11. Введение в сетевые технологии
11.1 Локальные и глобальные сети.
Как известно, в “классическом” варианте компьютер представляет собой устройство, применяемое для сбора, анализа и переработки информации. Но информация не ценна сама по себе - без человека она ничто. Основа человеческого общения - обмен информацией. В том числе - закодированной в виде последовательности байт... Не так давно, когда компьютер с 286-ым процессором, 40 Mb винчестером и 2Мб ОЗУ вызывал восхищенные возгласы, проблемы обмена информацией между компьютерами практически не существовало - обычной дискеты емкостью 1.44 Mb было вполне достаточно для того, чтобы перенести на другой компьютер небольшой файл. В дальнейшем, по мере увеличения мощности вычислительных систем, усложнения архитектуры компьютеров и увеличения емкости их памяти, эта проблема начала вставать все более и более остро. (Представьте себе, что вам надо передать коллегам файл объемом 12 Mb). Кроме этого, не менее остро встала еще одна проблема – синхронизация различных версий одного и того же файла, модифицированного разными людьми. Представьте себе ситуацию, когда файл с прайс-листом фирмы одновременно на дискете передается во все отделы фирмы, каждый отдел вносит в него свои правки, а затем... секретарь пытается сделать из пяти - семи файлов один. Выходом из создавшегося положения явилась идея объединения компьютеров в компьютерную сеть. Такое решение позволило пользователям просто обмениваться файлами практически неограниченного размера, совместно работать над одним и тем же файлом, который располагался на удаленной машине (которая обычно называется файл-сервером), предоставило массу дополнительных удобств, таких, как, например, локальный чат, on-line конференции и т.д.
В настоящее время компьютерные сети используются не только с файл-серверами, но также и с серверами приложений. Сервер приложений – это мощный компьютер, работающий в локальной сети, на котором располагается программное обеспечение, с которым могут работать пользователи. Существует два принципиально различных варианта работы сервера приложений – в первом случае приложение загружается по сети в память машины пользователя и выполняется там, во втором – выполняется непосредственно на сервере, на компьютере пользователя отображаются лишь результаты этой работы (так называемый “режим терминала”). Интересной особенностью, связанной с серверами приложений, является возможность удаленной загрузки компьютера пользователя, то есть такой ситуации, не только приложения, но и операционная система располагается на сервере. Необходимо отметить, что для того, чтобы такой вариант работал, необходимо на машине пользователя иметь сетевую карту с сетевым ПЗУ.
Еще один немаловажный плюс компьютерной сети – это совместная работа с периферийными устройствами. Например, в большинстве офисов нет острой необходимости в подключении принтера к каждому рабочему месту – вполне достаточно одного-двух на весь офис. При этом для пользователя, работающего на компьютере без принтера, это устройство будет “выглядеть” так же, как если бы оно было подключено непосредственно к его компьютеру. Однако периферийное устройство – это не обязательно принтер, сканер или вообще любое устройство, физически вынесенное за пределы корпуса компьютера. Например, вовсе не обязательно устанавливать на каждой рабочей станции привод CD-ROM – достаточно иметь два-три привода на весь офис.
Локальные сети.
Так что же такое локальная сеть? Как это не парадоксально, не существует точного (или, по крайней мере, общепринятого) определения для этого явления компьютерного мира. Одним из наиболее распространенных определений локальной сети считается следующее: “Локальная сеть – это группа соединенных между собой компьютеров, располагающихся в некоторой ограниченной области”. Кроме этого термина, применительно к локальным сетям, можно услышать термин “LAN” (local area network). Термином LAN принято обозначать локальную сеть, не выходящую за пределы одного здания, тогда как под термином WAN обычно понимают локальную сеть, располагающуюся в нескольких зданиях. Вообще говоря, WAN это не совсем локальная сеть,– например, компьютерную сеть со сложной разветвленной структурой, соединяющую шесть или семь сотен компьютеров в пятнадцати корпусах университета, вряд ли можно назвать “локальной”.
