Лекции по информатике

Сетевые технологии

Компьютерная сеть (Network) - совокупность компьютеров и других сетевых устройств, объединенных между собой средой передачи данных и коммуникационным оборудованием. В качестве среды передачи данных кабели различных типов (проводные) или радио-эфир (беспроводные).

По территориальной распространенности сети разделяют:

-PAN (Personal Area Network - персональная сеть) - предназначена для взаимодействия устройств, принадлежащих одному владельцу;

-LAN (Local Area Network - локальная сеть) - имеет замкнутую инфраструктуру:

-не более 10км в радиусе дислокации,

-доступ разрешен ограниченной группе пользователей;

-CAN (Campus Area Network - районная сеть) - объединяет локальные сети близко расположенных зданий;

-MAN (Metropolitan Area Network - городская сеть) - объединяет локальные сети одного или нескольких городов;

-WAN (Wide Area Network - глобальная сеть) - покрывает большие географические регионы, включающие в себя различные локальные сети. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание широкого круга пользователей.

По типу функционального взаимодействия:

-Клиент-сервер - функциональная сетевая архитектура, в которой поставщики сетевых ресурсов, называемые серверами (Server), выполняют обработку запросов заказчиков, называемых клиентами (Client);

Note: Преимущества архитектуры клиент-сервер:

-Экономия ресурсов клиентов;

-Минимальные требования к возможностям и типам клиентов;

-Высокая степень защищённости данных;

-Удобство контроля сетевых/общих ресурсов.

Недостатки архитектуры клиент-сервер :

-Высокие требования к возможностям сервера;

-Низкая степень отказоустойчивости;

-Высокая стоимость введения в эксплуатацию.

-Одноранговая, децентрализованная или пиринговая (P2P, Peer-to-Peer - равный к равному) сеть - функциональная сетевая архитектура, основанная на равноправии участников. В данной архитектуре каждый узел (Peer) является как клиентом и сервером одновременно;

-Смешанная сеть - функциональная сетевая архитектура комбинирующая различные способы взаимодействия узлов.

Сетевая топология

Сетевая топология (Network topology) - описание конфигурации сети, как схемы коммутации и расположения сетевых устройств.

Сетевая топология может быть:

-физической - описывает реальное расположение узлов и коммутацию между ними;

-логической - описывает прохождение сигнала в рамках физической топологии. Выделяют 3 базовые топологии:

-Шина / магистраль (Bus) - предполагает использование одного кабеля соединяющего всех абонентов сети. На концах кабеля находятся терминаторы (прерыватели), предотвращающие отражение сигнала. Информацию передаётся по очереди, потому что в противном случае возникают искажения в результате наложения сигналов, т.е. реализуется режим полудуплексного обмена - в двух направлениях по очереди;

Note: Дуплекс / полу дуплекс (Duplex / Half Duplex ) - режимы работы приёмопередающих устройств:

-В режиме дуплекса устройства могут передавать и принимать данные одновременно, по двум каналам связи, разделённым физически;

-В режиме полу дуплекса идет временное разделение.

Note: Достоинства топологии шина:

-Малое время и стоимость введения в эксплуатацию;

-Высокая отказоустойчивость по причине неисправностей клиентов. Недостатки топологии шина:

-Низкая отказоустойчивость то причине неисправностей канала связи (кабеля и терминаторов);

-Сложная локализация неисправностей;

-Плохое масштабирование (падение производительности при увеличении числа клиентов, ограничения по длине сегментов).

-Кольцо (Ring) - каждый клиент соединен с двумя другими: от одного из которых он только получает информацию, а другому только передает. Клиенты при топологии кольцо не являются полностью

41

равноправными, т.к. одни получают информацию раньше, а другие - позже. Note: Достоинства топологии кольцо:

-Простота введения в эксплуатацию;

-Отсутствие падения скорости при интенсивной загрузке сети. Недостатки:

-Низкая отказоустойчивость по причине неисправностей клиентов;

-Сложность настройки и локализации неисправностей;

-Необходимость иметь два коммуникационных порта (сетевые платы), на каждом клиенте.

