ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТИ

конспект лекций для специальности 230201 –
“ Информационные системы и технологии”
специализации “Прикладное математическое
и программное обеспечение”

Составил:

старший преподаватель кафедры ИТМ

М.Б. Малинов

Новокузнецк

2008
Введение

Технологии компьютерных сетей наряду с технологиями создания вычислительных систем являются одной из базовых информационных технологий, используемой при создании современных информационных систем (ИС), так как большинство ИС сегодня являются распределенными и состоят из множества компьютеров и других устройств.

Компьютерные сети позволяют связать воедино весь комплекс вычислительных устройств ИС, предоставляют средства для обмена информацией между компонентами ИС.

Кроме выполнения функций сетевого транспорта, современные информационные сети предоставляют пользователям широкий набор сетевых служб, позволяющих решать задачи доступа к распределенным аппаратным, программным и информационным ресурсам, совершенствования коммуникативного обмена между пользователями сети и др.

Следовательно, специалист в области ИС должен обладать знаниями в области сопровождения и использования информационных сетей как одной и основных составляющих современной ИС.

Часть I. Содержание

Введение. 3

Содержание. 4

Часть I. Общие принципы построения вычислительных сетей. 8

Глава 1. Основные понятия вычислительных сетей. 8

1.1. Эволюция вычислительных систем.. 8

1.2. Понятие и основные компоненты сети. 9

1.3. Преимущества использования сетей. 10

Глава 2. Основные вопросы построения сетей. 11

2.1. Связь компьютера с периферийными устройствами. 11

2.2. Простейшее взаимодействие двух компьютеров. 12

2.3. Организация вычислений в сети. 13

2.4. Топология физических связей сети. 14

2.5. Организация совместного использования линий связи. 16

2.6. Адресация компьютеров. 16

2.7. Структуризация сети. 17

Глава 3. Классификация компьютерных сетей. 18

3.1. По территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть (локальные и глобальные сети). 18

3.2. По масштабу производственного подразделения, в пределах которого действует сеть (сети отделов, кампусов и корпораций). 19

3.3. По наличию выделенного сервера. 19

Глава 4. Характеристики вычислительных сетей. 20

4.1. Производительность. 20

4.2. Надежность и безопасность. 20

4.3. Расширяемость и масштабируемость. 20

4.4. Прозрачность. 21

4.5. Поддержка разных видов трафика. 21

4.6. Управляемость. 21

4.7. Совместимость (интегрируемость). 21

Часть II. Эталонная модель взаимодействия открытых систем. 21

Глава 1. Понятие «открытая система» и проблемы стандартизации. 21

1.1. Понятие «открытая система». 21

1.2. Многоуровневый подход к описанию средств сетевого взаимодействия. 22

1.3. Сообщение как единица информации в сети. 22

Глава 2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) OSI. 23

2.1. Уровни модели OSI. 24

2.2. Стандартные стеки коммуникационных протоколов. 25

Часть III. Основы передачи дискретных данных. 31

Глава 1. Линии связи. 31

1.1. Типы линий связи. 31

1.2. Аппаратура линий связи. 32

Глава 2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне. 33

2.1. Аналоговая модуляция. 33

2.2. Цифровое кодирование. 33

Глава 3. Методы передачи данных канального уровня. 33

3.1. Асинхронная и синхронная передача. 33

3.2. Передача с установлением соединения и без установления соединения. 33

3.3. Обнаружение и коррекция ошибок. 33

3.4. Компрессия данных. 34

Глава 4. Методы коммутации. 34

4.1. Коммутация каналов. 34

4.2. Коммутация пакетов. 34

4.3. Коммутация сообщений. 34

Часть IV. Построение локальных сетей по стандартам физического и канального уровня. 35

Глава 1. Протоколы и стандарты канального уровня локальных сетей. 35

Глава 2. Технология Ethernet (IEEE 802.3). 36

2.1. Общая характеристика технология Ethernet. 36

2.2. Метод доступа CSMA/CD. 36

2.3. Спецификации физической среды Ethernet. 37

2.4. Технология Fast Ethernet (IEEE 802.3u). 37

2.5. Технология Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ab, IEEE 802.3z). 38

