Создание и обслуживание локальных сетей. Часть 1. Компьютерная сеть. Общие понятия (А. И. Ватаманюк, 2008)

• Причины появления сети и перспективы ее развития

• Как создаются сети и кто это может сделать

1.1. Причины появления сети и перспективы ее развития

Когда компьютер только задумывали, главной его задачей предполагалось облегчение труда человека и автоматизация и ускорение выполнения некоторых арифметических операций. Никто тогда даже думать не мог, что компьютеров через несколько десятков лет будет настолько много, что рано или поздно они будут объединены в один громадный «организм», удовлетворяющий практически все потребности человека. Тем не менее так оно и произошло, по крайней мере очень близко к этому.

Каковы же причины появления сети? Как минимум можно выделить несколько:

• несовершенство существующих компьютеров и компьютерной техники;

• недостаток мощности отдельного компьютера для выполнения сложной задачи;

• слишком большое количество людей, задействованных в достижении поставленной цели;

• новые направления в науке, требующие все больших человеческих и компьютерных ресурсов.

Этот список можно продолжать очень долго, но факт остается фактом: рано или поздно сеть должна была возникнуть и она возникла.

Таким образом, сеть – не что иное, как некоторое количество компьютеров, определенным способом подключенных друг к другу. Однако это только часть понятия. На самом деле сюда еще нужно включить сетевые операционные системы, прикладные программы, специальные программные механизмы обмена информацией и многое другое.

Можно сказать однозначно, что появление сети изменило жизнь всего человечества. Преимуществ у сети много, больше, чем можно было бы себе представить. Вот только некоторые из них:

• организация одновременной работы многих пользователей с одним источником, будь то распределенная база данных или обычный офисный документ;

• использование всех компьютеров сети для выполнения одной работы с целью осуществления сложного, требующего много ресурсов проекта;

• обмен информацией любого характера, будь то рабочие данные или фильмы и музыка;

• получение данных из любой точки земного шара с использованием для этого сети спутников;

• общение (устное, письменное, визуальное) на расстоянии;

• использование компьютерных сетей для обучения и любого другого типа образования.

Преимуществ сети много, а недостатков практически нет. Ну разве что возможность тотального наблюдения за любым подключенным к сети пользователем…

Каковы перспективы дальнейшего развития сети? Все очень просто: глобальная компьютеризация и возможность мгновенного получения любой информации с использованием для этого любого устройства с коммуникационными способностями. После этого, наверное, жизнь станет гораздо скучнее.

1.2. Как создаются сети и кто это может сделать

Сети возникают с пугающей скоростью. Порой приходишь в знакомый офис через неделю, а в нем уже функционирует современная сеть с высокой пропускной способностью. Но самое главное, что организовать сеть может практически любой человек, более или менее знакомый с принципом и правилами ее создания. Так почему бы вам не стать этим «любым»?

Конечно, сразу создать сеть с большим количеством компьютеров будет достаточно трудно, даже если вы прочтете гору книг по теме. Самый простой способ научиться – познакомиться с теорией и попроситься к кому-нибудь в ученики. И будет большим плюсом, если вы попытаетесь сами соединить хотя бы два рядом стоящих компьютера в домашних условиях. Это и станет началом вашей сетевой практики.

Однако, как обычно, все нужно начинать с теории. Необходимо познакомиться с существующими стандартами и топологиями, увидеть сетевое оборудование, пощупать кабель, коннекторы и т. д.

Данная книга призвана облегчить процесс освоения принципов сети и дать основные практические советы. Как говорится, не святые горшки лепят, все в ваших руках. Поэтому учите теорию и осваивайте практику!

• Одноранговая сеть

• Сеть на основе сервера

Сегодня, как и 10 лет назад, существует два типа сетей: одноранговая сеть и сеть на основе сервера (выделенного компьютера). Каждая из них имеет как преимущества, так и недостатки.

Одноранговая сеть, скорее всего, придется по душе пользователям, которые хотят сначала попробовать сеть в деле или ограничены в средствах. Сеть на основе сервера организуют там, где важен полный контроль над всеми рабочими местами. Это может быть и небольшая домашняя сеть, и объемная корпоративная система сетей, объединенных в одну общую.

Эти два разных типа имеют общие корни и принципы функционирования, что в случае необходимой модернизации позволяет перейти от более простого варианта (одноранговой сети) к более сложному (сети на основе сервера).

2.1. Одноранговая сеть

Одноранговую сеть построить достаточно просто. Особенность такой сети в том, что все входящие в ее состав компьютеры работают сами по себе, то есть ими никто не управляет.

Одноранговая сеть выглядит как некоторое количество компьютеров, объединенных определенным образом в одну рабочую группу (рис. 2.1). Именно отсутствие управляющей машины (сервера) делает ее построение дешевым и эффективным мероприятием.

Любой компьютер в такой сети можно назвать как рабочим, так и сервером, поскольку нет какой-либо конкретной выделенной машины, которая осуществляла бы административный или другой контроль. За компьютером такой сети следит сам пользователь (или пользователи), который работает на нем. В этом кроется главный недостаток одноранговой сети – ее пользователь должен не просто уметь работать на компьютере, но и иметь представление об администрировании. Кроме того, ему в большинстве случаев приходится самому справляться с возникающими внештатными ситуациями и защищать себя от разнообразных неприятностей, начиная с вирусов и заканчивая программными и аппаратными неполадками.

Как и полагается, одноранговая сеть позволяет использовать общие файлы, принтеры, модемы и т. п. Однако из-за отсутствия управляющего компьютера каждый пользователь разделяемого ресурса должен самостоятельно устанавливать права доступа к нему.

Рис. 2.1. Пример одноранговой сети

Для работы с одноранговыми сетями можно использовать любую операционную систему. Ее поддержка реализована в Windows, начиная с Windows 95, поэтому никакого дополнительного программного обеспечения для работы в локальной сети не требуется. Однако если вы хотите обезопасить себя от разных программных проблем, лучше использовать операционную систему достаточно высокого класса, например Windows ХР.

Одноранговую сеть обычно применяют тогда, когда нужно связать несколько (как правило, до десяти) компьютеров и не нужно использовать строгую защиту данных. Большее количество компьютеров подключать не рекомендуется, так как отсутствие «контролирующих органов» рано или поздно приводит к возникновению различных проблем. Ведь из-за одного необразованного или ленивого пользователя под угрозу ставится безопасность и работоспособность всей сети.

Если вы заинтересованы в более защищенной и контролируемой «организации», то создавайте сеть на основе сервера.

В табл. 2.1 перечислены основные преимущества и недостатки одноранговой сети.

2.2. Сеть на основе сервера

Сеть на основе сервера – наиболее часто встречающийся тип, который используют как в полноценных домашних сетях и в офисах, так и на крупных предприятиях (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Пример сети на основе сервера

Как ясно из названия, данная сеть использует сервер, контролирующий работу всех подключенных клиентских компьютеров. Главная его задача – создание, настройка и обслуживание учетных записей пользователей, настройка прав доступа к общим ресурсам, механизма авторизации и смены паролей доступа и многое другое.

Как правило, сервер характеризуется большой мощностью и быстродействием, необходимым для выполнения поставленных задач: будь то работа с базой данных или обслуживание других запросов пользователей. Сервер оптимизирован для быстрой обработки запросов пользователей, обладает специальными механизмами программной защиты и контроля. Достаточная мощность сервера позволяет снизить требования к мощности клиентской машины.

За работой сети на основе сервера обычно следит специалист – системный администратор. Он отвечает за регулярное обновление антивирусных баз, устраняет возникшие неполадки, разделяет общие ресурсы и т. п.

Количество рабочих мест в такой сети может быть разным – от нескольких до сотен или тысяч компьютеров. С целью поддержки производительности сети на необходимом уровне при возрастании количества подключенных пользователей устанавливают дополнительное или более скоростное сетевое оборудование, серверы и т. д.

Не все серверы выполняют одинаковую работу. Существуют следующие специализированные машины, позволяющие автоматизировать или просто облегчить выполнение тех или иных задач.

• Файл-сервер. Используется в основном для хранения разнообразных данных, начиная с офисных документов и заканчивая музыкой и видео. Обычно на таком сервере создаются личные папки пользователей, обращаться к которым могут только они (или другие пользователи, получившие право доступа). Для управления таким сервером используют любую сетевую операционную систему, например Windows 2000 или Windows 2003. Благодаря кэшированию файлов доступ к ним значительно ускоряется.

• Принт-сервер. Главная его задача – обслуживание очереди печати сетевых принтеров и обеспечение доступа к ним. Очень часто с целью экономии средств файл-сервер и принт-сервер совмещают.

• Сервер базы данных. Основная его задача – обеспечить максимальную скорость поиска и записи нужных данных в базу данных или получения информации из нее с последующей передачей конечному пользователю сети. Это самые мощные из всех серверов. Они обладают максимальной производительностью, так как от этого зависит комфортность работы всех пользователей.

• Сервер приложений. Промежуточный сервер между пользователем и сервером базы данных. Как правило, на нем выполняются те из запросов, которые требуют максимальной производительности и должны быть переданы пользователю, не затрагивая ни сервер базы данных, ни пользовательский компьютер. Это могут быть как часто запрашиваемые из базы данные, так и любые программные модули.

Кроме перечисленных выше, существуют другие серверы, например почтовые, коммуникационные, серверы-шлюзы и т. д.