-Звезда (Star) - все клиенты соединены с центральным узлом, образуя сегмент сети, который может функционировать отдельно или в составе более сложной топологии. Обмен информацией идет исключительно через центральный узел.

Note: Выделяют два типа топологии звезда:

-Активная звезда - центральным узлом выступает сервер или иное активное оборудование;

-Пассивная звезда - центральным узлом выступает концентратор или коммутатор.

Note: Достоинства топологии звезда:

-Высокая отказоустойчивость по причине неисправностей клиентов;

-Хорошее масштабирование сети;

-Лёгкая локализация неисправностей;

-Относительно высокая производительность сети;

-Гибкие возможности настройки. Недостатки топологии звезда:

-Низкая отказоустойчивость по причине неисправностей центрального узла (сервера);

-Высокие затраты при прокладке сети;

-Высокие требования к мощности и пропускной способности центрального узла (сервера).

Рис.48. Базовые топологии шина, кольцо и звезда (соответственно).

Также существуют производные (являющиеся комбинациями базовых) топологии: двойное кольцо, решётка, дерево и т.д.

Структурированная кабельная система (СКС) - физическая инфраструктура здания, сводящая в единую систему множество сетевых информационных сервисов разного назначения: локальные вычислительные и телефонные сети, системы безопасности и т.д. Важнейшие принципы СКС - универсальность и долговечность, что позволяет создать систему прежде, чем станут известны требования пользователей, и обеспечить срок службы телекоммуникационной инфраструктуры от 10 лет и более.

Note: Стандарт ISO 11801 (Стандарт телекоммуникационной инфраструктуры коммерческих зданий) подразделяет СКС на три подсистемы:

-магистральную подсистему комплекса зданий;

-магистральную подсистему здания;

-горизонтальную подсистему.

42

Сетевые модели ISO и DoD

Сетевая модель ISO, базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection Basic Reference Model) - абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Предлагает рассматривать компьютерную сеть с точки зрения измерений, каждое из которых обслуживает определённую часть процесса взаимодействия.

Табл.6. Сетевая модель ISO.

Физический уровень модели ISO определяет стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:

-тип передающей среды;

-тип модуляции сигнала;

-уровни сигналов дискретных состояний (нуля и единицы).

На физическом уровне работают концентраторы, повторители и конвертеры сигнала.

Стандарты физического уровня: IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.11 (WiFi), IEEE 802.15 (Bluetooth) и т.д..

Канальный уровень модели ISO обеспечивает взаимодействие сетей на физическом уровне и контроль ошибок. Полученные с физического уровня данные упаковываются в кадры, проверяется их целостность (в случае ошибки формируется повторный запрос поврежденных кадров) и отправляется на сетевой уровень.

Спецификация IEEE 802 (группа стандартов IEEE, касающихся локальных вычислительных сетей). разделяет канальный уровень на два подуровня:

-MAC (Media Access Control) регулирует доступ к физической среде;

-LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. Функции канальном уровня:

-Получение доступа к среде передачи;

-Выделение границ кадра;

Note: MTU (Maximum Transmission Unit) - максимальный размер кадра, который может быть передан на канальном уровне.

- Аппаратная адресация или адресация канального уровня;

Note: MAC адрес - уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице оборудования компьютерных сетей.

-Обеспечение достоверности принимаемых данных;

-Адресация протокола верхнего уровня.

На канальном уровне работают коммутаторы, мосты и другие устройства.

Стандарты и протоколы канального уровня: IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.15 (Bluetooth), IEEE 802.11 (WiFi), PPP и т.д..

Сетевой уровень модели ISO определяет пути передачи данных, отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, коммутацию, маршрутизацию и отслеживание неполадок.

