«Компьютерные локальные сети» 
 

Пояснительная записка 

к курсовой работе

по дисциплине «Информатика» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

          Введение

      Вхождение России в мировое информационное пространство влечет за собой широчайшее использование новейших информационных технологий, и в первую очередь, компьютерных сетей. При этом резко возрастают и качественно видоизменяются возможности пользователя как в деле оказания услуг своим клиентам, так и при решении собственных организационно-экономических задач.

      Уместно отметить, что современные компьютерные сети являются системой, возможности  и характеристики которой в целом  существенно превышают соответствующие  показатели простой суммы составляющих элементов сети персональных компьютеров при отсутствии взаимодействия между ними.

      Достоинства компьютерных сетей обусловили их широкое  распространение в информационных системах кредитно-финансовой сферы, органов  государственного управления и местного самоуправления, предприятий и организаций. Поэтому целью данной курсовой работы является знакомство с основами построения и функционирования компьютерных сетей, для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

• Знакомство с компьютерными сетями, выделение их особенностей и отличий;
• Характеристика основных способов построения сетей (топология сетей);
• Знакомство с методами защиты от несанкционированного доступа к ресурсам сети;
• Краткая характеристика основных протоколов сети, которые обеспечивают согласованное взаимодействие пользователей в сети;
• Подведение итогов работы и внесение предложений по данной теме.

      При решении поставленных задач основным методом является анализ литературы по данной теме. 
 

   1 Теоретические основы организации локальных сетей

     1.1 Общие сведения о сетях

      Современное производство требует высоких скоростей  обработки информации, удобных форм ее хранения и передачи. Необходимо также иметь динамичные способы  обращения к информации, способы  поиска данных в заданные временные  интервалы; реализовывать сложную математическую и логическую обработку данных. Управление крупными предприятиями, управление экономикой на уровне страны требуют участия в этом процессе достаточно крупных коллективов. Такие коллективы могут располагаться в разных районах города, в различных регионах страны и даже в различных странах. Для решения задач управления, обеспечивающих реализацию экономической стратегии, становятся важными и актуальными скорость и удобство обмена информацией, а также возможность тесного взаимодействия всех участвующих в процессе выработки управленческих решений.

      Принцип централизованной обработки данных не отвечал высоким требованиям  к надежности процесса обработки, затруднял  развитие систем и не мог обеспечить необходимые временные параметры  при диалоговой обработке данных в многопользовательском режиме. Кратковременный выход из строя централизованной ЭВМ приводил к роковым последствиям для системы в целом, так как приходилось дублировать функции центральной ЭВМ, значительно увеличивая затраты на создание и эксплуатацию систем обработки данных.

      Появление малых ЭВМ, микроЭВМ и персональных компьютеров потребовало нового подхода к организации систем обработки данных, к созданию новых  информационных технологий. Возникло логически обоснованное требование перехода от использования отдельных ЭВМ в системах централизованной обработки данных к распределенной обработке данных, т.е. обработке, выполняемой на независимых, но связанных между собой компьютерах, представляющих распределенную систему.

      Для реализации распределенной обработки данных были созданы многомашинные ассоциации, структура которых разрабатывается по одному из следующих направлений:

многомашинные вычислительные комплексы (МВК) – группа установленных рядом вычислительных машин, объединенных с помощью специальных средств сопряжения и выполняющих совместно информационно-вычислительный процесс;

• компьютерные (вычислительные) сети – совокупность компьютеров и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределенной обработки данных.
• компьютерные сети являются высшей формой многомашинных ассоциаций. Выделяют основные отличия компьютерной сети от многомашинного вычислительного комплекса.

      Первое  отличие – размерность. В состав многомашинного вычислительного комплекса входят обычно две, максимум три ЭВМ, расположенные преимущественно в одном помещении. Вычислительная сеть может состоять из десятков и даже сотен ЭВМ, расположенных на расстоянии друг от друга от нескольких метров до тысяч километров.

      Второе отличие – разделение функций между ЭВМ. Если в многомашинном вычислительном комплексе функции обработки данных, передачи и управления системой могут быть реализованы в одной ЭВМ, то в вычислительных сетях эти функции разделены между различными ЭВМ.

      Третье отличие – необходимость решения в сети задачи маршрутизации сообщений. Сообщение от одной ЭВМ к другой может быть передано по различным маршрутам в зависимости от состояния каналов связи, соединяющих ЭВМ друг с другом.

      В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:

• глобальные сети (WAN – Wide Area Network);
• региональные сети (MAN – Metropolitan Area Network);
• локальные сети (LAN – Local Area Network).

      Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 – 2,5 км.

      Основной  назначение любой компьютерной сети – предоставление информационных и  вычислительных ресурсов подключенным к ней пользователям.

