1. Основы построения локальных вычислительных сетей
1.1 Основные сведения о локальных компьютерных сетях
Локальная сеть представляет собой набор компьютеров, периферийных устройств (принтеров и т. п.) и коммутационных устройств, соединенных кабелями. В качестве кабеля используются «толстый» коаксиальный кабель, «тонкий» коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель. «Толстый» кабель, в основном, используется на участках большой протяженности при требованиях высокой пропускной способности. Волоконно-оптический кабель позволяет создавать протяженные участки без ретрансляторов при недостижимой с помощью других кабелей скорости и надежности. Однако стоимость кабельной сети на его основе высока, и поэтому он не нашел пока широкого распространения в локальных сетях. В основном локальные компьютерные сети создаются на базе «тонкого» кабеля или витой пары. Первоначально сети создавались по принципу «тонкого» Ethernet. В основе его — несколько компьютеров с сетевыми адаптерами, соединенные последовательно коаксиальным кабелем, причем все сетевые адаптеры выдают свой сигнал на него одновременно. Недостатки этого принципа выявились позже. С ростом размеров сетей параллельная работа многих компьютеров на одну единую шину стала практически невозможной: очень велики стали взаимные влияния друг на друга. Случайные выходы из строя коаксиального кабеля (например, внутренний обрыв жилы) надолго выводили всю сеть из строя. А определить место обрыва или возникновения программной неисправности, «заткнувшей» сеть, становилось практически невозможно. Поэтому дальнейшее развитие компьютерных сетей происходит на принципах структурирования. В этом случае каждая сеть складывается из набора взаимосвязанных участков — структур. Каждая отдельная структура представляет собой несколько компьютеров с сетевыми адаптерами, каждый из которых соединен отдельным проводом — витой парой — с коммутатором. При необходимости развития к сети просто добавляют новую структуру. При построении сети по принципу витой пары можно проложить больше кабелей, чем установлено в настоящий момент компьютеров. Кабель проводится не только на каждое рабочее место, независимо от того, нужен он сегодня его владельцу или нет, но даже и туда, где сегодня рабочего места нет, но возможно появление в будущем. Переезд или подключение нового пользователя в итоге потребует лишь изменения коммутации на одной или нескольких панелях. Структурированная система несколько дороже традиционной сети за счет значительной избыточности при проектировании. Но зато она обеспечивает возможность эксплуатации в течение многих лет. Для сетей, построенных по этому принципу, появляется необходимость в специальном электронном оборудовании. Одно из таких устройств — хаб — является коммутационным элементом сети. Каждый хаб имеет от 8 до 30 разъемов (портов) для подключения либо компьютера, либо другого хаба. К каждому порту подключается только одно устройство. При подключении компьютера к хабу оказывается, что часть электроники сетевого интерфейса находится в компьютере, а часть — в хабе. Такое подключение позволяет повысить надежность соединения. В обычных ситуациях, помимо усиления сигнала, хаб восстанавливает преамбулу пакета, устраняет шумовые помехи и т. д. Хабы являются сердцем системы и во многом определяют ее функциональность и возможности. Даже в самых простых хабах существует индикация состояния портов. Это позволяет немедленно диагностировать проблемы, вызванные плохими контактами в разъемах, повреждением проводов и т. п. Существенным свойством такой структурированной сети является ее высокая помехоустойчивость: при нарушении связи между двумя ее элементами, остальные продолжают сохранять работоспособность. Задача соединения компьютерных сетей различных организаций, зачастую созданных на основе различных стандартов, вызвала появление специального оборудования (мостов, маршрутизаторов, концентраторов и т. п.), осуществляющего такое взаимодействие.