2.6. Технология 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae). 38

Глава 3. Технология Token Ring (IEEE 802.5). 39

3.1. Общая характеристика технологии. 39

3.2. Маркерный метод доступа к разделяемой среде. 39

3.3. Физический уровень технологии Token Ring. 40

Глава 4. Технология FDDI. 40

4.1. Общая характеристика технологии. 40

4.2. Особенности метода доступа. 41

4.3. Физический уровень технологии FDDI. 41

Глава 5. Технология беспроводных локальных сетей (IEEE 802.11). 41

5.1. Обзор стандартов WLAN. 42

5.2. Режимы функционирования беспроводных сетей. 44

5.3. Физические топологии беспроводных сетей. 48

5.4. Архитектура беспроводной сети. 50

Часть V. Структурообразующее оборудование локальной сети. 54

Глава 1. Структурированная кабельная система локальной сети. 54

Глава 2. Сетевые адаптеры. 56

Глава 3. Повторители и концентраторы. 57

Глава 4. Логическая структуризация сети. 58

4.1. Причины логической структуризации. 58

4.2. Алгоритм моста. 59

Глава 5. Коммутаторы локальных сетей. 61

5.1. Общие понятия. 61

5.2. Методы коммутации. 62

5.3. Архитектура коммутаторов. 63

5.4. Дополнительные функции коммутаторов. 66

5.5. Виртуальные локальные сети. 67

5.6. Алгоритм покрывающего дерева Spanning Tree. 70

5.7. Агрегирование портов и создание высокоскоростных сетевых магистралей. 71

5.8. Обеспечение качества обслуживания (QoS) 72

5.9. Ограничение доступа к сети. 74

Часть VI. Сетевой уровень как средство построения больших сетей. 77

Глава 1. Объединение сетей на основе протоколов сетевого уровня. 77

1.1. Ограничения сетей, объединенных на основе протоколов канального уровня. 77

1.2. Принципы объединения сетей на основе протоколов сетевого уровня. Понятие составной сети. 77

Глава 2. Понятие маршрутизатора, принципы маршрутизации. 78

2.1. Принципы маршрутизации. 78

2.2. Функции маршрутизатора. 80

Глава 3. Коммутация третьего уровня. 80

Глава 4. Шлюзы. 80

Часть VII. Глобальные компьютерные сети. 82

Глава 1. Основные понятие глобальной сети. 82

1.1. Структура глобальной сети. 82

1.2. Типы глобальных сетей. 83

Глава 2. Глобальные связи на основе выделенных линий. 84

2.1. Аналоговые выделенные линии. 84

2.2. Цифровые выделенные линии. 85

Глава 3. Глобальные сети с коммутацией каналов. 86

3.1. Аналоговые телефонные сети. 86

3.2. Цифровые телефонные сети. 87

3.3. ISDN – сети с интегральными услугами. 87

Глава 4. Глобальные сети с коммутацией пакетов. 87

4.1. Принцип коммутации пакетов с использованием техники виртуальных каналов. 88

4.2. Сети Х.25. 88

4.3. Сети Frame Relay. 89

4.4. Технология ATM. 89

Глава 5. Удаленный доступ к сети. 89

Часть VIII. Средства управления сетями. 90

Глава 1. Системы управления сетями. 90

Глава 2. Мониторинг и анализ локальных сетей. 91

Часть I.
Общие принципы построения вычислительных сетей

Глава 1. Основные понятия вычислительных сетей

1.1. Эволюция вычислительных систем

Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции компьютерной технологии. Первые компьютеры 50-х годов – большие, громоздкие и дорогие – предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Часто эти монстры занимали целые здания. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки. Режим пакетной обработки – режим работы вычислительной системы, при котором пользователь не имеет интерактивного доступа к компьютеру. Программы и данные на машинных носителях (чаще всего на перфокартах) вводятся в ЭВМ и выстраиваются в одну или несколько очередей, из которых последовательно выбираются на обработку. Результаты выполнения программ выдаются пользователям (обычно в распечатанном виде). Пакетный режим – самый эффективный режим использования вычислительной мощности.

Первые локальные сети появились вначале 70-х, когда с появление больших интегральных схем и удешевлением компьютеров они стали доступны даже для небольших предприятий и организаций. Появилось множество нестандартных устройств сопряжения для соединения нескольких компьютеров между собой.

Стандартные технологии локальных сетей были разработаны в середине 80-х, когда стали массово распространяться персональные компьютеры. Они позволили легко создавать новые сети, обеспечили прозрачный доступ к сетевым ресурсам большому числу непрофессиональных пользователей. Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например, NetWare. После этого сеть начинала работать и присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем - естественно, если на нем был установлен сетевой адаптер той же технологии.

Современные тенденции развития сетевых технологий: сближение технологий локальных и глобальных сетей, обработка мультимедийной информации. Далекая перспектива развития вычислительных сетей видится в слиянии технологий всех информационных сетей вообще: компьютерных, телефонных, телевизионных и т.п.

1.2. Понятие и основные компоненты сети.

Компьютерные сети относятся к распределенным (децентрализованным) вычислительным системам. Основной признак распределенной вычислительной системы – наличие нескольких центров обработки данных. К распределенным системам относятся также мультипроцессорные компьютеры и многомашинные вычислительные комплексы.

