Учебное пособие по информатике

находящихся внутри сети, а также переадресацию – передачу пакетов в другую сеть в соответствии с таблицей маршрутизации или во все другие сети при отсутствии адресата в таблице. Таблица маршрутизации обычно составляется в процессе самообучения по адресу источника приходящего пакета.

Маршрутизатор (router) – средство обеспечения связи между узлами различных сетей, использует сетевые (логические) адреса. Сети могут находиться на значительном расстоянии, и путь, по которому передается пакет, может проходить через несколько маршрутизаторов. Сетевой адрес интерпретируется как иерархическое описание местоположения узла. Маршрутизаторы поддерживают протоколы сетевого уровня: IP, IPX, X.25, IDP. Мультипротокольные маршрутизаторы (более сложные и дорогие) поддерживают несколько протоколов одновременно для гетерогенных сетей. Brouter (Bridging router) – комбинация моста и маршрутизатора, оперирует как на сетевом, так и на канальном уровне.

Основные характеристики маршрутизатора:

-тип: одноили многопротокольный, LAN или WAN, Brouter;

-поддерживаемые протоколы;

-пропускная способность;

-типы подключаемых сетей;

-поддерживаемые интерфейсы (LAN и WAN);

-количество портов;

-возможность управления и мониторинга сети.

Шлюз (Gateway) – средство соединения существенно разнородных сетей. В отличие от повторителей, мостов и маршрутизаторов, прозрачных для пользователя, присутствие шлюза заметно. Шлюз выполняет преобразование форматов и размеров пакетов, преобразование протоколов, преобразование данных, мультиплексирование. Обычно реализуется на основе компьютера с большим объемом памяти.

Шлюзы бывают: Fax – обеспечивает доступ к удаленному факсу, преобразуя данные в факс-формат; E-mail – обеспечивает почтовую связь между локальными сетями; Internet – обеспечивает доступ к глобальной сети Internet.

4. Линии связи в локальных сетях

Средой ередачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.

Витые ары роводов используются в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет

141

собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов. Обычно в кабель входит две или четыре витые пары, рис. 46.

Рис. 46. Кабель с витыми арами

Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку, рис. 47.

Рис. 47. Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5–3 раза). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Сейчас его применяют реже, чем витую пару. Стандарт EIA/TIA-568 включает в себя только один тип коаксиального кабеля, применяемый в сети Ethernet.

Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях

стопологией типа шина. Реже коаксиальные кабели применяются в сетях

стопологией звезда (например, пассивная звезда в сети Arcnet).

В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая пара или оптоволоконный кабель. И новые стандарты на кабельные системы уже не включают его в перечень типов кабелей.

О товолоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя

142

типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля, рис. 48. Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1–10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна.

Рис. 48. Структура о товолоконно о кабеля

В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или

143

ввентиляционных шахтах, искать и устранять повреждения). К тому же компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.

Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит

всекунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования). Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают

проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и т. д.). В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.

Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность.

Для локальных бес роводных сетей (WLAN – Wireless LAN)

в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.

Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты). Они могут использоваться во временных офисах или в других местах, где прокладка кабелей неосуществима, а также в качестве дополнения к имеющейся проводной локальной сети, призванного обеспечить пользователям возможность работать, перемещаясь по зданию.

Популярная технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точка досту а, Access Point, AP) или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Для примера на рис. 49 показано объединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Важно, что многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что существенно упрощает их подключение к беспроводной сети. Радиоканал широко применяется в глобальных сетях, как для наземной, так и для спутниковой связи. В этом применении у радиоканала нет конкурентов, так как радиоволны могут дойти до любой точки земного шара.

144

строить вышки – допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями).

Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом – нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.

Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5–10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, не достигается, также требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях довольно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферией (интерфейс IrDA).

Bluetooth или блютуc – производственная спецификация беспроводных персональных сетей. Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе от 10 до 100 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне, который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4–2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты. Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот

146

алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

GPRS (General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования) – надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет.

При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы, такая технология предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM. При этом, что является приоритетом передачи – голосовой трафик или передача данных – выбирается оператором связи. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных, теоретический максимум при всех занятых таймслотах TDMA составляет 171,2 кбит/c. Существуют различные классы GPRS, различающиеся скоростью передачи данных и возможностью совмещения передачи данных с одновременным голосовым вызовом.