Достаточно часто в целях экономии средств на один из серверов «вешают» обслуживание нехарактерных для него заданий. В этом случае следует понимать, что скорость выполнения им тех или иных задач может значительно понижаться.

Сеть на основе сервера предоставляет широкий спектр услуг и возможностей, которых трудно или невозможно добиться от одноранговой сети. Кроме того, последняя уступает в плане защищенности и администрирования. Имея выделенный сервер или серверы, легко обеспечить резервное копирование, что является первоочередной задачей, если в сети присутствует сервер базы данных.

В табл. 2.2 перечислены основные преимущества и недостатки сети на основе сервера.

• Модель ISO/OSI

• Сетевой протокол

• Протоколы работы с электронной почтой

• Другие протоколы

Какой бы ни была сеть, она должна подчиняться определенным законам. Не забывайте, что сеть – это не только кусок провода, но и все устройства, которые в нее входят, в том числе и компьютеры. Представьте себе на минуту, что нет никаких правил работы сети. Какие функции должны выполнять сетевая карта или маршрутизатор, как должен реагировать на это компьютер?

Чтобы избежать хаоса и упорядочить «взаимоотношения» в сети, используется специальная система правил и стандартов. Их представителями являются сетевая модель взаимодействий ISO/OSI и протоколы передачи данных.

3.1. Модель ISO/OSI

Пожалуй, ключевым понятием в стандартизации сетей и всего, что к ним относится, является модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), разработанная Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization, ISO). На практике применяется короткое название «модель ISO/OSI».

Описываемая модель состоит из семи уровней (рис. 3.1), каждый из которых отвечает за определенный круг задач, осуществляя их с помощью заложенных в этот уровень алгоритмов – стандартов и протоколов. Для связи между уровнями используются процедуры взаимодействия. Таким образом, выполнив свою часть задачи, нижестоящий уровень передает готовые данные вышестоящему. Вот и получается, что, пройдя всю цепочку из семи уровней, на выходе получаются готовые к «употреблению» данные. При этом они успевают должным образом закодироваться или раскодироваться, пройти проверку целостности и многое другое.

Рис. 3.1. Уровни модели ISO/OSI

Основное различие между проводными (Ethernet 802.3) и беспроводными (IEEE 802.11) сетями кроется только в двух крайних уровнях – физическом и канальном. Остальные же работают абсолютно одинаково и не имеют никаких различий.

Рассмотрим все уровни модели ISO/OSI подробнее.

Физический уровень – самый первый, «нижний» уровень. Фактически он представляет собой аппаратную часть сети и описывает способ передачи данных, используя для этого любой имеющийся канал – проводной или беспроводной. Исходя из выбранного канала передачи данных должно использоваться соответствующее сетевое оборудование с определенными параметрами передачи данных, учитывающими всевозможные особенности канала, такие как полосы пропускания, защита от помех, уровень сигнала, кодирование, скорость передачи данных в физической среде и т. п.

Таким образом, всю описанную работу вынуждено выполнять сетевое оборудование: сетевая карта, мост, маршрутизатор и т. д.

Физический уровень – один из уровней, который отличает беспроводные сети от их «собратьев» – проводных сетей. Разница между ними заключается в канале передачи данных: в первом случае это радиоволны определенной частоты или инфракрасное излучение, в другом – любая физическая линия, например коаксиал, витая пара или оптоволокно.

Главная его задача – удостовериться, что канал свободен и ничто не станет угрожать надежности передачи и целостности пакетов. В идеале протоколы канального уровня в паре с сетевым оборудованием должны проверить, является ли канал свободным для передачи данных, не имеется ли коллизий и т. п.

Такую проверку необходимо проводить каждый раз, поскольку локальная сеть редко состоит всего из двух компьютеров, хотя даже в этом случае канал может быть занят. Обнаружив, что канал свободен, данные, которые необходимо передать другому компьютеру, делятся на более мелкие части – кадры. Каждый такой кадр снабжается контрольной суммой и отсылается. Приняв этот кадр, получатель проверяет контрольные суммы и, если они совпадают, принимает его и отправляет подтверждение о доставке. В противном случае кадр игнорируется, фиксируется ошибка, которая отправляется получателю, и кадр передается заново. Так, кадр за кадром, происходит передача всего объема данных.

Канальный уровень также описывает алгоритмы работы в конкретной физической среде, например при использовании витой пары или оптоволокна. Сюда же включаются и правила прокладки кабеля.

Как и в случае с физическим уровнем, канальный также имеет различия для проводных и беспроводных сетей. Связано это со спецификой сетевого оборудования. Так, беспроводное оборудование на данный момент работает только в полудуплексном режиме, а это означает, что одновременно может вестись только прием или только передача. Этот факт резко снижает эффективность обнаружения коллизий и, соответственно, скорость передачи данных в беспроводных сетях.

Поскольку модель ISO/OSI жестко регламентирует действия каждого уровня, то разработчикам пришлось немного модернизировать протоколы канального уровня для работы в беспроводных сетях. В частности, в случае беспроводной передачи данных используются протоколы CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) или DCF (Distributed Coordination Function).

Протокол CSMA/CA характеризуется тем, что избегает коллизий при передаче данных, используя явное подтверждение доставки, которое говорит о том, что пакет доставлен и он не поврежден.

Работает это следующим образом. Когда один компьютер собирается передать данные другому, то всем станциям сети посылается короткое сообщение (ready to send, RTS), содержащее в себе информацию о получателе и времени, необходимом для передачи данных. Получив такой пакет, все компьютеры прекращают передачу данных на указанное время. Получатель отсылает отправителю сообщение о готовности приема данных (clear to send, CTS). Получив его, компьютер-отправитель высылает первую порцию данных и ждет подтверждения доставки пакета. После подтверждения доставки передача данных продолжается. Если же подтверждение не пришло, компьютер-отправитель повторно передает конкретный пакет.

Это гарантирует доставку пакетов данных, но в то же время заметно снижает скорость передачи данных. Именно поэтому беспроводные сети всегда были медленнее проводных и таковыми останутся надолго, если не навсегда. Чтобы хоть как-то повысить скорость, один из протоколов канального уровня производит фрагментацию (разделение на фрагменты) пакетов, что увеличивает шанс их передачи с удачным исходом, исключая повторную пересылку.

Как и канальный, сетевой уровень занимается передачей информации. Однако между ними есть существенная разница: канальный уровень может передавать данные между компьютерами, которые подключены с использованием одной топологии. Если сеть является комбинированной, за работу принимается сетевой уровень.

Данные в сетевом уровне делятся на порции, которые называются пакетами. Перед тем как начать передачу данных другому компьютеру, происходит преждевременная настройка связи, заключающаяся в выборе пути, по которому будут передаваться данные. Этот процесс называется маршрутизацией. Выбор нужного маршрута – одна из основных функций сетевого уровня. Невозможно выбрать идеальный путь, поскольку рано или поздно на одном из отрезков может повыситься трафик, что приведет к увеличению времени передачи пакетов. Поэтому нужный путь выбирается по среднему значению всех необходимых параметров: пропускной способности, интенсивности трафика, дальности и скорости передачи, ее надежности и т. п.

Как правило, при выборе маршрута используются маршрутизаторы. В их таблицах хранится информация о скорости передачи между отдельными отрезками сети, трафике, среднем времени передачи и т. д., основываясь на которой протоколы сетевого уровня могут выбрать оптимальный путь прохождения данных.

Организация сетевого уровня может осуществляться как программно, так и аппаратно.

Идеальную сеть создать невозможно – хоть где-то, но произойдет отклонение от требований ее построения. Если сеть достаточно большая и включает несколько маршрутизаторов, то это не только усложняет ее, но и приводит к ее ненадежности.

Основная задача транспортного уровня – обеспечить требуемую степень надежности при передаче информации между выбранными компьютерами. Транспортный уровень может делать это пятью способами. Каждый из них отличается не только защищенностью данных при пересылке, но и временем их доставки или возможностью исправления возникающих ошибок. Поэтому, начиная с данного уровня, выбор варианта доставки может производить программа, то есть непосредственно пользователь. Зачем назначать максимальные предосторожности перед отправкой и во время передачи данных, если сеть характеризуется хорошим качеством и низкой вероятностью появления ошибок? Логично выбрать наиболее простой способ из пяти существующих. И наоборот, если в сети часто происходят коллизии, которые приводят к потере информации, следует использовать способ, который гарантирует вам доставку данных в любом случае.

Транспортным уровнем можно управлять программно, а не только аппаратными средствами.

Сеансовый уровень контролирует передачу пакетов между компьютерами. Осуществляя синхронизацию принятых и отправленных пакетов, протоколы сеансового уровня отслеживают недостающие и передают их заново. За счет того что передаются только недостающие пакеты, достигается повышение скорости.

Чтобы урегулировать процессы отправки и получения информации между двумя компьютерами, существует уровень представления, который приводит ее к единому синтаксическому стандарту, поэтому именно здесь эффективно использовать разнообразные методы шифрования данных, чем и занимаются многие протоколы.

Этот уровень отвечает за связь с прикладными программами. Он представляет собой обычный набор протоколов, с помощью которых можно осуществлять доступ к любым ресурсам сети.

Таким образом, пройдя все семь уровней, сообщение пользователя пополняется служебной информацией (заголовками) каждого из них. Аналогично, попав к нужному получателю и опять пройдя все семь уровней, информация очищается от всей служебной информации.

