Вопрос 1: Существует три основных топологии сети:

шина (bus), при которой все компьютеры параллельно под­ключаются к одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным ком­пьютерам

При таком соединении компьютеры могут передавать только по очереди, так как линия связи единственная. Таким обра­зом, в шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно). В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает ее надежность. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединитель­ного кабеля по сравнению с другими топологиями. Шине не страшны отказы отдельных компьютеров

звезда (star), при которой к одному центральному компью­теру присоединяются остальные периферийные компьюте­ры, причем каждый из них использует свою отдельную ли­нию связи. Весь обмен информацией идет ис­ключительно через центральный компьютер. В звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Серьезный недостаток топологии «звезда» состоит в жестком ограниче­нии количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслу­живать не более 8-16 периферийных абонентов. Существует также топология, называемая пассивной звездой, в центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а концен­тратор, или хаб (hub), выполняющий ту же функцию, что и репитер.

кольцо (ring), при которой каждый компьютер передает ин­формацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера, и эта цепочка замкнута в «кольцо». Важная осо­бенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера, поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами коль­ца. Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совершенно безболез­ненно, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии «шина», максимальное количе­ство абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно является самой устойчивой к перегруз­кам. Так как сигнал в кольце проходит через все компьютеры сети, выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) наруша­ет работу всей сети в целом.

Кроме трех рассмотренных основных, базовых топологий нередко при­меняется также сетевая топология «дерево» (tree), которую можно рас­сматривать как комбинацию нескольких звезд. В звездно-шинной (star-bus) топологии используется комбинация шины и пассивной звезды. В этом случае к концентратору подключаются как отдельные компьютеры, так и целые шинные сегменты, то есть на самом деле реализуется физическая топология «шина», включающая все компьютеры сети.

Физическая топология (то есть схема расположения компьютеров и прокладки кабелей). Логическая топология (то есть структура связей, характер распространения сигналов по сети). Топология управления обменом (то есть принцип и после­довательность передачи права на захват сети между отдель­ными компьютерами). Информационная топология (то есть направление потоков информации, передаваемой по сети).

Вопрос 2: В 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE и ECMA. Стандарт получил название IEEE 802.3. Основные характеристики стандарта: топология – шина, среда передачи – коаксиальный кабель, скорость передачи – 10 Мбит/с, максимальная длина – 5 км, максимальное количество абонентов – 1024, длина сегмента сети – до 500 м, количество абонентов на одном сегменте – до 100, метод доступа – CSMA/CD, передача узкополосная, то есть без модуляции. В 1995 году появился стан­дарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использу­ющую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный ка­бель. Появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стан­дарт IEEE 802.3z). Формат кадра: 1)МАС адрес получателя(6 байт). 2) МАС адрес отправителя(6 байт). 3) Поле управления (L/T - Length/Type) содержит информа­цию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значе­ние этого поля не больше 1500, то оно определяет длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определя­ет тип кадра. 4) Поле данных (от 46 до 1500 байт). 5) Поле контрольной суммы содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности переда­чи пакета.

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

MAC адрес — это уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице оборудования компьютерных сетей. В широковещательных сетях (таких, как сети на основе Ethernet) MAC-адрес позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу. Формат МАС адреса: первые 24 бита – уникальный идентификатор производителя. При этом используются только младшие 22 разряда (бита), 2 старшие имеют специальное назначение: первый бит указывает, для одиночного (0) или группового (1) адресата предназначен кадр; следующий бит указывает, является ли MAC-адрес глобально (0) или локально (1) администрируемым.

Возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации. Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью. После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму: Пауза = L *(интервал отсрочки), где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Домен коллизий (collision domain) - это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

Вопрос 3: 100BASE-TX (сдвоенная витая пара); Здесь цифра «100» означает скорость передачи 100 Мбит/с, буква «Т» означает витую пару. В этом случае необходимо применение кабелей с неэкранированными витыми парами (UTP) категории 5 или выше. В случае 100BASE-TX предельная длина кабеля 100 м определяется заданными временными соотношениями обмена (установленным ограничением на двойное время прохождения) и не может быть увеличена ни при каких условиях. Поэтому стандарт даже рекомендует ограничиваться длиной сегмента в 90 м, чтобы иметь 10-процентный запас. В сети 100BASE-TX могут использоваться два типа кабеля: прямой и перекрестный. Для соединения двух ком­пьютеров без применения концентраторов используется стандартный перекрестный (crossover) кабель. А для присоединения компьютера к кон­центратору применяется прямой (direct) кабель с соединенными между собой одинаковыми контактами разъемов. Если перекрестное соединение предусмотрено внутри концентратора, то соответствующий порт его дол­жен быть помечен буквой «X». Компьютеры присоединяются к концентратору по схеме пассивной звезды. Макс длина сети = 308 метров с одним концетратором кл.2 и 216 м. в двумя конц. кл.2.

Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля или части (рис. 3.1):

- стартовая комбинация, или преамбула, которая обеспечи­вает настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета. Это поле может от­сутствовать или сводиться к одному-единственному стар­товому биту;

- сетевой адрес принимающего абонента

- сетевой адрес передающего абонента

- служебная информация, которая указывает на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать приемнику и т.д.;

- данные

- контрольная сумма пакета - это числовой код, формируе­мый передатчиком по определенным правилам и содержа­щий в свернутом виде информацию обо всем пакете;

- стоповая комбинация служит для информирования аппа­ратуры принимающего абонента об окончании пакета, обес­печивает выход аппаратуры приемника из состояния при­ема

ARP (Address Resolution Protocol) — для получения адресов сетевых адаптеров узлов в рамках одной физической сети; Протокол ARP нужен для получения адресов сетевых адаптеров TCP/IР-узлов в сетях, поддерживающих широковещание. Он использует широковещательные запросы, содержащие IP-адрес получателя, чтобы выяснить адрес сетевого адаптера этого узла или адрес необходимого шлюза. Получив адрес сетевого адаптера, ARP сохраняет его вместе с соответствующим IP-адресом в своем кэше. Протокол ARP всегда сначала ищет адреса IP и сетевого адаптера в кэше перед формированием широковещательного ARP-запроса. Перед соединением двух узлов IP-адрес каждого из них должен быть преобразован в адрес сетевого адаптера. Этот процесс состоит из выполнения ARP-запроса и получения ARP-ответа.

Вопрос 4: Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают. Для снятия ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование - повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Физическая структуризация сети с помощью концентраторов полезна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надежности. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети. Сеть с типовой топологией (шина, кольцо, звезда), в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказывается неадекватной структуре информационных потоков в большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает ее на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом. Решение проблемы состоит в отказе от идеи единой однородной разделяемой среды. Логическая структуризация сети - это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Мост (bridge) делит разделяемую среду передачи сети на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Коммутатор (switch, switching hub) по принципу обработки кадров ничем не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок.

Прозрачные мосты наиболее широко распространены. Для этих мостов локальная сеть представляется как набор МАС-адресов устройств, работающих в сети. Мосты просматривают эти адреса для принятия решения о дальнейшем пути передачи кадра. Они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей между собой. Мосты позволяют объединить несколько локальных сетей в единую логическую сеть. При прохождении кадра через прозрачный мост происходит его регенерация и трансляция с одного порт на другой. Прозрачные мосты учитывают и адрес отправителя, и адрес получателя, которые берутся из получаемых кадров локальных сетей. Адрес отправителя необходим мосту для автоматического построения базы данных адресов устройств.

Слабая защита от широковещательного шторма - одно из главных ограничений моста, но не единственное. Другим серьезным ограничением их функциональных возможностей является невозможность поддержки петлеобразных конфигураций сети. В сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, содержащихся в пакете.

Алгоритм покрывающего дерева - Spanning Tree Algorithm (STA) позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединения портов между собой.

Сначала в сети определяется корневой коммутатор (root switch), от которого строится дерево. Корневой коммутатор может быть выбран автоматически или назначен администратором. При автоматическом выборе корневым становится коммутатор с меньшим значением МАС - адреса его блока управления. 2) Затем, на втором этапе, для каждого коммутатора определяется корневой порт (root port) - это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до корневого коммутатора. 3) И наконец, на третьем этапе для каждого сегмента сети выбирается так называемый назначенный порт (designated port) - это порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора. После определения корневых и назначенных портов каждый коммутатор блокирует остальные порты, которые не попали в эти два класса портов.

Для автоматического определения начальной активной конфигурации дерева все коммутаторы сети после их инициализации начинают периодически обмениваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных моста – BPDU.

Вопрос 5: Коммутатор (switch, switching hub) по принципу обработки кадров ничем не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок.

Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 пор­тов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полу­дуплексном режиме работы портов и 16 — при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

Вопрос 6: При использовании технологии виртуальных сетей в коммутаторах одновре­менно решаются две задачи:

• повышение производительности в каждой из виртуальных сетей, так как ком­мутатор передает кадры в такой сети только узлу назначения;

• изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов.

При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно ис­пользуется механизм группирования в сети портов коммутатора. При этом каждый порт приписывается той или иной виртуальной сети. Порт можно при­писать нескольким виртуальным сетям. Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы — достаточно каждый порт приписать к одной из нескольких заранее поименованных виртуальных сетей. Второй способ образования виртуальных сетей основан на группировании МАС-адресов. Каждый МАС-адрес, который изучен коммутатором, приписывается той или иной виртуальной сети. При существовании в сети множества узлов этот спо­соб требует выполнения большого количества ручных операций от администрато­ра. Однако он оказывается более гибким при построении виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, чем способ группирования портов. Группирование МАС-адресов в виртуальную сеть на каждом коммутаторе из­бавляет от необходимости их связи несколькими портами, так как в этом случае МАС-адрес является меткой виртуальной сети.

Вопрос 7: Процедура декомпозиции включает в себя четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу, и интерфейсов между ними. 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, сформировано таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего 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 декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой замены.

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 комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней - как правило, чисто программными средствами. Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют «протоколом». Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами - концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т. д.

Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств. Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи. Одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. Прикладной уровень (Application layer) - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам.

Вопрос 8: Протоколы семейства TCP/IP можно представить в виде модели, которая состоит из четырех уровней: приложения (Application layer), транспортного (Transport layer), межсетевого, или уровня Интернета (Internet layer), и сетевого интерфейса (Network Interface layer). Уровень сетевого интерфейса. В основании этой модели лежит уровень сетевого интерфейса. Соответствующие ему компоненты отвечают за отправку в сеть и прием из сети кадров, содержащих пакеты информации. Кадры передаются по сети как единое целое. Межсетевой уровень. Протоколы Интернета инкапсулируют пакеты данных в датаграммы Интернета и проводят необходимую маршрутизацию. IP (Internet Protocol) в основном для отправки и маршрутизации пакетов между сетями и узлами; ARP (Address Resolution Protocol) — для получения адресов сетевых адаптеров узлов в рамках одной физической сети; ICMP (Internet Control Message Protocol) — для отправки извещений и сообщений об ошибках, связанных с доставкой пакетов; IGMP (Internet Group Management Protocol) используется IP-узлами для сообщения поддерживающим групповую передачу маршрутизаторам о своем участии в группах. Транспортный уровень. Транспортный уровень обеспечивает сеансы связи между компьютерами. Существуют два транспортных протокола: TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). Использование одного из них зависит от выбранного метода доставки данных. TCP ориентирован на соединение и используется приложениями, обычно передающими большие объемы данных. Протокол UDP обеспечивает не ориентированную на соединение передачу данных и не гарантирует доставку пакетов. Уровень приложения. Венчает модель TCP/IP уровень, на котором приложения получают доступ к сетевым компонентам. Здесь работает множество стандартных утилит и сервисов протокола TCP/IP, например FTP, Telnet, SNMP и DNS. Протоколы последовательной линии. По телефонным линиям данные TCP/IP обычно передаются при помощи протоколов SLIP (Serial Line Internet Protocol) или РРР (Point-to-Point Protocol). Протокол SLIP — промышленный стандарт, разработанный в начале 80-х годов для поддержки TCP/IP при соединении через низкоскоростные последовательные интерфейсы. Протокол РРР, разработанный как расширение SLIP, является протоколом канального уровня (data-link protocol) и обеспечивает стандартный метод передачи сетевых пакетов через соединение типа «точка-точка».

Вопрос 9: IPv4 использует 32-битные адреса, ограничивающие адресное пространство 2³² возможными уникальными адресами. Удобной формой записи IP-адреса (IPv4) является запись в виде четырёх десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками. Каждый IP-адрес состоит из двух частей — идентификатора сети (network ID) и идентификатора узла (host ID). Когда инициализируется поддержка TCP/IP, IP-адрес узла складывается с его маской подсети с помощью логического «И». Перед отправкой каждого IP-пакета, IP-адрес назначения точно также складывается с той же маской подсети. Если результаты двух перечисленных выше операций совпадают, это означает, что получатель пакета находится в локальной сети. В противном случае пакет отправляется на IP-адрес маршрутизатора.