Компьютерные сети. 8

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  
АГАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени К.Д. ГЛИНКИ»

Кафедра информационного  обеспечения и  
моделирования агроэкономических систем

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО КУРСУ «КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ»

Содержание

стр.

1. Архитектура,  протоколы и стандарты компьютерных  сетей 3

2. Сетевое  программное обеспечение 18

Список литературы 34

1. Архитектура, протоколы и стандарты компьютерных сетей

Возникновение и развитие сетей дало новый, надёжный и высокоэффективный способ взаимодействия между людьми. Так же, как и другие ресурсы в сфере информационных технологий, сети первоначально использовались для научных целей, затем получив распространение во всех областях человеческой деятельности. Первоначально сети существовали независимо друг от друга, каждая сеть решала конкретные задачи для конкретных групп пользователей. Со временем, возникла идея объединить множество локальных сетей в единую глобальную сеть (Internet), что дало новые требования к её организации (в том числе и её стандартизации).

Таким образом, сеть Internet никому не принадлежит, точнее, она принадлежит  любому, кто может оплатить адресное пространство в ней. Сегодня десятки миллионов пользователей подключаются к сети Internet и десятки тысяч компаний уже не могут обходиться без ее услуг. Администраторы и разработчики сетей вынуждены учитывать при проектировании сетей новые требования. В настоящее время понимание структуры сети, современных стандартов (технологий и протоколов) является необходимым условием создания сетей.

Известны следующие модели сетевого взаимодействия: модель OSI имеет семиуровневую структуру, модель DOD (TCP/IP) имеет 4 уровня, таким образом, я посчитал целесообразным подробно рассмотреть функции каждого из уровней моделей, а так же познакомить читателя с наиболее известными протоколами и технологиями в области передачи данных по сети.

Целью компьютерной сети является соединение различного оборудования, таким образом, проблемы совместимости  здесь наиболее остры. Для создания и развития сетевой инфраструктуры необходимо согласование всеми производителями общепринятых стандартов для оборудования и протоколов. Поэтому все развитие компьютерной отрасли, в конечном счете, отражено в стандартах - любая новая технология только тогда приобретает "законный" статус, когда ее содержание закрепляется в соответствующем стандарте.

Компьютерная сеть (ComputerNetWork) - совокупность компьютеров, соединенных с помощью каналов связи и средств коммутации в единую систему для обмена сообщениями и доступа пользователей к программным, техническим, информационным и организационным ресурсам сети.

Вычислительные сети классифицируются по ряду признаков.

По территориальной распространённости выделяют CAN (сеть контроллеров), LAN (локальная  сеть), WAN (глобальная сеть), PAN (персональная сеть).

Под локальной компьютерной сетью (LocalAreaNetwork, LAN) понимается совокупность компьютеров, объединенных одной средой передачи данных и одной технологией доступа к среде.

Глобальная компьютерная сеть (WideAreaNetwork, WAN) - это совокупность локальных сетей, разнесенных географически  на большие расстояния, способных обмениваться данными.

В зависимости от топологии  соединений узлов различают сети.

Компьютеры любой сети называют узлами или хостами.

Cети разделяют также  в зависимости от топологии  соединений узлов на шинную (магистральную), кольцевую, звездную, иерархическую, произвольную структуру.

По типу функционального  взаимодействия выделяют: клиент-сервер, сменные сети, одноранговые сети, многоранговые  сети;

Сети разделяются и  по типу среды передачи данных (проводные, беспроводные), по скорости передачи данных, по функциональному значению, а также по используемым операционным системам.

Для того чтобы облегчить  изучение сети, упростить разработку сетевых протоколов и устройств, а также для упрощения проектирования сети была разработана эталонная модель OSI (OpenSystemInterconnection), модель описывает взаимосвязи открытых систем: как два узла сети взаимодействуют между собой. В этой модели для упрощения описания сетевых операций используют семь уровней. Уровни относительно независимы и разделены на основе выполняемых ими функций. Названия уровней и их функции перечислены в таблице:

Основные принципы выделения  уровней в OSI (7 уровней, в основке  которых положены следующие принципы)

1. подходящая степень модуляризации (уровней не слишком много)
2. прозрачность (реализация сетевого взаимодействия не слишком сложная)
3. минимальное количество информации, передаваемое интерфейсами между уровнями.
4. четкое распределение задач (каждый уровень решает конкретные задачи)
5. новый уровень должен создаваться каждый раз, когда требуется новый уровень абстракции (пример: если одна функция оперирует битами, а появляется другая функция, которая манипулирует группами бит, то эти функци должны быть на разных уровнях).