3.2. Сетевой протокол

В предыдущем разделе была кратко рассмотрена модель ISO/OSI, которая описывает работу любого сетевого оборудования и сети в целом. Однако это всего лишь модель, рисунок на бумаге. Чтобы все это начало работать, необходим механизм, ее реализующий. Таким механизмом является протокол передачи данных, а если точнее, множество протоколов.

Таким образом, протокол – набор правил, использование которых делает возможной передачу данных между компьютерами. Все эти правила работают в рамках модели ISO/OSI и не могут отступать от нее ни на шаг, поскольку это может повлечь за собой несовместимость оборудования и программного обеспечения.

Поскольку каждый из уровней модели ISO/OSI обладает своими особенностями, то реализация всех этих особенностей невозможна в рамках одного протокола. Мало того, она даже невыгодна, поскольку значительную часть логики можно разрабатывать на уровне аппаратного обеспечения, что приводит к максимально быстрой обработке данных. Исходя из этих соображений было разработано множество узконаправленных протоколов, каждый из которых выполняет свою задачу и делает это с максимальной отдачей и быстродействием.

Все протоколы можно разделить на низкоуровневые и высокоуровневые.

Низкоуровневые реализованы давно, и никаких кардинальных изменений в них не вносится, что за длительное время их использования позволило найти и устранить все возможные дыры и ошибки в их работе.

Примечание

Низкоуровневые протоколы реализуются на аппаратном уровне, что позволяет добиться максимального быстродействия и безошибочности.

Что касается высокоуровневых протоколов, то их разрабатывают и совершенствуют постоянно. В этом нет ничего плохого, даже наоборот: всегда существует возможность придумать новый, более эффективный способ передачи данных.

Примечание

Как правило, высокоуровневые протоколы реализуются в виде драйверов к сетевому оборудованию для разных операционных систем.

Существует множество разных протоколов, каждый из которых имеет свои особенности. Одни из них узконаправленные, другие имеют более широкое применение. Разрабатываются несколькими фирмами, поэтому неудивительно, что каждая из них создает свой собственный стек (набор) протоколов. Хотя эти стеки по умолчанию между собой несовместимы, существуют дополнительные протоколы, являющиеся мостами между ними, что позволяет использовать в одной операционной системе несколько несовместимых между собой протоколов.

Следует также упомянуть тот факт, что не все протоколы могут применяться в одинаковых условиях. Бывает, применение одного из них выгодно для небольшой группы компьютеров одноранговой сети и крайне невыгодно для большого количества машин сети на основе сервера с несколькими маршрутизаторами и общим выходом в Интернет.

Наибольшую популярность приобрели такие стеки протоколов, как NetBIOS/ NetBEUI, IPX/SPX, TCP/IP и др. Более подробно познакомиться с их возможностями вы сможете ниже.

NetBIOS (Network Basic Input/Output System) – один из первых сетевых протоколов, разработанный в 1984 году с целью создания интерфейса передачи сообщений по локальной сети, как одноранговой, так и на основе сервера.

Для передачи сообщений по сети NetBIOS используются логические имена компьютеров. Когда компьютер заходит в сеть, он не только сообщает об этом всем остальным, но и заносит имена всех подключенных к сети компьютеров в свою динамическую таблицу.

В силу своей простоты NetBIOS является одним из самых быстрых протоколов, и это его сильная сторона.

На самом деле NetBIOS не является полноценным протоколом, поскольку описывает только программную часть передачи данных – набор сетевых API-функций. Это означает, что, используя его, можно только подготовить данные для передачи. Физическая же передача осуществляется только с помощью любого транспортного протокола. В частности, обычно в паре с протоколом NetBIOS используется транспортный протокол NetBEUI.

Плюсом этой технологии является непривязанность к транспортному протоколу, что позволяет использовать любой другой подходящий для этих целей протокол. Кроме того, неоспоримым достоинством является его быстродействие.

Недостаток же заключается в том, что для полноценной работы NetBIOS требуется, чтобы на всех компьютерах сети стоял одинаковый транспортный протокол, иначе машины не смогут синхронизироваться. Еще один минус протокола – отсутствие поддержки маршрутизации, без которой не обходится любая сеть сложной топологии. Именно поэтому протокол NetBIOS, как правило, находит свое применение только в сетях малого размера, обычно в одноранговых.

NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface) – транспортный протокол, «брат» NetBIOS, его расширение. Однако он обладает большей надежностью доставки сообщений и устойчивостью к ошибкам. Достигается все это путем подтверждающих пакетов, каждый раз присылаемых в ответ на полученное сообщение. Кроме того, до начала передачи устанавливается логическая связь между компьютером-отправителем и компьютером-получателем, что уже гарантирует доставку пакетов.

Еще один механизм, обеспечивающий надежность передачи данных, – механизм, отслеживающий время «жизни» пакета (TTL). Если по истечении этого времени компьютер-получатель не пришлет подтверждение о доставке очередного пакета данных, компьютер-отправитель отсылает порцию данных повторно. Аналогично повторная передача происходит и в случае, если пакет оказался поврежденным и компьютер-получатель его отклоняет, о чем и сообщает компьютеру-отправителю.

Так же как и NetBIOS, NetBEUI не поддерживает маршрутизацию в сети, что не позволяет эффективно использовать его скорость и применять в глобальных сетях. Тем не менее этот протокол является одним из основных компонентов NT-систем и его установка происходит автоматически.

IPX и SPX являются представителями стека протоколов, разработанных компанией Novell, которая в свое время являлась прямым конкурентом Microsoft. Конкуренция велась в области сетевых операционных систем: с одной стороны стояла операционная система Novell Netware, с другой – Windows NT. Соответственно каждая из этих систем использовала свой набор протоколов.

К сожалению, со временем Novell сдала свои позиции и первенство завоевали сетевые версии операционных систем Windows NT. Тем не менее разработанные Novell протоколы используются до сих пор и будут использоваться еще очень долго.

IPX/SPX представляет собой набор подпротоколов, каждый из которых может выполнять возложенную на него задачу на высоком уровне (рис. 3.2). Два нижних уровня (физический и сетевой) реализуют стандартные протоколы Ethernet.

Рис. 3.2. Распределение протоколов стека IPX/SPX по уровням модели ISO/OSI

Ниже описаны только некоторые из протоколов, входящих в состав стека протоколов IPX/SPX.

IPX (Internetwork Packet Exchange) – отвечает за работу сетевого уровня. Его основные функции – вычисление адресов компьютеров сети и организация маршрутизации между двумя выбранными машинами. Анализируя данные других протоколов, IPX составляет наиболее эффективный путь маршрутизации. После этого пакет данных (датаграмма[1]) с добавленной информацией об адресе получателя и отправителя идет по выбранному маршруту. К сожалению, этот протокол самостоятельно работать не может, поскольку не устанавливает соединение между компьютерами. Без этого нельзя ожидать от него надежной доставки пакетов.

SPX (Sequenced Packet Exchange) – протокол транспортного уровня. Он отвечает за установку соединения между выбранными компьютерами и передает сообщения – датаграммы.

SAP (Service Advertising Protocol) – отвечает за работу сразу трех уровней: прикладного, представления и сеансового. Однако одна из основных его функций – рассылка сообщений о доступных сервисах. Благодаря этому все сетевые устройства знают об имеющихся сетевых сервисах. SAP – очень мощное средство организации службы поддержки, однако это и является его основным недостатком. Поскольку любое сетевое устройство постоянно посылает о себе информацию, это приводит к повышению трафика сети и соответственно снижению ее эффективности. Для уменьшения засорения сети используют возможности маршрутизаторов, которые позволяют фильтровать «чужие» SAP-сообщения.

NCP (NetWare Core Protocol) – протокол верхнего (прикладного) уровня. Он отвечает за взаимодействие сервера операционной системы Novell NetWare и рабочей станции. С его помощью пользователь видит любую нужную информацию о ресурсах сети, открывает, изменяет и сохраняет файлы, меняет их атрибуты, удаляет, копирует и т. д.

TCP/IP – самый распространенный протокол транспортного уровня как в локальных, так и в глобальных сетях. В свое время он был разработан Министерством обороны США, что уже говорит о его надежности.

Протокол TCP/IP имеет открытый интерфейс. Это означает, что вся информация об этом протоколе открыта и любой может использовать ее по своему желанию и назначению.

На самом деле TCP/IP состоит из нескольких протоколов.

Как вы уже заметили, в его названии есть разделитель, то есть он состоит из названий двух протоколов. Первый из них – TCP (Transmission Control Protocol), второй – IP (Internet Protocol). Это говорит о том, что в нем участвует по меньшей мере два протокола (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Распределение протоколов стека TCP/IP по уровням модели ISO/OSI

На самом деле в стеке TCP/IP участвует намного больше протоколов. Это связано с тем, что каждый из них предназначен для выполнения определенных задач. Как известно, лучше иметь несколько механизмов, работа которых отлажена до мелочей, нежели один большой, но вызывающий неполадки.

Ниже описаны некоторые протоколы, входящие в стек TCP/IP.

TCP (Transmission Control Protocol) осуществляет обмен данными между двумя компьютерами с предварительно установленной логической связью. Он постоянно используется в Интернете, поскольку надежность соединения и универсальность в этом случае играют очень большую роль. Кроме того, TCP обеспечивает надежность доставки сообщений, принимая подтверждение доставки каждой его порции путем подтверждающих пакетов, каждый раз присылаемых в ответ на полученное сообщение. При этом в самом начале устанавливается логическая связь между компьютером-отправителем и компьютером-получателем, что уже гарантирует доставку пакетов.