      С этой точки зрения локальную вычислительную сеть можно рассматривать как  совокупность серверов и рабочих станций.

      Сервер  – компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей  определенными услугами. Серверы  могут осуществлять хранение данных, управление базами данных, удаленную  обработку заданий, печать заданий  и ряд других функций, потребность в которых может возникнуть у пользователей сети. Сервер – источник ресурсов сети.

      Рабочая станция – персональный компьютер, подключенный к сети, через который  пользователь получает доступ к ее ресурсам. Рабочая станция сети функционирует  как в сетевом, так и в локальном режиме. Она оснащена собственной операционной системой (MS DOS, Windows и т.д.), обеспечивает пользователя всеми необходимыми инструментами для решения прикладных задач.

      Компьютерные  сети, как было сказано выше, реализуют  распределенную обработку данных. Обработка данных в этом случае распределена между двумя объектами: клиентом и сервером.

      Клиент  – задача, рабочая станция или  пользователь компьютерной сети. В  процессе обработки данных клиент может  сформировать запрос на сервер для  выполнения сложных процедур, чтения файлов, поиск информации в базе данных и т.д.

      Сервер, определенный ранее, выполняет запрос, поступивший от клиента. Результаты выполнения запроса передаются клиенту. Сервер обеспечивает хранение данных общего пользования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту.

      Клиент  обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном  для пользователя. Для подобных систем приняты термины – системы  или архитектура клиент – сервер.

      Архитектура клиент – сервер может использоваться как в одноранговых сетях, так и в сети с выделенным сервером.

      Одноранговая  сеть, в которой нет единого  центра управления взаимодействием  рабочих станций и нет единого  центра для хранения данных. Сетевая  операционная система распределена по рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть. Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям.

      Достоинства одноранговых сетей:

• низкая стоимость;
• высокая надежность.

      Недостатки  одноранговых сетей:

• зависимость эффективности работы сети от количества станций;
• сложность управления сетью;
• сложность обеспечения защиты информации;
• трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

      Наибольшей  популярностью пользуются одноранговые сети на базе сетевых операционных систем LANtastic, NetWare Lite.

      В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций.

      Такой компьютер обычно называют сервером сети. На нем устанавливается сетевая  операционная система, к нему подключаются все разделяемые внешние устройства – жесткие диски, принтеры и модемы.

Взаимодействие  между рабочими станциями в сети, как правило, осуществляются через  сервер.

      Достоинства сети с выделенным сервером:

• надежна система защиты информации;
• высокое быстродействие;
• отсутствие ограничений на число рабочих станций;
• простота управления по сравнению с одноранговыми сетями.

      Недостатки  сети:

• высокая стоимость из-за выделения одного компьютера на сервер;
• зависимость быстродействия и надежности от сервера;
• меньшая гибкость по сравнению с одноранговыми сетями.

      Сети  выделенным сервером являются наиболее распространенными у пользователей  компьютерных сетей. Сетевые операционные системы для таких сетей – LANServer (IBM), Windows NT Server версий 3.51 и 4.0 и NetWare (Novell).[4]

     1.2 Топология сетей

      Топология сети определяется размещением узлов  в сети и связей между ними. Из множества возможных построений выделяют следующие структуры.

      Топология «звезда». Каждый компьютер через  сетевой адаптер подключается отдельным кабелем  объединяющему устройству. Все сообщения проходят через центральное устройство, которое обрабатывает поступающие сообщения и направляет их к нужным или всем компьютерам.  
 

      Рисунок 1 Топология «Звезда» 

     Звездообразная  структура чаще всего предполагает нахождение в центральном узле специализированной ЭВМ или концентратора.

     Достоинства «звезды»:

• простота периферийного оборудования;
• каждый пользователь может работать независимо от остальных пользователей;
• высокий уровень защиты данных;
• легкое обнаружение неисправности в кабельной сети.

• выход из строя центрального устройства ведет к остановке всей сети;
• высокая стоимость центрального устройства;
• уменьшение производительности сети с увеличением числа компьютеров, подключенных к сети.

      Топология «кольцо». Все компьютеры соединяются  друг с другом в кольцо. Здесь  пользователи сети равноправны. Информация по сети всегда передается в одном  направлении.  
 
 

      Рисунок 2 Топология «Кольцо» 

     Кольцевая сеть требует специальных повторителей, которые, приняв информацию, передают ее дальше как бы по эстафете; копируют в свою память (буфер), если информация предназначается им; изменяют некоторые служебные разряды, если это им разрешено. Информацию из кольца удаляет тот узел, который ее послал.

      Достоинства «кольца»:

• отсутствие дорогого центрального устройства;
• легкий поиск неисправных узлов;
• отсутствует проблема маршрутизации;
• пропускная способность сети разделяется между всеми пользователями, поэтому все пользователи гарантированно последовательно получают доступ к сети;
• простота контроля ошибок.

