Сети. Тема 3. Тема Вычислительные системы и телекоммуникации Аннотация
 Скачать 478.15 Kb.
|
|
Тема 3. Вычислительные системы и телекоммуникации 3.1. Аннотация Роль компьютерных сетей в жизни современного общества. Изучение сетей различных масштабов. Клиенты и серверы в сети, их типы и виды. Одноранговые сети. Изучение компонентов сети: оконечные устройства, промежуточные сетевые устройства, сетевая среда, представление сети, схема топологии и представление и функции компонентов сети. Системы локальных сетей. Глобальные сети. Технологии доступа в интернет. Тенденции развития сетей. Принцип работы Ethernet. Подуровни LLC и MAC. Представления MAC- адресов. Протокол ARP: принцип работы и основные функции. Сети WiFi. Принцип работы беспроводной локальной сети. Безопасность беспроводных локальных сетей. Настройка беспроводных локальных сетей. Протокол IP. Диагностика работы компьютерной сети. 3.2. Лекционные материалы Первые компьютеры были созданы в 40-х годах XX века и представляли собой гигантские вычислительные машины, которые использовались преимущественно для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах и обзаводились дополнительным оборудованием. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин сначала превратились в вычислительные системы, а затем в информационно-вычислительные системы. Первые вычислительные системы создавались с целью увеличить быстродействие и надежность работы путем параллельного выполнения вычислительных операций. Для современных вычислительных систем, за исключением суперкомпьютеров, критерии обоснования их необходимости уже несколько иные — важно само информационное обслуживание пользователей, сервис и качество этого обслуживания. Роль компьютеров в жизни современного общества стремительно менялась, если ранее основной задачей компьютеров являлась вычислительная обработка информации, то сейчас одна из наиболее важных задач – обеспечение возможности общения пользователей и предоставление различных видов сервисов, не взирая на физические границы и расстояния. Среди основных потребностей человека необходимость взаимодействия с другими людьми — одна из самых важных. Общение почти так же важно для нас, как воздух, вода, пища и кров. В современном мире за счет использования сетей мы связаны друг с другом, как никогда раньше. Достижения в сетевых технологиях, пожалуй, являются одними из самых значительных изменений в мире. Сети создают мир, в котором границы стран, расстояния и физические границы перестают иметь значение и составляют все меньше препятствий. Интернет изменил характер социального, коммерческого, политического и личного взаимодействия. Сети помогают в обучении - получить услуги высококвалифицированных преподавателей теперь могут не только студенты, проживающие в непосредственной близости от образовательного учреждения. Дистанционное обучение не знает географических препятствий и позволяет предоставить учащимся больше возможностей. Сети помогают в работе - в деловом мире сети передачи данных первоначально использовались для управления финансовой информацией, информацией о заказчике и системой начисления заработной платы. Эти коммерческие сети развивались и делали возможным предоставление различных типов информационных услуг, таких как электронная почта, видео, обмен сообщениями и телефония. Сети помогают нам хорошо проводить время - Интернет используется для традиционных форм развлечений. Мы слушаем записи исполнителей, смотрим кинофильмы, читаем книги. Спортивные мероприятия и концерты можно смотреть в реальном времени, а также записывать и просматривать по запросу. Существуют сети различного размера, начиная от простых сетей из двух компьютеров и до систем, соединяющих миллионы устройств. В зависимости от охватываемой ими территории, подразделяются на локальные, региональные и глобальные. Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом расстоянии друг от друга. ЛВС объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. Обычно такая сеть привязана к конкретному объекту. К классу ЛВС относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов, корпораций и т. д. Региональные сети связывают абонентов города, района, области или даже небольшой страны. Обычно расстояния между абонентами региональной сети составляют десятки — сотни километров. Глобальные сети объединяют абонентов, удаленных друг от друга на значительное расстояние, часто расположенных в различных странах или на разных континентах. Выделяют одноранговые и серверные сети. Сервер — это выделенный для