локальные сети (LAN – Local Area Network).

Понятие вычислительной сети. Классификация сетей.

Вычислительная сеть - это совокупность компьютеров и другого периферийного оборудования (принтеров, графических устройств, мощных накопителей на магнитных и магнито-оптических дисках и пр.), соединенных с помощью каналов связи в единую систему так, что они могут связываться между собой и совместно использовать ресурсы сети.

Основные проблемы компьютерных сетей связаны с передачей данных. На скорость и надежность передачи данных большое влияние оказывают расстояния. Стоимость физических каналов, коммуникационного оборудования вносит существенный вклад в общую стоимость сети. Поэтому основными классификационными признаками компьютерных сетей являются пространственные характеристики территорий, которые они охватывают.

В зависимости от территории, обслуживаемой сетью, компьютерные сети подразделяются на три основных класса:

глобальные сети (WAN - Wide Area Network);

региональные сети (MAN - Metropolitan Area Network);

локальные сети (LAN – Local Area Network).

Глобальнаявычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на разных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети осуществляется на базе кабельных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи.

Региональнаявычислительная сеть связывает абонентов внутри большого города, экономического региона, страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки - сотни километров.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) включает абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков и т.д. Протяженность такой сети обычно ограничена пределами 2 - 2,5 км.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии, обеспечивающие мощные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. Локальные сети могут входить как компоненты в состав региональных и глобальных сетей и, наконец, глобальные сети могут образовывать сложные структуры.

Из глобальных наиболее популярной является сеть Internet. В ее состав входит множество свободно соединенных сетей, причем каждая внутренняя сеть может обладать собственной структурой и способами управления. Основными ячейками Internet являются локальные вычислительные сети.

Одним из важных критериев классификации сетей является классификация по модели взаимодействия.

Модель клиент - сервер.Под сервером понимают:

1.Узловой компьютер в сети, предоставляющий свои услуги и сервисы другим, т.е. выполняющий определенные функции по запросам пользователей сети.

2.Программа-сервер. Она устанавливается на компьютере-сервере.

Обслуживаемые компьютеры общаются с сервером посредством соответствующей клиент - программы, предназначенной для работы в паре с программой-сервером. Программа - клиент работает непосредственно на рабочей станции. Рабочая станция – это сетевой компьютер, с которого пользователь имеет доступ к сетевым сервисам и ресурсам.

Под клиентом понимаются:

1.Пользователь.

2.Прикладная программа, работающая в интересах пользователя для предоставления определённых услуг с сервера в какой-либо сети.

Клиент-сервер – это технология работы различных программ в сети. Программа, работающая по такой схеме, состоит их двух взаимодействующих частей: клиента и сервера. Сервер по командам клиента выполняет определенные действия, предоставляя услуги клиенту. То есть для предоставления услуг в такой схеме необходимы наличие и одновременная слаженная работа обеих указанных частей..

По уровню управления локальные сети делятся наодноранговые и двуранговые.

Сеансовый уровень. Устанавливает, управляет и завершает сеансы связи. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами сети. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основной функции регулирования диалогов (сеансов) сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней. Выполняет функции идентификации и аутентификации.

Транспортный уровень. Поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом процессами пользователей. Занимается передачей транспортных блоков между узлом-источником данных и узлом-адресатом. Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. Транспортные блоки обычно являются более крупными порциями битов, чем пакеты. Поэтому они разбиваются на пакеты при передаче на сетевой уровень. На транспортном уровне решается ряд задач, не решенных на нижних уровнях - надежность передачи, управление потоком данных. Верхнему уровню транспортный уровень предоставляет виртуальное транспортное соединение для надежной передачи транспортных блоков. Типичным представителем транспортного уровня является один из важнейших протоколов сети Internet - протокол ТСР;

Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть представлена как граница между протоколами прикладного уровня и протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.

Сетевой уровень. Устанавливает связь между абонентами и осуществляет маршрутизацию пакетов в сети, т.е. передачу информации по определенному адресу. Основными функциями сетевого уровня являются:

передача пакетов между узлами, не связанными физическими каналами;

выбор маршрутов для передачи данных.

Сетевой уровень определяет скорость передачи по сети и контроль целостности данных, он служит интерфейсом между компьютерами и коммутаторами пакетов. Для маршрутизации данных в сети используется таблица маршрутизации. Это база данных, где описывается местонахождение возможных получателей пакетов. Используя такую таблицу, маршрутизатор в состоянии найти путь пакета для любого получателя в сети. Сетевой уровень контролирует поток данных при маршрутизации пакетов (трафик).

Это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. В данном случае "подсеть" - это по сути независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом).

Канальный уровень. Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Функции физического и канального уровней в локальных сетях выполняют сетевые платы.