Наибольшую роль для правильной работы сети играют первые три уровня. Каждому из них соответствует  свое сетевое оборудование.

Основные устройства перечислены в следующей таблице:

Существуют устройства, которые  работают сразу на всех 7 уровнях. Это - компьютеры конечных пользователей (рабочие  станции), серверы различного назначения, принтеры с сетевыми интерфейсами.

Сетевой протокол - это формальное описание правил и соглашений, которое управляет обменом сетевой информацией между одноименными уровнями взаимодействующих хостов. Совокупность протоколов всех уровней, работающих совместно для обеспечения передачи данных между узлами сети называетсястеком протоколов.

Наиболее известный стек протоколов - TCP/IP. Он разрабатывался совместно с моделью сети TCP/IP. Модель TCP/IP имеет всего четыре уровня. Соответствие между уровнями модели TCP/IP и OSI представлены в таблице:

Каждый протокол работает на своем уровне с данными, организованными в блоки (PDU - ProtocolDataUnit). На каждом уровне для блоков данных используется свое название.

1) физический уровень

Физический уровень отвечает за передачу данных по физическому каналу и описывает среды передачи данных. Данные на физическом уровне передаются в виде сигналов. Сигнал - это физический процесс, развивающийся во времени. Для формирования и передачи сигналов используют два приема: цифровое кодирование и аналоговую модуляцию.

Физический уровень определяет такие виды среды передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т.п.

2) канальный уровень

Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть.

Спецификация IEEE 802 разделяет  этот уровень на два подуровня - MAC (MediaAccessControl) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (LogicalLinkControl) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

3) сетевой уровень

Сетевой уровень отвечает за выбор маршрута следования и коммутацию пакетов. Основным протоколом этого  уровня в стеке протоколов TCP/IP является протокол IP (InternetProtocol).

4) транспортный уровень

Транспортный уровень  модели формирует сегменты данных, размер которых зависит от протокола, и преобразует их в поток, обеспечивая  надёжную передачу данных.

5) сеансовый уровень

Сетевой уровень отвечает за поддержание сеанса связи, позволяет приложениям взаимодействовать между собой длительное время (в том числе в периоды неактивности приложений)

6) уровень представлений

Уровень представлений имеет  дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами  данных, которые используются программами.

7) прикладной (приложений) уровень

Прикладной уровень обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы, такие как удалённый доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления.

Инкапсуляция - это процесс спуска данных с верхних уровней узла к нижним с добавлением к ним специальных заголовков, соответствующих протоколам текущего уровня.

Технологии  и протоколы передачи данных по сети

Документы, входящие в систему  стандартов информационного обмена между вычислительными системами:

1. эталонная модель OSI
2. стандартизация методологии и средств тестирования комфорности (X290)
3. стандарты протоколов и сервисов сетевых технологий.

Комфортность - соответствие объекта его нормативно-технической документации.

4. Стандарты абстрактных методов тестирования сетевых протоколов.
5. Стандарты общесистемных функций (управления, безопасности, качества сервисов)
6. Вспомогательные документы (руководства, словари понятий, технические отчёты и др.) [2]

Как уже было написано, на каждом уровне эталонной модели взаимодействия двух хостов (модели OSI) работают свои устройства, обеспечивающие передачу данных, используя те или иные стандарты: технологии и протоколы. Каждый протокол также работает на своём уровне.

Рассмотрим следующую  таблицу:

Уровень сетевого интерфейса. Стек TCP/IP на нижнем уровне (1,2 уровни модели OSI) поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей - это Ethernet, TokenRing, FDDI, для глобальных - протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, РРР, протоколы территориальных сетей Х.25 и ISDN

Рассмотрим Ethernet - пакетную технологию передачи данных для локальных сетей.