UDP (User Datagram Protocol) – при использовании этого протокола не нужно иметь установленное логическое соединение двух компьютеров. Когда передаются данные другому компьютеру, предполагается, что он где-то есть, то есть подключен к сети. В этом случае нет никакой гарантии, что обмен данными произойдет. При этом к отсылаемому пакету просто добавляется IP-адрес машины, которой нужно отослать сообщение. Если сообщение принято, присылается подтверждение об этом, иначе отсылка данных повторяется через некоторый промежуток времени. Как ни странно, протокол UDP применяется в сети достаточно часто. Благодарить за это нужно скорость его работы, которая достигается за счет того, что не устанавливаются соединения с другими компьютерами, а это позволяет использовать трафик в нужном направлении. Так, данный протокол часто используют в сетевых играх, для передачи звуковых данных интернет-радио и в других случаях, где надежность доставки пакетов не играет большой роли.

IP (Internet Protocol) – протокол более высокого уровня, чем TCP и UDP. Он используется непосредственно для передачи данных по ранее установленному (или не установленному) соединению и имеет механизмы маршрутизации. Пользуясь информацией о маршрутизации между выбранными компьютерами, он просто добавляет адрес отправителя и получателя к пакету и отсылает его дальше. Наиболее востребованной функцией протокола является разбивка большого пакета на более мелкие на одном компьютере и соответственно соединение всех частей на другом. Это значит, что IP не контролирует доставку сообщений конечному адресату. IP-адреса машины-отправителя и машины-получателя включаются в заголовок датаграммы и используются для ее передачи между шлюзами. При этом информация о маршрутизации, находящаяся на шлюзе, указывает, куда передавать датаграмму на каждом этапе.

ICMP (Internet Control Message Protocol) контролирует протокол IP, отслеживает любые изменения, влияющие на процесс маршрутизации. При возникновении каких-либо ошибок об этом узнают и отправитель, и получатель. При этом в сообщении указывается причина сбоя.

RIP (Routing Information Protocol) – «родной брат» протокола IP. Они оба связаны с маршрутизацией. Тем не менее протокол RIP отвечает за выбор наилучшего маршрута доставки данных.

ARP (Address Resolution Protocol) – работает с адресами компьютеров, то есть определяет фактический адрес машины, расположенной в той или иной ветке сети. Например, если нужно узнать физический адрес в сети Ethernet, имея при этом IP-адрес, ARP конвертирует 32-битный IP-адрес в 48-битный Ethernet-адрес.

DNS (Domain Name System) – важнейший протокол, который позволяет определять адрес компьютера, ориентируясь на его логическое имя.

RARP (Revere Address Resolution Protocol) – протокол, определяющий адрес компьютера в сети. Работает аналогично протоколу ARP, однако конвертирование происходит в обратном порядке, то есть 48-битный Ethernet-адрес конвертируется в 32-битный IP-адрес.

ВООТР (Boot Protocol) – относится к прикладному уровню. С его помощью можно запустить сетевой компьютер, используя данные о загрузке с сервера.

FTP (File Transfer Protocol) – протокол, который позволяет загружать файлы с одного компьютера на другой. Именно его вы используете каждый раз, когда пытаетесь выгрузить или загрузить файл с FTP-сервера в Интернет.

TELNET – используется для связи между двумя компьютерами с целью управления одним из них. Протокол очень эффективен в действии и позволяет связывать любые два компьютера, где бы они ни находились.

Кроме описанных, существует набор протоколов, отвечающих за разные аспекты функционирования сети, в частности администрирование, работу с электронной почтой и т. п.

Имея в составе мощный набор вспомогательных протоколов, TCP/IP не зря так популярен. К тому же сегодня это единственный эффективный протокол, который используется для работы в Интернете.

3.3. Протоколы работы с электронной почтой

Без этих протоколов невозможна работа электронной почты. Что такое электронная почта и как без нее плохо, объяснять, пожалуй, не нужно.

Особенностью этих протоколов является их узкая направленность – использование для других целей принципиально невозможно, да и не имеет смысла. Их задача – организация обмена электронными сообщениями.

Еще одной особенностью почтовых протоколов является однозадачность: например, протокол, умеющий отсылать сообщения, не умеет их принимать, и наоборот. Именно поэтому такие протоколы работают парами.

SMTP (Simple Message Transfer Protocol) – почтовый протокол для передачи электронных сообщений. Он накапливает письма и рассылает их по тем адресам, которые указаны в заголовках.

Благодаря своей простоте[2] и возможностям, SMTP завоевал достойное место под солнцем. Есть, конечно, и недостатки, основной из которых – отсутствие механизма аутентификации входящих соединений и шифрования передачи данных между серверами.

SMTP рассчитан на передачу только текстовой информации, поэтому для отсылки файлов разработан стандарт UUENCODE. Благодаря этому дополнению также появляется возможность использовать разную кодировку писем. Однако и UUENCODE не является полноценным дополнением, поскольку при кодировании файла в текстовый формат теряется информативность, то есть его эмоциональный характер, формат и т. п.

Поэтому вместе с SMTP работает еще одно расширение почты – MIME (Multipurpose Internet Mail Extension), выполняющее больше функций.

Достоинством протокола SMTP является возможность отправлять сообщения с любым форматом вложения, будь то простой текстовый файл или файл с любимой песней. Однако у всего есть свои недостатки – сообщение, прошедшее через кодовую обработку UUENCODE, увеличивается в размере в среднем на 30 %.

Перед тем как отправить письмо, SMTP устанавливает предварительное соединение с адресатом, что позволяет ему получить письмо в кратчайшие сроки. В случае если адресат, указанный в заголовке письма, не найден, пользователь получает об этом сообщение от почтового сервера.

POP[3] (Post Office Protocol) – один из самых распространенных почтовых протоколов. С его помощью пользователь может загружать адресованные ему письма с почтового сервера.

Данный протокол имеет простой интерфейс, который на все запросы отвечает недвусмысленно: ОК или ERR. Возможно, это и не позволяет использовать некоторые желательные функции, например чтение писем без копирования их на локальный компьютер или выборочный прием писем. Для выполнения этих и других полезных функций вместе с POP используют протокол IMAP.

IMAP (Interactive Mail Access Protocol) – еще один почтовый протокол. Он был разработан позже протокола POP3, что позволило учесть все недостатки и добавить много новых востребованных функций.

Наиболее полезными среди них являются скачивание заголовков сообщений, анализируя которые можно эффективно настраивать фильтры, сортирующие письма или отсеивающие спам.

Еще одно немаловажное нововведение – механизм оптимизации использования каналов, по которым передаются сообщения. Эти каналы не всегда быстрые и незагруженные, поэтому наличие такой функции существенно облегчает жизнь пользователя. Также имеется возможность передачи сообщений по частям, что очень полезно, когда размер письма большой, например 5-10 Мбайт.

3.4. Другие протоколы

HTTP. О протоколе HTTP вы, скорее всего, слышали. Именно он является одним из прародителей обмена информацией в Интернете. Каждый раз, переходя с одной веб-страницы на другую или выбирая ссылку, вы тем самым приводите в действие механизм, который напрямую связан с HTTP-протоколом.

Особенностью протокола является то, что он может передавать любую информацию – текстовую и графическую. Это позволяет использовать дополнительные средства в разработке веб-страниц и веб-ресурсов, делая их оформление разнообразным, красочным и даже анимированным.

FTP (File Transfer Protocol) – «собрат» HTTP-протокола, так как они всегда работают вместе. Главное отличие заключается в том, что FTP-протокол был разработан специально для передачи файлов в Интернете. Каждый раз, скачивая, например, музыку или нужные документы, вы пользуетесь услугами механизмов FTP-протокола. Представить себе Интернет без FTP невозможно.

SLIP (Serial Line Internet Protocol) создан специально для организации постоянного подключения к Интернету с использованием имеющейся телефонной линии и обычного модема. Из-за высокой стоимости этот тип подключения могут позволить себе не многие пользователи. Как правило, такое подключение применяется в организациях, имеющих серверы, на которых находятся их веб-страницы и другие ресурсы (базы данных, файлы).

Данный протокол работает вместе с протоколом TCP/IP, находясь на более низком уровне. Перед тем как информация с модема поступит на обработку TCP/IP-протоколу, ее предварительно обрабатывает SLIP-протокол. Выполнив все необходимые действия, он создает другой пакет и передает его TCP/IP.

В другую сторону формирование пакетов происходит в обратном порядке. Получив пакет данных от TCP/IP, SLIP создает другой пакет, предварительно выбрав всю ценную информацию.

РРР (Point-to-Point Protocol) выполняет ту же работу, что и описанный выше SLIP. Однако он более приспособлен к ней, так как обладает дополнительными функциями. Кроме того, в отличие от SLIP, РРР может взаимодействовать не только с TCP/IP, но и с IPX/SPX, NetBIOS, DHCP, которые получили распространение в локальных сетях.

Протокол РРР более распространен также благодаря использованию на веб-серверах с установленной операционной системой Windows NT (SLIP применяют для соединения с серверами, работающими в операционной системе UNIX).

