Учебник_Информатика. Стандарт третьего поколениян. В. Макарова, В. Б. Волков
 Скачать 14.49 Mb.
|
|
Порядок расстояния Расположение Класс 1 м Территория возле одного человека Персональная 10 м Комната (квартира) Локальная 100 м Здание Локальная 1 км Район города Локальная 10 км Город Муниципальная 100 км Страна Глобальная 1000 км Континент Глобальная 10 000 км и более Планета Интернет 370 Глава 13. Основы построения компьютерных сетей Персональная сеть создается в случае, когда несколько компьютерных устройств находятся в персональном пользовании одного человека, причем требуется пере давать данные с одного устройства на другое (с наладонника или ноутбука на настольный стационарный компьютер, с мобильного телефона на наладонный компьютер, с коммуникатора на беспроводную гарнитуру). Локальная сеть (Local Area Network, LAN) в зависимости от назначения и рас положения может быть и предельно простой, и очень сложной. Тем не менее ее отличительным признаком можно считать то, что она обычно не требует сложного телекоммуникационного оборудования. Кабель прокладывается при необходи мости подключения к сети того или иного абонента, и структура сети в основном, определяется размещением абонентов. Локальная сеть учреждения, находящегося; в одном здании, может быть по геометрическим размерам меньше, чем локальна^ сеть студенческого городка, но при этом иметь более сложную структуру по при чинам, определяемым бизнес-логикой. Муниципальная сеть (Metropolitan Area Network, MAN) прокладывается в мас штабах города. В зависимости от размеров города и уровня технической оснащен ности такая сеть может создаваться по мере необходимости (в малых городах) или планироваться заранее и даже закладываться в строительные планы зданий и муниципальных коммуникаций. Отличается от локальной сети высокой степе нью вовлечения телекоммуникационного оборудования и оптоволоконной связи, а также высокой степенью интеграции с поставщиками телекоммуникационных услуг (кабельное телевидение, мобильная связь, телефонная связь). Глобальные сети (Wide Area Networking, WAN) планируются и строятся в мас штабах стран или регионов. Их признаком являются наличие высоко- и сверхвы сокоскоростных магистралей (backbon) передачи данных и узлов связи, объединя ющих локальные и муниципальные сети и создающих распределенные маршруты прохождения пакетов. Интернет объединяет основные магистрали глобальных сетей, обеспечивая передачу данных из одной глобальной сети в другую и тем самым создавая единое информационное пространство для всего населения планеты. Надо отметить, что данная классификация достаточно условна. В некоторых случаях принято делить сети всего на три: локальные, глобальные и Интернет. 13.3.5. Классификация по скорости передачи данных По скорости передачи данных различают сети: □ низкоскоростные (до 10 Мбит/с); □ среднескоростные (до 100 Мбит/с); □ высокоскоростные (до 1 Гбит/с); □ сверхвысокоскоростные (до 10 Гбит/с). 13.4. Топология компьютерных сетей 371 13.3.6. Классификация по иерархической организации По иерархической организации различают одноранговые сети и сети с выде ленным сервером. В одноранговой сети все компьютеры являются равноправными, то есть имеют одинаковый ранг. В сети с выделенным сервером один или более компьютеров выполняют до полнительные функции по предоставлению услуг остальным компьютерам сети. Это могут быть услуги по хранению и выдаче файлов (файловый сервер), распро странению электронной почты (почтовый сервер) и другие. Если сервер только хранит файлы и передает их клиентам, а клиенты полностью осуществляют обра ботку данных, то такую конфигурацию принято называть файл-серверной. Второй тип конфигурации — клиент-серверная. В этом случае обработка данных ведется и на клиентской, и на серверной частях (выборка данных и некоторые расчеты). В клиент-серверной архитектуре работает большинство современных серверов управления базами данных. 13.4. Топология компьютерных сетей Топологией сети обычно называют схему сетевых соединений на физическом уровне, определяющую, как компьютеры соединяются один с другим и по каким маршрутам могут передаваться данные. По топологии компьютерные сети можно разделить следующим образом: общая шина, звезда, дерево, кольцо, смешанная топология. Есть еще один тип топологии, который применяется крайне редко, в случаях, когда от сети требуется исключительная надежность. Эта топология называется полносвязной. 