Лаба 1

Министерство образования РФ

Московский Государственный Технологический Университет «СТАНКИН»

Факультет информационных технологий и систем управления МГТУ «СТАНКИН»

Кафедра «Информационные системы»

Сети ЭВМ и телекоммуникации

Сосенушкин С.Е., Назаров Д.Т.

Лабораторная работа №1

Изучение работы компьютерной сети. IP адресация. Знакомство с CLI.

Под редакцией проф. Климанова В.П.

Москва 2011

1. Цель лабораторной работы

Настоящая лабораторная работа составлена в целях изучения студентами работы компьютерной сети на смоделированном, в среде симулятора Cisco Packet Tracer, примере и закрепления полученных теоретических знаний на практическом опыте. В первой части лабораторной работы кратко приведены теоретические сведения по настоящей теме. Вторая часть содержит практические задания по вычислению IP адресов с заданными маскам, применению различных типов соединительных кабелей и работу с командной строкой. К каждому заданию прилагается план выполнения и бланк отчета, который необходимо заполнить и подписать у преподавателя. Критерием выполнения лабораторной работы является выполнение сценария Acme

LAN.

2.Теоретическое введение

2.1Сетевая модель OSI

Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model, 1978 г.) —

абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Предлагает взгляд на компьютерную сеть с точки зрения измерений. Каждое измерение обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.

2.2 Стек протоколов TCP/IP

Стеком протоколов TCP/IP называют набор сетевых протоколов, используемых

винтернет.

Вэтом стеке различают несколько уровней, и протоколы высокого уровня всегда базируются на протоколах более низких уровней.

В самом низу находятся физический уровень и канальный уровень. Пример протокола

— Ethernet, описывающий передачу данных по коаксиальному кабелю или витой паре. Протоколы этих уровней обычно реализуются на уровне железа, например в сетевой карте компьютера.

Выше идёт сетевой уровень, где находится протокол IP, описывающий структуру сети и доставку пакетов.

Ещё выше — транспортный уровень, где находится протокол TCP, использующийся для передачи данных. Эти протоколы обычно реализуются на уровне Операционной Системы.

На самом верху находится множество протоколов прикладного уровня, выполняющих конкретные прикладные задачи. Обычно они программируются в отдельных приложениях.

2.3 Технология Ethernet

Ethernet (эзернет, от англ. ether — эфир) — пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE

группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

2.4 Сетевой адаптер

Сетевая плата, также известная как сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernetадаптер, NIC (англ. network interface card) — периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В настоящее время, особенно в персональных компьютерах, сетевые платы довольно часто интегрированы в материнские платы для удобства и удешевления всего компьютера в целом.

Рис 1. Сетевой адаптер

Сетевой адаптер (рис 1) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем (OSI) в конечном узле сети — компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и MAC-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Собственно так оно и должно быть в соответствии с моделью стека протоколов IEEE 802.

2.5 Типы кабеля в СКС

2.5.1 Витая пара

Витая пара (англ. twisted pair) — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой.

Рис 2. Витая пара

Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба

провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодического сближения проводников различных пар) в кабелях UTP категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом. Витая пара (Рис 2) — один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet и Token ring. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в монтаже, является самым распространённым решением для построения проводных (кабельных) локальных сетей.

Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи разъёма «RJ45». Существует два варианта обжимки разъёма на кабеле:

∙для создания прямого кабеля — для соединения порта сетевой карты со свитчем/хабом, (Рис 3)

∙перекрёстного кабеля, имеющий инвертированную разводку контактов разъёма для соединения напрямую двух устройств одного уровня, а также для соединения компьютера с маршрутизатором (Рис 4).

Рис 3. Прямой кабель

Рис 4. Перекрёстный кабель (Crossover)

2.5.2 Оптическое волокно

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на большие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи.

Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479.

Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина — оболочка».

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду.

2.5.3 Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель (от лат. co — совместно и axis — ось, то есть «соосный»), также известный как коаксиал (от англ. coaxial), — электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана и служащий для передачи высокочастотных сигналов.

2.6 Адресация в компьютерных сетях

2.6.1 IP-адрес

IP-адрес (ай-пи адрес, сокращение от англ. Internet Protocol Address) — сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP. При связи через сеть Интернет требуется глобальная уникальность адреса, в случае работы в локальной сети требуется уникальность адреса в пределах сети. В обычных (одноадресных) адресах выделяется номер сети и номер узла в сети.

IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. В случае изолированной сети её адрес может быть выбран администратором из специально зарезервированных для таких сетей блоков адресов (192.168.0.0/16, 172.16.0.0/12 или 10.0.0.0/8). Если же сеть должна работать как составная часть Интернета, то адрес сети выдаётся провайдером либо региональным интернет-регистратором (Regional Internet Registry, RIR). Региональные регистраторы получают номера автономных систем и большие блоки адресов у IANA, а затем выдают номера автономных систем и блоки адресов меньшего размера локальным интернет-регистраторам (Local Internet Registries, LIR), обычно являющимся крупными провайдерами.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Есть два способа определения того сколько бит отводится на маску подсети, а сколько на IP-адрес.

Изначально использовалась классовая адресация (INET), но со второй половины 90-х годов XX века она была вытеснена бесклассовой адресацией (CIDR), при которой количество адресов в сети определяется маской подсети.

Иногда встречается запись IP-адресов вида 10.96.0.0/11. Данный вид записи заменяет собой указание диапазона IP-адресов. Число после косой черты означает количество единичных разрядов в маске подсети. Для приведённого примера маска подсети будет иметь двоичный вид 11111111 11100000 00000000 00000000 или то же самое в десятичном виде: 255.224.0.0. 11 разрядов IP-адреса отводятся под номер сети, а остальные 32 − 11 = 21 разрядов полного адреса — под локальный адрес в этой сети.