Х.25 был создан в 1976 году и усовершенствован в 1984-м, работает на физическом, канальном и сетевом уровнях модели взаимодействия ISO/OSI. Его разработкой занимался консорциум, состоящий из представителей многих телефонных компаний, и создавали его специально для использования на существующих телефонных линиях.

Учитывая год создания протокола, а соответственно и качество тогдашних телефонных линий, можно с уверенностью сказать, что протокол Х.25 – один из самых надежных. Когда создавался Х.25, цифровая телефонная линия была редкостью – использовалась в основном аналоговая. По этой причине в нем присутствует система обнаружения и коррекции ошибок, что существенно повышает надежность связи. В то же время она замедляет скорость передачи данных (максимальная – 64 Кбит/с). Однако этот факт не мешает использовать его там, где прежде всего требуется высокая надежность, например в банковской системе.

Frame Relay – еще один протокол, предназначенный для передачи данных по телефонной линии, который, кроме высокой надежности Х.25, обладает дополнительными полезными нововведениями. Поскольку передаваемые данные могут иметь формат видео, аудио или содержать электронную информацию, есть возможность выбирать приоритет пересылаемого содержимого.

Еще одна особенность протокола Frame Relay – его скорость, которая достигает 45 Мбит/с.

AppleTalk является собственностью компании Apple Computer, был разработан для установки связи между компьютерами Macintosh.

Так же как и TCP/IP, протокол AppleTalk представляет собой набор протоколов, каждый из которых отвечает за работу определенного уровня модели ISO/OSI.

В отличие от протоколов TCP/IP и IPX/SPX, стек протокола AppleTalk использует собственную реализацию физического и канального уровней, а не протоколы модели ISO/OSI (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Распределение протоколов стека AppleTalk по уровням модели ISO/OSI

Рассмотрим протоколы стека AppleTalk.

DDP (Datagram Delivery Protocol) – отвечает за работу сетевого уровня. Его основное предназначение – организация и обслуживание процесса передачи данных без предварительной установки связи между компьютерами.

RTMP (Routing Table Maintenance Protocol) – работает с маршрутными таблицами AppleTalk. Любая такая таблица содержит информацию о каждом сегменте, куда возможна доставка сообщений. Таблица состоит из номеров маршрутизаторов (порта), которые могут доставить сообщение к выбранному компьютеру, количества пунктов «пересадки»,[4] параметров выбранных сегментов сети – скорости, загруженности и т. п.

NBP (Name Binding Protocol) – отвечает за адресацию, которая сводится к привязке логического имени компьютера к физическому адресу в сети. Кроме процесса привязки имени, он отвечает за регистрацию, подтверждение, стирание и поиск этого имени.

ZIP (Zone Information Protocol) – протокол, работающий в паре с NBP, помогая ему производить поиск имени в рабочих группах, или зонах. Для этого он использует информацию ближайшего маршрутизатора, который создает запрос по всей сети, где могут находиться компьютеры, входящие в заданную рабочую группу.

ATP (AppleTalk Transaction Protocol) – один из протоколов транспортного уровня, который отвечает за транзакции. Транзакция – это набор из запроса, ответа на этот запрос и идентификационного номера, который присваивается данному набору. Примером транзакции может быть сообщение о доставке данных от одного компьютера другому. Кроме того, АТР умеет делать разбивку больших пакетов на более мелкие с последующей их сборкой после подтверждения о приеме или доставке.

ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol) – протокол, аналогичный ATP, отвечающий за доставку пакетов. Однако в данном случае осуществляется не одна транзакция, а гарантированная доставка, которая может повлечь за собой несколько транзакций. Кроме того, протокол гарантирует, что данные при доставке не будут утеряны или продублированы.

• Сетевой адаптер

• Концентратор

• Мост

• Коммутатор

• Маршрутизатор

• Модем

• Точка доступа

• Антенна

• Сетевой кабель

• Коннекторы, розетки, инструменты…

Компьютерная сеть не может существовать без сетевых устройств. Каждое из них имеет свое предназначение, что позволяет четко разделить функции поддержки работы сети. Обычный пользователь может даже не знать, какие именно устройства применяются. Единственное, с чем он сталкивается, – это сетевая карта, установленная (или встроенная) в материнскую плату его компьютера. Тем более не обязательно знать, как все это функционирует. Однако если вы любознательный человек, то знание основ работы сетевых устройств вам не помешает и даже пригодится. Кроме того, подобные знания будут совсем не лишними для человека, который будет выступать в роли администратора сети.

4.1. Сетевой адаптер

Чтобы пользователь мог подключиться к локальной сети, в его компьютере должно быть установлено специальное устройство – сетевой контроллер (адаптер, карта).

Сетевой адаптер выполняет множество заданий, самые главные из которых – кодирование информации и получение доступа к информационной среде с использованием уникального идентификатора (МАС-адреса).

Сетевые карты бывают в виде плат расширения, которые устанавливаются в соответствующий слот (рис. 4.1), или могут быть встроенными в материнские платы (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Сетевая карта в виде платы расширения, устанавливаемой в PCI-слот

Рис. 4.2. Пример встроенной сетевой карты (два коннектора сверху в правой части)

Сетевые платы различаются по трем основным параметрам.

• Скорость передачи данных. Поскольку существуют сети с различными скоростями приема и передачи информации, естественно, существуют аналогичные сетевые адаптеры. Наибольшее распространение в странах СНГ получили сети Ethernet и Fast Ethernet, построенные на витой паре или коаксиальном кабеле (встречаются реже), имеющие пропускную способность 100 и 10 Мбит/с соответственно. Также в последнее время все чаще встречаются локальные сети, работающие со скоростью 1 Гбит/с. Как правило, сетевой адаптер с более высокой скоростью передачи данных также умеет работать и на более низких скоростях. К примеру, если сеть функционирует на скорости 10 Мбит/с, 100-мегабитный сетевой адаптер также будет работать на скорости 10 Мбит/с.

• Тип коннектора. Тип коннектора сетевой карты зависит от выбора сетевой топологии и кабеля, по которому происходит передача данных. Существует несколько типов коннекторов: RJ-45 для витой пары, BNC для коаксиального кабеля и ST, SC или FC для оптоволокна. Они существенно различаются по конструкции, поэтому использовать коннектор не по назначению невозможно. Хотя существуют комбинированные сетевые адаптеры, которые содержат, например, RJ-45– и BNC-коннекторы. Но поскольку сети на коаксиальном кабеле встречаются все реже, то и адаптеры такие попадаются нечасто. Сегодня сети на основе витой пары составляют примерно 90 %.

• Тип подключения к компьютеру. Сетевая карта может устанавливаться в PCI-слот или в USB-порт (рис. 4.3). Кроме этого практически любая современная материнская плата имеет интегрированный сетевой контроллер.

Рис. 4.3. Сетевая карта, подключаемая к USB-порту

Что касается сетевых адаптеров (рис. 4.4) для беспроводной сети, то по внешнему виду они практически не отличаются от проводных, за исключением наличия гнезда антенны – внутренней или внешней.

Рис. 4.4. Беспроводной сетевой адаптер

Что касается сетевых плат, которые подключают через USB-порт, они встречаются достаточно часто, особенно это касается беспроводных вариантов.

Часто на сетевой карте присутствует микросхема BIOS, с помощью которой можно даже производить загрузку компьютера или выводить его из спящего режима (функция WOL, wake up on LAN). В последнем случае сетевая карта должна быть подсоединена к материнской плате специальным кабелем.

4.2. Концентратор

Когда сеть содержит более двух компьютеров, для их объединения приходится использовать специальное устройство – концентратор. Свое применение он находит, как правило, в сетях на основе витой пары.

Концентратор (также используются названия «хаб», «повторитель», «репитер») – сетевое устройство, имеющее два и более разъема (порта), которое, кроме коммутации подключенных к нему компьютеров, выполняет и другие функции, например усиление сигнала.

Концентратор служит для расширения сети, и основное его предназначение – передача поступившей на вход информации остальным подключенным к нему устройствам сети.

Все подключенные к концентратору устройства получают абсолютно одинаковую информацию, что одновременно является и недостатком устройства – наличие нескольких концентраторов в сети засоряет эфир, поскольку концентратор не видит реального адреса, по которому нужно отослать сообщение, и вынужден передавать его всем.

В любом случае концентратор выполняет свою задачу – соединяет компьютеры, находящиеся в одной рабочей группе. Кроме того, он производит анализ ошибок, в частности, возникающих коллизий. Если одна из сетевых карт приводит к возникновению частых коллизий, порт на концентраторе, к которому она подключена, может временно отключаться.

Концентратор реализует физический уровень модели ISO/OSI, на котором работают стандартные протоколы, поэтому использовать его можно в сети любого стандарта.

Существует два основных типа концентраторов.

• Концентраторы с фиксированным количеством портов (рис. 4.5) – самые простые. Выглядит такой концентратор как отдельный корпус, снабженный определенным количеством портов и работающий на выбранной скорости. Как правило, один из портов служит для связи с другим концентратором или коммутатором.

Рис. 4.5. Концентратор с фиксированным количеством портов

• Модульные концентраторы (рис. 4.6) состоят из блоков, которые устанавливаются в специальное шасси и объединяются общей шиной. Возможна также установка концентраторов, которые не связаны между собой общей шиной, например, когда существуют разные локальные сети, связь между которыми не принципиальна.