      Недостатки  «кольца»:

• трудно включить в сеть новые компьютеры;
• каждый компьютер должен активно участвовать в пересылке информации, для этого нужны ресурсы, чтобы не было задержек в основной работе этих компьютеров;
• в случае выхода из строя хотя одного компьютера или отрезка кабеля вся сеть парализуется.

      Топология «общая шина». Общая шина наиболее широко распространенна в локальных  вычислительных сетях. Топология «общая шина» предполагает использование одного кабеля (шины), к которому непосредственно подключаются все компьютеры сети.

      Рисунок 3 Топология «Общая шина»

     В данном случае кабель используется всеми  станциями по очереди, т.е. шину может  захватить в один момент только одна станция. Доступ к сети (к кабелю) осуществляется путем состязания между пользователями. В сети принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать данные. Возникающие конфликты разрешаются соответствующими протоколами. Информация передается на все станции сразу.

      Достоинства «обшей шины»:

• простота построения сети;
• сеть легко расширяется;
• эффективно используется пропускная способность канала;
• надежность выше, т.к. выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособности сети в целом.

      Недостатки  «общей шины»:

• ограниченная длина шины;
• нет автоматического подтверждения приема сообщений;
• возможность возникновения столкновений (коллизий) на шине, когда пытаются передать информацию сразу несколько станций;
• низкая защита данных;
• выход из строя какого-либо отрезка кабеля ведет к нарушению работоспособности сети;
• трудность нахождения места обрыва.

      Топология «дерево». Эта структура позволяет  объединить несколько сетей, в том  числе с различными топологиями  или разбить одну большую сеть на ряд подсетей.

      Рисунок 4 Топология «Дерево»

    Разбиение на сегменты позволит выделить подсети, в пределах которых идет интенсивный  обмен между станциями, разделить  потоки данных и увеличить, таким  образом, производительность сети в  целом. Объединение отдельных ветвей (сетей) осуществляется с помощью устройств, называемых мостами или шлюзами. Шлюз применяется в случае соединения сетей, имеющих различную топологию и различные протоколы. Мосты объединяют сети с одинаковой топологией, но может преобразовывать протоколы. Разбиение сети на подсети осуществляется с помощью коммутаторов и маршрутизаторов. [5]

    1.3 Основные протоколы обмена в компьютерных сетях

      Для обеспечения согласованной работы в сетях передачи данных используются различные коммуникационные протоколы передачи данных – наборы правил, которых должны придерживаться передающая и принимающая стороны для согласованного обмена данными. Протоколы – это наборы правил и процедур, регулирующих порядок осуществления некоторой связи. Протоколы – это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким компьютерам при объединении в сеть общаться друг с другом.

      Существует  множество протоколов. И хотя все  они участвуют в реализации связи, каждый протокол имеет различные  цели, выполняет различные задачи, обладает своими преимуществами и ограничениями.

      Протоколы работают на разных уровнях модели взаимодействия открытых систем OSI/ISO

      Рисунок 5 Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI 

       Функции протоколов определяются  уровнем, на котором он работает. Несколько протоколов могут работать совместно. Это так называемый стек, или набор, протоколов.

      Как сетевые функции распределены по всем уровням модели OSI, так и протоколы  совместно работают на различных  уровнях стека протоколов. Уровни в стеке протоколов соответствуют уровням модели OSI. В совокупности протоколы дают полную характеристику функций и возможностей стека.

      Передача  данных по сети, с технической точки  зрения, должна состоять из последовательных шагов, каждому из которых соответствуют свои процедуры или протокол. Таким образом, сохраняется строгая очередность в выполнении определенных действий.

      Кроме того, все эти действия должны быть выполнены в одной и той  же последовательности на каждом сетевом  компьютере. На компьютере-отправителе действия выполняются в направлении сверху вниз, а на компьютере-получателе снизу вверх.

      Компьютер-отправитель  в соответствии с протоколом выполняет  следующие действия: Разбивает данные на небольшие блоки, называемыми  пакетами, с которыми может работать протокол, добавляет к пакетам адресную информацию, чтобы компьютер-получатель мог определить, что эти данные предназначены именно ему, подготавливает данные к передаче через плату сетевого адаптера и далее – по сетевому кабелю.

      Компьютер-получатель в соответствии с протоколом выполняет  те же действия, но только в обратном порядке: принимает пакеты данных из сетевого кабеля; через плату сетевого адаптера передает данные в компьютер; удаляет из пакета всю служебную информацию, добавленную компьютером-отправителем, копирует данные из пакета в буфер – для их объединения в исходный блок, передает приложению этот блок данных в формате, который оно использует.

      И компьютеру-отправителю, и компьютеру-получателю необходимо выполнить каждое действие одинаковым способом, с тем чтобы  пришедшие по сети данные совпадали с отправленными.