Итого, 10.96.0.0/11 означает диапазон адресов от 10.96.0.1 до 10.127.255.254

Запись IP-адресов с указанием через слэш маски подсети переменной длины также называют CIDR-адресом в противоположность обычной записи без указания маски, в операционных системах типа UNIX также именуемой INET-адресом.

Впротоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов:

∙если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет; этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP;

∙если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast);

∙если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например,

в сети 192.190.21.0 с маской 255.255.255.0 пакет с адресом 192.190.21.255

доставляется всем узлам этой сети. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

IP-адрес называют статическим (постоянным, неизменяемым), если он прописывается в настройках устройства пользователем, либо если назначается автоматически при подключении устройства к сети, но используется в течение неограниченного промежутка времени и не может быть присвоен другому устройству.

IP-адрес называют динамическим (непостоянным, изменяемым), если он назначается автоматически при подключении устройства к сети и используется в течение ограниченного промежутка времени, как правило, до завершения сеанса подключения.

Динамические IP-адреса также бывают виртуальными, обслуживание виртуального IP-адреса производится по технологии NAT: пользователям предоставляется возможность беспрепятственно получать информацию из сети Интернет, при этом теряется всякая возможность иного доступа к компьютеру из сети, так например, компьютер с таким ip не может использоваться в качестве веб-сервера.

2.6.2 IPv6

IPv6 (англ. Internet Protocol version 6) — новая версия протокола IP, призванная решить проблемы, с которыми столкнулась предыдущая версия (IPv4) при её использовании в Интернете, за счёт использования длины адреса 128 бит вместо 32. В настоящее время протокол IPv6 уже используется в нескольких тысячах сетей по всему миру (более 4400 сетей на февраль 2011), но пока ещё не получил столь широкого распространения в Интернете, как IPv4. В России используется почти исключительно в тестовом режиме некоторыми операторами связи, а также регистраторами доменов для работы DNS-серверов. Протокол был разработан IETF.

После того, как адресное пространство в IPv4 закончится, два стека протоколов

— IPv6 и IPv4 будут использоваться параллельно (англ. dual stack), с постепенным увеличением доли трафика IPv6 по сравнению с IPv4. Такая ситуация станет возможной из-за наличия огромного количества устройств, в том числе устаревших, не поддерживающих IPv6 и требующих специального преобразования для работы с устройствами, использующими только IPv6.

Иногда утверждается, что новый протокол может обеспечить по 5·1028 адресов на каждого жителя Земли. Это число получается, если разделить количество всех возможных адресов IPv6 на население нашей планеты. Однако такое огромное адресное пространство IPv6 было введено ради иерархичности адресов (это упрощает маршрутизацию) и большая его часть в принципе не будет задействована. Тем не менее, увеличенное пространство адресов сделает NAT необязательным. Классическое применение IPv6 (по сети /64 на абонента; используется только unicast-адресация) обеспечит возможность использования более 300 млн IP-адресов на каждого жителя Земли.

Из IPv6 убраны вещи, усложняющие работу маршрутизаторов:

∙Маршрутизаторы больше не разбивают пакет на части (возможно разбиение пакета с передающей стороны). Соответственно, оптимальный MTU придётся искать через Path MTU discovery. Для лучшей работы протоколов, требовательных к потерям, минимальный MTU поднят до 1280 байтов. Информация о разбиении пакетов вынесена из основного заголовка в расширенные;

∙Исчезла контрольная сумма. С учётом того, что канальные (Ethernet) и транспортные (TCP) протоколы тоже проверяют корректность пакета, контрольная сумма на уровне IP воспринимается как излишняя. Тем более каждый маршрутизатор уменьшает hop limit на единицу, что в IPv4 приводило к пересчёту суммы.

Несмотря на огромный размер адреса IPv6, благодаря этим улучшениям заголовок пакета удлинился всего лишь вдвое: с 20 до 40 байт.

Улучшения IPv6 по сравнению с IPv4:

∙На сверхскоростных сетях возможна поддержка огромных пакетов (джамбограмм) — до 4 гигабайт;

∙Time to Live переименовано в Hop Limit;

∙Появились метки потоков и классы трафика;

∙Появилось многоадресное вещание;

∙Протокол IPSec из желательного превратился в обязательный.

2.7 Сетевой маршрутизатор

Маршрутизатор или роутер — сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.

Рис 5. SOHO роутер

Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы (рис 6) могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т. д.

Рис 6. Производственный маршрутизатор и IP телефон

Особенностью новых моделей современных SOHO-маршрутизаторов (Рис 5) является предоставление доступа к Интернету по технологии 3G с помощью USBмодема. В случае, когда физическое соединение прерывается, маршрутизатор может автоматически переключаться на работу в 3G-сеть.

2.8 Сетевой коммутатор

Сетевой коммутатор или свитч — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор (рис 7) передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Рис 7. Домашний свитч

Коммутатор (Рис 8) работает на канальном уровне модели OSI и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам.

Рис 8. Управляемый 48 портовый коммутатор

Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

2.9 Cisco Systems

Cisco Systems, Inc., также Cisco — американская транснациональная компания, разрабатывающая и продающая сетевое оборудование. Стремится представить полный спектр сетевого оборудования, и таким образом предоставить возможность клиенту закупить абсолютно всё необходимое сетевое оборудование исключительно у Cisco Systems.

Одна из крупнейших в мире компаний специализирующихся в области высоких технологий. Одна из наиболее успешных компаний интернет-эры. Изначально занималась только корпоративными маршрутизаторами. Cisco называет себя «мировым лидером в области сетевых технологий, предназначенных для сети Интернет».