обработки запросов от рабочих станций сети многопользовательский компьютер, предоставляющий доступ к общим системным ресурсам и распределяющий эти ресурсы. Из наиболее важных требований, предъявляемых к серверу, следует выделить высокую производительность и надежность работы. К основным видам специализированных серверов следует отнести такие виды серверов как: файловый сервер, почтовый сервер, веб- сервер, сервер резервного копирования, сервер печати, серверы-шлюзы доступа в Интернет. Рабочая станция — подключенный к сети компьютер, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам. Часто рабочую станцию называют клиентом сети. Обычно клиентское и серверное программное обеспечение запускается на разных компьютерах, но эти роли может играть и один компьютер. В небольших корпоративных и домашних сетях многие компьютеры работают и как серверы, и как клиенты. Такие сети называются одноранговыми. Преимущества одноранговых сетей: лёгкость установки, удобное использование, сокращение расходов. Недостатки: отсутствие централизованного управления, низкий уровень безопасности, плохая масштабируемость сети. Помимо этого, в одноранговом режиме работают приложения P2P. Они позволяют обмениваться файлами друг с другом, не храня их на центральном сервере. Пользователи подключаются к сети P2P путем установки соответствующего программного обеспечения. Сетевые устройства, с которыми пользователи знакомы лучше всего, называются оконечными устройствами. Оконечное устройство является либо источником, либо получателем сообщения, передаваемого по сети. Каждому оконечному устройству в сети назначается адрес, чтобы устройства можно было отличить. Промежуточные сетевые устройства соединяют отдельные оконечные устройства с сетью и могут соединять несколько отдельных сетей для создания объединенной сети. Такие устройства обеспечивают подключение и прохождение потоков данных по сети. Для определения пути передачи сообщения промежуточные устройства используют адрес оконечного устройства назначения в сочетании с информацией о связях в сети. Коммутаторы — объединяют компьютеры внутри локальной сети, для определения порта отправки кадра используют MAC-адрес получателя. Маршрутизаторы — обеспечивают соединение IP-сетей, они анализируют IP-адрес назначения, содержащийся в пакете, определяют дальнейший наилучший путь передачи сообщения. Маршрутизаторы обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса: они могут, например, соединять сети с разными методами доступа; могут перераспределять нагрузки в линиях связи, направляя сообщения в обход наиболее загруженных или поврежденных линий связи. Шлюзы — устройства, позволяющие объединить сети, использующие различные протоколы на всех уровнях модели OSI; они могут выполнять протокольное преобразование для всех семи уровней. Кроме функций маршрутизаторов они выполняют еще и преобразование формата информационных пакетов и их перекодирование, что особенно важно при объединении неоднородных сетей. Связь в сети осуществляется через сетевую среду. Сетевая среда представляет собой канал, по которому сообщение передается от источника к адресату. В современных сетях используют медный кабель, оптоволоконный кабель, а так же беспроводную передачу передачи данных. Локальные сети часто используют медный кабель, потому что он не требуют больших затрат, удобен в установке и обладает низким сопротивлением электрическому току. Однако при передаче сигналов по медным кабелям имеются ограничения по дальности передачи и помехоустойчивости. Для построения сетей используется три основных типа медных кабелей: неэкранированная витая пара (UTP), экранированная витая пара (STP), коаксиальные кабели. Медные кабели используются для соединения узлов локальной сети и подключения устройств сетевой инфраструктуры, таких как коммутаторы, маршрутизаторы и беспроводные точки доступа. При работе с медными кабелями необходимо учитывать их потенциальную пожароопасность и электроопасность. Оптоволоконные кабели позволяют передавать данные на большие расстояния и с более высокой пропускной способностью, чем другие средства сетевого подключения. В отличие от медных проводов, оптоволоконный кабель позволяет передавать сигналы с более низким затуханием. Такой кабель также абсолютно невосприимчив к воздействию электромагнитных и радиочастотных помех. Оптические кабели обычно используются для соединения сетевых устройств друг с другом. В настоящее время оптоволоконные кабели используются в следующих областях: корпоративные сети, технология FTTH, сети