13.4.1. Полносвязная топология В случае полносвязной топологии каждый компьютер сети связан с каждым компьютером отдельным дуплексным (двусторонним) физическим каналом связи (рис. 13.4). Рис. 13.4. Пример полносвязной топологии 372 Глава 13. Основы построения компьютерных сетей Обратите внимание, что при всей простоте принципа построения такой сети даже на рисунке видно, как много связей приходится устанавливать между компью терами, причем добавление каждого компьютера в полносвязную сеть увеличивает количество связей на число, равное числу компьютеров в сети. Если представить себе организацию с числом компьютеров 100, при условии, что компьютеры рас положены в разных помещениях на разных этажах, то даже просто начертить полносвязную топологию на листе бумаги уже будет трудно, а уж реализовать ее просто невозможно. По этой причине сеть с полносвязной топологией является скорее теорети ческой моделью, из которой можно получить все другие топологии сети путем отбрасывания связей. 13.4.2. Общая шина В топологии с общей шиной между компьютерами прокладывается кабель, который является общей для всех компьютеров шиной передачи данных. Все ком пьютеры сети подключаются к этой шине (рис. 13.5). Рис. 13.5. Топология с общей шиной В качестве шины выступает обычно коаксиальный кабель, отрезками которого через специальные разъемы соединяются компьютеры, или электромагнитный сигнал радиочастоты (например, в технологии Wi-Fi). 13.4.3. Звезда В звездообразной топологии каждый компьютер подключается при помощи от дельного кабеля к общему устройству, называемому концентратором, или хабом. В качестве кабеля в этом случае может быть использована как витая пара, так и коаксиальный либо оптоволоконный кабель. В качестве концентратора может выступать как специальное устройство, так и еще один компьютер. Преимуществом звездообразной топологии является то, что при выходе из строя одного из компьютеров или повреждении отдельного кабеля вся сеть про 13.4. Топология компьютерных сетей 373 должает функционировать, поскольку компьютеры полностью автономны друг от друга. Рис. 13.6. Звездообразная топология 13.4.4. Кольцо В кольцевой топологии компьютеры объединяются между собой круговой связью (рис. 13.7). При этом каждый компьютер связывается с последующим от дельным кабелем (нет общей шины). Это значит, что на каждом из компьютеров должно быть два сетевых устройства: для связи с предыдущим компьютером и с последующим. Кроме наличия дополнительного сетевого устройства в каждом компьютере, в кольцевой топологии есть еще один недостаток: выход из строя одного компьютера разрушает всю сеть. Этот недостаток кольцевой топологии компенсируется тем, что каждый компьютер в сети служит повторителем сигнала (данных) предыдущего компьютера, что повышает надежность передачи данных. Рис. 13.7. Кольцевая топология 13.4.5. Дерево Древовидная, или иерархическая, топология получается при объединении концентраторов нескольких звезд в иерархическом порядке. При этом возника- 374 Глава 13. Основы построения компьютерных сетей ет древовидная структура с одним путем передачи для каждого из компьютеров (рис. 13.8). Рис. 13.8. Древовидная топология 13.4.6. Смешанная топология Смешанная топология обычно возникает при объединении различных топо логий, поэтому большие сети обычно строятся на основе смешанной топологии (рис. 13.9). Д Q Q Q Рис. 13.9. Смешанная топология Исторически компьютерные сети развивались достаточно хаотично, при этом приходилось решать возникающие тактические задачи. Не было генерального пла на, в котором после длительных научных изысканий был бы выбран один и только 13.5. Физическая реализация среды передачи данных 375 один правильный метод и одна правильная технология. Напротив, множество ла бораторий и университетов искали решение одних и тех же задач и находили их. Естественно, решения оказались разными, в результате на сегодняшний день мы имеем большое количество вариантов (каждый со своими достоинствами и недо статками) организации компьютерных сетей. Когда принимается решение о том, какова будет топология той или иной ком пьютерной сети, приходится учитывать множество факторов. □ На каком расстоянии друг от друга будут находиться компьютеры? □ Нужно ли разделять компьютеры на строго изолированные группы? □ Какова должна быть «ширина» (пропускная способность) каналов связи между различными участками (узлами) сети? □ На каких участках нужно обеспечить наибольшую безопасность? □ Насколько важен уровень помехозащищенности как самой сети, так и других устройств от помех, создаваемых сетью? И, конечно же, есть еще такой немаловажный вопрос, как стоимость. Решение всех этих вопросов взаимосвязано, и в процесс выбора топологии всегда вовлекается физический уровень: □ Через какую среду будут передаваться данные? □ Каким типом кабеля будут связаны компьютеры? □ Какие типы разъемов и сетевых адаптеров будут уставлены на клиентские компьютеры? □ Сколько промежуточных устройств и какого типа будут находиться в узлах сети? □ Какова реальная конфигурация конструкций зданий или поверхности? Выбор топологии неразрывно связан с выбором среды передачи и технологии физического уровня. 