Функции сетевого уровня:

-Выбор модели соединения;

-Присвоение сетевого адреса узлу.

На сетевом уровне работают маршрутизаторы. Протоколы сетевого уровня: IP v4/v6, ICMP, IGMP, RIP.

Транспортный уровень модели ISO предназначен для доставки данных в той последовательности, в которой они были переданы (без ошибок, потерь и дублирования).

43

Протоколы транспортного уровня: SCTP, TCP, UDP и т.д..

Сеансовый уровень модели ISO отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать длительное время:

Функции сеансового уровня:

-создание / завершение сеанса,

-обмен информацией,

-синхронизация задач,

-определение прав на передачу данных,

-поддержание сеанса в период не активности. Службы сеансового уровня:

-Служба аутентификации;

-Служба контроля прав,

-Служба управления контрольными точками. Протоколы сеансового уровня: H.245, L2TP, PPTP, и т.д..

Представительский уровень модели ISO отвечает за преобразование протоколов и кодирование / декодирование (при необходимости шифровку / дешифровку) данных.

Протоколы представительского уровня: XDR и т.д..

Прикладной уровень модели ISO обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью.

Функции прикладного уровня:

-Предоставление удалённого доступа к ресурсам;

-Пересылка сообщений;

-Передача служебной информации;

-Формирование запросов к представительскому уровню.

Протоколы прикладного уровня: DNS, FTP, HTTP, IMAP, POP, SMTP, TORRENT, XMPP и т.д..

Сетевая модель DoD (Department of Defense - Министерство обороны) - модель сетевого взаимодействия, разработанная Министерством обороны США, практической реализацией которой является стек протоколов TCP/IP.

Сетевая модель DoD состоит из 4 уровней:

-Прикладной уровень (Process Layer) - соответствует 7,6 и 5 уровням модели ISO;

-Транспортный уровень (Transport Layer) - соответствует 4 уровню модели ISO;

-Межсетевой уровень (Internet Layer) - соответствует 3 уровню модели ISO;

-Уровень сетевого доступа (Network Access Layer) - соответствует 1 и 2 уровням модели ISO.

Проводные среды коммуникации

Коаксиальный кабель (CoAxial, Co - совместно и Axis - ось) - тип электрического кабеля, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана и служащий для передачи высокочастотных сигналов.

По волновому сопротивлению по международным стандартным являются три значения:

-50Ом - наиболее распространённый тип, применяется в разных областях радиоэлектроники;

-75Ом - распространённый тип, применяется преимущественно в телевизионной и видеотехнике;

-100Ом - применяется редко, в импульсной технике и для специальных целей.

Рис.49. Коаксиальный кабель (1 - внутренняя жила, 2 - внутренний изолятор, 3 - экран, 4 - внешний изолятор).

BNC-коннектор (Bayonet Neill Concelman, British Naval Connector) - разъём для подключения коаксиального кабеля c волновым сопротивлением 50/75Ом, применяются для соединения радиоэлектронных устройств и построения сетей.

44

SMA-коннектор (SubMiniature version A) - разъём для подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50Ом, используются в СВЧ устройствах (например, антеннах).

F-коннектор - разъём для подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75Ом, применяются для передачи телевизионного и видео сигнала.

Note: Центральная жила и оплётка коаксиального кабеля могут фиксироваться в разъёмах пайкой, накруткой или обжимом.

Рис.50. Разъёмы BNC, F и SMA (соответственно).

Витая пара (Twisted Pair) - тип электрического кабеля, представляющий собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых пластиковой оболочкой.

В зависимости от наличия защиты - электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности:

-Не экранированная Витая Пара (UTP - Unshielded Twisted Pair) - без защитного экрана;

-Фольгированная Витая Пара (FTP - Foiled Twisted Pair) - внешний экран из фольги;

-Экранированная Витая Пара (STP - Shielded Twisted Pair) - экран для каждой пары и общий внешний экран из медной сетки;

-Фольгированная Экранированная Витая Пара (S/FTP - Screened Foiled Twisted Pair) - внешний экран из медной сетки, каждая пара в экране из фольги.