Рассмотрим теперь логические принципы организации сети. Сначала необходимо уточнить, что логическая и физическая структура сети – это не совсем одно и то же. Логически сеть функционирует на уровне передачи пакетов данных, физически – на уровне передачи электрических сигналов или иных сигналов. На компьютере пользователя, подключенного к сети, обязательно должна присутствовать устройство, называемое сетевой картой (network adapter), позволяющей принимать электрические сигналы из сети и посылать их в сеть. В операционной системе (либо, что встречается гораздо реже, в программном обеспечении компьютера пользователя, называемого также клиентом), должна присутствовать часть, называемая драйвером сетевой карты, которая преобразует информацию, представленную сетевой картой, в пакеты данных, которые и обрабатываются компьютером.
На логическом уровне сеть может быть разделена на отдельные связанные между собой элементы, которые принято называть подсетями или сегментами сети. Теоретически в сети может находиться сколь угодно много таких элементов, объединенных в сложную структуру, но в конечном итоге любой такой элемент представляет собой сеть, организованную по принципу “звезда” или “кольцо”. Отличие между такими способами организации сети очевидны – при соединении компьютеров по принципу “кольцо” каждый компьютер соединяется только с двумя соседними, и все. При организации сети по принципу “звезда” каждый компьютер соединен с каждым из компьютеров в сети. Традиционно организация сети по принципу “звезда” считается более надежной, чем организация сети по принципу “кольцо” – в последнем случае, если происходит обрыв связи между какими-либо компьютерами, то работоспособность оставшейся части сети нарушается (возникают так называемые “паразитные пакеты”). При организации сети по принципу “звезда”, в случае обрыва связи между компьютером и сетью не происходит глобальной потери работоспособности сети. (Компьютеры, соединенные в сеть, просто “не видят” компьютер, находящийся за обрывом, и все). Хотя такая ситуация также неприятна (представьте себе, что нарушился контакт между сетью и компьютером, к которому подключен сетевой принтер), но при ее возникновении гораздо меньше времени тратится на ее ликвидацию, что немаловажно.
Основным элементом, позволяющим объединять компьютеры в локальные сети, является сетевой адаптер (сетевая карта). Обычно, он представляет собой плату расширения для компьютера. Физически по сети передаются электрические или оптические сигналы, в зависимости от типа кабельной системы. Каждый сетевой адаптер имеет уникальный адрес, «прошитый» в его аппаратуру. Этот адрес еще называется MAC-адресом.
Для соединения компьютеров используется кабельная система.
На сегодняшний день существует три основных типа кабеля, применяемого для монтажа: оптоволокно и “витая пара”. Коаксиальный кабель устаревает и постепенно область его применения заметно сокращается.
Коаксиальный кабель (довольно часто его еще называют кабелем BNC) представляет собой одножильный медный проводник, “упакованный” в защитную изоляцию типа “оплетка” (этот кабель очень похож на телевизионный антенный кабель). Несколько лет назад коаксиальный кабель был чуть ли не единственным доступным средством для обеспечения соединений компьютеров в сеть. Скорость передачи данных по такому кабелю не превышает 10 Мбит/сек, предельная длина прямого участка без повторителя – 185 метров. Кроме “классического”, или так называемого “тонкого” коаксиального кабеля, применяемого для монтажа большинства сетей LAN, на практике иногда применяли “толстый” коаксиальный кабель. Он отличается от “тонкого” более высокой помехозащищенностью, и, следовательно, большей длиной рабочего участка. Однако этот кабель имеет существенный недостаток – очень высокую жесткость. Поэтому его применяли в основном для создания сетевой магистрали, к которой компьютеры подключали посредством отводок тонкого коаксиального кабеля.