Рис. 4.6. Модульный концентратор

Модульный концентратор выглядит практически так же, как концентратор с фиксированным количеством портов. Единственное возможное отличие – пластмассовый корпус. Количество портов в таких конструкциях не обязательно должно быть одинаковым. Кроме того, каждый концентратор может работать со своей топологией сети.

Преимуществом модульного концентратора является сосредоточение всех устройств в едином центре управления. Это позволяет быстро делать соответствующие настройки в случае любых изменений в сети.

Поскольку для создания сети в основном используют коаксиальный кабель и кабель на основе витой пары, соответственно существуют и концентраторы с BNC– и RJ-45-портами.

В зависимости от сложности концентратора на нем может присутствовать консольный порт (рис. 4.7), с помощью которого, используя специальное программное обеспечение, можно изменять некоторые параметры, конфигурировать порты или считывать их статистику.

Рис. 4.7. Концентратор с консольным портом (в левой части)

Концентраторы могут содержать разное количество портов – от 5 до 48. Чем их больше, тем дороже и функциональнее устройство. В частности, существуют конструкции, позволяющие управлять концентратором напрямую (то есть не используя консольный порт) или поддерживающие резервную линию соединения с другими устройствами.

Часто на концентраторе есть дополнительный порт, через который можно соединять другие сегменты сети, в частности сеть на коаксиальном кабеле, на основе витой пары или радиосеть.

4.3. Мост

Мост (также используются названия «свич», «переключатель») представляет собой довольно простое устройство (рис. 4.8), основное предназначение которого – разделение двух сегментов сети с целью увеличения ее общей длины (соответственно количеству подключенных повторителей) и преодоления при этом ограничения сетевой топологии.

Рис. 4.8. Беспроводной мост

В отличие от концентраторов, мост умеет передавать отдельные (отфильтрованные) пакеты, что позволяет уменьшить трафик информации.

Как правило, мост имеет два или больше портов, к которым подключают сегменты сети. Анализируя адрес получателя пакета, он может фильтровать сообщения, предназначенные другому сегменту. Пакеты, предназначенные для родного сегмента, устройство попросту игнорирует, что также уменьшает трафик.

Для построения сети используют три типа мостов:

• локальный – работает только с сегментами одного типа, то есть имеющими одинаковую скорость передачи данных;

• преобразующий – предназначен для того же, что и локальный мост, также работает с разнородными сегментами, например Token Ring и 100Base;

• удаленный – соединяет сегменты, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, при этом могут использоваться любые средства соединения, например модем.

Мост может использоваться как в проводных, так и в беспроводных сетях.

4.4. Коммутатор

Коммутатор (рис. 4.9) объединяет в себе возможности концентратора и моста, а также выполняет еще некоторые полезные функции.

Рис. 4.9. Коммутатор

Например концентратор, получив от какой-либо сетевой карты пакет данных, не зная о том, кому он адресован, рассылает его по всем подключенным к нему сетевым устройствам. Не сложно представить, какой создается трафик, если в сети существует не один, а несколько концентраторов.

Коммутатор – более интеллектуальное устройство, которое не только фильтрует поступающие пакеты, но, имея таблицу адресов всех сетевых устройств, точно определяет, какому эти пакеты предназначены. Это позволяет ему передавать информацию сразу нескольким устройствам.

Поэтому для организации разветвленной сети концентраторы и коммутаторы используют совместно. Первые – для объединения компьютеров в одну группу, вторые – для организации эффективного обмена информацией между ними.

Коммутаторы работают на канальном уровне, что позволяет использовать их не только в разных типах сетей, но и объединять различные сети в одну.

Коммутатор может использоваться как в проводных, так и в беспроводных сетях.

4.5. Маршрутизатор

Главная задача маршрутизатора (роутера) – разделение большой сети на подсети. Он выполняет множество полезных функций и обладает большими возможностями. В нем сочетаются концентратор, мост и коммутатор. Кроме того, добавляется возможность маршрутизации пакетов. В связи с этим маршрутизатор (рис. 4.10) работает на более высоком уровне – сетевом.

Рис. 4.10. Беспроводной маршрутизатор

Таблица возможных маршрутов движения пакетов все время обновляется, что дает маршрутизатору возможность выбирать самый короткий и самый надежный путь доставки сообщения.

Одной из ответственных задач является связь разнородных сетевых сегментов локальной сети. С помощью маршрутизатора также можно организовывать виртуальные сети, каждая из которых будет иметь доступ к тем или иным ресурсам, в частности к Интернету.

Организация фильтрования широковещательных сообщений в маршрутизаторе выполнена на более высоком уровне, чем в коммутаторе. Все протоколы, которые использует сеть, беспрепятственно принимает и обрабатывает процессор маршрутизатора. Даже если попался незнакомый протокол, устройство быстро научится с ним работать.

Маршрутизатор может использоваться в проводных и беспроводных сетях. Часто функции маршрутизации ложатся на беспроводные точки доступа.

4.6. Модем

Модем также является сетевым оборудованием, и его до сих пор часто используют для организации выхода в Интернет.

Слово «модем» – сокращение от «модулятор» и «демодулятор».

Модем представляет собой устройство, которое имеет цифровой интерфейс связи с компьютером и аналоговый интерфейс для связи с телефонной линией (цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразования).

Модем состоит из процессора, памяти, аналоговой части, ответственной за сопряжение с телефонной сетью, и контролера, который всем управляет.

Обмен информацией происходит по обычной телефонной линии в диапазоне частот 300-3400 Гц. Преобразование аналогового сигнала осуществляется достаточно просто – с определенной частотой его характеристики измеряются и записываются в цифровой форме по определенному алгоритму. В обратной последовательности идет преобразование цифровой информации.

Модемы бывают двух типов: внешние (рис. 4.11) и внутренние (рис. 4.12). Внутренние представляют собой плату расширения, которую обычно устанавливают в PCI-слот. Внешний же модем может подключаться к компьютеру через LPT-, СОМ-, USB-порт или вход сетевой карты.

Рис. 4.11. Внешний модем

Рис. 4.12. Внутренний модем

Модемы могут работать с телефонной линией, с выделенной линией и радиоволнами.

В зависимости от типа устройства и среды передачи данных отличается и скорость этой передачи. Скорость обычного цифро-аналогового модема, работающего с телефонной аналоговой линией, приблизительно 33,6-56 Кбит/с. В последнее время все чаще встречаются цифровые модемы, использующие преимущества DSL-технологии. При использовании таких модемов возможна работа на скорости до 24 Мбит/с. Еще одним неоспоримым плюсом этих модемов является то, что телефонная линия всегда остается свободной.

Для связи с другим модемом используются свои протоколы и алгоритмы. Большое внимание при этом уделяется качеству обмена информацией, поскольку качество линий при этом достаточно низкое.

Модем может использоваться как в проводных, так и в беспроводных сетях.

4.7. Точка доступа

Точка доступа (рис. 4.13) – устройство, необходимое для организации беспроводной сети в инфраструктурном режиме. Она играет роль концентратора и позволяет компьютерам обмениваться нужной информацией, используя для этого таблицы маршрутизации, средства безопасности, встроенный аппаратный DNS– и DHCP-сервер и многое другое.

Рис. 4.13. Точка доступа

От точки доступа зависит не только качество и устойчивость связи, но и стандарт беспроводной сети. Существует большое количество разнообразнейших моделей точек доступа с разными свойствами и аппаратными технологиями. Однако на сегодняшний день наиболее оптимальными можно считать устройства, работающие со стандартом IEEE 802.11g, поскольку он совместим со стандартами IEEE 802.11а и IEEE 802.11b и позволяет работать на скорости до 108 Мбит/с.

4.8. Антенна

В беспроводной сети антенна имеет огромное значение, особенно если к ней подключено активное сетевое оборудование: точка доступа, концентратор, маршрутизатор и т. д. Хорошая антенна позволяет сети работать с максимальной отдачей, достигая при этом своих теоретических пределов дальности распространения сигнала.

Антенны бывают внутренние (встроенные) и внешние (рис. 4.14) и отличаются в основном своей направленностью и мощностью. Так, узконаправленная антенна позволяет достичь более дальней связи, что и используют, когда необходимо соединить два удаленных сегмента беспроводной сети.

Рис. 4.14. Антенна для беспроводного оборудования

Широконаправленная антенна распространяет сигнал вокруг себя, что позволяет другим рядом установленным устройствам взаимодействовать друг с другом. Однако достичь каких-либо выдающихся результатов при этом не удается.

4.9. Сетевой кабель

Если в беспроводной сети для передачи данных используют радиоэфир, то в проводной сети, соответственно, кабель. Существует несколько типов кабелей, основными из которых являются кабель на основе витой пары, коаксиальный и оптоволоконный кабель.

Существует несколько категорий кабелей, каждая из которых имеет свои характеристики. Основными отличительными параметрами являются:

• частотная полоса пропускания;

• диаметр проводников;

• диаметр проводника с изоляцией;

• количество проводников (пар);

• наличие экрана вокруг проводника (проводников);

• диаметр кабеля;

• диапазон температур, при котором качественные показатели находятся в норме;

• минимальный радиус изгиба, который допускается при прокладке кабеля;

• максимально допустимые наводки в кабеле;

• волновое сопротивление кабеля;

• максимальное затухание сигнала в кабеле.

Все эти параметры входят в понятие категории кабеля. Например, кабель на основе витой пары бывает пяти разных категорий. В этом случае чем выше категория, тем лучше показатели кабеля, тем больше у него пропускная способность.