дальней связи, подводные кабельные сети. Одномодовый оптоволоконный кабель имеет сердечник очень малого диаметра. Для передачи луча света требуются дорогостоящие лазеры. Широко используется для организации линий связи большой протяженности. Многомодовый оптоволоконный кабель имеет сердечник большего диаметра, для передачи световых импульсов используются светодиодные излучатели. Свет, излучаемый светодиодом, входит в многомодовое волокно под разными углами. Такие кабели популярны в локальных сетях, поскольку позволяют использовать для работы недорогие светодиоды. Многомодовый кабель обеспечивает пропускную способность до 10 Гбит/с. Средства беспроводного подключения обеспечивают наибольший уровень мобильности по сравнению с любыми другими средствами, поэтому число устройств, поддерживающих беспроводное подключение, растет с каждым днем. По мере увеличения пропускной способности беспроводное подключение завоевывает все большую популярность в корпоративных сетях. IEEE 802.11 - технология построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. В беспроводных локальных сетях применяется множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CA). Как правило, для создания беспроводной LAN требуются беспроводная точка доступа и беспроводная сетевая плата. Беспроводная точка доступа концентрирует беспроводные сигналы от пользователей, подключается к сетевой инфраструктуре на основе медных кабелей. Беспроводные маршрутизаторы для дома и небольших предприятий в одном устройстве сочетают функции маршрутизатора, коммутатора и точки доступа. Беспроводные сетевые платы обеспечивают возможность беспроводного подключения для каждого узла в сети. Преимущества беспроводных технологий передачи данных очевидны, особенно в плане экономии затрат на прокладку кабелей в помещениях и удобств за счет мобильности сетевых устройств. Сетевые администраторы должны разрабатывать и применять строгие правила и протоколы безопасности для защиты беспроводных локальных сетей от несанкционированного доступа и потенциального ущерба. Для проводных локальных сетей в настоящее время во всем мире основной технологией является Ethernet. Стандарты протоколов Ethernet определяют многие аспекты сетевого обмена данными, включая формат и размер кадра, интервал отправки и кодирование. Это семейство сетевых технологий, которые регламентируются стандартами IEEE 802.2 и 802.3. Технология Ethernet поддерживает передачу данных на скоростях: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с, 10 Гбит/с, 40 Гбит/с, 100 Гбит/с. Стандарты Ethernet регламентируют как протоколы уровня 2, так и технологии уровня 1. Для протоколов уровня 2, как и в случае со всеми стандартами группы IEEE 802, технология Ethernet опирается на работу двух отдельных подуровней канального уровня, а также на подуровни управления логической связью LLC и MAC. Подуровень LLC технологии Ethernet обеспечивает связь между верхними и нижними уровнями. Как правило, это происходит между сетевым программным обеспечением и аппаратным обеспечением устройства. LLC реализован в программном обеспечении, и его применение не зависит от оборудования. LLC для компьютера можно рассматривать как программное обеспечение драйвера сетевой платы. Подуровень MAC представляет собой более низкий подуровень канального уровня. MAC реализуется аппаратно — обычно в сетевой плате компьютера. Спецификации содержатся в стандартах IEEE 802.3. На рис.3.1 представлен формат кадра Ethernet II. Рис.3.1. Формат кадра Ethernet II Здесь Preamble– последовательность бит, определяющая начало Ethernet фрейма. DA – MAC - адрес назначения. SA– MAC - адрес отправителя. E-TYPE– идентифицирует L3 протокол (к примеру 0x0800 – IPv4, 0x86DD – IPv6, 0x8100- указывает что фрейм тегирован заголовком 802.1q). Payload – L3 - пакет данных размером от 46 до 1500 байт. FCS – 4 байтное значение CRC, используемое для выявления ошибок передачи. Вычисляется отправляющей стороной, и помещается в поле FCS. Принимающая сторона вычисляет данное значение самостоятельно и сравнивает с полученным. Для адресации в сети используют следующие виды адресов: – аппаратные адреса; – числовые составные адреса; – символьные адреса. Аппаратные адреса обычно назначаются на заводе при производстве оборудования (модемы, сетевые адаптеры, коммутаторы, маршрутизаторы и т. д.). Примером аппаратных адресов являются MAC-адреса. Символьные адреса предназначены для пользователей и поэтому должны нести смысловую нагрузку. В больших сетях такие адреса имеют иерархическую систему и