Экранирование обеспечивает защиту от электромагнитных наводок как внешних, так и внутренних. Экран по всей длине соединен с не изолированным проводом, который объединяет экран в случае разделения на секции.

Note: Существует несколько категорий кабеля витая пара:

-1 - телефонный кабель, 1 пара проводников; используется для передачи голоса или данных при помощи модема;

-2 - 2 пары проводников, устаревший тип;

-3 - 4 пары проводников, используется при построении телефонных и локальных сетей;

-4-7 - 4 пары проводников, используется при построении локальных сетей.

Каждая отдельно взятая пара, входящая в состав кабеля, должна иметь волновое сопротивление 100±25Ом.

Рис.51. Неэкранированная витая пара (1 - внешний изолятор, 2 - пара витых проводников). RJ11 (Registered Jack) - стандартизированный физический интерфейс, используемый для соединения телекоммуникационного оборудования. RJ11 использует модульные вилку и розетку типа 6P2C (6 Position 2 Contact - 6 контактов 2 проводника).

8P8C (8 Position 8 Contact - 8 контактов 8 проводников) - унифицированный разъём, используемый в телекоммуникациях, имеет 8 контактов и защёлку. Используется для создания сетей с использованием 4-парных кабелей витой пары.

Note: термин RJ45 ошибочно употребляется для именования разъёма 8P8C - настоящий RJ45 физически несовместим с 8P8C, так как использует схему 8P2C с ключом. Это вызвано тем, что

45

настоящий RJ45 не получил широкого применения, а внешним похож с 8P8C.

Рис.52. Разъёмы 6P2C и 8P8C (соответственно). Существует два варианта обжима разъёма 8P8C на кабеле:

-прямой кабель - для соединения сетевой платы с концентратором;

-перекрёстный (MDI-X) кабель - для соединения напрямую двух сетевых плат, а также некоторых устаревших моделей концентраторов.

Рис.53. Типы обжима 8P8C.

Оптическое волокно (Optical Fibre) - нити оптически прозрачного вещества, используемые для переноса световых импульсов по средствам полного внутреннего отражения. Оптические волокна могут быть Одномодовыми (Single Mode) и Многомодовыми (Multi Mode).

Note: Мода (Mode) - одна из возможных траекторий, по которой свет распространяется в волокне. Note: Оптические волокна изготавливают из:

-кварцевого и халькогенидного стекла,

-фторцирконата и фторалюмината,

-полиметилметакрилата с оболочкой из фторполимеров.

Диаметр одномодовых волокон составляет 7-10мк благодаря чему достигается передача одной моды излучения, что исключается дисперсионные искажения. Существует 3 основных типа одномодовых волокон:

-Одномодовое Ступенчатое Волокно с Несмещённой дисперсией (SMF - Step Index Single Mode Fiber), ITU-T G.652;

-Одномодовое Волокно со Смещённой дисперсией (DSF - Dispersion Shifted Single Mode Fiber), ITU-T G.653;

-Одномодовое Волокно с Ненулевой Смещённой дисперсией (NZDSF - Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), ITU-T G.655.

Note: ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Sector) - телекоммуникационный сектор стандартов Международного союза электросвязи.

Диаметр многомодовых волокон составляет 50-62,5 микрон, что позволяет распространять несколько мод излучения (каждая под своим углом).

46

Рис.54. Оптическое волокно

(1 - сердцевина (A - одномодовое волокно, B - многомодовое), 2 - оболочка, 3/4 - внутренний/внешний изолятор).

Оптический коннектор применяется для стыковки оптических волокон с телекоммуникационным оборудованием. Оптический коннектор состоит из корпуса, внутри которого расположен наконечник с продольным концентрическим каналом. Диаметр канала зависит от типа оптического волокна, наконечник изготавливается из диоксида циркония.