Соединение этого кабеля с сетью производится при помощи Т-разъема, кабеля с BNC-разъемом и терминаторов (нагрузочных сопротивлений). Т-разъем (как правило, он продается в комплекте с сетевой платой) присоединяется к ее BNC-разъему, на оставшиеся два разъема присоединяются два коаксиальных кабеля, ведущих к двум соседним машинам. В конечном итоге получается цепь последовательно соединенных компьютеров. На концах этой цепи для согласования и предотвращения образования теневых пакетов устанавливают терминаторы - нагрузочные сопротивления, чьи активные (омические) сопротивления равны волновому сопротивлению кабеля. Обычно омическое сопротивление терминатора составляет 50 Ом.
Кабель типа “витая пара” представляет собой набор скрученных попарно проводников. Такая система достаточно хорошо защищена от помех: каждый кабель по отдельности является приемником помех, но проводники “работают в скрутке”, что создает противофазные колебания (и, следовательно, затухание) помех. Все кабели типа “витая пара” в зависимости от качества разбиты на семь категорий. В настоящее время при монтаже сетей в основном используется кабель типа “витая пара пятой категории”, хотя кое-где встречаются и кабеля третьей категории. Отличие кабелей различных категорий состоит в скорости передачи данных. Так, кабели категории три обеспечивают передачу данных на скорости 10 Мбит/сек, и содержит не менее трех скруток каждого из попарных проводников на погонный фут. Кабели категории пять обеспечивают передачу данных на скорости 100 Мбит/сек, и содержат не менее пяти скруток на погонный фут. При соединении компьютеров кабелем типа “витая пара пятой категории” максимальное расстояние, на которое можно протянуть кабель без дополнительных устройств – 90-100 метров.
Кроме категорий кабеля, они отличаются по типу. Так, кабель UTP (неэкранированная витая пара) имеет пары скрученных проводников без дополнительных экранирующих оболочек, то есть он соответствует кабелю “витая пара пятой категории”. Кабель STP (экранированная витая пара) имеет пары скрученных проводников и защитную оболочку из фольги. В основном, защита проводников от помех в кабелях STP осуществляется именно за счет оболочки-экрана, а не за счет скручивания проводников друг с другом. На первый взгляд кабель STP лучше защищен от помех, чем кабель UTP, хотя на самом деле это не так: для того, чтобы обеспечить действительно эффективную защиту проводников кабеля STP, необходимо обеспечить как правильное подключение защитной оболочки, так и ее целостность, поскольку в противном случае проводники кабеля STP оказываются практически не защищенными от помех. Кроме того, с кабелем STP тяжелее работать, так как дополнительная экранирующая оболочка придает ему большую жесткость.
Оптическое волокно (оптоволокно) является на сегодняшний день самым современным, но в тоже время самым дорогим в обслуживании кабельным хозяйством. Его применение практически не ограничивает длину сегмента локальной сети, на сигналы, передаваемые с его помощью, не влияют внешние помехи, к нему сложно подсоединиться и «снять» информацию. Однако, монтаж оптоволокна очень сложен и продолжителен, а аппаратура весьма дорогостоящая. Но, несмотря на эти недостатки, оптический кабель находит все большее и большее применение в локальных сетях. Хотя в последнее время наметилась тенденция вытеснения его с рынка более новой технологией Gigabit Ethernet с использованием кабеля «Витая пара»
Следующим элементом, обеспечивающим функционирование сети, является так называемое дополнительное сетевое оборудование. Для небольших сетей таким оборудованием являются повторители, концентраторы и коммутаторы, для средних и больших в этот список добавляются также марщрутизаторы.
Повторители – это устройства, предназначенные для усиления сигнала, переносящего данные в сети. Например, без применения повторителя максимальная длина сегмента сети, построенной на основе кабеля “витая пара”, обеспечивающего нормальную передачу пакетов данных, составляет величину порядка 90 м. При применении одного повторителя длина “луча” увеличивается до 185 метров, при применении двух – до 270 м и т.д.