Физический уровень. Выполняет сопряжение со средой передачи данных и предоставляет канальному уровню виртуальный канал для передачи битов. Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

2.3.Концепции адресации в сетях

Наука об объединении сетей, как и другие науки, имеет свою собственную терминологию и научную базу. К сожалению, ввиду того, что эта наука очень молода, пока что не достигнуто единое соглашение о значении концепций и терминов объединенных сетей. По мере дальнейшего совершенствования индустрии объединённых сетей определение и использование терминов будут более четкими.

Существенным компонентом любой системы сети является определение местонахождения компьютерных систем. Существуют различные схемы адресации, используемые для этой цели, которые зависят от используемого семейства протоколов. Двумя важными типами адресов являются адреса канального уровня и адреса сетевого уровня. Адреса канального уровня (называемые также физическими или аппаратными адресами), как правило, уникальны для каждого сетевого соединения. У большинства локальных сетей адреса канального уровня размещены в схеме интерфейса (в сетевом адаптере), они назначаются той организацией, которая определяет стандарт протокола, представленный этим интерфейсом. Т.к. большинство компьютерных систем имеют одно физическое сетевое соединение, они имеют только один адрес канального уровня. Маршрутизаторы и другие системы, соединенные с множеством физических сетей, могут иметь множество адресов канального уровня. В соответствии с названием, адреса канального уровня существуют на втором уровне эталонной модели ISO.

Aдреса сетевого уровня (называемые также виртуальными или логическими адресами) существуют на третьем уровне эталонной модели OSI. В отличие от адресов канального уровня, которые обычно существуют в пределах плоского адресного пространства, адреса сетевого уровня обычно иерархические. Другими словами, они похожи на почтовые адреса, которые описывают местонахождение человека, указывая страну, штат, почтовый индекс, город, улицу, адрес на этой улице и имя.

Иерархические адреса делают сортировку адресов и повторный вызов более легкими путем исключения крупных блоков логически схожих адресов в процессе последовательности операций сравнения. Например, можно исключить все другие страны, если в адресе указана страна. Легкость сортировки и повторного вызова являются причиной того, что маршрутизаторы (роутеры) используют адреса сетевого уровня в качестве базиса маршрутизации.

2.4.Блоки данных, пакеты и сообщения

В литературе по распределённым вычислительным сетям в наименовании логически сгруппированных блоков информации, которая перемещается между компьютерными системами можно встретить термины "блок данных", "кадр", "пакет", "сообщение" и другие термины, которые в данном пособии следует сразу пояснить. В настоящей работе термин "блок данных" (frame) или "кадр" обозначает блок информации, источником и пунктом назначения которого являются объекты канального уровня. Термин "пакет" (packet) обозначает блок информации, у которого источник и пункт назначения - объекты сетевого уровня. Термин "сообщение" (message) oбoзначает информационный блок, у которого объекты источника и места назначения находятся выше сетевого уровня. Термин "сообщение" используется также для обозначения отдельных информационных блоков низших уровней, которые имеют специальное, хорошо сформулированное назначение. Ниже будет приведён формат кадра канального уровня при рассмотрении технологии Ethernet.

2.5. Понятие протоколов вычислительных сетей

Понятие протокола, вытекающее из эталонной модели OSI– это набор правил, определяющий взаимодействие двух одноименных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных сетевых ЭВМ.Функции протоколов различных уровней реализуются в драйверах для различных вычислительных сетей.

Современные сети построены по многоуровневому принципу. Чтобы организовать связь двух компьютеров, требуется сначала определить свод правил их взаимодействия, определить язык их общения, т.е. определить, что означают посылаемые ими сигналы и т.д. Эти правила и определения называются протоколами.

Протокол можно также рассматривать как совокупность определений (соглашений, правил), регламентирующих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими независимыми устройствами или процессами. Т.е. описание того, как программы, компьютеры или иные устройства должны действовать, когда они взаимодействуют друг с другом.

Протокольные определения охватывают диапазон от того, в каком порядке биты следуют по проводу, до формата сообщения электронной почты. Стандартные протоколы позволяют связываться друг с другом компьютерам различных производителей. Взаимодействующие компьютеры могут использовать различное программное обеспечение, но должны соблюдать принятое соглашение о том, как посылать и принимать данные.

Для работы сетей необходимо множество различных протоколов: например, управляющих физической связью, установлением связи по сети, доступом к различным ресурсам и т.д. Многоуровневая структура используется с целью упростить это огромное множество протоколов и отношений. Она позволяет также составлять сетевые системы из продуктов - модулей программного обеспечения, - выпущенных разными производителями.