Note: Сборка оптического коннектора:

-волокно без оболочки вставляется в канал и фиксируется;

-выступающий конец волокна скалывается параллельно поверхностью торца;

-торец полируется и совмещается с корпусом разъема;

-волокно закрепляется в оптическом коннекторе с помощью эпоксидной смолы.

SC коннектор - наконечник диаметром 2,5мм. Вилка центрирует наконечник в корпусе разъема. Может объединяться в модуль, состоящий из нескольких разъемов для дуплексного соединения. Имеет ключ, предотвращающий неправильное соединение. Уровень вносимых потерь ~0,3dB.

FC коннектор - наконечник диаметром 2,5 мм. Для фиксации используется накиданная гайка с резьбой. Пружинный наконечник не связан жестко с корпусом, что обеспечивает повышенную надежность. Уровень вносимых потерь <0,4dB.

FDDI коннектор - два керамических наконечника 2,5мм. Механизм боковых защелок и кожух защищают наконечники от случайных повреждений, а плавающий стык обеспечивает плотное сочленение. Уровень вносимых потерь ~0,3dB.

E-2000/F-3000 коннектор - наконечник диаметром 2,5/1,25мм. Для разъединения требуется ключ. После разъединения коннектора, отверстие закрывают шторки. Уровень вносимых потерь <0,4dB.

Рис.55. Разъёмы SC, FC, FDDI и E-2000/F-3000 (соответственно).

Ethernet (Ether - Эфир) - пакетная технология передачи данных LAN. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде на канальном уровне модели ISO. Ethernet описывается стандартами IEEE 802.3 и является наиболее распространённой технологией LAN.

47

PoE (Power over Ethernet) - технология, позволяющая передавать удалённому устройству вместе с данными электроэнергию через витую пару. Данная технология предназначается для концентраторов, маршрутизаторов и других сетевых устройств, к которым невозможно подвести электрический кабель. Технология PoE описана стандартами:

-IEEE 802.3af - обеспечивает максимальную мощность 15W через две пары проводников;

-IEEE 802.3at - обеспечивает максимальную мощность 25W через одну пары проводников.

хDSL (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия) - семейство технологий, позволяющих повысить пропускную способность абонентской телефонной линии путём использования линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений. Передача данных по технологии xDSL реализуется через аналоговую телефонную линию при помощи DSL модема и мультиплексора доступа (DSLAM - DSL Access Multiplexer), находящегося на АТС, канал между которыми не имеет ограничений присущих телефонной сети.

Беспроводные среды коммуникации

Bluetooth (Синий Зуб - назван в честь Гаральда Синезубого) - спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless PAN); обеспечивающая обмен данными между ПК, мобильными и периферийными устройствами на общедоступной радиочастоте ближней связи (в радиусе до 200м).

Спецификации Bluetooth:

Bluetooth 1.2 (2003) - спецификация утверждена как стандарт IEEE 802.15. Достоинства:

-Быстрое подключение и обнаружение;

-Адаптивная перестройка частоты (AFH) повышает стойкость к помехам;

-Повышение скорости передачи данных до 721Kb/s;

-Расширенные синхронные подключения (eSCO) улучшают передачу аудио, благодаря управлению потоком и повторению повреждённых пакетов.

48

Bluetooth 2.1 + EDR (2007) - спецификация совместима с Bluetooth 1.x и поддерживает EDR. Достоинства:

-Скорость передачи до 2,1Mb/s;

-Возможность нескольких одновременных подключений;

-Пониженное энергопотребление (Sniff Subrating - время работы увеличено в 3-10 раз);

-Технология расширенного запроса характеристик устройств;

-Ускоренная установка связи между (Near Field Communication - обновление ключа шифрования без разрыва соединения).