Спецификации: 10Base-5, 10Base-2,10Base-T, 10Base-F

Для передачи сигнала используются: коаксиальный кабель (спецификации: 10base5, 10base2), витая пара (спецификации: 10baseT, 100baseT), оптоволокно (10baseFL, 1000baseSXLX). Для  построения сети Ethernet на основе витой  пары необходим концентратор или коммутатор Ethernet. На физическом уровне стандарта Ethernet используются манчестерские схемы кодирования. Логическая топология у технологии Ethernet - шина. Циркуляция данных в сети происходит согласно следующему алгоритму. Если одно устройство сети Ethernet хочет передать данные другому устройству, то оно вначале прослушивает канал передачи данных, ожидая его освобождения. Когда канал свободен, формируется кадр: в поле кадра DA записывается MAC-адрес (уникальный физический адрес) места назначения, в SA - собственный MAC-адрес. Кадр попадает на концентратор, который усиливает сигнал и рассылает его по всем портам. Все устройства, подключенные к концентратору, получают этот кадр, проверяют, совпадает ли их собственный адрес с адресом места назначения. Если да, то принимают кадр; если нет - отбрасывают.

При одновременной передаче двух хостов возможно возникновение коллизий. Коллизия - это наложение амплитуд двух сигналов, обнаруживаемое с помощью пороговой схемы. Коллизия приводит к искажению данных, поэтому после обнаружения коллизии формируется так называемый JAM-сигнал длиной в 32 бита и посылается в среду передачи данных. После получения JAM-сигнала все узлы сети узнают о происшествии (возникновении коллизии). Узлы прекращают передачу кадров на случайно выбранные промежутки времени. Этот механизм доступа к среде называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий, CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection (CSMA/CD). Область сети, в которой происходят коллизии, называется доменом коллизий.

Далее рассмотрим протокол PPP. Протокол PPP используется в глобальных сетях. Как правило, используется для установления прямой связи между двумя узлами сети, причем он может обеспечить аутентификацию соединения, шифрование и сжатие данных. Используется на многих типах физических сетей: нуль-модемный кабель, телефонная линия, сотовая связь и. т.д. Существуют следующие виды протокола: PPPoE (используется для Ethernet, DSL), PPPoA (используется для (AAL5). PPP представляет собой целое семейство протоколов: протокол управления линией связи (LCP), протокол управления сетью (NCP), протоколы аутентификации (PAP, CHAP), многоканальный протокол PPP (MLPPP).

Итак, рассмотренные стандарты (Ethernet, PPP) работают на первом уровне модели TCP/IP и соответственно на 1 и 2-ом уровнях модели OSI.

Уровень Internet. Здесь работают такие протоколы как IP, IPx, ARP, ICMP.

Одна из задач, которая  стоит перед протоколом IP, - обеспечение совместной согласованной работы в распределенной сети, состоящей из локальных сетей с разными технологиями 2-уровня. Но при этом возникает следующая проблема: "Мы знаем IP-адрес места назначения, какой физический адрес места назначения необходимо указать в заголовке кадра?". В стеке протоколов TCP/IP решением этой проблемы занимается протокол ARP.

ARP (AddressResolutionProtocol) - протокол разрешения адресов, этот протокол разрешает IP адрес в MAC адрес. ARP - данные инкапсулируются в кадр LAN. ICMP - протокол управляющих межсетевых сообщений, обеспечивает выработку управляющих сообщений об ошибках и перенос запросов/сообщений для диагностических программ (таких как ping).

Транспортный  уровень. На этом уровне в стеке протоколов TCP/IP используются два протокола: UDP (UserDatagramProtocol - протокол пользовательскихдатаграмм, описан в RFC 768) и TCP (TransmissionControlProtocol - протокол управления передачей, описан в RFC 793).

UDP - это ненадежный протокол без установления соединения и без гарантированной доставки. UDP обеспечивает минимальные транспортные услуги для протоколов прикладного уровня. Само приложение должно контролировать пропущенные или искаженные данные, запрашивать их повторно или игнорировать пропуски и искажения.

TCP - это надежный протокол с гарантированной доставкой и установлением соединения. TCP - протокол, обеспечивающий управляемую скорость передачи. Данный протокол использует следующие механизмы:

1) монопольное соединение TCP. Означает, что при установке  сеанса TCP соединение монопольно  и уникально для двух хостов.

2) порядковые номера. Обеспечивают  хронологию в посылке и приеме  данных TCP.

3) квитанции подтверждения.  Используются для сообщения отправителю  о приеме данных. Работа TCP протокола  состоит из 3 этапов: Установка соединения. Передача данных. Завершение соединения.

