Сети и коммуникации

План

1. Конечное сетевое оборудование.

2. Коммуникационное сетевое оборудование.

3. Принципы построения локальных вычислительных сетей. Топология сети.

4. Компоненты локальной сети.

Вычислительные сети явились результатом эволюции компьютерных технологий. Основная цель сети – это обеспечить пользователям сети потенциальную возможность совместного использования ресурсов всех компьютеров.

Небольшая сеть обычно состоит из:

1. конечного сетевого оборудования;

2. коммутационного сетевого оборудования;

3. сетевых адаптеров, сетевых кабелей;

4. сетевой операционной системы (например, Windows, Net Ware).

Конечное сетевое оборудование является источником и получателем информации, передаваемой по сети, и обозначается DTE (Data Terminal Equipment) или АПД (аппаратура передачи данных). К конечному сетевому оборудованию относятся:

1. Компьютер, подключенный к сети, является самым универсальным узлом. Значение компьютера в сети определяется его программным обеспечением. Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством в компьютере предусмотрен внешний интерфейс, то есть набор проводов, соединяющих компьютер и периферийное устройство, а также набор правил обмена информацией по этим продам – протокол. Связь между компьютерами осуществляется за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи.

2. Сервер является тем же компьютером, но подразумевается его более высокая сетевая активность и значимость. Если компьютер представляет ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он их потребляет – клиентом. Иногда один и тот же компьютер может одновременно быть и сервером, и клиентом.

3. Терминалы – используются в клиент-серверных системах в качестве мест пользователей. Терминалом может быть любой компьютер.

4. Разделяемые принтеры – осуществляют печать от множества пользователей локальной сети. Для этого требуется принт-сервер (компьютер, осуществляющий выборку заданий из очереди) и принтер, логически подключенный к принт-серверу.

Подключение разделяемых принтеров может осуществляться через компьютер, или аппаратный сервер, или непосредственно через аппаратный принт-сервер (микроконтроллер, снабженный сетевым интерфейсом и несколькими портами).

Примером интерфейсов может служить последовательный интерфейс RS-232C, через который подключается мышь, модем и много других устройств. Интерфейс реализуется со стороны компьютера совокупностью аппаратных и программных средств: контроллером периферийного устройства и специальной программой, управляющей этим контроллером, которая называется драйвером соответствующего периферийного устройства.

При построении сетей возникают ограничения, важнейшими из которых являются:

1. ограничения на длину связи между узлами (например, технология Ethrnet на тонком коаксиальном кабеле позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров, к которому можно подключить не более 30 компьютеров);

2. ограничения на количество узлов в сети;

3. ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети (трафик – это интенсивность поступления сообщений в сеть).

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное оборудование – коммуникационное. С его помощью отдельные сегменты сети взаимодействуют между собой.

• П ростейшие из коммуникационных устройств – повторитель (repeator) – используются для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети в другие ее сегменты (рис. 1). Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет увеличения качества передаваемого сигнала.

Рис. 1 – Повторитель позволяет увеличить длину сети Ethernet

• Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называется концентратором (concentrator) или хабом (hub). Хаб переводится как центр деятельности, отсюда следует тот факт, что в данном устройстве сосредотачиваются все связи между сегментами сети. Концентраторы характерны для всех базовых технологий локальных сетей – Ethernet, FDDI, Token Ring, Fast Ethernet и т. д.

В работе концентраторов любых технологий много общего – они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, хаб Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 2,а), а хаб Token Ring повторяет входные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту – на том, к которому подключен следующий в кольце компьютер (рис. 2,б).

• М ост (brige) – делит разделяемую среду передачи сети на части (логические сегменты), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима. Тем самым мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети.

Рис.3 – Логическая структуризация сети с помощью моста (или коммутатора)

• Коммутатор (switch) отличается от моста в том, что каждый его порт оснащен специальным процессором, который обрабатывает кадры независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора намного выше производительности моста, имеющего один процессорный блок. А по принципу обработки кадров switch ничем не отличается от моста.

• Маршрутизатор (router) – более эффективно и более надежно, чем мост, изолирует трафик отдельных частей сети друг от друга. Router образует логические сегменты посредством явной адресации, используя составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому подсетью (subnet). Так же маршрутизаторы могут работать в сети с замкнутыми контурами и при этом осуществлять выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных. Важной функцией маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий (Ethenet, X-25).

• Шлюз (gateway) – объединяет сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения.

Классифицируя сети по территориальному признаку, различают:

1. локальные LAN – сосредоточены на территории не более 1-2км; построены с использованием дорогих высококачественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данными порядка 100Мбит/с;

2. глобальные WAN – объединяют компьютеры, рассредоточенные на расстоянии сотен и тысяч километров. Часто используются уже существующие не очень качественные линии связи; более низкие, чем в локальных сетях скорости передачи данных;

3. городские MAN – занимают промежуточное положение между локальными и глобальными сетями.

Топология сети

Топология сети – это способ организации связей. Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической – конфигурация информационных потоков между компьютерами сети.

Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии:

1. Полносвязная топология (рис. 4,а) – соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным.

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

2. Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей (рис. 4,б). В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна для глобальных сетей.

3. Общая шина (рис. 4,в) является очень распространенной топологией для локальный сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю. Передаваемая информация может передаваться в обе стороны. Достоинства: дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Недостатки: низкая надежность – выход из строя одного компьютера выводит из строя всю сеть; невысокая производительность – при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть, поэтому пропускная способность канала связи всегда делиться между всеми узлами сети.