Компьютерная (вычислительная) сеть — это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими ком­муникационными устройствами. Все сетевое оборудование работает под управ­лением системного и прикладного программного обеспечения.

Основными элементами сети являются стандартные компьютеры. Каждый компьютер владеет тремя типами ресурсов, доступных с его консоли:

· аппаратные ресурсы – жесткие диски, принтеры и т.п.;

· программные ресурсы – программы, запущенные на компьютере;

· информационные ресурсы – данные, хранящиеся на компьютере.

Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств - сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной системы, а какая-либо «общая» операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, отсутствует. Взаимодействие между компьютерами сети происходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к локальным ресурсам другого компьютера.

Основная цель сети — обеспечить пользователям сети потенциальную возмож­ность совместного использования ресурсов всех компьютеров сети.

Если компьютер подключен к сети, его пользователь может получить доступ не только к файлами, дисками, принтерами и другими ресурсами своего компьютера, но аналогичными ресурсами других компьютеров, подключенных к той же сети. Правда, для этого недостаточно снабдить компьютеры сетевыми адаптерами и соединить их кабельной системой. Необходимы еще некоторые добавления к операционным системам этих компьютеров. На тех компьютерах, ресурсы которых должны быть доступны всем пользователям сети, необходимо добавить модули, которые постоянно будут находиться в режиме ожидания запросов, поступающих по сети от других компьютеров. Обычно такие модули называются программными серверами, так как их главная задача - обслуживать запросы на доступ к ресурсам своего компьютера. На компьютерах, пользователи которых хотят получать доступ к ресурсам других компьютеров, также нужно добавить к операционной системе некоторые специальные программные модули, которые должны вырабатывать запросы на доступ к удаленным ресурсам и передавать их по сети на нужный компьютер. Такие модули обычно называют программными клиентами. Собственно же сетевые адаптеры и каналы связи решают в сети достаточно простую задачу - они передают сообщения с запросами и ответами от одного компьютера к другому, а основную работу по организации совместного использования ресурсов выполняют клиентские и серверные части операционных систем.

Пара модулей «клиент - сервер» обеспечивает совместный доступ пользователей к определенному типу ресурсов, например к файлам. В этом случае говорят, что пользователь имеет дело с файловой службой. Обычно сетевая операционная система поддерживает несколько видов сетевых служб для своих пользователей - файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа и т. п.

Вычислительная сеть – это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Основные аппаратные и программные компоненты компьютерной сети:

· Аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. Это компьютеры различных классов – от персональных до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров сети должен соответствовать набору задач, решаемых сетью.

· Коммуникационное оборудование – кабельные системы, повторители, модульные концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Современное коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, нуждающийся в конфигурировании и администрировании.

· Программная платформа сети – операционные системы, управляющие локальными и распределенными ресурсами сети. От сетевой ОС во многом зависит эффективность, безопасность, надежность работы сети.

· Сетевые приложения – сетевые базы данных, почтовые системы, системы автоматизации коллективной работы и др.

1.3. Преимущества использования сетей.

Принципиальные преимущества сетей вытекают из их принадлежности к распределенным системам. Главные из них:

· Способность выполнять параллельные вычисления. В распределенной системе в принципе может быть достигнута производительность, превышающая производительность отдельного сколь угодно мощного компьютера. Распределенные системы имеют лучшее соотношение производительность-стоимость, чем централизованные системы.

· Высокая отказоустойчивость. Основой повышения отказоустойчивости распределенных систем является избыточность.

· Лучшее соответствие распределенному характеру прикладных задач в некоторых предметных областях (автоматизация, банковское дело, различные информационные системы).

· Совместное использование данных и устройств (разделение ресурсов).

· Оперативный доступ к информации. Использование технологий Internet и Intranet.

· Совершенствование коммуникаций, т.е. взаимодействия людей между собой (электронная почта, аудио- и видеоконференции, IP-телефония и т.д.).

Глава 2. Основные вопросы построения сетей.

2.1. Топология физических связей сети.

Топология – способ организации физических связей.

Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети и другое оборудование, а ребрам – физические связи между ними.

Выбор топологии физических связей существенно влияет на многие характеристики сети:

· состав необходимого сетевого оборудования;

· характеристики сетевого оборудования;

· возможности расширения сети;

· способ управления сетью;

· надежность сети;

· стоимость сети.

Типовые топологии сетей:

Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Это громоздкий и неэффективный вариант. Этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых связей. В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными. Характерна для глобальных сетей.