1. Локальные компьютерные сети, базовые понятия
Появление компьютерных сетей является логическим результатом развития компьютерной технологии. Связь одного компьютера с другими компьютерами, обмен информацией между ними, подключение к удаленным ресурсам и оборудованию, все это расширяет возможности отдельного компьютера, повышает эффективность его использования. Однако такая задача не решается просто физическим соединением компьютеров каналами связи. Она оказывается сложной, многоуровневой и должна быть решена на каждом из этих уровней. Для того, чтобы компьютеры могли обмениваться информацией, они должны уметь обрабатывать запросы друг от друга. Обработка запроса другого компьютера – это особый режим работы, без которого связь невозможна. Любой компьютер работает под управлением операционной системы (ОС), в состав которой входят программы-драйверы, обеспечивающие взаимодействие с периферийными устройствами: клавиатурой, монитором, магнитными дисками и прочими. Программа-драйвер интегрируется в состав ОС однократно и впоследствии не изменяется, как не изменяется и само периферийное устройство, которое она обслуживает. Поскольку управление всеми устройствами компьютера осуществляет ОС, никаких проблем с их работой не возникает. Но процесс обмена информацией между несколькими компьютерами не может быть обеспечен каким-то «внешним» управлением, нет такой ОС, в состав которой входят все компьютеры сети, да и негде ее разместить. Более того, сами компьютеры в сети могут работать под управлением разных ОС. Это не должно мешать им «договариваться». Задача решается включением в состав ОС каждого компьютера специальных клиент-серверных модулей, такие модули – необходимая составная часть сетевой ОС. Сетевая ОС – операционная система, обеспечивающая работу компьютера в
сети. Серверные модули сетевой ОС постоянно находятся в режиме ожидания запросов, поступающих по сети от других компьютеров. Клиентские модули вырабатывают запросы на доступ к удаленным ресурсам и передают их по сети на нужный компьютер. 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 (service). Обычно сетевая ОС поддерживает несколько видов сетевых служб: файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа и т. п. Сетевые службы всегда представляют собой распределенные программы. Распределенная программа – это программа, которая состоит из нескольких взаимодействующих частей, выполняющихся на разных компьютерах. Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он их потребляет – клиентом. Зачастую один и тот же компьютер может одновременно играть роли и сервера, и клиента.
1.1.1. Оборудование компьютерных сетей
Любая компьютерная сеть состоит из следующих элементов: ● компьютеров с установленными сетевыми операционными системами; ● линий связи; ● коммуникационного оборудования. Каждый компьютер для подключения к сети оснащается сетевым адаптером или сетевой картой (англ.: NIC – Net Interface Card). Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, не менее важную роль играют линии связи и коммуникационные устройства. Скорость обмена
информацией определяется не только, а часто и не столько возможностями локального компьютера, сколько характеристиками линии связи и коммуникационного оборудования. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Рассмотрим основные типы сетевых коммуникационных устройств. Повторитель (англ.: repeater) — простейшее из коммуникационных устройств, имеет два порта. Повторитель, получив сигнал на одном из своих портов, восстанавливает мощность, амплитуду и форму сигнала и повторяет его на другом порту, соединяя участки сети, в которых сигнал распространяется без заметного ослабления. Такие участки называют сегментами сети. Это позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи, вызванные затуханием и искажением при распространении сигнала, однако прохождение сигнала через повторитель вносит дополнительную задержку распространения. Концентратор (англ.: hub) — многопортовый повторитель, имеет от 4 до 24 портов. Сигнал, полученный на одном из портов, повторяется на всех остальных портах. Существует несколько типов концентраторов: Пассивный (Passive hub) – не выполняет усиления и восстановления формы сигнала, служит только для создания общей кабельной системы, объединяющей все компьютеры сети. Активный (Active hub) – работает подобно повторителю с той разницей, что имеет больше портов. Умный (Intelligent hub) – кроме усиления и восстановления формы сигнала способен анализировать состояние портов и отключать порт, к которому подключен неисправный компьютер, непрерывно передающий сигна- лы, блокируя работу всей сети. Мост (англ.: bridge) имеет два порта. Делит общую среду передачи сети на две части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача дей-
ствительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. (Мост использует адреса, которыми маркируют сетевые карты производители, каждая сетевая карта имеет уникальный адрес). Тем самым мост изолирует трафик (суммарный объем передаваемой и принимаемой информации) одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Локализация трафика не только экономит пропускную способность, но и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным, так как кадры (блоки информации, которыми происходит передача по кабельной системе) не выходят за пределы своего сегмента и их сложнее перехватить злоумышленнику. Коммутатор (англ.: switch, switching hub) – многопортовый мост. Одно из самых сложных и «интеллектуальных» коммуникационных устройств. Основное отличие коммутатора от моста состоит в том, что 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. Можно сказать, что коммутаторы — это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме. Маршрутизатор (англ.: router) Маршрутизатор представляет собой специализированный компьютер. Маршрутизаторы также образуют логические сегменты в сети используя систему адресации. Но маршрутизаторы используют не аппаратные адреса сетевых карт, а сетевые адреса , присваиваемые каждому компьютеру сети. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью (subnet). Маршрутизаторы не передают широковещательные запросы (запросы специального типа, подобные объявлению: «Всем! Всем! Всем!») из одной подсети в другую. Маршрутизаторы не имеют портов, их входы аналогичны сетевым картам компьютеров.