Создание, обслуживание и администрирование сетей на 100%. Часть 1. Теоретические сведения о сетях (А. И. Ватаманюк, 2010)

□ Одноранговая сеть

□ Сеть на основе сервера

Появление компьютерных сетей было логичным шагом в истории компьютеризации общества. Благодаря этому шагу компьютеры получили еще большее распространение, а самое главное – практически в каждый дом пришел Интернет, предоставляющий доступ к практически неограниченным источникам информации.

Компьютерные сети прошли долгий этап развития. В результате на сегодня компьютеры можно объединить как в локальном, так и в глобальном масштабе.

Итак, существует два варианта сетей – локальные и глобальные. Принцип объединения в них компьютеров и работы в этих сетях практически идентичен, но масштабы сети накладывают свои ограничения и требования.

Локальная сеть, LAN (Local Area Networks) – сеть, с помощью которой компьютеры объединяются на ограниченной территории. Такой вариант сети встречается в офисах, на предприятиях, в залах ожидания аэропортов, вокзалов, в кафе, ресторанах и т. д. Главное ее предназначение – организация доступа к общим ресурсам внутри сети. При этом локальная сеть часто имеет подключение к Интернету, что делает ее частью глобальной сети.

Глобальная сеть, WAN (Wide Area Networks) – разновидность сети, которая, согласно существующим легендам, образовалась из локальной сети достаточно больших масштабов. В результате появилась Всемирная паутина, она же Интернет.

Наиболее важным понятием, характеризующим сеть, является ее тип. Именно от типа сети зависят ее возможности, безопасность, управляемость и, самое главное, – доступ к важным данным.

Различают два типа сетей – одноранговую и сеть на основе сервера. Сети обеих разновидностей выполняют поставленные перед ними задачи, но делают это по-разному, в чем вы сможете убедиться далее.

Одноранговая сеть

Одноранговая сеть (рис. 1.1) является наиболее простой и дешевой в создании. Тем не менее она способна обеспечить своих пользователей всем необходимым для получения доступа к нужной информации, в том числе и к Интернету.

Главной особенностью такой сети является то, что каждый участник сети – рабочая станция – имеет одинаковые права и выступает в роли администратора своего компьютера. Это означает, что только он может контролировать доступ к своему компьютеру и только он может создавать общие ресурсы и определять правила доступа к ним. С одной стороны, это делает сеть очень простой в создании, но с другой – администрирование такой сети вызывает достаточно много проблем, особенно если количество участников сети превышает 25–30.

Рис. 1.1. Пример одноранговой сети

Одноранговые сети находят свое применение в небольших офисах, ресторанах и кафе, залах ожидания, то есть в тех местах, которые позволяют поддерживать работу сети с небольшим количеством подключений. Однако, хотя это и противоречит всем принципам, одноранговые сети также используются в так называемых домашних сетях, количество подключений к которым может быть очень большим, например 1000 и более компьютеров. Главное объяснение этому факту – хаотичный способ создания сети, который к тому же, как правило, не требует больших финансовых вложений.

Одноранговая сеть является крайне неуправляемой с точки зрения системного администратора, и чем больше участников сети, тем более этот факт заметен. Например, чтобы ограничить работу пользователя с теми или иными устройствами, потребуется выполнить определенные настройки операционной системы. Сделать это централизованно невозможно, поэтому требуется личное присутствие администратора возле каждого компьютера либо применение программ удаленного управления компьютером. Это же касается обновления антивирусных баз, установки обновлений операционной системы и офисных программ и т. д.

Учитывая изложенные факты, а также практику работы одноранговых сетей, ее использование можно считать оправданным только в случае, если количество узлов сети достаточно мало и все они расположены на небольшой территории, например в пределах одного или нескольких офисов.

Поддержка одноранговых сетей имеется в любой современной операционной системе семейства Microsoft Windows. По этой причине для организации такой сети никакого дополнительного программного обеспечения не требуется.

Внимание

В одноранговой сети доступ к общему ресурсу одновременно могут получить только 10 участников сети. Если для вас важен этот момент, то вам следует установить серверную операционную систему.

В табл. 1.1 приведены основные преимущества и недостатки одноранговой сети, на которые обязательно стоит обратить внимание, прежде чем выбрать тип будущей локальной сети.

Таблица 1.1. Особенности одноранговых сетей

Сеть на основе сервера

Сеть на основе сервера (рис. 1.2), или, как ее еще часто называют, сеть типа «клиент – сервер», – наиболее востребованный тип сети, основными показателями которой являются высокие скорость передачи данных и уровень безопасности.

Под словом «сервер» следует понимать выделенный компьютер, на котором установлена система управления пользователями и ресурсами сети. Данный компьютер в идеале должен отвечать только за обслуживание сети, и никакие другие задачи выполнять на нем не следует. Этот сервер называется контроллер домена. Он является наиболее важным объектом сети, поскольку от него зависит работоспособность всей сети. Именно поэтому данный сервер обязательно подключают к системе бесперебойного питания. Кроме того, в сети, как правило, присутствует дублирующей сервер, который называется вторичный контроллер домена.

Рис. 1.2. Пример сети с управляющим сервером

Кроме контроллера домена в сети могут использоваться и другие серверы разного назначения, к числу которых относятся следующие.

□ Файл-сервер. Данный сервер представляет собой хранилище файлов разного типа. На нем, как правило, хранятся файлы пользователей, общие файловые ресурсы, аудио– и видеофайлы и многое другое. Главное требование к файловому серверу – надежная дисковая подсистема, которая может обеспечивать безопасное хранение файлов и доступ к ним в любое время суток. Часто на данном сервере устанавливается архивирующая система, например стример, с помощью которого осуществляется плановое создание архивных данных. Это обеспечивает гарантированное восстановление данных пользователей в случае непредвиденных сбоев оборудования.