Абоненту, подключенному к GPRS, предоставляется виртуальный канал, который на время передачи пакета становится реальным, а в остальное время используется для передачи пакетов других пользователей. Поскольку один канал могут использовать несколько абонентов, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, и, как следствие, задержка связи. Например, современная версия программного обеспечения контроллеров базовых станций допускает одновременное использование одного таймслота шестнадцатью абонентами в разное время и до 5 (из 8) таймслотов на частоте, итого – до 80 абонентов, пользующихся GPRS на одном канале связи (средняя максимальная скорость при этом 21,4*5/80 = 1,3 кбит/с на абонента). Другой крайний случай – пакетирование таймслотов в один непрерывный с вытеснением голосовых абонентов на другие частоты (при наличии таковых и с учётом приоритета). При этом телефон, работающий в режиме GPRS, принимает все пакеты на одной частоте и не тратит времени на переключения. В этом случае скорость передачи данных достигает максимально возможной.

Технология GPRS использует GMSK-модуляцию. В зависимости от качества радиосигнала, данные, пересылаемые по радиоэфиру, кодируются по одной из 4-х кодовых схем (CS1 – CS4). Каждая кодовая схема характеризуется избыточностью кодирования и помехоустойчивостью, и выбирается автоматически в зависимости от качества радиосигнала.

147

HSPA (High Speed Packet Access – высокоскоростная пакетная передача данных) – технология беспроводной широкополосной радиосвязи, использующая пакетную передачу данных и являющаяся надстройкой к мобильным сетям WCDMA/UMTS. Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек (скорость передачи данных от базовой станции на всех локальных абонентов) и до 5,8 Мбит/сек от абонента.

Если говорить о возможных топологиях, то наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа шина, в которой информация передается одновременно всем абонентам. Но при использовании узконаправленной передачи и/или частотного разделения по каналам можно реализовать любые топологии (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.

5. Глобальная сеть Интернет

Одной из первых глобальных сетей является АРПА, созданная 50-ю университетами и фирмами США. 2 января 1969 года Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA – Advanced Research Projects Agency), являющееся одним из подразделений Министерства обороны США, начало работу над проектом связи компьютеров оборонных организаций. В результате была создана сеть ARPANET. Задачи этой сети:

-обеспечить сохранность коммуникаций в случае ядерной атаки противника;

-облегчить сотрудничество различных исследовательских

учреждений.

ARPANET обеспечивала связь между университетами, военными учреждениями и предприятиями оборонной промышленности. В случае разрушения одной или нескольких линий связи система должна была уметь переключаться на другие линии.

Потом появилась сеть NSFNET (NSF – National Science Foundation),

объединяющая научные центры США. Основой сети служили 5 суперкомпьютеров, соединенных между собой высокоскоростными линиями связи. Все остальные пользователи могли подключиться к сети и использовать возможности этих суперкомпьютеров. В 1987 году был создан хребет сети NSFNET, состоящий из 13 центров, расположенных в разных частях США. Позже NSFNET поглотила ARPANET и в 1990 году появилась сеть Интернет в США.

В Европе сначала были разработаны и внедрены международные сети EIN и Евронет, затем появились национальные сети. В 1972 году в Вене была создана сеть МИПСА, в 1979 г. к ней присоединились 17 стран Европы, СССР, США, Канада, Япония. Она создана для проведения фундаментальных работ по проблемам энергетики, продовольствия, сельского хозяйства, здравоохранения и т.д.

148

ВСССР первая сеть разработана в 60-х годах в Академии наук

вЛенинграде. В 1985 году к ней присоединились региональная подсеть «Северо-запад» с академическими центрами в Риге и Москве.

Внастоящее время в мире зарегистрировано более 200 глобальных сетей, 54 из которых созданы в США, 16 – в Японии.

Организация вычислительной сети Интернет

Сеть Интернет – совокупность локальных вычислительных сетей,

удовлетворяющих протоколу TCP/IP, которая имеет общее адресное пространство, где у каждого компьютера есть свой уникальный IP-адрес.

