отделов имеют один или два файловых сервера и не более тридцати пользователей. Сети отделов обычно создаются на основе какой-либо одной сете-

вой технологии – Ethernet, Token Ring.

Сети кампусов получили свое название от английского слова campus – студенческий городок. Именно на территории университетских городков часто возникала необходимость объединения нескольких мелких сетей в одну большую сеть. Сейчас это название не связывают со студенческими городками, а используют для обозначения сетей любых предприятий и организаций.

4

Сети этого типа объединяют множество сетей различных отделов одного предприятия в пределах отдельного здания или в пределах одной территории, покрывающей площадь в несколько квадратных километров. При этом глобальные соединения в сетях кампусов не используются. Службы такой сети включают взаимодействие между сетями отделов, доступ к общим базам данных предприятия, доступ к общим факс-серверам, высокоскоростным модемам и высокоскоростным принтерам.

Именно на уровне сети кампуса возникают проблемы интеграции неоднородного аппаратного и программного обеспечения. Типы компьютеров, сетевых операционных систем, сетевого аппаратного обеспечения могут отличаться в каждом отделе. Отсюда вытекают сложности управления сетями кампусов.

Корпоративные сети называют также сетями масштаба предприятия, что соответствует дословному переводу термина enterprise-wide networks, используемого в англоязычной литературе для обозначения этого типа сетей. Сети масштаба предприятия (корпоративные сети) объединяют большое количество компьютеров на всех территориях отдельного предприятия. Они могут быть сложно связанными и покрывать город, регион или даже континент. Число пользователей и компьютеров может измеряться тысячами, а число серверов – сотнями, расстояния между сетями отдельных территорий могут оказаться такими, что становится необходимым использование глобальных связей. Для соединения удаленных локальных сетей и отдельных компьютеров в корпоративной сети применяются разнообразные телекоммуникационные средства, в том числе телефонные каналы, радиоканалы, спутниковая связь. Корпоративную сеть можно представить в виде «островков локальных сетей», плавающих в телекоммуникационной среде.

Непременным атрибутом такой сложной и крупномасштабной сети является высокая степень гетерогенности – нельзя удовлетворить потребности тысяч пользователей с помощью однотипных программных и аппаратных средств. В корпоративной сети обязательно будут использоваться различные типы компьютеров (от мэйнфреймов до персоналок), несколько типов операционных систем и множество различных приложений.

1.2.Сетевые топологии

Каждая сеть имеет характерную для нее топологию соединения узлов. Различают физическую топологию, определяющую правила физических соединений узлов (прокладку реальных кабелей), и логическую топологию, определяющую направления потоков данных между узлами сети. Логическая и физическая топологии относительно независимы друг от друга.

К основным видам физических топологий можно отнести шину, звезду, кольцо.

5

В сетях с шинной топологией каждый компьютер сети подключен к одному общему кабелю (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Сеть шинной топологии

В шинной топологии отсутствуют активные схемы передачи сигнала от одного компьютера к другому. Когда одна из машин посылает сигнал, он свободно путешествует по всей длине кабеля. Достигнув конца кабеля, сигнал отражается и идет в обратном направлении (зацикливание). Для предотвращения зацикливания сигнала в сетях с шинной топологией обязательно использование оконечной нагрузки (терминатора) на обоих концах кабеля. Сигнал, посланный одной машиной, получают все компьютеры, подключенные к шине. Принимает же его только машина, адрес которой совпал с адресом получателя, закодированном в сообщении. В каждый момент времени только один из компьютеров может передавать сигнал, остальные должны ждать своей очереди. Соответственно, пропускная способность сетей с шинной топологией невелика и ограничивается не только характеристиками кабеля, но и логической структурой сети.

Достоинства шинной топологии:

–низкая стоимость;

–простота расширения (простота подключения новых узлов и объединения двух подсетей с помощью повторителя).