состоят из отдельных доменов, идентифицируемых буквенными сокращенными наименованиями объектов, часто понятных пользователю. Пример символьных адресов – доменные имена. Числовые составные адреса обычно используются для адресации в сети Интернет, характерный представитель - IP -адреса. Существуют специальные механизмы установления соответствия адресов разных типов – так для конвертации доменных имён в IP-адреса используется система DNS, а для преобразования IP-адресов в MAC-адреса – протокол разрешения адресов ARP. Рассмотрим работу ARP подробнее. Протокол ARP выполняет две основные функции: сопоставление IPv4-адресов и МАС-адресов, сохранение таблицы сопоставлений. Когда пакет отправляется на канальный уровень для инкапсуляции в кадре Ethernet, устройство обращается к своей ARP-таблице, чтобы найти MAC-адрес, который сопоставлен с IPv4-адресом. Передающее устройство ищет в своей таблице ARP IPv4-адрес назначения и соответствующий MAC-адрес. Если IPv4-адрес назначения пакета находится в той же сети, что и IPv4-адрес источника, устройство ищет в таблице ARP IPv4-адрес назначения. Если IPv4-адрес назначения пакета находится не в той же сети, что IPv4-адрес источника, устройство ищет в таблице ARP IPv4-адрес шлюза по умолчанию. Каждая запись или строка в таблице ARP связывает IPv4-адрес с MAC- адресом. Если устройство находит IPv4-адрес, то в качестве MAC-адреса в кадре используется соответствующий MAC-адрес. Если запись не найдена, устройство отправляет ARP-запрос. Практическая работа 1. Диагностика работы компьютерной сети В этой практической работе для определения маршрута прохождения данных по сети Интернет от вашего интернет-провайдера к другим ISP будет использоваться сервисная программа tracert, и это позволит понять, каким образом обеспечивается доступ к сети Интернет. Необходимо использовать следующие ресурсы: – компьютер с операционной системой Windows; – доступ к командной строке; – подключение к Интернету. Убедитесь, что узловой компьютер подключен к Интернету. Откройте окно командной строки: Пуск > Выполнить, в появившемся окне введите cmd. В командной строке введите команду tracert и название первого веб-сайта назначения. Выходные данные команды будут выглядеть так, как показано ниже: Рис.3.2. Результаты трассировки при помощи команды tracert Сохраните выходные данные команды tracert в текстовом файле следующим образом: Щелкните правой кнопкой мыши в строке заголовка окна командной строки и выберите Изменить > Выделить все. Еще раз щелкните правой кнопкой мыши на строке заголовка окна командной строки и выберите Изменить > Копировать. Откройте приложение Блокнот: Пуск > Программы > Стандартные > Блокнот. Для вставки выходных данных в приложение Блокнот выберите Правка > Вставить. Выберите Файл > Сохранить как и сохраните файл с помощью программы Блокнот на рабочем столе. С помощью поисковой системы найдите официальные сайты организаций, указанных ниже: AfriNIC (African Network Information Centre) — Африканский регион APNIC (Asia Pacific Network Information Centre) — Азиатско- тихоокеанский регион ARIN (American Registry for Internet Numbers) — Североамериканский регион LACNIC (Regional Latin-American and Caribbean IP Address Registry) — Латинская Америка и некоторые Карибские острова RIPE NCC (Réseaux IP Européens) — Европа, Ближний Восток и Центральная Азия. Выполните команду tracert для каждого веб-сайта назначения из списка и сохраните выходные данные в новых файлах, пронумерованных в последовательном порядке. Выполните команду tracert на компьютерах, подключенных к различным компьютерным сетям, например, на компьютере в учебном классе, библиотеке или на компьютере друга, которые подключены к Интернету через различных поставщиков услуг Интернета. Сохраните выходные данные в файле и распечатайте для дальнейшего использования. Маршруты могут проходить через многие узлы и через различное количество ISP в зависимости от размера сети вашего поставщика, местонахождения вашего узла и местонахождения узла назначения. Откройте первый файл с выходными данными команды tracert и ответьте на следующие вопросы. 1. Какой IP-адрес у вашего локального маршрутизатора POP? 2. Сколько переходов делает пакет по пути от узлового компьютера к серверу назначения? 3. Сколько различных ISP проходит отслеживаемый пакет по пути от узлового компьютера до сервера назначения? 4. Перечислите IP-адреса и URL-адреса всех устройств, указанных в выходных данных команды tracert в порядке их появления в таблице трассировки маршрутов. 