Коаксиальный кабель (рис. 4.15) имеет отношение к таким стандартам сети, как «толстый» и «тонкий» Ethernet.

Рис. 4.15. Коаксиальный кабель

На рынке представлен достаточно широкий выбор коаксиального кабеля, однако для создания сетей используют только кабель разной толщины с волновым сопротивлением 50 Ом (телевизионный кабель имеет сопротивление 75 Ом).

Как видно из рис. 4.15, строение коаксиального кабеля следующее:

• центральный провод (жила);

• диэлектрический изолятор центрального провода;

• металлическая оплетка – экран (как правило, медный);

• внешний изолятор.

Чаще всего при построении сети применяют коаксиальный кабель марки RJ-58, хотя есть и другие, например RJ-8, RJ-174, RJ-178, РК-50 и т. д.

Кабель на основе витой пары (рис. 4.16) популярнее коаксиального, поскольку предлагает более высокие скорости передачи данных и лучшую расширяемость сети.

Рис. 4.16. Кабель на основе витой пары

Основу такого кабеля составляют пары проводников, которые не только скручены между собой, но и закручены вокруг остальных таких же пар.

Каждой паре соответствует своя цветовая гамма, например, первый из них – синий, другой – бело-синий. Кроме цветового отличия, каждая пара имеет свой номер и название.

При построении сети используют два типа кабеля – экранированный (Shielded Twisted-Pair, STP) и неэкранированный (Unshielded Twisted-Pair, UTP). Кроме того, кабели на основе витой пары делятся на шесть категорий, каждая из которых имеет определенные свойства. Чем выше категория, тем лучше характеристики кабеля. Например, для организации сети со скоростью передачи данных 100 Мбит/с используют кабель пятой категории.

Оптоволоконный кабель – кабель, строение которого коренным образом отличается от рассмотренных выше и любых других.

В качестве физической среды передачи данных по кабелю используют свет (фотоны), сформированный лазером. В этом заключается главное преимущество оптоволокна, поскольку полностью исключаются электрические наводки (помехи).

Таким образом, оптоволоконный кабель является самым защищенным, что очень важно для многих систем, например банков и государственных учреждений. Кроме того, учитывая низкое затухание сигнала, длина сегмента оптоволоконного кабеля значительно превосходит длину любого другого кабеля и может составлять более 100 км.

Однако достаточно высокая стоимость оборудования для формирования сигнала (света) и особенности прокладки (а именно обжим коннекторов) сдерживают широкое распространение этой технологии. Тем не менее там, где требуются скорость и защита, оптоволокно по праву заняло свое место.

Оптоволоконный кабель состоит из четырех частей: сердечника (сердечников), оболочки сердечника, прокладки и внешней оболочки (рис. 4.17). Главным является сердечник. Как правило, его изготавливают из кварца или специального полимера. Свет, проходя через сердечник, отражается от оболочки, что позволяет проводить кабель с изгибами любого угла.

Рис. 4.17. Оптоволоконный кабель

Для механической защиты кабеля используют специальную прокладку, сделанную из пластика и кевралового волокна, придающего прочность. Дополнительную устойчивость к разрушениям обеспечивает тефлоновый слой.

Для прокладки сетей используют два вида оптоволокна – одномодовое и многомодовое, которые отличаются толщиной сердечника и оболочки. В зависимости от толщины варьируется количество сердечников. Соответственно одномодовый кабель содержит один сердечник большей толщины, а многомодовый – несколько более тонких.

Однако главное отличие этих двух типов кабелей заключается в пропускной возможности. Хотя многомодовый кабель при прокладке позволяет создавать участки с большими изгибами, его пропускная способность хуже, так как свет меньше отражается от оболочки сердечника. Кроме того, длина сегмента при этом значительно меньше (примерно в 50 раз).

Пропускная способность одномодового кабеля намного выше, он и значительно дороже многомодового.

4.10. Коннекторы, розетки, инструменты…

Одного кабеля для создания сети мало. Нужны еще различные мелочи – коннекторы, розетки, короба, панели и т. п. и, конечно, разнообразные инструменты для обрезки и обжима кабелей. Понятное дело, что в случае использования беспроводной сети без всего этого можно обойтись. Исключение составляют лишь комбинированные сети (например, беспроводная сеть с сегментами проводной).

Ниже рассмотрены практически все инструменты и материалы, необходимые для создания сетей на коаксиальном кабеле и на основе витой пары. Оптоволоконная сеть не рассматривается, поскольку она требует слишком дорогостоящего оборудования и ее создание лучше оставить профессионалам.

Коннектор BNC. Коннектор BNC (Bayonet Nut Connector) применяют при построении сети на основе коаксиального кабеля для обжима его концов, идущих к сетевой карте или порту любого сетевого оборудования, которое имеет соответствующий разъем (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Коннектор BNC и его составные части

Существует два типа коннекторов для обжима коаксиального кабеля. Наибольшее распространение получил коннектор, показанный рис. 4.18, для обжима которого используется специальный инструмент. Такой коннектор обеспечивает большую степень надежности, нежели другие, например использующие металлический колпачок, который накручивается на коннектор и прижимает его к кабелю.

Т-коннектор используют для соединения основной кабельной магистрали с сетевой картой компьютера или другого оборудования в сети, построенной на коаксиальном кабеле.

Внешне Т-коннектор (рис. 4.19) похож на обычный, но имеет отводы для вклинивания в центральную магистраль.

Рис. 4.19. Т-коннектор

Т-коннектор всегда используют в паре с коннектором (продлевает сегмент кабеля) или терминатором (закрывает сегмент) (рис. 4.20).

Рис. 4.20. T-коннектор, присоединенный к сетевой карте

I-коннектор (рис. 4.21) служит соединителем сегментов кабеля без применения активного оборудования.

Рис. 4.21. I-коннектор

Данный коннектор применяют, когда нужно, например, дотянуть кабель до компьютера, но его длины не хватает.

Терминатор (рис. 4.22) – устройство, которое устанавливают в конце сегмента с целью заглушить сигнал.

Рис. 4.22. Терминатор

Если терминатор не установить, то сигнал, поступая в никуда, может привести не только к задержкам неопределенной длительности, но и к выходу сети из строя.

Существуют разные инструменты для обработки коаксиального кабеля. При использовании коннекторов с накручивающимся колпачком достаточно иметь инструмент, показанный на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Инструмент для обрезки кабеля и оголения его центрального проводника

Для обжима BNC-коннекторов необходимо иметь инструмент, показанный на рис. 4.24. Он сочетает в себе функции обрезного инструмента, а также обеспечивает возможность обжима центрального сердечника и металлического обжимного кольца.

Рис. 4.24. Инструмент для обжима коннектора BNC

Коннектор RJ-45 (рис. 4.25) используют для обжима кабеля, основанного на витой паре.

Рис. 4.25. Коннектор RJ-45 (слева) и защитный колпачок (справа)

Если в случае с коннектором BNC обжим кабеля можно произвести без инструмента, то с RJ-45 это невозможно. Чтобы хорошо обжать кабель с таким разъемом, требуется достаточно сильно сжать ручки инструмента, который оголит проводники кабеля и прижмет их к проводящим дорожкам на коннекторе. Вручную это сделать не получится.

Колпачок, надевающийся на коннектор, используется не только для скрытия лишней оголенности проводников, но и защищает их от пыли и различных атмосферных явлений.

Розетка RJ-45. Розетки являются такой же частью компьютерной сети, как бытовые электророзетки в электросети. Это некое связующее звено, служащее в качестве контактной площадки. Прокладка сети стоит достаточно дорого, поэтому она должна быть максимально защищена от повреждений. Чтобы исключить возможность порчи сегментов кабеля, их рекомендуется скрывать в специальные короба, окнами из которых и служат розетки (рис. 4.26).

Примечание

При использовании коаксиального кабеля розетки не применяют.

Как и кабели, розетки делятся на категории, которые отличаются степенью защиты и другими требованиями к организации сети. На рис. 4.27 изображена розетка более низкой категории, чем розетка, показанная на рис. 4.26.

Рис. 4.26. Розетка

Рис. 4.27. Розетка одной из первых категорий

Одно из видимых различий между показанными розетками заключается в наличии специальных площадок для крепления проводников в первой (см. рис. 4.26), в то время как во второй (см. рис. 4.27) крепление производится с помощью обычных шурупов, что не гарантирует качества соединения.

Кросс-панель (рис. 4.28) используется в сети, построенной на кабеле, который основан на витой паре.

Кросс-панель служит в качестве связующего звена между кабельной системой и сетевым оборудованием.

Рис. 4.28. Кросс-панель

На передней ее части находится определенное количество разъемов RJ-45, которые при необходимости соединяются с портами RJ-45 на сетевом оборудовании, например концентраторе или маршрутизаторе.

Все приходящие к соответствующим разъемам на передней панели проводники монтируются в задней части кросс-панели.

Патч-кордом (рис. 4.29) называют провод длиной до 5 м, который соединяет выход сетевой карты компьютера с разъемом на розетке. Как правило, он более мягкий, чем Щ кабель, который идет от розетки к концентратору или другому сетевому оборудованию.

Рис. 4.29. Патч-корд

Такой кабель на обоих концах содержит коннекторы RJ-45, которые обжаты согласно принятым правилам в зависимости от выбранного стандарта и категории кабеля.