13.5. Физическая реализация среды передачи данных 13.5.1. Разделяемые среды передачи К разделяемым средам передачи данных относятся физические среды, через которые осуществляется передача данных. Это провода, кабели, радиоволны, лазерные лучи или другие среды. Поскольку сегодня подавляющее большинство компьютерных сетей в качестве физической среды передачи использует кабели, остановимся более подробно на типологии кабельных компонентов. Витая пара Витая пара получила свое название оттого, что внутри такого кабеля каждая пара проводов скручена с большим шагом (причем с разным). Подобная конструк 376 Глава 13. Основы построения компьютерных сетей ция кабеля позволяет обеспечить хорошую помехозащищенность. Стандартный кабель содержит в себе 4 витые пары (то есть 8 проводников), что соответствует количеству контактов в разъеме 8Р8С, используемом для подключения кабеля к сетевому адаптеру. Есть несколько категорий и типов кабеля типа «витая пара», отличающихся друг от друга максимальной пропускной способностью. Кабели типа «витая пара» могут быть экранированными или неэкранированны- ми. Лучшей помехозащищенностью обладает экранированный кабель. Чаще всего витая пара применяется при построении звездообразной топологии. На рис. 13.10 изображены два типа кабеля, простая витая пара (слева) и экра нированная витая пара (справа). Рис. 13.10. Витая пара Коаксиальный кабель Коаксиальный кабель представляет собой кабель с медной жилой в центре в тол стой изоляционной оболочке с экранирующей оплеткой. Изначально кабели такого рода были предназначены для передачи сигналов радиочастоты (таким, например, является кабель телевизионной антенны). Кабель, применяемый в компьютерных сетях, внешне напоминает телевизионный, но его технологические параметры (на пример, волновое сопротивление) другие, поэтому эти два вида кабеля не являются взаимозаменяемыми. Для построения компьютерных сетей применяют два типа коаксиального ка беля: толстый и тонкий. Толстый кабель (thick) имеет диаметр около 12 мм и является многослойным. Его составляют центральная жила, изоляция, оплетка, снова изоляция, вторая оплетка, оболочка. Недостатки толстого кабеля: он дорогостоящий, тяжелый, плохо изгибается, трудно монтируется. В качестве достоинств можно указать возмож ность организовать передачу данных на расстояние до 500 метров. Схематическое изображение толстого коаксиального кабеля представлено на рис. 13.11. Тонкий кабель (thin) - имеет диаметр около 6 мм, центральную жилу, изолятор, оплетку и оболочку. К его недостаткам относится то, что расстояние, на которое 13.5. Физическая реализация среды передачи данных 377 можно передавать данные, меньше, чем у толстого кабеля (до 185 м). Достоинства: меньшая стоимость, легкость, гибкость, удобство в прокладке, монтаже и подклю чении. Схематическое изображение тонкого коаксиального кабеля представлено на рис. 13.12. Изолятор Изолятор Оболочка Внешняя оплетка Внутренняя оплетка Центральная жила Рис. 13.11. Толстый коаксиальный кабель Изолятор Оболочка Оплетка Центральная жила Рис. 13.12. Тонкий коаксиальный кабель Коаксиальный кабель служит в основном для организации сетей с топологией общей шины. Для подключения компьютеров к шине, образуемой коаксиальным кабелем, используются специальные разъемы (BNC-коннекторы). Оптоволоконный кабель Передача данных через оптоволоконный кабель происходит посредством све товых импульсов. Принцип действия оптоволоконного кабеля основан на спо собности света распространяться в некоторых средах, практически не теряя ин тенсивности, если в среде отсутствует преломление, а есть только отражение (то есть нет выхода сигнала за границы среды). В зависимости от того, каким образом распространяется свет, оптоволоконные кабели разделяют на три типа: □ Многомодовый кабель с постоянной плотностью — в таком кабеле свет проходит по разным путям отражения (модам) и за счет резкого излома при отражении подвергается сильному рассеянию (дисперсии) на выходе оптоволоконного канала. 