Общая шина (bus) – все компьютеры подключены вдоль одного коаксиального кабеля, называемого магистралью или сегментом. Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Основными преимуществами такой схемы является дешевизна и простота разводки кабеля. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или разъема парализует всю сеть. Другим недостатком является низкая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети.

Звезда(star) – каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество перед шиной – большая надежность. Повреждения кабеля касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Недостатком является более высокая стоимость сети из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности наращивания кол-ва узлов в сети ограничено количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда. В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях.

Кольцо (ring) – данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет очень удачную конфигурацию для организации обратной связи – данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска неисправного узла.

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию – звезда, кольцо, общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. Такие сети называют сетями со смешанной топологией.

2.2. Организация совместного использования линий связи.

Только в сетях с полносвязной топологией для соединения каждой пары компьютеров имеется отдельная линия связи. Во всех остальных случаях возникает вопрос, как организовать совместное использование линии связи несколькими компьютерами сети.

В вычислительных сетях используются как индивидуальные, так и разделяемые линии связи, когда одна линия попеременно используется несколькими компьютерами. В этом случае возникает комплекс проблем, связанных с их совместным использованием, который включает как чисто электрические проблемы обеспечения нужного качества сигналов при подключении к одному и тому же проводу нескольких приемников и передатчиков, так и логические проблемы разделения во времени доступа к этим линиям.

Сеть с разделяемой средой при большом кол-ве узлов будет работать всегда медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность линии делится на все компьютеры сети. С такой потерей производительности мирятся ради увеличения экономической эффективности сети.

2.3. Адресация компьютеров.

Адрес – одна или несколько групп символов, однозначно идентифицирующих компьютер или другое устройство в сети.

К адресу узла сети и схеме его назначения предъявляют несколько требований.

· Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба.

· Схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов.

· Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей (пример – почтовый адрес).

· Адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен иметь символьное представление.

· Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры.

Так как перечисленные требования трудно совместить в рамках какой-либо одной схемы адресации, то на практике обычно используют сразу несколько схем, так что компьютер одновременно имеет несколько адресов-имен. Каждый адрес используется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. А чтобы не возникало путаницы, используются специальные вспомогательные протоколы, которые по адресу одного типа могут определить адреса других типов.

Наибольшее распространение получили три схемы адресации узлов.

· Аппаратные адреса. Эти адреса предназначены для сети небольшого или среднего размера. Они не имеют иерархической структуры. Типичным представителем такого типа является адрес сетевого адаптера локальной сети. Такой адрес используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного значения (недостаток – адрес зависит от адаптера).

· Символьные адресаилиимена. Эти адреса предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку. Они могут использоваться как в небольших, так и в крупных сетях. Для работы в больших сетях символьное имя может иметь сложную иерархическую структуру.

· Числовые составные адреса. Символьные имена удобны для людей, но из-за переменного формата и большой длины их передача по сети не очень экономична. Поэтому во многих случаях для работы в больших сетях в качестве адресов узлов используют числовые составные адреса фиксированного и компактного формата.

В современных сетях применяются, как правило, одновременно все три приведенные выше схемы. Пользователи адресуют компьютеры символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, передаваемых по сети, на числовые имена. С помощью числовых имен сообщения передаются из одной сети в другую, а после доставки сообщения в сеть назначения вместо числового имени используется аппаратный адрес компьютера.

Проблемой установления соответствия между адресами различных типов занимается служба разрешения имен (DNS).

2.4. Структуризация сети.

При построении больших сетей однородная топология превращается в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются:

· ограничения на длину связи между узлами;

· ограничение на количество узлов в сети;

· ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Трафик (traffic) – поток информационного обмена, поток данных в сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование (коммуникационное оборудование).

Физическая структуризация сети – соединение сегментов сети, не разрывающее единую разделяемую среду передачи.

Физическая структуризация сети производится с помощью повторителей и концентраторов – устройств, передающих сигналы, приходящие из одного сегмента сети, во все другие ее сегменты.

Физическая структуризация сети позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала, и повышает надежность сети.

Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, является проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети. Часто наиболее интенсивный обмен данными наблюдается между компьютерами, принадлежащими к одной подсети, и только небольшая часть обращений происходит к ресурсам компьютеров, принадлежащим другим подсетям. Сеть с типовой топологией (шина, кольцо, звезда), в которой все сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказывается неадекватной структуре информационных потоков в большой сети.

Решение проблемы состоит в отказе от идеи единой однородной разделяемой среды. Желательно, чтобы данные выходили за пределы подсети только в случае, если они направлены компьютеру другой подсети.

Распространение трафика, предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента, называется локализацией трафика.

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.

2.5. Организация вычислений в сети.

Существует две основных модели сетевой организации вычислений: централизованная и клиент-серверная.