Кросс-кабель является «родным братом» патч-корда и отличается только меньшей длиной. Его применяют специально для подключения портов на концентраторе или другом сетевом оборудовании с разъемами на кросс-панели, которая физически связана с кабелем, ведущим к конкретному сетевому порту.

Инструменты для работы с витой парой. Для обжима кабеля на основе витой пары используют инструмент, подобный по принципу действия инструменту для обжима коаксиального кабеля. Данное приспособление позволяет обрезать кабель, снимать внешнюю оболочку и, конечно, обжимать коннектор, то есть втискивать жилы проводников в контакты разъема (рис. 4.30).

Рис. 4.30. Инструмент для обжима коннектора RJ-45

Часто этим инструментом можно обжимать разъемы для телефонной сети (RJ-11), более узкие и с меньшим количеством контактов.

При монтаже сетевых розеток используют специальный нож-вставку (рис. 4.31).

Рис. 4.31. Инструмент для зажима проводников в сетевой розетке

С помощью данного ножа можно вставлять проводники кабеля в контактные площадки сетевой розетки.

• Критерии выбора класса сети

• Определение необходимого сетевого оборудования

Если вы планируете соединить два домашних компьютера, вам вполне хватит сети, построенной с применением коаксиального кабеля или кабеля на основе витой пары со скоростью передачи данных 10 Мбит/с, а в последнем случае и 100 Мбит/с. Стоимость такой сети состоит лишь из стоимости кабеля и коннекторов, поскольку сетевая карта обычно (для витой пары) уже установлена в компьютере.

Если же вы планируете соединить в сеть 40 компьютеров с выделенными серверами и сетевыми принтерами, естественно, вам придется использовать стандарт, скорости передачи которого будет достаточно для обеспечения потребностей пользователей.

5.1. Критерии выбора класса сети

Вы уже знаете, что существует два типа сетей – одноранговые и сети на основе выделенного сервера. Их аппаратная разница и возможности имеют большое значение и влияют на практическое использование (более подробные сведения смотрите в последующих главах книги). Поэтому при выборе класса сети необходимо учитывать следующие факторы.

Предназначение сети. Сеть может быть обычная (из нескольких компьютеров), домашняя и офисного или корпоративного назначения. Каждая из них несет свою функциональную нагрузку.

• Обычная сеть является разновидностью офисной и отличается только размерами и требованиями.

• Офисную или корпоративную сеть строят по строгим правилам, которые обеспечивают ей максимальную защищенность и функциональность.

• Домашняя сеть – особый тип, ориентированный на использование в квартирах, домах и районах (при ее построении применяют свои правила, что обуславливает ее уникальность и особенности).

Количество пользователей сети. Этот факт решающим образом влияет на выбор класса сети. Чем больше пользователей подключено, тем большим запасом производительности она должна обладать. Кроме того, от этого зависит количество проблем, которые будут возникать при работе сети, что рано или поздно приводит к решению выбрать администратора.

Масштабность сети. При построении сети используют определенные стандарты, диктующие правила ее использования (см. главу 11). Одним из них является максимальная протяженность сегмента сети. Естественно, что реальная оценка протяженности будущей сети повлияет на выбор класса.

Пропускная способность сети. Это величина, которую должна обеспечивать сеть при выполнении запросов пользователей. Другими словами – это скорость сети.

Предположим, в сети установлен сервер базы данных, в которой хранятся результаты деятельности крупного предприятия за несколько лет. Большое количество экономистов, бухгалтеров, менеджеров и других специалистов целый день работают с сервером, на котором находится эта база, «мучая» его своими запросами. Сервер, как ему и положено, добросовестно трудится, пересылая нужную информацию пользователям. Теперь представьте, что к этим работникам присоединились еще пять, которые осваивают известную «рабочую» программу – игру Quake. В результате количество сетевых запросов настолько возрастает, что сеть не успевает их все вместе обслуживать. Это приводит к возникновению задержек. Вот здесь и встает вопрос о пропускной способности: 10, 100 Мбит/с или более.

Финансовые затраты. Безусловно, та сумма, которую вы в состоянии потратить на организацию сети, также влияет на выбор ее класса. Если ограничений в капиталовложениях нет, то следует серьезно подумать об использовании такого стандарта, как 1000Base, который обеспечивает максимальную на сегодняшний день производительность и отличную расширяемость, чего с лихвой хватит на 5-10 лет.

Рассмотрим реальные примеры сетей и выбор соответствующего класса для их построения (табл. 5.1–5.5).

Как видно из данных табл. 5.1, сеть совсем небольшая. Для нее рекомендуется использовать топологию «общая шина» и стандарт 10Base-2 или 10Base-T. При этом вы не только сэкономите деньги, но и обеспечите достаточно приемлемую скорость передачи данных – 10 Мбит/с. Также можно задуматься об использовании одного из беспроводных стандартов, поскольку в случае малого количества рабочих станций достигается теоретический предел производительности.

В табл. 5.2 приведен пример офисной сети, характерной для большинства малых и средних частных предприятий, занимающихся неопределенного рода бизнесом: от продажи книг до реализации продуктов питания.

В этом случае рекомендуется использовать топологию «общая шина» или «звезда». Второй вариант предпочтительней, так как предполагает дальнейшее развитие сети и переход с технологии 10 Мбит/с на 100 Мбит/с. Однако если возможно скорое развитие предприятия и переезд на новое место, лучшим выбором будет использование технологии «общая шина» с применением комбинированных сетевых адаптеров. Объясняется это достаточно просто – зачем вкладывать деньги в организацию сети со скоростью 100 Мбит/с в старом здании, если можно это сделать в новом – элементарная экономия денежных средств.

Данные табл. 5.3 – яркий пример средней домашней сети, которая имеет все шансы на дальнейшее развитие. В этом случае можно использовать любую топологию, однако лучше предпочесть топологию «звезда». В случае если нужно организовать связь между отдельно стоящими зданиями, можно использовать беспроводное оборудование или проложить оптоволокно, поскольку оно более устойчиво к воздействию атмосферных явлений.

В табл. 5.4 описан начинающий представитель корпоративной сети со всеми вытекающими особенностями. Данный тип характеризуется постоянным развитием, что предъявляет свои требования к классу.

В этом случае рекомендуется использовать топологию «звезда» в паре со стандартом 100Base-TX. Хороший запас как по скорости, так и по расширяемости сети обеспечивает ее спокойное существование на протяжении нескольких лет.

К серьезным сетям – серьезные требования! Такой девиз должен быть у системных администраторов подобных сетей.

Большое количество компьютерной техники и серверов обязательно приведет к повышению сетевого трафика, и, как следствие, возрастут требования к пропускной способности сети. В этом случае в качестве неплохой стартовой площадки может послужить топология «звезда» со стандартом 100Base-TX, однако следует задуматься о скором переходе на 1000Base.

Если компания создается с нуля, необходимо также задуматься об использовании оптоволокна, особенно если между филиалами налажен именно такой вид связи.

5.2. Определение необходимого сетевого оборудования

От того, является ли будущая сеть одноранговой или сетью с выделенным сервером, напрямую зависит количество оборудования, которое необходимо для ее создания. В частности, это касается использования выделенных серверов.

Здесь приведен обобщенный список для обоих типов сети.

• Сетевая плата. Количество сетевых плат зависит от числа компьютеров, которые подключены к сети (учитывают и клиентские машины, и серверы). Если к сети подключены сетевые принтеры без сетевых плат, этот факт также следует учесть. Кроме того, в компьютер могут устанавливаться и дополнительные сетевые платы, в зависимости от того, какие функции он выполняет (например, является интернет-шлюзом).

• Концентратор (точка доступа), коммутатор. Количество концентраторов зависит от используемой топологии сети. В сетях с топологиями «общая шина» или «кольцо» концентратор может служить только связующим звеном подсетей. Если сеть состоит всего из одного сегмента, концентратор не нужен вообще. Если используют топологию «звезда», то все зависит от количества подключаемых сетевых устройств и количества портов на концентраторе. Что касается использования коммутатора, то в последнее время он полностью вытеснил концентраторы. Поскольку выполняет гораздо больше функций и делает это более качественно за те же деньги.

• Маршрутизатор. Как правило, в «средней» по размерам сети используют один или два маршрутизатора. Если сеть насчитывает всего несколько компьютеров, использование маршрутизатора не обязательно. Это же относится и к коммутатору.

• Мост. Наличие моста определяется наличием разнородных сегментов сети. Если таковых нет, использовать мост бессмысленно.

• Модем. Количество модемов может быть разное. В сети могут использоваться как локальные, так и выделенные модемы.

• Сервер. Количество серверов зависит от потребностей сети. Если используется сеть на основе выделенного сервера, должен присутствовать хотя бы один сервер, содержащий учетные записи пользователей. Кроме этого, отдельно могут использоваться и другие серверы, например баз данных и файловый.

• Расходные материалы. Количество расходных материалов зависит от числа компьютеров, топологии и класса сети. При использовании топологии «общая шина» для подключения одного компьютера требуются два коннектора, один Т-коннектор и соответствующее количество кабеля. При использовании топологии «звезда» потребуются лишь два коннектора (плюс два защитных колпачка) и количество кабеля, необходимое для соединения компьютера с концентратором или другим компьютером (в случае соединения только двух машин). Сюда же можете добавить короба, скобы, дюбеля и т. д.