□ Сервер базы данных. Серверы подобного типа наиболее востребованы, поскольку позволяют обеспечить доступ к единой базе данных. В качестве таковой могут выступать базы данных бухгалтерского и другого типа учета, юридическо-правовые базы данных и т. д. В качестве сервера базы данных используются мощные компьютеры с большим объемом оперативной памяти и RAID-массивом из быстрых жестких дисков. Очень важным является факт организации архивирования данных, поскольку от целостности базы данных и доступа к ней зависит работа всего предприятия.

□ Сервер приложений. Сервер приложений используется в качестве промежуточного звена между сервером базы данных и клиентским компьютером. Это позволяет организовать так называемую трехзвенную (или трехуровневую) архитектуру, с помощью которой выполнение программ, требующих обмен с базой данных, происходит максимально быстро и эффективно. Кроме того, за счет такой организации повышается безопасность доступа к данным и увеличивается управляемость процессом, поскольку легче контролировать работу одного компьютера, нежели сотни.

□ Принт-сервер. Специальный сервер, позволяющий сделать процесс печати более контролируемым и быстрым. Используется в сетях, которым необходим доступ к общему принтеру. Сервер подобного рода обеспечивает управление очередью печати и доступ к принтеру для клиентов любого типа: при проводном или беспроводном соединении, для переносного устройства или мобильного телефона.

□ Интернет-шлюз. Данный сервер позволяет предоставить пользователям локальной сети доступ в Интернет, а также организовать доступ к ресурсам по протоколам FTP и HTTP. Поскольку данный сервер является «окном» во внешнюю сеть, к нему предъявляются определенные требования, среди которых основными являются требования к безопасности локальных данных и защита от доступа к ним извне. Именно поэтому на таком сервере устанавливают различные сетевые фильтры и брандмауэры, позволяющие эффективно фильтровать входящий и исходящий трафик, что делает использование Интернета более безопасным.

□ Почтовый сервер. Практически каждое серьезное предприятие, применяющее для организации обмена данными сеть на основе сервера, для общения с внешним миром пользуется корпоративными электронными ящиками. Этот подход вполне оправдан, поскольку позволяет контролировать входящий и исходящий трафик, тем самым блокируя возможность утечки информации. Подобную систему обмена информацией позволяет реализовать почтовый сервер с соответствующим программным обеспечением. На этот сервер дополнительно устанавливаются разнообразные антиспамовые фильтры, позволяющие бороться (насколько это возможно) со все возрастающим объемом рекламных писем, которые и называются спамом.

Кроме упомянутых выше, могут использоваться и другие типы серверов, что зависит только от потребностей сети. Подключение новых серверов не вызывает никаких трудностей, поскольку гибкость и возможности сети на основе сервера позволяют сделать это в любой момент.

С точки зрения системного администратора, сеть на основе сервера хотя и наиболее сложная в создании и обслуживании, но в то же время наиболее управляемая и контролируемая. Благодаря наличию главного компьютера управление учетными записями пользователей происходит очень легко и, самое главное, – эффективно. Благодаря политикам безопасности также упрощается контроль над самими компьютерами, что делает сеть более управляемой, а данные в ней более защищенными.

На сервер устанавливается серверная операционная система, которая, в отличие от обычной операционной системы, обладает некоторыми преимуществами, например поддержкой нескольких процессоров, большего объема оперативной памяти, инструментами администрирования сети и т. д. К таким операционным системам относятся Windows Server 2003, Windows Server 2008 и т. д.

В табл. 1.2 показаны основные недостатки и преимущества сетей на основе выделенного сервера.

Таблица 1.2. Особенности сетей на основе выделенного сервера

От выбора типа сети зависит ее будущее: расширяемость, возможность использования того или иного программного обеспечения и оборудования, надежность сети и многое другое. В этом плане сеть на основе сервера является наиболее предпочтительной и выгодной.

□ Топология «шина»

□ Топология «кольцо»

□ Топология «звезда»

При проектировании и создании сети важдное значение имеет способ объединения компьютеров и участников сети. От этого зависит скорость передачи данных, надежность сети, степень устойчивости к поломкам, возможности администрирования и многое другое. Поэтому первым и, пожалуй, самым важным правилом, от которого зависят упомянутые показатели, является топология сети.

Таким образом, топология сети, или сетевая топология, – это описание схемы сети, включающее в себя способ взаимного расположения компьютеров и их объединения. Кроме того, это описание содержит множество правил, связанных с прокладкой кабеля, подключением оборудования, взаимодействием управляющих устройств и т. д.

Различают сетевую топологию четырех видов: физическую, логическую, информационную и топологию управления обменом. Однако чаще всего понятие сетевой топологии ассоциируется именно с расположением компьютеров относительно друг друга, то есть с физической топологией.

Существует достаточно много способов объединения компьютеров, то есть сетевых топологий. К их числу относятся топологии «шина», «звезда», «кольцо», «двойное кольцо», «дерево», «решетка» и др. Наибольшее распространение получили сетевые топологии «шина», «звезда» и «кольцо», поэтому рассмотрим их подробнее.

Топология «шина»

Согласно топологии «шина», или, как ее еще часто называют, «общая шина», или «магистраль», все участники сети подключаются к центральному кабелю (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Пример топологии «шина»

Для предотвращения дальнейшего распространения и возможного отражения сигнала на концах кабеля устанавливаются специальные заглушки – терминаторы, один из которых обязательно заземляется.

Данные в такой сети направляются сразу всем компьютерам, поэтому задача каждого компьютера – проверить, кому адресовано сообщение. Только компьютер, которому адресовано сообщение, может обработать его. При этом, пока данные не будут обработаны, никакие сообщения больше не отправляются. Как только данные обработаны, сигнал об этом поступает в сеть, и работа возобновляется.