Протоколы прикладных уровней.

FTP (File Transfer Protocol) - протоколпередачифайлов. Предназначен для передачи файлов между хостами. Один из хостов играет роль сервера, именно на нем размещаются файлы. Второй - клиента. Для передачи данных используют 20 порт, в качестве транспортного протокола TCP. Для передачи команд управления - 21 порт (протокол TCP).

TFTP (TrivialFileTransferProtocol) - простой протокол передачи файлов. Предназначен для передачи файлов по надежным каналам связи. В качестве транспорта использует UDP. Сходен по назначению с FTP. Используется, в частности, для загрузки образов IOS и конфигурационных файлов в маршрутизаторы и коммутаторы.

HTTP (HyperTextTransferProtocol) - протокол предназначен для передачи гипертекста. Гипертекст - это специальный документ, записанный на языке разметки HTML. Обозреватель Интернет, такие, как Netscape, InternetExplorer или Opera, интерпретируют этот язык и команды протокола, затем представляют все в графическом, удобочитаемом виде. Интернет своей популярностью обязан именно этому протоколу. Здесь используется клиент-серверная технология. Обозреватель Интернет - это клиент, HTTP-сервер, работающий на 80 порту - сервер, обрабатывающий запросы клиентов.

SMTP (SimpleMailTransferProtocol) - простой протокол передачи почты, использует 25 порт для отправки сообщений электронной почты.

POP3 (PostOfficeProtocol) - протокол, с помощью которого клиенты забирают почту с почтового сервера, использует 110 порт.

Telnet - протокол терминальной службы, использует 23 порт. Позволяет получить доступ к консоли сервера и запускать на нем различные задачи. Протокол не обеспечивает безопасного соединения: трафик не шифруется, а пароли передаются в открытом виде. Сейчас существуют более совершенные и защищенные службы.

DHCP (DynamicHostConfigurationProtocol) - протокол, который позволяет динамически конфигурировать хосты, работающие по протоколу IP.

SNMP (SimpleNetworkManagementProtocol) - протокол, предназначенный для сбора информации в IP-сети и конфигурировании сетевых устройств, таких, как серверы, принтеры, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы. SNMP - может быть использован для сбора статистики с сетевых устройств и направления этой информации на центральную консоль управления. Эта информация используется для наблюдения за производительностью сети и диагностики ошибок. Типичная статистическая информация может включать число пакетов или кадров, посланных или полученных за промежуток времени, а также число произошедших ошибок. SNMP может быть также использован для чтения и изменения конфигурации интерфейсов сетевых устройств, например IP-адресов.

2. Сетевое программное обеспечение

После подключения компьютеров  к сети необходимо установить на них специальное сетевое программное обеспечение. Сетевое программное обеспечение отвечает за реализацию всех или отдельных уровней семиуровневой архитектуры, рассмотренной нами ранее.

Существует два подхода  к организации сетевого программного обеспечения:

• сети с централизованным управлением;
• одноранговые сети.

В сети с централизованным управлением  выделяются одна или несколько машин, управляющих обменом данными  по сети. Диски выделенных машин, которые  называются файл-серверами, доступны всем остальным компьютерам сети. На файл-серверах должна работать специальная сетевая  операционная система. Обычно это мультизадачная операционная система, использующая защищенный режим работы процессора.

Остальные компьютеры называются рабочими станциями. Рабочие станции имеют доступ к дискам файл-сервера и совместно используемым принтерам, но и только. С одной рабочей станции вы не сможете работать с дисками других рабочих станций. С одной стороны, это хорошо, так как пользователи изолированы друг от друга и не могут случайно повредить чужие данные. С другой стороны, для обмена данными пользователи вынуждены использовать диски файл-сервера, создавая для него дополнительную нагрузку.

Есть, однако, специальные программы, работающие в сети с централизованным управлением и позволяющие передавать данные непосредственно от одной  рабочей станции к другой минуя  файл-сервер. Пример такой программы - программа NetLink. После ее запуска  на двух рабочих станциях вы можете передавать файлы с диска одной  станции на диск другой, аналогично тому, как вы копируете файлы из одного каталога в другой при помощи программы NortonCommander.

На рабочих станциях должно быть установлено специальное программное  обеспечение, часто называемое сетевой  оболочкой. Это обеспечение работает в среде той операционной системы, которая используется на данной рабочей станции, - DOS, OS/2 и т. д.