Bluetooth 3.0 + HS (2009) - спецификация объединяет 2 радиосистемы:

-первая обеспечивает скорость передачи данных до 3Mb/s (совместимость с Bluetooth 2.x) и имеет низкое энергопотребление;

-вторая совместима с 802.11 и обеспечивает скорость передачи данных до 24Mb/s.

Note: Выбор радиосистемы зависит от размера передаваемых данных.

Note: Bluetooth 3.0 использует общий стандарт 802.11 несовместимый со спецификациями Wi-Fi. Bluetooth 4.0 (2010) - спецификация включает:

-Классический Bluetooth (Classic Bluetooth) поддерживает совместимость с оборудованием предыдущих спецификаций Bluetooth;

-Высокоскоростной Bluetooth (High Speed Bluetooth) основан стандарте 802.11 и совместим с Wi-Fi;

-Bluetooth с низким энергопотреблением (Bluetooth Low Energy) предназначен для миниатюрных электронных датчиков, низкое энергопотребление достигается за счёт включения передатчика только на время отправки данных.

Wi-Fi (Wireless Fidelity - Высокая точность беспроводной передачи данных) - торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе IEEE 802.11. Схема Wi-Fi сети содержит не менее 1 точки доступа и не менее 1 клиента (Infrastructure). Точка доступа задаёт свой идентификатор сети (SSID - Service Set IDentification) с помощью специальных пакетов на скорости 0,1Mb/s. Также возможно подключение 2 клиентов напрямую в режиме точка-точка (Ad-Hoc).

Note: Стандарт не описывает все аспекты построения сетей Wi-Fi, поэтому возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей (WLAN).

По способу объединения точек доступа:

-Автономные точки доступа (децентрализованные);

-Точки доступа, работающие под управлением контроллера (централизованные);

-Безконтроллерные, но не автономные.

По способу организации и управления радиоканалами:

-Со статическими настройками радиоканалов;

-С динамическими настройками радиоканалов;

-С многослойной структурой радиоканалов.

IEEE 802.11 - набор стандартов связи, для коммуникации беспроводной локальной сети частотных диапазонов 2.4 и 5-5.9ГГц.

49

Табл. 8. Частоты каналов стандарта WiFi (IEEE 802.11).

MIMO (Multiple Input Multiple Output - много входов много выходов) - компонент стандарта 802.11n/ac применяющий пространственное мультиплексирование с целью одновременной передачи нескольких потоков данных по одному каналу, а также многолучевое отражение, обеспечивающее доставку данных соответствующему получателю с минимальной вероятностью помех и потерь.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств. Основана на стандарте IEEE 802.16 WMAN, максимальная скорость до 1Гб/с.

WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks - беспроводные сети масштаба города, предоставляющие широкополосный доступ через радиоканал.

IEEE 802.16a - стандарт связи описывающий WMAN, использует диапазон частот 2-11ГГц, поддерживает топологию P2MP (Point-to-Multipoint - точка к множественной точке), технологии FDD (Frequency-Division Duplex - дуплексная передача с частотным разделением) и TDD (Time-Division Duplex - дуплексная передача с временным разделением). Стандарт определяет пропускную способность 120Mb/s на канал в 25МГц.

Рис.56. Логотипы Bluetooth (802.15), WiFi (802.11) и WiMax (802.16a) (соответственно).

Сетевое оборудование

Сетевое оборудование - устройства, необходимые для работы компьютерной сети. Можно выделить активное и пассивное сетевое оборудование.

Коммутационная панель, Кросс панель, Патч панель - панель со множеством соединительных разъёмов, расположенных на лицевой стороне и контактами, предназначенными для фиксированного соединения, на тыльной.

Повторитель, Репитер (Repeater) - сетевое устройство увеличивающее расстояние соединения усилением электрического сигнала.

Концентратор, Хаб (Hub - центр) - многопортовый повторитель.

50