Следующее сетевое устройство, без которого невозможно представить себе функционирование сети, построенной по звездообразной топологии – концентратор (иногда его еще называют хабом). Основная роль концентратора, находящегося на пересечении лучей “звезды”, состоит в том, чтобы передать пакет данных, поступивших с одного из компьютеров, остальным. По способности к расширению концентраторы могут быть автономными, наращиваемыми и модульными. Автономный концентратор – это концентратор, который принципиально не допускает возможности расширения количества портов. Наращиваемый концентратор – это концентратор, позволяющий с помощью специальных средств присоединяться к другим концентраторам. В простейшем случае это производится при помощи обычного кабеля “витая пара” (также называемого патч-кордом), вставляемом в так называемый порт up-link на концентраторе. Довольно часто можно встретить концентраторы, где функции порта up-link регулируется микропереключателем – в зависимости от положения этого переключателя концентратор может работать либо как автономный, либо как наращиваемый. Для большинства сетей малой и средней мощности можно порекомендовать именно этот тип концентраторов – на первом этапе, при небольшом количестве компьютеров, этот концентратор работает как автономный. В дальнейшем, при необходимости наращивания сети, концентратор переводится в режим наращиваемого, и с ним соединятся следующий концентратор. Модульные концентраторы представляют собой дальнейшее развитие идей, положенное в основу наращиваемых концентраторов – в них имеются слоты расширения, в которые можно легко вставить платы расширения с дополнительными портами.
Следует иметь в виду, что в некоторых концентраторах, работающих на скорости 10 Мбит/сек, устанавливается дополнительный BNC-порт. Этот порт служит для соединения частей сети, работающих на коаксиальном кабеле и кабеле “витая пара”.
По логике работы концентраторы делятся на активные, пассивные и интеллектуальные (они же – управляемые). Пассивные концентраторы – это устройства, применяемые крайне редко и в основном для разводки кабелей в здании. Он просто передает пакеты данных в обоих направлениях, и все. На пассивном концентраторе отсутствуют индикаторы состояния (светодиоды, информирующие о подключении того или иного компьютера к сети). Активные концентраторы – это устройства, сочетающие в себе свойства концентратора и повторителя. Они усиливают сигнал, поступивший на один из портов, и осуществляют его широковещательную передачу на все остальные порты. Кроме того, они снабжены индикаторами состояния. Самым характерным признаком, по которому можно легко отличить активный концентратор от пассивного, является наличие у активного концентратора блока питания. В настоящее время, подавляющее большинство концентраторов, предлагаемых на рынке, являются активными.
Интеллектуальные концентраторы, являясь активными, и обладая всеми их свойствами, имеют дополнительный модуль, позволяющий решать еще ряд задач, таких, как мониторинг состояния концентратора, статистика производительности по каждому порту, журнал регистрации сетевых ошибок и т.д. Для взаимодействия с интеллектуальным концентратором применяются специальные программные средства.
Коммутаторы (они же – свичи или switch), обладая всеми свойствами активного концентратора, имеют перед последним одно преимущество, а именно возможность регулирования сетевого трафика. Проиллюстрируем это на примере: предположим, что в гипотетической организации имеется сеть из 5 компьютеров с именами К1, К2, ... К5. Пусть ведется передача большого объема информации с компьютера К1 на компьютер К2. В случае, если в сети установлен концентратор, все компьютеры К2 – К5 получат пакет данных от компьютера К1. Компьютер К2 примет данные, а К3 – К5 просто откажутся от них. В случае, если в сети установлен коммутатор, данные будут переданы с компьютера К1 только на компьютер К2. Таким образом, компьютерам К3 – К5 не придется обрабатывать большой объем ненужной информации.
Маршрутизаторы – устройства, основной задачей которых, является маршрутизация пакетов из одной логической сети в другую. Если сеть небольшая, то логическое деление ее на несколько подсетей неразумно, поэтому маршрутизаторы находят свое применение только в больших локальных сетях со сложной структурой, или в глобальных сетях.