Файл-серверы могут быть выделенными  или невыделенными. В первом случае файл-сервер не может использоваться как рабочая станция и выполняет  только задачи управления сетью. Во втором случае параллельно с задачей  управления сетью файл-сервер выполняет обычные пользовательские программы в среде MS-DOS. Однако при этом снижается производительность файл-сервера и надежность работы всей сети в целом, так как ошибка в пользовательской программе, запущенной на файл-сервере, может привести к остановке работы всей сети. Мы не рекомендуем вам использовать невыделенные файл-серверы, особенно в ответственных случаях.

Существуют различные сетевые  операционные системы, ориентированные на сети с централизованным управлением. Самые известные из них - NovellNetWare, MicrosoftLanManager (на базе OS/2), а также выполненная на базе UNIX сетевая операционная система VINES.

Одноранговые  сети

Одноранговые сети не содержат в своем составе выделенных серверов. Функции управления сетью передаются по очереди от одной рабочей станции к другой.

Как правило, рабочие станции имеют  доступ к дискам (и принтерам) других рабочих станций. Такой подход облегчает  совместную работу групп пользователей, но в целом производительность сети может понизиться.

Если сеть объединяет несколько  рабочих станций, которые должны совместно использовать такие ресурсы, как лазерный принтер, файлы на дисках, и если требуется интенсивный  обмен данными между рабочими станциями, имеет смысл рассмотреть  возможность применения недорогих  одноранговых сетевых средств.

Одно из достоинств одноранговых сетей - простота обслуживания. Если для обслуживания сети на базе NovellNetWare, как правило, требуется системный администратор, то для поддержания работоспособности одноранговой сети вам не потребуется специально выделенный для этого сотрудник.

Наиболее распространены такие  одноранговые сети, как ArtisoftLANtastic, LANsmart компании D-LinkSystems, InvisibleSoftware NET-30 и Web NOS компании Webcorp. Все эти сетевые средства реализованы как надстройки над операционной системой MS-DOS.

Фирма Novell предложила свое решение  для организации работы групп пользователей. Ее сетевая оболочка NovellNetWareLite напоминает одноранговые сетевые оболочки тем, что для организации сети не требуются выделенные файл-серверы, облегчено совместное использование дисков и принтеров. NovellNetWareLite запускается как набор резидентных программ в среде MS-DOS.

Однако NovellNetWareLite не является одноранговой сетью. Скорее это сеть с централизованным управлением, в которой может  быть несколько невыделенных или  выделенных серверов.

В целом NovellNetWareLite представляется нам  достаточно удачным решением для  организации небольших сетей. Кроме  того, NovellNetWareLite хорошо уживается с NovellNetWare 3.11, что позволяет комбинировать возможности сетей с централизованным управлением на базе NetWare 3.11 с удобным разделением ресурсов отдельных рабочих станций. Операционной оболочке NovellNetWareLite будет посвящен отдельный раздел нашей книги.

Фирма Microsoft предложила собственный  вариант организации одноранговой локальной сети на базе своей операционной системы WindowsforWorkgroups версии 3.1. Эта операционная система является как бы переходным этапом между Windows 3.1 и сетевой операционной системой Windows NT (NewTechnology - "новая технология").

WindowsforWorkgroups предоставляет исключительно  удобные средства для интегрирования рабочих станций, основанные на понятном для пользователя графическом интерфейсе Windows. Простым нажатием кнопки мыши вы можете отдать свой диск или принтер в коллективное пользование. ВашClipboard также легко доступен для других рабочих станций. В то же время предусмотрено разграничение доступа.

Некоторым недостатком WindowsforWorkgroups можно  считать более медленную работу по сравнению с обычной операционной системой Windows 3.1. Но в целом это средство удобно для организации рабочих групп, и поэтому мы рассмотрим его подробнее в отдельном разделе нашей книги.

NovellNetWare

С момента своего появления сетевая  операционная система NovellNetWare пережила множество "переизданий" и, успешно  вытесняя конкурентов, захватила значительную часть рынка.

В нашей стране массовое вторжение NovellNetWare началось с версии 2.15, способной  работать на доступных компьютерах  с процессором 80286. Кроме того, что тоже важно в условиях дефицита компьютеров, эта версия позволяет совмещать в одном компьютере функции файл-сервера и рабочей станции.