      Если, например, два протокола будут  по-разному разбивать данные на пакеты и добавлять информацию (о последовательности пакетов, синхронизации и для  проверки ошибок), тогда компьютер, использующий один из этих протоколов, не сможет успешно связаться с компьютером, на котором работает другой протокол.

      До  середины 80-ых годов большинство  локальных сетей были изолированными. Они обслуживали отдельные компании и редко объединялись в крупные  системы. Однако, когда локальные  сети достигли высокого уровня развития и объем передаваемой ими информации возрос, они стали компонентами больших сетей. Данные, передаваемые из одной локальной сети в другую по одному из возможных маршрутов, называются маршрутизированными. Протоколы, которые поддерживают передачу данных между сетями по нескольким маршрутам, называются маршрутизируемыми протоколами.

      Среди множества протоколов наиболее распространены следующие:

• NetBEUI;
• XNS;
• IPX/SPX и NWLmk;
• Набор протоколов OSI.

      Более подробно каждый стек протоколов будет  рассмотрен в следующей главе.[1]

     2 Обзор программных средств

     2.1 Аутентификация и авторизация. Система Kerberos

      Kerberos – это сетевая служба, предназначенная  для централизованного решения  задач аутентификации и авторизации  в крупных сетях. Она может работать в среде многих популярных операционных систем. В основе этой достаточно громоздкой системы лежит несколько простых принципов.

• В сетях, использующих систему безопасности Kerberos, все процедуры аутентификации между клиентами и серверами сети выполняются через посредника, которому доверяют обе стороны аутентификационного процесса, причем таким авторитетным арбитром является сама система Kerberos.
• В системе Kerberos клиент должен доказывать свою аутентичность для доступа к каждой службе, услуги которой он вызывает.
• Все обмены данными в сети выполняются в защищенном виде с использованием алгоритма шифрования.

      Сетевая служба Kerberos построена по архитектуре  клиент-сервер, что позволяет ей работать в самых сложных сетях. Kerberos-клиент устанавливается на всех компьютерах сети, которые могут обратится к какой-либо сетевой службе. В таких случаях Kerberos-клиент от лица пользователя передает запрос на Kerberos-сервер и поддерживает с ним диалог, необходимый для выполнения функций системы Kerberos.

      Итак, в системе Kerberos имеются следующие  участники: Kerberos-сервер, Kerberos-клиент и  ресурсные серверы 

     Kerberos-клиенты  пытаются получить доступ к  сетевым ресурсам – файлам, приложением,  принтеру и т.д. Этот доступ  может быть предоставлен, во-первых, только легальным пользователям, а во-вторых, при наличии у пользователя достаточных полномочий, определяемых службами авторизации соответствующих ресурсных сервер – файловым сервером, сервером приложений, сервером печати. Однако в системе Kerberos ресурсным серверам запрещается «напрямую» принимать запросы от клиентов, им разрешается начинать рассмотрение запроса клиента только тогда, когда на это поступает разрешение от Kerberos-сервера. Таким образом, путь клиента к ресурсу в системе Kerberos состоит из трех этапов:

1. Определение легальности клиента, логический вход в сеть, получение разрешения на продолжение процесса получения доступа к ресурсу.
2. Получение разрешения на обращение к ресурсному серверу.
3. Получение разрешения на доступ к ресурсу.

      Для решения первой и второй задачи клиент обращается к Kerberos-серверу. Каждая из этих задач решается отдельным сервером, входящим в состав Kerberos-сервера. Выполнение первичной аутентификации и выдача разрешения на продолжение процесса получения доступа к ресурсу осуществляется так называемым аутентификационным сервером (Authentication Server, AS). Этот сервер хранит в своей базе данных информацию об идентификаторах и паролях пользователей.

      Вторую  задачу, связанную с получением разрешения на обращение к ресурсному серверу, решает другая часть Kerberos-сервера – сервер квитанций (Ticket-Granting Server, TGS). Сервер квитанций для легальных клиентов выполняет дополнительную проверку и дает клиенту разрешение на доступ к нужному ему ресурсному серверу, для чего наделяет его электронной формой-квитанцией. Для выполнения своих функций сервер квитанций использует копии секретных ключей всех ресурсных серверов, которые хранятся у него в базе данных. Кроме этих ключей сервер TGS имеет еще один секретный DES-ключ, который разделяет с сервером AS.

      Третья  задача – получение разрешения на доступ непосредственно к ресурсу  – решается на уровне ресурсного сервера.

      Изучая  довольно сложный механизм системы Kerberos, нельзя не задаться вопросом: какое  влияние оказывают все эти многочисленные процедуры шифрования и обмена ключами на производительность сети, какую часть ресурсов сети они потребляют и как это сказывается на ее пропускной способности?