Сетевой протокол предписывает правила работы компьютерам, подключенных к сети. Стандартные протоколы позволяют взаимодействовать разнотипным компьютерам. На канальном и сетевом уровнях используются 2 основных протокола IP – протокол Интернет и TCP – протокол управления передачей. Протокол ТСР разбивает информацию на порции, нумерует порции, чтобы при получении можно было правильно собрать информацию. Каждый пакет получает заголовок ТСР – адрес получателя, информация об исправлении ошибок, информация о последовательности передачи пакетов. Затем пакеты ТСР разделяют на еще более мелкие пакеты IP. Пакеты состоят из трех уровней: данные приложения, информация ТСР, информация IP. Перед отправкой пакета протокол ТСР вычисляет контрольную сумму. При поступлении вновь рассчитывается контрольная сумма, если пакет поврежден, то запрашивается повторная передача. Принимающая программа объединяет пакеты IP в пакеты ТСР, из которых реконструируется исходные данные.

Любой компьютер, подключенный к сети Интернет, имеет свой уникальный адрес, который несет информацию о владельце и должен иметь формат, позволяющий автоматически обрабатывать этот адрес. Для каждого компьютера устанавливается 2 адреса: 1) цифровой IP имеет длину 32 бита и предназначен для обработки таблиц маршрутов; 2) домен – символьное имя домена. Должно быть уникальным в рамках одного домена. Полное имя домена состоит из имён всех доменов, в которые он входит, разделенных точками. Например, полное имя tspu.tula.ru обозначает домен третьего уровня tspu, который входит в домен второго уровня tula.ru, который входит в домен .ru, который входит в корневой домен. Домены верхнего уровня можно разделить на несколько классов:

-домены верхнего уровня стран (.us, .uk, .ru)

-домены верхнего уровня общего назначения (.org, .edu, .com,

.net, .gov)

DNS – (Domain Name System – система доменных имён)

распределённая система (распределённая база данных), способная по запросу, содержащему доменное имя хоста (компьютера или другого сетевого устройства), сообщить IP адрес или (в зависимости от запроса) другую информацию. DNS работает в сетях TCP/IP. Как частный случай,

149

DNS может хранить и обрабатывать и обратные запросы, определения имени хоста по его IP адресу – IP адрес по таблице соответствия преобразуется в доменное имя, и посылается запрос.

Наиболее известные протоколы, используемые в сети Интернет

-HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – это протокол передачи гипертекста. Протокол HTTP используется при пересылке Webстраниц с одного компьютера на другой.

-FTP (File Transfer Protocol) – это протокол передачи файлов со

специального файлового сервера на компьютер пользователя. FTP дает возможность абоненту обмениваться двоичными и текстовыми файлами с любым компьютером сети. Установив связь с удаленным компьютером, пользователь может скопировать файл с удаленного компьютера на свой или скопировать файл со своего компьютера на удаленный.

- POP (Post Office Protocol) – это стандартный протокол почтового соединения. Серверы POP обрабатывают входящую почту, а протокол POP предназначен для обработки запросов на получение почты от клиентских почтовых программ.

-SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – протокол, который задает набор правил для передачи почты. Сервер SMTP возвращает либо подтверждение о приеме, либо сообщение об ошибке, либо запрашивает дополнительную информацию.

-TELNET – это протокол удаленного доступа. TELNET дает возможность абоненту работать на любой ЭВМ сети Интернет, как на своей собственной, то есть запускать программы, менять режим работы и т. д. На практике возможности лимитируются тем уровнем доступа, который задан администратором удаленной машины.

-IRC (англ. Internet Relay Chat) – сервисная система, при помощи которой можно общаться через сеть Интернет с другими людьми в режиме реального времени.

-DTN – протокол дальней космической связи, предназначенный для обеспечения сверхдальней космической связи.

Контрольные вопросы по теме 10

1.Какие вы знаете топологии компьютерных сетей?

2.Что представляет собой смешанная топология?

3.Сколько уровней имеет эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI?

4.На каком уровне модели взаимодействия открытых систем

работает протокол POP3?

5. Как называется устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию информационных сигналов при передаче их из ЭВМ в канал связи и при приеме в ЭВМ из канала связи?

150