378 Глава 13. Основы построения компьютерных сетей □ Многомодовый кабель с переменной плотностью — в этом кабеле свет также от ражается от внутренней поверхности и проходит разными путями, но за счет переменной плотности сердечника, чем дальше от центра идет свет, тем быстрее он распространяется, поэтому дисперсия в нем значительно меньше. □ Одномодовый кабель — в этом кабеле толщина сердечника сравнима с длиной световой волны, в результате у света есть только один путь распространения и дисперсия практически отсутствует. Отсутствие дисперсии сказывается на качестве передачи сигнала. Многомо довые кабели могут передавать данные со скоростью до 1 Гбит/с на расстояние до 2000 м. Одномодовый кабель способен передать данные со скоростью свыше 10 Гбит/с на расстояние до 20 км. Пропускная способность и помехозащищенность могли бы сделать оптоволо конную технологию самой распространенной. Однако широкое использование оп товолоконной технологии передачи данных затрудняется следующими факторами: □ трудностью монтажа; □ высокой стоимостью кабеля и монтажных приспособлений; □ высокой стоимостью преобразователей цифрового сигнала в световые импульсы и обратно. 13.5.2. Сетевые адаптеры Между компьютером и кабелем с разъемом должно быть еще одно устрой ство, которое преобразует сигналы среды передачи в компьютерные данные. Это устройство называют сетевым адаптером, или сетевой картой. Сетевая карта — это устройство, которое вставляется в слот материнской платы компьютера и имеет разъем для подключения витой пары или коаксиального кабеля. Некоторые сетевые карты оснащены разъемами обоих типов. Современные переносные персональные компьютеры обычно имеют встроенную сетевую карту с разъемом под витую пару. Кроме того, в последнее время широкое распространение получили внешние сете вые адаптеры, подключаемые к компьютеру через высокоскоростную шину USB2. На рис. 13.13 изображены два сетевых адаптера, верхний с разъемом для под ключения витой пары, нижний — коаксиального кабеля (разъем BNC). швШ Рис. 13.13. Сетевые адаптеры 13.6. Модели и протоколы компьютерных сетей 379 13.5.3. Концентраторы Как уже отмечалось, наиболее распространенная сегодня в локальных сетях звездообразная топология реализуется при помощи устройств, называемых сете выми концентраторами, или хабами (hubs). Изображенный на рис. 13.14 хаб имеет 16 портов, а это значит, что к нему можно подключить 16 компьютеров или 15 компьютеров и один восходящий канал (up link), то есть канал связи с хабом верхнего уровня. Рис. 13.14. Сетевой концентратор Помимо хабов (концентраторов) для построения сетей применяются сходные по назначению устройства, называемые коммутаторами, или свичами (switch). Отличием коммутатора от концентратора является то, что коммутатор запоминает адреса компьютеров, подключенных к его портам, и данные отправляются не ши роковещательно, всем компьютерам в сети, а конкретному адресату. Такой режим значительно улучшает работу сети и снижает число коллизий, когда несколько компьютеров пытаются одновременно передать свои данные. 13.5.4. Маршрутизаторы В отличие от хабов, маршрутизаторы, или роутеры (router), предназначены не для объединения компьютеров локальной сети, а для соединения сетей между собой. При этом соединяемые сети могут различаться не только назначением (локальная — глобальная), но и технологиями. В задачи маршрутизатора входит корректное преобразование данных из одного формата в другой, а также отправка их в нужные сегменты сети. 13.6. Модели и протоколы компьютерных сетей 13.6.1. Общее представление Протокол в общем смысле представляет собой правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. То же самое представляют собой сетевые протоколы: правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. Что, в какой момент, в ответ на какое сообщение нужно сделать, какие данные 380 Глава 13. Основы построения компьютерных сетей отослать, когда начать передачу, когда ее прекратить, когда перейти в режим ожи дания — все это определяет протокол. Для планомерного развития и стандартизации сетевых соединений, служб, технологии и устройств, необходимо некоторое всеобщее рамочное соглашение, определяющее основные принципы, параметры и термины, на основе которых можно будет разрабатывать конкретные решения. Такое рамочное соглашение, в общих чертах определяющее порядок приема и передачи информации на всех уровнях сетевого взаимодействия, получило название сетевой модели. Логично было бы начать развитие сетевых технологий именно с создания сете вой модели и на основе этой модели строить различные протоколы, соответствую щие различным уровням этой модели. Однако реальное развитие сети шло иначе: по мере необходимости создавались наборы сетевых протоколов, позволяющие эффективно реализовать сетевое взаимодействие в той или иной конфигурации сети, с тем или иным аппаратным и программным обеспечением. Такие, наборы протоколов получили название стеков. Известно несколько стеков протоколов, самыми широко распространенны ми из которых являю тся T C P /IP , IPX /SPX , N etBIO S/SM B. Мы ограничимся рассмотрением стека T C P /IP , поскольку на протоколах этого стека построен весь Интернет. 