Главное преимущество такой сети – простота и дешевизна создания. При ее построении используется минимальное количество кабеля и не требуется никакого управляющего оборудования: в обмене данными участвуют только сетевые адаптеры компьютеров. Если количество компьютеров уже достаточно велико, сеть часто разбивается на сегменты, для соединения которых используются повторители – концентраторы, коммутаторы, мосты и т. п.

Главный минус сети – сильная зависимость скорости передачи данных от количества подключенных компьютеров: чем больше компьютеров и других устройств, тем ниже скорость передачи данных. Кроме того, обрыв центрального кабеля парализует работу всей сети.

Топология «кольцо»

Согласно топологии «кольцо» все компьютеры сети подключены последовательно и образуют своего рода замкнутую кольцевую систему (рис. 2.2).

Для передачи данных в сети используется маркерная система, то есть данные в конкретный момент может передавать только один компьютер. Причем данные передаются только следующему по кругу компьютеру (справа налево). Это позволяет избежать коллизий и увеличивает надежность сети в целом.

Когда компьютеру, обладающему маркером, необходимо передать данные, к маркеру добавляется адрес компьютера, которому эти данные предназначены, и маркерный блок отправляется в сеть по кругу. Таким образом, каждый компьютер, который лежит на пути следования маркерного блока, считывает из него адрес получателя и сравнивает его со своим адресом: если адреса не совпадают, они отправляются далее по кругу. Если адреса совпали, то есть отправитель найден, формируется подтверждающий блок и передается далее по кругу к отправителю. В дальнейшем данные уже передаются по найденному пути до тех пор, пока в этом есть необходимость. Как только передача данных заканчивается, маркер освобождается и идет далее по кругу до первого компьютера, которому необходимо передавать данные.

Рис. 2.2. Пример топологии «кольцо»

Использование топологии «кольцо» обладает некоторыми преимуществами. Например, каждый компьютер сети одновременно выступает повторителем, поэтому затухание сигнала возможно только между соседними компьютерами, что напрямую зависит от расстояния между ними. Кроме того, сеть способна справляться с очень большими объемами трафика за счет отсутствия коллизий и центрального управляющего узла.

У данного типа сети есть также и недостатки. Так, подключение нового компьютера требует остановки работы всей сети. Аналогичная ситуация происходит, если один из компьютеров выходит из строя: сеть становится неработоспособной. Кроме того, поиск неисправности в такой сети сопряжен со множеством сложностей.

Топология «звезда»

Топология «звезда» на сегодня является наиболее распространенной. Согласно ей каждый компьютер или устройство сети подключается к центральному узлу, образуя подобным образом один сегмент сети (рис. 2.3).

Сегменты сети могут соединяться между собой одним из доступных способов, например посредством центрального либо промежуточного узла, образуя более сложную сеть или входя в состав комбинированной сети.

Рис. 2.3. Пример топологии «звезда»

В качестве центрального узла используется любое активное сетевое устройство с достаточным количеством портов. В самом простом случае в роли центрального узла выступает концентратор, который в силу своих ограничений позволяет передавать данные в конкретный момент только одному компьютеру. При этом поступившие на концентратор данные он сразу пересылает всем подключенным к нему устройствам. Если на концентратор в один момент поступают данные от двух разных отправителей, то оба пакета игнорируются.

В случае с более интеллектуальным узлом, например коммутатором, данные одновременно могут передаваться сразу несколькими компьютерами, что значительно увеличивает скорость обмена данными.

Несмотря на то что «звезда» наиболее дорогостоящая в использовании по сравнению с другими топологиями, благодаря своей надежности и высокой скорости передачи данных она уже практически стала стандартом. Большую роль играет также тот факт, что принятый уже достаточно давно стандарт ATX подразумевает наличие на материнской плате персонального компьютера интегрированного сетевого адаптера, который изначально предназначен для работы с этой топологией.

Функционирование сети подчиняется определенным теоретическим правилам. В качестве такой теоретической основы выступает свод правил и стандартов, которые описывают так называемую модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Основным разработчиком модели является Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO), поэтому очень часто используется более короткое название – модель ISO/OSI.

Согласно модели ISO/OSI существует семь уровней, пройдя через которые, данные от одного компьютера могут быть переданы другому компьютеру, и абсолютно не важно, какая операционная система при этом используется и каким образом данные попадают от источника к адресату.

Уровни имеют названия и расположены в следующем порядке: физический канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, уровень представления данных и прикладной уровень. Данные могут передаваться как в указанном, так и в обратном порядке. Так, при передаче данные начинают свое движение с прикладного уровня и доходят до физического уровня, который представляет собой среду передачи данных. Если же данные принимаются, то они проходят путь от физического до прикладного уровня (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схематическое отображение модели ISO/OSI

Описанная модель является стандартом для любой среды передачи данных, которых на сегодня используется три: кабель, радиоволны и инфракрасное излучение. Однако, в зависимости от среды передачи данных, имеются определенные различия в работе физического и канального уровней модели ISO/OSI, в чем вы сможете убедиться далее.

Каждый уровень отвечает только за свою часть подготовки данных к приему или передаче, что в результате позволяет сделать процесс передачи/приема максимально эффективным и, самое главное, независимым от среды передачи данных, а также обойти вопрос совместимости оборудования, которое используется для этого.

Как уже было упомянуто выше, модель ISO/OSI состоит из семи уровней, а именно:

□ физический – передача и прием электрических сигналов;

□ канальный – управление каналом связи и доступом к среде передачи данных;

□ сетевой – определение оптимальных маршрутов передачи данных;

□ транспортный – контроль целостности и правильности данных в процессе передачи и приема данных;

□ сеансовый – создание, сопровождение и поддержание сеанса связи;

□ уровень представления – кодирование и шифрование данных с помощью требуемых алгоритмов;

□ прикладной – взаимодействие с клиентскими программами.