2.6.Стеки протоколов

Набор протоколов, работающих одновременно и совместно в одной сети, называется стеком (stack) протоколов. Рассмотрим основные стеки, используемые в разных сетях.

Стек TCP/IP. Самым известным стеком протоколов является стек ТСР/IР (Transfer Communication Protocol/Internet Protocol)), который ведёт свою историю от сети

ARPAnet. Он получил своё название от пары протоколов: протокола IP сетевого уровня, который обеспечивает доставку данных между узлами, и протокола TCP транспортного уровня, который делает эту доставку надёжной. Помимо этих протоколов, стек TCP/IP включает и множество других. С TCP/IP работают десятки миллионов компьютеров во всём мире, на его основе работают всё больше внутренних сетей фирм, предприятий (Intranet). Далее в пособии подробно рассмотрены основные протоколы, обеспечивающие функционирование распределённых сетей.

Стек IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange). Это фирменная разработка компании Novell. Стек IPX/SPX разрабатывался для сетевой операционной системы Novell Netware в 80 – х годах 20 века и сегодня не утерял популярности. Поддержка этого стека, так же как и стека TCP/IP встроена в Windows XP. IPX – протокол сетевого уровня модели OSI, на транспортном уровне работает протокол SPX.

Преимущество IPX/SPX заключалось в том, что он был ориентирован на работу с довольно слабыми ПК в локальных сетях с использованием широковещательной рассылки пакетов. В TCP/IP это недопустимо, здесь осуществляется маршрутизация пакетов по указанному адресу. Стек IPX/SPX продолжает развиваться, но по популярности давно уступает стеку TCP/IP.

Стек NETBIOS. Стек NetBIOS (Network Input/Otput/ System) разработан как сетевое расширение BIOS и предназначен для работы в простых локальных сетях. Он состоит из протоколов NetBIOS и SMB (Server Message Block). Современная реализация NETBIOS называется NetBEUI и используется в сетях Microsoft.

2.7.Сетезависимые протоколы и протоколы, ориентированные на приложения

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются сетезависимыми, т. е. протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети, с используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровня во всех узлах сети.

Три верхних уровня - сеансовый, уровень представления и прикладной - ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют никакие изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних уровней. Это позволяет разрабатывать приложения, независящие от технических средств, непосредственно занимающихся транспортировкой сообщений.

Компьютер с установленной на нем сетевой операционной системой взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа, коммуникационное устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и более высокие уровни (маршрутизатор).

Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих моделей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, сервисами, предоставляемыми на верхних уровнях и прочими параметрами.

Список основных организаций, занимающихся стандартизацией объединенных сетей, приведён в приложении 1.

3.ТОПОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ДОСТУПА

3.1.Понятие топологии и метода доступа к передающей среде.

Топология ЛВС - это усреднённая геометрическая схема соединения узлов сети. Выбор той или другой топологии определяется областью применения и размером конкретной ЛВС, расположением ее узлов. C топологией сети связаны методы доступа к передающей среде и выбор сетевого оборудования.

Для ЛВС были разработаны несколько схем, включающих в себя аппаратные средства и протоколы передачи данных. Эти системы поддерживает соответствующее сетевое программное обеспечение. Система доступа к cети (аппаратура и протокол) обеспечивает электронную магистраль для передачи данных, а сетевая операционная система - управление ресурсами всей системы и обработкой данных.

Метод доступа. Метод доступа определяет набор правил, используемых узлом сети для получения доступа к передающей среде. Рассмотрим методы доступа, применяемые в современных ЛВС.

Множественнный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (конфликтов), Базируюется на алгоритме доступа CSMA/CD(carrier sensitive multiple access with collision detection), где все узлы имеют равные возможности доступа к сетевой среде. Перед передачей данных узел "прослушивает" среду и, если она свободна, начинает передачу. При одновременной попытке доступа к среде нескольких узлов фиксируется "столкновение", и сеанс передачи повторяется позднее. Иначе этот метод называется методом доступа Ethernet или методом случайного доступа. По существу, метод доступа CSMA/CD предполагает широковещательную передачу кадров. Все рабочие станции логического сетевого сегмента прочитывают адресную часть передаваемой информации. Узел, адрес которого указан в кадре, принимает информацию. Метод разработан в 1975 г. фирмой Xerox и сначала использовался в сетях с шинной(магистральной )топологией.

Маркерное кольцо (Token Ring). Метод разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети. Этот принцип передачи данных в кольцевой сети носит название метода передачи маркера (token). Суть его такова. Маркер (уникальная последовательность битов) передаётся от одного компьютера к другому до тех пор, пока его не получит тот, который "хочет'' передать данные. Передающий компьютер помещает кадр в маркер и посылает его по кольцу.

Данные проходят через несколько компьютеров, пока не