13.6.2. Стек протоколов TCP/IP Уровень сетевых интерфейсов Уровню сетевых интерфейсов не сопоставлен ни один протокол, но на нем реа лизована поддержка практически всех известных сегодня технологий и протоколов объединения компьютеров в сеть. Уровень межсетевого взаимодействия На уровне межсетевого взаимодействия решаются задачи маршрутизации дан ных. На этом уровне работают несколько протоколов. 13.6. Модели и протоколы компьютерных сетей 381 □ IP (Internet Protocol — протокол межсетевого взаимодействия). Решает задачу передачи данных между сетями. □ RIP (R outing Inform ation Protocol — протокол маршрутной инф ормации) и OSPF (Open Shortest Path First — выбор кратчайшего пути первым). Про токолы сбора и конфигурирования маршрутной информации, отвечающие за выбор оптимального маршрута передачи данных. □ ICMP (Internet Control Message Protocol — протокол межсетевых управляющих сообщений). При помощи этого протокола собирается информация об ошибках доставки и длительности жизни пакетов, а также передаются тестирующие со общения, подтверждающие наличие запрошенного узла в сети. Транспортный уровень Транспортный уровень предоставляет механизмы доставки данных. □ TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей). Описы вает правила создания логического соединения между удаленными процессами и механизм обработки ошибок доставки пакетов (механизм повторной передачи «сбойных» пакетов). □ UDP (U ser Datagramm Protocol — протокол пользовательских датаграмм). Упрощенный вариант протокола доставки данных без установления логического соединения и проверки ошибок доставки пакетов. Прикладной уровень К прикладному уровню относятся протоколы, носящие прикладной характер. Большинство этих протоколов связано с соответствующими прикладными про граммами, работающими на их основе. □ FTP (File Trancfer Protocol — протокол передачи файлов). В качестве транс портного протокола этот протокол использует TCP, что повышает надежность передачи файлов через большое количество промежуточных узлов. □ TFTP (Trivial File Trancfer Protocol — простейший протокол передачи файлов). Этот протокол базируется на U D P и используется в локальных сетях. □ SNMP (Simple Network Management Protocol — простой протокол управления сетью). □ Telnet — протокол, используемый для эмуляции терминала удаленной станции. □ SMTP (Simple Mail Transfer Protocol — простой протокол передачи сообщений). Передает сообщения электронной почты при помощи транспортного протокола TCP. □ HTTP (Hiper Text Transfer Protocol — протокол передачи гипертекста). Базовый протокол Всемирной паутины, без которой сегодня невозможно представить себе Интернет. Именно он обеспечивает передачу страниц сайтов на наши компьютеры. Кроме перечисленных базовых протоколов, в состав стека T C P /IP на приклад ном уровне входит еще множество протоколов. 382 Глава 13. Основы построения компьютерных сетей 13.6.3. Сетевая модель OSI Когда стек протоколов T C P /IP уже в полную силу обеспечивал функциониро вание самых разнообразных сетей, международная организация по стандартизации (International Organization for Standartization, ISO) разработала концептуальную модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Эта модель оказалась настолько удачной, что в настоящее время многие сетевые процессы и проблемы принято описывать именно в терминах модели OSI. В модели OSI три базовых понятия: уровень, интерфейс и протокол. Уровни пронумерованы от 7-го (верхний уровень) до 1-го (нижний уровень). Чем выше уровень, тем более глобальны решаемые им задачи. Каждый вышесто ящий уровень реализует свою функциональность, получая услуги от нижележа щего уровня и управляя им. Управление и передача услуг осуществляются через стандартные интерфейсы, благодаря которым вышестоящий уровень изолируется от детализации того, как именно реализует услуги нижележащий уровень. Вза имодействие протоколов смежных уровней в одном узле осуществляется через интерфейсы. Уровни модели OSI перечислены в табл. 13.2. Таблица 13.2. Уровни модели OSI |