Данные между разными уровнями модели передаются посредством стандартных интерфейсов и протоколов передачи данных, главная задача которых – обработка полученных данных и приведение их к тому виду, который необходим для работы следующего уровня. Более подробно о разных протоколах передачи данных вы сможете узнать далее.

Физический уровень

Физический уровень (Physical Layer) является самым нижним в модели ISO/OSI. Он работает непосредственно с имеющимся каналом связи. Его главная задача – преобразование поступивших от вышестоящего уровня данных и передача соответствующих им электрических сигналов по существующему каналу связи получателю, а также прием данных от отправителя и их конвертация согласно существующим таблицам кодирования сигналов.

Прежде чем начать передачу электрических сигналов, алгоритмы физического уровня определяют тип канала связи и его свойства: электротехнические и механические характеристики, величину напряжений, расстояние между отправителем и получателем, скорость передачи данных и т. д., то есть все, что является критичным для передачи данных. Именно на этом этапе определяется, сеть какого типа используется (проводная или беспроводная), а также выясняется топология сети.

Функции физического уровня выполняют сетевые адаптеры на отправителе и получателе, а также повторители сигнала, например концентратор.

Стандартизация на уровне модели ISO/OSI позволяет использовать в сети оборудование разных производителей, не заботясь при этом об их совместимости, что позволяет сосредоточиться только на процессе передачи и приема данных.

Канальный уровень

Задача канального уровня (Data Link Layer) – обеспечение гарантированной передачи данных через физический канал, параметры и особенности которого уже установлены и «приняты во внимание» на физическом уровне. При этом решаются вопросы физической адресации, корректности отправленной и полученной информации, контроля возникающих ошибок, управления потоком информации и т. д.

Данные передаются блоками, которые называются кадрами. К каждому кадру добавляется несколько бит информации о типе кадра, а также контрольная сумма, которая сверяется при его получении адресатом. При несовпадении контрольных сумм запрашивается повторная передача кадра и данные синхронизируются.

Что касается локальных сетей, то за работу канального уровня отвечают два подуровня:

□ MAC (Medium Access Control) – уровень доступа к разделяемой среде;

□ LLC (Logical Link Control) – уровень управления логическим каналом.

Уровень MAC отвечает за получение доступа к общей среде передачи данных, в связи с чем каждый протокол передачи данных имеет соответствующую процедуру доступа. Кроме того, MAC отвечает за согласование режимов работы канального и физического уровней (дуплексный и полудуплексный режим соответственно), буферизацию фреймов и т. д.

Уровень LLC имеет три разные процедуры, отвечающие за качество доставки данных.

□ LLC1 – без установления соединения и без подтверждения доставки. Данная процедура управления каналом позволяет передавать данные с максимальной скоростью, для чего используются датаграммы.

□ LLC2 – с установлением соединения и подтверждением доставки. Этот вид управления каналом наиболее надежный. Он позволяет гарантированно доставлять данные и получать подтверждения о доставке. На этом уровне работает система контроля ошибок, которая дает возможность восстанавливать поврежденные блоки данных и упорядочивать их последовательность. Подобная система функционирует благодаря нумерации кадров, что позволяет запрашивать ошибочные кадры и упорядочивать их.

□ LLC3 – без установления соединения, но с подтверждением доставки. Данный тип управления каналом достаточно специфичен и часто используется в процессах, которые требуют быстрой передачи данных, но с подтверждением доставки. Как правило, это необходимо для разного рода процессов, происходящих в режиме реального времени, когда временные затраты очень критичны. В этом случае передача следующего кадра осуществляется только после подтверждения доставки предыдущего.

Таким образом, LLC-уровень умеет передавать данные либо с помощью датаграмм, либо с использованием процедур с обеспечением качества передачи.

Канальный уровень может реализовываться как на аппаратном уровне (например, с помощью коммутаторов), так и с применением программного обеспечения (допустим, драйвера сетевого адаптера).

Сетевой уровень

Сетевой (Network Layer) – один из важнейших уровней модели взаимодействия открытых систем. Поскольку для построения сети могут использоваться различные технологии и, а сеть может состоять из нескольких сегментов с абсолютно разными сетевыми топологиями, чтобы «подружить» эти сегменты, требуется соответствующий механизм. В качестве такого механизма и выступает сетевой уровень.

Кроме определения физических адресов всех участников сети, данный уровень отвечает за нахождение кратчайших путей доставки данных, то есть выполняет маршрутизацию пакетов. При этом постоянно отслеживается состояние сети и определяются новые маршруты, если возникают «заторы» на пути следования данных. Благодаря маршрутизации данные всегда доставляются с максимальной скоростью.

Сетевой уровень для доставки данных между разными сетевыми сегментами использует особую адресацию. Так, вместо MAC-адресов применяется пара чисел – номер сети и номер компьютера в этой сети. Использование нумерации позволяет составить точную карту сети независимо от топологии сегментов и определять альтернативные пути передачи данных.

На практике функции сетевого уровня выполняет маршрутизатор.

Транспортный уровень

Транспортный уровень (Transport Layer) служит для организации гарантированной доставки данных, для чего используется подготовленный канал связи. При этом отслеживается правильная последовательность передачи и приема пакетов, восстанавливаются потерянные или отсеиваются дублирующие. При необходимости данные фрагментируются (разбиваются на более мелкие пакеты) или дефрагментируются (объединяются в большой пакет), что повышает надежность доставки данных и их целостность.