4. Топология звезда (рис. 4,г) – компьютер подключатся отдельным кабелем к общему устройству – концентратору, который находится в центре сети. Концентратор направляет передаваемую компьютером информацию одному или всем остальным компьютерам сети. Достоинство: большая надежность – если выходит из строя один компьютер, то это не отражается на остальных, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Недостатки – большая стоимость из-за необходимости приобретения концентратора; наращивание количества узлов в сети ограничивается количеством портов концентратора.

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 4,д).

5. Топология кольцо (рис. 4,е) – 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 какой-либо станции, не прервался канал связи между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию.

Рис. 4 – Типы топологии сети.

Физическая и логическая топологии сети могут, как совпадать, так и не совпадать.

Рис.5. – Логическая и физическая сети (а- совпадает, б- не совпадает).

- Мост ориентирован на постоянную топологию.

- Hub – не интеллектуален, сигнал повторяется на всех портах.

- Switch – интеллектуален, образует полносвязную сеть, передача может вестись между несколькими парами абонентов одновременно.

- Маршрутизатор – выполняет функции, похожие на функции моста, но мост коммутирует физические адреса, а router – IP-адреса.

- Шлюз – аналог моста. Он передает данные из одного протокола в другой (например, Novell <-> Microsoft).

Адресация в сетях.

Адрес должен: обеспечивать уникальность, иметь иерархическую структуру (например, BYV.DC.UKRTEL.NET), быть удобным для пользователя.

Числовые составные имена: 10. 60. 1. 39 (локальный адрес); 195. 5. 8. 2 (глобальный адрес).

Физический адрес – это адрес адаптера (на каждом РС есть сетевая карта с адресом (48 бит)), этот адрес зашит в РС на заводе-изготовителе.

IP-адрес – дан компьютеру в сети. На каждом компьютере может быть своя таблица IP-адресов, хранящаяся в файле HOST.

Распределенная структура – РС посылает широковещательный запрос, на который реагируют все компьютеры, находящиеся в сети. Только тот РС, который распознал свое имя, отвечает, все остальные молчат.

Сетевые технологии.

Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения сети.

Виды сетевых технологий: Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI, X-25, Frame Relay.

Ethernet технология – это технология рабочей группы или небольшого предприятия. Логическая топология – общая шина. Обмен данными начинается с передачи широковещательного адреса (для определения физического адреса адаптера).

Аппаратура: одно портовый адаптер; среда – коаксиальный кабель, витая пара; пропускная способность – 10 Мбит/с. На коаксиальном кабеле дальность не более 185м и количество РС не более 30 штук.

Каждый РС имеет свой 48 битный физический адрес. Адресные посылки вызывают срабатывание только того адаптера, которому адресованы.

Широковещательные посылки вызывают срабатывание всех адаптеров.

Для Ethernet характерен случайный метод доступа. Время использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр – это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Иногда может возникнуть ситуация, когда одновременно два или более компьютера решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация называется коллизией, и препятствует правильной передаче данных по сети. Коллизия распознается, и посылки возобновляются через случайные промежутки времени.

Достоинства сети Ethernet на коаксиальном кабеле: минимальные затраты на РС, простота построения (1 тройник, 2 терминатора, сетевая плата, кабель), легко наращивается (до 30 штук).

Недостатки: ограниченная длина, ограниченное количество узлов сети, резкое снижение производительности при перегрузке трафика (один сегмент выходит из строя и вся сеть становится нерабочей), низкая надежность.

Спецификация физической среды Ethernet.

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

- 10BASE-5 – толстый коаксиальный кабель (мах длина сегмента без повторителей 500м);

- 10BASE-2 – тонкий коаксиальный кабель (мах длина 185м);

- 10BASE-Т – витая пара 3-й категории;

- 10BASE-F – волоконно-оптический кабель;

- 100BASE-T – витая пара 5-й категории.

Число 10 обозначает скорость передачи – 10 Мбит/с.

• Стандарт 10BASE-5.

R-repeator (повторитель); 1-разъем DB15; Т-терминатор.

Трансивер – это приемопередатчик, при помощи которого компьютер подключается к кабелю (к одному сегменту подключаются не больше 100 трансиверов). Толщина кабеля 12,4мм. Толстый коаксиальный кабель отличается повышенной помехозащищенностью. Для построения сетей при помощи кабеля 10BASE-5, используется правило “5, 4, 3” – должно быть не больше 5 сегментов, 4 повторителя и 3 сегмента ненагружены.

Общее количество узлов в сети 1024.

• Стандарт 10BASE-2.

В качестве физической среды используется тонкий коаксиальный кабель с толщиной 6,2мм. Подключается через тройник. К одному сегменту подключаете не более 30 компьютеров. Для сети с использованием 10BASE-2 также действует правило “5, 4, 3”. Мах длина сети – 925м.

• Стандарт 10BASE-T.

В качестве физической среды – неэкранированная витая пара.

Вместо правила коаксиальных сетей “5, 4, 3” действует правило “4-х хабов” – максимальное количество концентраторов между любыми двумя компьютерами должно быть 4.

Вопросы для самоконтроля.

1. Что относится к конечному сетевому оборудованию? Дайте определение понятиям: сервер, разделяемые принтеры.

2. Что такое интерфейс, протокол, драйвер?

3. Какие типы сетей вы знаете, в чем их различие между собой?

4. Назовите, какие коммуникационные устройства вы знаете? Что такое повторитель, коммутатор, мост?

5. Что такое концентратор, маршрутизатор?

6. Дайте определение понятию топология сети. Какие виды топологий вы знаете. В чем разница между физической и логической топологиями?

7. Что такое сетевая технология? Дайте характеристику Ethernet технологии.

8. Перечислите спецификации физической среды Ethernet.

9. Стандарт 10BASE-5 его характеристика. Правило “5, 4, 3”.

10. Стандарты 10BASE-2, 10BASE-T – их характеристики. Правило “4-х хабов”.