5. В столбце «Владелец сети» таблицы для трассировки маршрутов укажите, какому ISP какой маршрутизатор принадлежит. Если маршрутизатор принадлежит вашей локальной сети, пишите «LAN». Последние две части URL показывают название ISP. Ответы будут отличаться. 6. Проходил ли маршрут через неопознанный маршрутизатор, расположенный между сетями двух ISP? Это могла быть IXP-точка. Выполните команду whois сервисной программы или функцию whois программы визуализации трассировки маршрута для определения владельца этого маршрутизатора. Либо посетите веб-сайт http://www.arin.net/whois, чтобы определить, на кого зарегистрирован данный IP-адрес. Заполните таблицу трассировки маршрутов, используя файлы с выходными данными всех URL назначения. Сравните результаты из разных файлов с выходными данными команды tracert. Подключался ли ваш ISP к другим ISP для передачи данных в разные пункты назначения? Если вы выполняли команду tracert в другой сети, проанализируйте также выходные данные в файле для этой сети. Отличалось ли число переходов, которые пакеты должны пройти на пути к тому же месту назначения от сети другого местного ISP? У какого ISP число переходов до места назначения было меньше? Для каждых выходных данных на отдельном листе бумаги нарисуйте схему, в которой покажите, как ваш ISP соединяется с другими, чтобы достичь URL-адреса назначения. 1. Покажите все устройства, начиная с вашей сети и заканчивая маршрутизатором URL назначения. Укажите на всех задействованных устройствах их IP-адреса. 2. Обведите локальный POP-маршрутизатор рамкой и обозначьте его словом «POP». 3. Нарисуйте облака ISP, охватывающие все маршрутизаторы каждого соответствующего ISP, и подпишите облака названиями соответствующих ISP. 4. Обведите рамкой все маршрутизаторы точек обмена интернет- трафиком и обозначьте их словом «IXP». 5. Нанесите на карту мира с подключениями только облака ISP и рамки, обозначающие точки обмена интернет-трафиком. Рис.3.3. Таблица трассировки маршрутов Рис.3.4. Карта мира для построения маршрута передачи данных 3.3. Перечень вопросов для самоконтроля и/или самостоятельной работы 1. Что такое клиенты и серверы в сети, их типы и виды? 2. Назовите основные характеристики одноранговых и серверных сетей. 3. Что такое глобальные сети? 4. Какие технологии доступа в интернет Вы знаете? 5. Какие угрозы и решения по обеспечению безопасности сети Вы знаете? 6. Что такое сетевые интерфейсы платы? 7. Какие средства передачи данных физического уровня Вы знаете? 8. Назовите основные характеристики протоколов физического уровня. 9. Назовите принципы работы технологии Ethernet. 10. Опишите принцип работы протокола ARP. 11. Опишите роль ARP в процессе удалённого обмена данными. 12. Укажите основные принципы работы протокола IP. 3.4. Глоссарий Сетевой протокол – это набор правил и методов взаимодействия объектов вычислительной сети, охватывающий основные процедуры, алгоритмы и форматы преобразования и передачи данных в сети. IP адрес - уникальный адрес, который присваивается каждому компьютеру, получающему доступ в Интернет. Локальная сеть – сеть, абоненты которой расположены на небольшом расстоянии друг от друга. Интернет - всемирная система объединённых компьютерных сетей для хранения, обработки и передачи информации. 3.5. Список учебно-методической литературы и интернет-ресурсов 1. Материалы курса Cisco Certified Network Associate Routing & Switching Сетевой академии Cisco https://www.netacad.com/ 2. Ковган Н. М. Компьютерные сети: учебное пособие, Минск: РИПО,2014. ЭБС «Книгафонд» http://www.knigafund.ru. 3. Лапонина О. Р. Протоколы безопасного сетевого взаимодействия. - ИНТУИТ, 2016. ЭБС «Книгафонд» «http://www.knigafund.ru» 4. Новожилов Е.О. Компьютерные сети: Учебное пособие - М.: Академия, 2018. 5. Максимов Н.В. Компьютерные сети: Учебное пособие. - М.: Форум, 2017. 6. Смелянский Р.Л. Компьютерные сети. Т. 2. Сети ЭВМ. - М.: Academia, 2016. 3.6. Список использованной литературы 1. Олифер, В. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник. - СПб.: Питер, 2016. 2. Куроуз, Д. Компьютерные сети. Нисходящий подход. - М.: Эксмо, 2016. 3. Клыгина, Е.В. Избранные вопросы сетевых технологий и методов программирования: учеб. пособие / Самохвалов, А.В., Головин, Д.Ю. и др.;под общ. ред. В.Ю. Лысковой. - Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2010. 4. Таненбаум, Э. Компьютерные сети. - СПб.: Питер, 2019. 5. Бройдо, В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: 4-е издание. Учебник для вузов. – Спб.: ООО Издательство «Питер», 2011. |