На транспортном уровне предусмотрено пять классов сервиса с различными уровнями надежности. Они различаются скоростью, возможностями восстановления данных и т. д. Например, некоторые классы работают без предварительной установки связи и не гарантируют доставку пакетов в правильной последовательности. В этом случае за выбор маршрута отвечают промежуточные устройства, которые попадают на пути следования данных. Классы с установкой связи начинают свою работу с установки маршрута и только после того, как маршрут будет определен, начинают последовательную передачу данных.

Благодаря такому подходу всегда можно найти компромисс между скоростью и качеством доставки данных.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session Layer) используется для создания и управления сеансом связи на время, необходимое для передачи данных. Время сеанса зависит лишь от объема информации, которая должна быть передана. Поскольку этот объем может быть существенным, используются разные механизмы, контролирующие данный процесс.

Для управления сеансом применяется маркер, обладатель которого гарантирует себе право на связь. Кроме того, используются служебные сообщения, с помощью которых стороны могут, например, договариваться о способе передаче данных или сообщать о завершении передачи данных и освобождении маркера.

Чтобы передача данных была успешной, создаются специальные контрольные точки, которые позволяют начать повторную передачу данных практически с того места, на котором произошел непредвиденный обрыв связи. В данном случае работают также механизмы синхронизации данных, определяются права на передачу данных, поддерживается связь в периоды неактивности и т. п.

Уровень представления данных

Уровень представления данных, или представительский уровень (Representation Layer), является своего рода проходным уровнем, основная задача которого – кодирование и декодирование информации в представление, понятное вышестоящему или нижестоящему уровню. С его помощью обеспечивается совместимость компьютерных систем, использующих разные способы представления данных.

Этот уровень удобен тем, что именно здесь выгодно использовать разные алгоритмы сжатия и шифрования данных, преобразование форматов данных, обрабатывать структуры данных, преобразовывать их в битовые потоки и т. д.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application Layer) – последний «бастион» между пользователем и сетью. Он обеспечивает связь пользовательских приложений с сетевыми сервисами и службами на всех уровнях модели ISO/OSI, а также передачу служебной информации, синхронизирует взаимодействие прикладных процессов и т. д.

□ Понятие протокола

□ Основные протоколы

Понятие протокола

В предыдущей главе мы познакомились с эталонной моделью, описывающей принцип подготовки, приема и передачи данных через любой имеющийся канал связи. Каждый из ее семи уровней решает поставленную перед ним задачу, выполняя свою функцию в подготовке или обработке данных. Для этого он использует стандартные процедуры межуровневого обмена информацией и протоколы передачи данных. Таким образом, получается, что модель ISO/OSI является теоретической основой функционирования сети, а сетевые протоколы – это то, что превращает теорию в практику.

Протокол передачи данных можно сравнить с набором правил и соглашений, которые описывают способ передачи данных между двумя и более объектами в сети.

Для обслуживания модели взаимодействия открытых систем используется достаточно большое количество сетевых протоколов. Многие из них вполне специфичны и часто выполняют только одно определенное действие, но делают это быстро и, самое главное, правильно. Существую также и более продвинутые и функциональные протоколы, которые могут выполнять определенные действия, захватывая сразу несколько уровней модели. Есть даже целые семейства (стеки) протоколов, которые являются составной частью протоколов с общим названием, например стеки протоколов TCP/IP или IPX/SPX.

Примечание

Модель ISO/OSI разрабатывалась тогда, когда уже были разработаны многие протоколы, в частности TCP/IP Ее главной задачей была стандартизация работы сетей Однако когда модель была принята окончательно, оказалось, что она имеет довольно много недостатков В частности, наиболее слабым звеном в модели стал транспортный уровень По этой причине существует достаточно много протоколов, которые выполняют работу сразу нескольких уровней, что идет вразрез с самой моделью открытых систем

Различают низкоуровневые и высокоуровневые протоколы.

Низкоуровневые работают на самых нижних уровнях модели ISO/OSI и, как правило, имеют аппаратную реализацию, что позволяет использовать их в таких сетевых устройствах, как концентраторы, мосты, коммутаторы и т. д.

Высокоуровневые протоколы работают на верхних уровнях модели ISO/OSI и обычно реализуются программным путем. Этот факт позволяет создавать любое количество протоколов разного применения, делая их настолько гибкими, как того требует современная ситуация.

В табл. 4.1 приведены названия некоторых популярных протоколов и их положение в модели взаимодействия открытых систем.

Таблица 4.1. Популярные протоколы модели ISO/OSI

Основные протоколы

□ Коаксиальный кабель

□ Кабель «витая пара»

□ Оптоволоконный кабель

□ Телефонная проводка

□ Электропроводка

□ Радиоволны

□ Инфракрасное излучение

Ключевым моментом в функционировании локальной сети является среда передачи данных, то есть канал, по которому компьютеры могут обмениваться информацией. От среды передачи данных зависят многие параметры сети, в частности:

□ топология сети;

□ используемое оборудование;

□ стоимость создания;

□ физическая надежность;

□ скорость передачи данных;

□ безопасность сети;

□ администрирование сети;

□ возможность модернизации.

Этот список можно продолжать долго, но ясно одно: среда передачи данных однозначно определяет как возможности сети, так и возможности ее модернизации. В данной главе мы рассмотрим основные использующиеся в настоящее время среды передачи данных.

Коаксиальный кабель

Первой средой для объединения компьютеров в сеть с целью обмена информацией был коаксиальный кабель (Coaxial Cable). Сети с использованием коаксиального кабеля появились еще в начале 70-х годов прошлого века. На то время он считался идеальным вариантом для передачи данных. Поскольку скорости тогда были не столь высоки, как сегодня, коаксиальный кабель полностью удовлетворял существующие потребности. Сетевое оборудование для работы с коаксиальным кабелем согласно существующим сетевым стандартам позволяет передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с, что даже сегодня в некоторых случаях является вполне приемлемой скоростью.