Недостатки шинной топологии:

–низкая производительность;

–низкая надежность (частые дефекты кабелей и разъемов);

–сложность диагностики при разрыве кабеля или отказе разъема;

–любой дефект кабеля или разъема приводит к неработоспособности всей сети.

Из всего вышесказанного можно заключить, что шинная топология

может применяться при небольшом числе узлов в сети и невысокой степени взаимодействия между ними. Вместе с тем такая сеть отличается низкой стоимостью.

В сетях звездообразной топологии (рис. 1.2) каждый узел подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором (хабом). Концентратор передает данные от одного компьютера другому или всем остальным компьютерам сети.

6

Топология звезды позволяет использовать для подключения компьютеров различные типы кабелей. Наличие концентратора чаще всего делает возможным использование нескольких типов кабелей одновременно.

Рис. 1.2. Сеть звездообразной топологии

Достоинства звездообразной топологии:

–более высокая пропускная способность по сравнению с шинной топологией;

–выход из строя одного узла или нескольких узлов не влияет на работоспособность остальной сети;

–легкость включения в сеть новых узлов;

–возможность использования коммутатора (для фильтрации трафика, а также для мониторинга сети) вместо хаба;

–возможность использования в одной сети нескольких типов кабелей;

–легкость создания подсетей путем приобретения дополнительного концентратора, подсоединения к нему машин и соединения концентраторов между собой.

Недостатки звездообразной топологии:

–ограниченная возможность увеличения числа узлов сети (ограничивается количеством портов концентратора);

–зависимость работоспособности сети от состояния концентратора;

–высокий расход кабеля (отдельный кабель для подключения каждого компьютера);

–более высокая стоимость по сравнению с шинной топологией (затра-

ты на хаб и кабель).

Таким образом, сети звездообразной топологии целесообразно прокладывать в зданиях (помещениях), в которых от каждого компьютера можно проложить кабель до концентратора. При планировании такой сети особое внимание следует уделить выбору концентратора.

В сетях с кольцевой топологией (рис. 1.3) каждый компьютер подключается к общему сетевому кабельному кольцу, по которому передаются данные (в одном направлении).

7

формация. Логическая шина реализуется на физической топологии шины, звезды.

В логическом кольце информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает данные только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу. Узел транслирует дальше по сети любую информацию, а обрабатывает только адресуемую ему. Реализуется на физической топологии кольца или звезды с внутренним кольцом в концентраторе.

1.3.Эталонная модель OSI

Универсальный тезис о пользе стандартизации, справедливый для всех отраслей, в компьютерных сетях приобретает особое значение. Суть сети – это соединение разного оборудования, а значит, проблема совместимости является одной из наиболее острых.

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем, ставшая своего рода универсальным языком сетевых специалистов.

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный прием – декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей. Процедура декомпозиции включает в себя четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу, и интерфейсов между ними. В результате достигается логическое упрощение задачи, а кроме того, появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы.

1.3.1. Уровни и протоколы

При декомпозиции часто используют многоуровневый подход. Он заключается в следующем. Все множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерархию, то есть имеются вышележащие и нижележащие уровни. Множество модулей, составляющих каждый уровень, формируют таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, 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. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате иерархической деком-

9

позиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой замены.

Средства сетевого взаимодействия, конечно, тоже могут быть представлены в виде иерархически организованного множества модулей. При этом модули нижнего уровня могут, например, решать все вопросы, связанные с надежной передачей электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, пользуясь для этого средствами упомянутого нижележащего уровня. А на верхнем уровне работают модули, предоставляющие пользователям доступ к различным службам – файловой, печати и т.п. Конечно, это только один из множества возможных вариантов деления общей задачи организации сетевого взаимодействия на частные подзадачи.

Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют две машины, то есть в данном случае необходимо организовать согласованную работу двух «иерархий». При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого – уровня передачи битов – до самого высокого, реализующего сервис для пользователей сети.

Процедура взаимодействия двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы – модулей соседних уровней в одном узле.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются

10