Различаются тонкий и толстый коаксиальный кабели. Несмотря на то что толстый коаксиальный кабель появился раньше, его технические характеристики (скорость, дальность связи и т. п.) существенно лучше, нежели у тонкого коаксиального кабеля, который появился вследствие дальнейшего усовершенствования существующих сетевых стандартов.

Толстый и тонкий кабели внешне различаются толщиной. Однако иногда могут быть и другие различия (рис. 5.1).

Например, когда требуется прокладка кабеля снаружи здания, часто используется кабель с усилительным тросом, который выглядит как отдельная жила в отдельной оболочке.

Рис. 5.1. Разные варианты коаксиального кабеля

Основные различия между этими типами кабелей заключаются в их составе: могут присутствовать дополнительные оплетки, диэлектрики, экраны из фольги и т. д.

Типичное строение самой простой реализации тонкого и толстого коаксиального кабеля показано на рис. 5.2 и 5.3.

Рис. 5.2. Строение тонкого коаксиального кабеля

Рис. 5.3. Строение толстого коаксиального кабеля

Рассмотрим элементы коаксиального кабеля, отмеченные на рисунках цифрами.

1. Центральный проводник (Center Conductor). Представляет собой металлический стержень, цельный или состоящий из нескольких проводников. В качестве металла, как правило, выступает медь или сплав с медью, например сплав меди с карбоном, омедненная сталь или омедненный алюминий. Толщина проводника обычно находится в пределах 1–2 мм.

2. Диэлектрик (Dielectric). Служит для надежного разделения и изолирования центрального проводника и оплетки, которые используются для передачи сигнала. Диэлектрик может изготавливаться из различных материалов, например из полиэтилена, фторопласта, пенополиуретана, поливинилхлорида, тефлона и т. д.

3. Оплетка (Braid). Является одним из носителей, который участвует в передаче сигнала. Кроме того, она играет роль заземления и защитного экрана от электромагнитных шумов и наводок. Как правило, оплетка сделана из медной или алюминиевой проволоки. Когда требуется увеличить помехозащищенность системы, может использоваться кабель с двойной и даже четверной оплеткой.

4. Изолирующая пленка (Foil). Выступает обычно в роли дополнительного экрана. В качестве материала используется алюминиевая фольга.

5. Внешняя оболочка (Outer Jacket). Используется для защиты кабеля от воздействия внешней среды. Оболочка, как правило, имеет ультрафиолетовую защиту и защиту от возгорания, для чего используется материал с определенными свойствами, например поливинилхлорид, пластик, резина и т. д.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля, используемого для передачи данных в локальных сетях, составляет 50 Ом. При этом толщина тонкого коаксиального кабеля – примерно 0,5–0,6 см, а толстого – 1–1,3 см.

Существует определенная маркировка (категория) кабелей, которая позволяет различать их характеристики. Например, кабель с волновым сопротивлением 50 Ом имеет маркировку RG[1]-8, RG-11 и RG-58. Различают также подкатегории кабелей, например RG-58/U (одножильный проводник) или RG-58A/U (многожильный проводник).

Наибольшее распространение получил тонкий коаксиальный кабель, поскольку он более гибкий и его легче прокладывать. Если требуется увеличить диаметр сети, то используется толстый коаксиальный кабель. Иногда тонкий и толстый кабели применяются одновременно: тонким кабелем соединяют близкорасположенные компьютеры, а толстым – компьютеры на большом удалении или два сегмента сети.

Кабель «витая пара»

На сегодня кабель «витая пара» (Twisted Pair) получил наибольшее распространение. В первую очередь это произошло благодаря его скоростным характеристикам и удобству прокладки. Его появление было вполне прогнозируемым, поскольку использование коаксиального кабеля накладывает ограничение на топологию сети, что, в свою очередь, отражается на возможностях ее модернизации и скорости передачи данных.

Свое название он получил благодаря особенности внутреннего исполнения. Так, внутри кабеля может находиться от одной до двадцати пяти пар проводников, скрученных между собой и имеющих определенный цвет.

Внешний вид кабеля «витая пара» зависит от того, какое количество проводников находится внутри него, какого типа оплетки используются для экранирования кабеля и пар, а также от наличия дополнительного заземляющего проводника (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Внешний вид некоторых вариантов кабеля «витая пара»

Различают экранированный (Shielded) и неэкранированный (Unshielded) кабели. Кроме того, существует много различных вариантов исполнения кабеля, среди которых наибольшее распространение получили UTP (Unshielded Twisted Pair, неэкранированная витая пара), F/UTP (Foiled Unshielded Twisted Pair, фольгированная неэкранированная витая пара), STP (Shielded Twisted Pair, эканированная витая пара), S/FTP (Screened Foiled Twisted Pair, фольгированная экранированная витая пара), SF/UTP (Screened Foiled Unshielded Twisted Pair, фольгированная неэкранированная витая пара) и др. Есть также несколько вариантов кабеля с многожильными проводниками.

Кабели различают и по категориям: чем выше категория, тем лучшими характеристиками (в том числе и скоростными) обладает кабель. Так, в настоящее время существует семь категорий кабеля «витая пара», используемых для организации работы локальной сети. Например, кабель пятой категории позволяет передавать данные со скоростью 100 Мбит/c, а кабель начиная с шестой категории делает возможной передачу данных на скоросте не менее 1 Гбит/c. Кабель же седьмой категории теоретически способен передавать данные со скоростью 100 Гбит/с.

Кабель «витая пара» является самым популярным способом подключения компьютеров в «домашних» сетях. Стоимость кабеля достаточно низкая, однако при этом скорость передачи данных находится на очень высоком уровне. Длины сегмента кабеля в 100 м хватает, чтобы подключить компьютер в квартире, просто свесив кабель с крыши и подведя его к окну. Именно такой способ подключения является самым простым и распространенным в «домашних» сетях.

Оптоволоконный кабель

Еще один вариант кабеля для передачи данных в сетях – оптоволоконный (Fiber Optic). Именно оптоволоконный кабель благодаря своим характеристикам имеет наибольшие шансы остаться в лидерах.

Его главным отличием от существующих вариантов кабеля является способ передачи электрических сигналов: для этого используется свет. Это означает, что оптоволоконный кабель не подвержен влиянию электромеханических наводок, а сигнал ослабевает гораздо меньше. Как результат – высокая скорость передачи данных на большие расстояния.

Оптоволоконные кабели отличаются конструкцией, точнее, диаметром сердцевины, то есть оптоволокна. Существует два варианты оптоволокна, которые однозначно влияют на характеристики кабеля. Так, различают одномодовое (SM, Single Mode) и многомодовое, или мультимодовое (MM, Multi Mode), волокно.

Упрощенная схема оптоволоконного кабеля показана на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Строение оптоволоконного кабеля

Основная деталь оптоволоконного кабеля – оптоволокно или, как его еще называют, световод (1), по которому непосредственно передается световой сигнал. Чтобы сигнал не уходил из световода, вокруг последнего располагается отражающая оболочка (2) толщиной 125 мкм. И еще один элемент – оболочка (3), которая защищает кабель от внешнего воздействия, например влаги или солнечных лучей.

Обычно оптоволоконный кабель снабжается дополнительными уровнями прочности: применяются разного рода лаковые покрытия, дополнительные оболочки (буферы), усилительные тросы и т. д. Кроме того, большое распространение получили кабели с несколькими световодами, что позволяет значительно увеличить пропускную способность кабеля.

Преимущества и недостатки одномодового и многомодового оптоволокна понять достаточно просто. Так, по световоду передаются световые сигналы с длиной волны в диапазоне 0,85–1,3 мкм. Многомодовое волокно, в зависимости от типа стандарта, имеет толщину световода 50 или 62,5 мкм, в то время как у одномодового волокна данный показатель составляет примерно 7–9 мкм. Если представить себе, как будет распространяться свет в подобных «коридорах», то становится ясно, что чем уже «коридор», тем меньше отражений будет испытывать данный сигнал, а значит, меньшими будут искажения и затухание. Конечно, такое теоретическое изложение принципа распространения сигнала в кабеле далеко от идеального, но и его вполне достаточно, чтобы сделать однозначный вывод: одномодовый кабель гораздо практичнее и лучше. Об этом же свидетельствует существующая практика: скорость передачи сигнала в простейшем одномодовом кабеле может достигать 2,5 Гбит/с при длине сегмента 20 и более километров.

Распространение оптоволоконного кабеля сдерживают несколько факторов, основными из которых является дороговизна кабеля и обслуживающей его аппаратуры, а также необходимость в соответствующей подготовке при работе с кабелем.

Телефонная проводка

Телефонный кабель, а точнее, телефонная линия, уже давно используется, например, для подключения удаленного компьютера к существующей сети, к другому компьютеру или к Интернету. Для этого существует достаточно большое количество соответствующих протоколов и технологий: Frame Relay, ADSL и т. д.

Не так давно появилась технология, которая дает возможность использовать существующую аналоговую или цифровую телефонную линию для объединения компьютеров в локальную сеть. Речь идет о стандартах HomePNA, оборудование которых позволяет объединить в локальную сеть достаточно большое количество компьютеров и обеспечить при этом хорошую скорость передачи данных.

Плюсы такой сети очевидны: низкая стоимость создания, применение заведомо существующего канала связи, возможность развертывания сети там, где другой способ связи по разным причинам невозможен.

Существующее подключение к телефонной линии часто используется для подключения компьютеров к «домашней» локальной сети. В этом случае к щитку на лестничной площадке или в любое другое удобное место подводится кабель «витая пара» и устанавливается специальный конвертер с Ethernet на HomePNA, соединяющий «витую пару» с телефонным кабелем, заходящим в квартиру. В результате разводка квартиры превращается в отдельную локальную сеть, подключение к которой осуществляется с помощью адаптеров HomePNA.

Электропроводка

Идеи использования электропроводки в качестве канала связи для передачи данных существовали уже достаточно давно. Причина этого очень проста: электрическим кабелем буквально опутаны все места обитания человека, поэтому вполне логично было бы использовать его для решения еще одной задачи. Однако воплотить эту мечту в жизнь мешал недостаток знаний и соответствующих технологий.

Все изменилось с того момента, как десять лет назад появилась организация HomePlug Powerline Alliance. Ее стараниями на свет появился первый стандарт HomePlug, который позволил осуществить мечту. Конечно, он не может составить серьезную конкуренцию другим способам связи, но в случае, когда никакой другой способ создания локальной сети не подходит, это реальный выход из ситуации.

Из плюсов использования электрического кабеля в качестве среды передачи данных можно отметить то, что он не обязательно должен быть однородным! Именно так: передача данных будет возможна даже в случае, когда электрический кабель представляет собой скрутку кабелей из разных материалов различного сечения и разной длины.

Поскольку электропроводка для своих прямых целей применяет диапазон частот 50–60 Гц, то для передачи данных используется другая частота, которая не является помехой для работы электрических устройств, а именно диапазон частот 4–20 МГц.

Радиоволны

Пожалуй, самая интересная и перспективная среда передачи данных – это радиоволны. Возможности этой среды практически неограниченны, о чем свидетельствует множество разнообразнейших способов ее использования: спутниковое телевидение, радиовещание, мобильная связь и многое другое. Тяжело даже представить себе, сколько различных радиоволн окружают нашу планету!

Использование радиоволн в качестве среды передачи данных в локальных сетях практикуется уже очень давно и, что самое главное, очень успешно.

Существует достаточно много беспроводных технологий, которые позволяют это сделать, например Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth и т. д. Каждая из них имеет свои особенности и ограничения, но тем не менее отлично справляется с поставленной задачей.

Любая технология передачи данных использует определенный диапазон радиочастот, который принят в качестве стандарта. Существуют даже соответствующие государственные структуры по контролю над применением этих частот. Например, беспроводная сеть, построенная по стандарту IEEE 802.11 (Wi-Fi), использует в своей работе диапазон частот 2400–2483,5 МГц, а беспроводная сеть стандарта WiMAX – диапазон частот 2300–2400 МГц.

Популярность беспроводных сетей обусловлена одним очень серьезным преимуществом, а именно – мобильностью клиентов: никакая другая среда передачи данных не может похвастаться такими возможностями. С другой стороны, беспроводные сети более чувствительны к разного рода препятствиям и помехам распространению сигнала, что часто становится серьезным препятствием в их использовании.

Применение «радиоэфира» достаточно часто практикуется для подключения компьютеров к «домашней» локальной сети. Существуют даже такие «домашние» сети, которые подразумевают только такой способ подключения.

Однако есть и существенный недостаток использования беспроводного оборудования, особенно в условиях открытого пространства, то есть на улице. Как показала практика, беспроводное оборудование, а именно беспроводные точки доступа, очень чувствительны к грозам и молниям. Очень часто эти явления становятся причиной выхода из строя оборудования, даже несмотря на наличие грозозащиты. Именно поэтому зачастую все же выбирают проводное соединение компьютеров, пусть даже и более дорогое.

Инфракрасное излучение

Использование инфракрасного излучения в качестве среды передачи данных практикуется уже достаточно давно. Эту среду можно сравнить с радиоволнами, поскольку они обе используют невидимые глазу волны, только работают по-разному.

Данная технология развивалась достаточно быстро, поскольку ее перспективы были очевидны. Это же подтверждала и скорость передачи данных, теоретический показатель которой доходил до 100 Мбит/с. Однако зависимость распространения сигнала от наличия препятствий ограничивала широкое распространение этого способа связи. По этой причине свое основное применение технология передачи данных посредством инфракрасных волн нашла в устройствах удаленного управления объектами, например телевизионным приемником, магнитофоном, гаражными воротами и т. д. Тем не менее подобные технологии могут использоваться и в локальных сетях, например для соединения двух расположенных рядом компьютеров или компьютера с периферией.

□ Ethernet

□ Token Ring

Как вы уже знаете, для передачи данных по сети используется множество протоколов, работающих на разных уровнях модели ISO/OSI. Чтобы они могли сделать свою работу качественно, процесс передачи данных должен пройти гладко и без ошибок.

Поскольку используются разные технологии построения сетей, например различные сетевые топологии, принцип передачи данных между ними неодинаков. Однако это никак не должно волновать отправителя и получателя информации. Чтобы исключить разнообразные коллизии, когда сразу несколько компьютеров пытаются передавать данные, используются специальные протоколы канального уровня, которые организуют доступ к передающей среде, предварительно исследовав ее и захватив нужный ресурс.

Как мы уже говорили выше, за работу канального уровня отвечают два подуровня – LLC и MAC. Первый из них служит для управления логическим каналом, а второй – для управления доступом к общей среде передачи данных. Именно второй уровень, то есть MAC, представляет наибольший интерес, и именно на нем работают некоторые протоколы, которые предоставляют доступ к разделяемой среде, то есть каналу связи. А уже после того как доступ к передающей среде получен, за работу принимается более высокий уровень, то есть LLC, и начинается передача данных.

Наибольшую популярность в локальных сетях получили два метода доступа к разделяемой среде – Ethernet и Token Ring. Первый из них используется в сетях с применением топологий «шина» и «звезда», а второй – в сетях, построенных по топологии «кольцо».

Ethernet

Token Ring

Данный метод доступа к общей передающей среде характерен только для сетей, построенных с применением сетевой топологии «кольцо», представителями которых и являются Token Ring и FDDI.

В данном методе используется понятие маркера (Token) – метки специального типа, которая является одним из типов кадра, применяемых для обмена информацией в сетях подобного рода. При наличии маркера любой компьютер сети может передавать данные столько, сколько это будет необходимо, и при этом ему никто не помешает.

Организация сети по топологии «кольцо» подразумевает, что данные передаются по кругу всем участникам сети. При этом блок данных снабжается адресом отправителя, адресом получателя и маркером. Когда получатель, предварительно сверив адрес из блока данных со своим физическим адресом, понимает, что данный пакет адресован ему, он изменяет блок данных, убрав из него маркер. Этот факт и является свидетельством того, что передача данных уже ведется, и другие участники сети просто передают данные далее. После того как данные попали к отправителю, он начинает передачу данных по сформировавшемуся маршруту и ведет ее до тех пор, пока весь объем данных не будет передан. Затем получатель освобождает маркер, добавив его в последний пакет подтверждения доставки, и после этого любой участник сети может захватить его для своих нужд.

□ Режимы функционирования беспроводных сетей

□ Методы и технологии обработки сигнала

□ Шифрование и аутентификация

Использование радиоволн в качестве среды передачи данных имеет целый ряд особенностей, не позволяющих применять методы и режимы работы, которые с успехом используются в проводных сетях. В связи с этим для существующих сетевых стандартов предусмотрены собственные средства доступа к передающей среде, обработки сигнала, шифрования данных и аутентификации и т. д. Далее рассмотрим особенности использования этих механизмов в беспроводных сетях, основанных на принципах Ethernet.

Режимы функционирования беспроводных сетей

Методы и технологии обработки сигнала

Шифрование и аутентификация