Устройство и основные понятия Локальной сети

Устройство  и основные понятия Локальной  сети

 

    Содержание:

 

  1. Понятие локальная сеть

  2. Устройство локальной сети

  3. Оборудование для локальной  сети

  4. Топология сети

  5. Протоколы TCP/IP

  6. IP-адресация

 

 

 

 

   Понятие Локальной сети

 

Сеть — группа компьютеров, соединенных другие другом с помощью специального оборудования, обеспечивающего обмен информацией между ними. Соединение между двумя компьютерами может быть непосредственным (двухточечное соединение) или с использованием дополнительных узлов связи.

 

Существует несколько типов  сетей, и локальная сеть - лишь одна из них. Локальная сеть представляет собой, по сути, сеть, используемую в  одном здании или отдельном помещении, таком как квартира, для обеспечения  взаимодействия используемых в них компьютеров и программ. Локальные сети, расположенные в разных зданиях, могут быть соединены между собой с помощью спутниковых каналов связи или волоконно-оптических сетей, что позволяет создать глобальную сеть, т.е. сеть, включающую в себя несколько локальных сетей.

 

Интернет является еще одним  примером сети, которая уже давно  стала всемирной и всеобъемлющей, включающей в себя сотни тысяч  различных сетей и сотни миллионов  компьютеров. Независимо от того, как  вы получаете доступ к Интернету, с помощью модема, локального или глобального соединения, каждый пользователь Интернета является фактически сетевым пользователем. Для работы в Интернете используются самые разнообразные программы, такие как обозреватели Интернета, клиенты FTP, программы для работы с электронной почтой и многие другие.

 

Компьютер, который подключен к  сети, называется рабочей станцией (Workstation). Как правило, с этим компьютером  работает человек. В сети присутствуют и такие компьютеры, на которых  никто не работает. Они используются в качестве управляющих центров в сети и как накопители информации. Такие компьютеры называют серверами,

 

Если компьютеры расположены сравнительно недалеко друг от друга и соединены  с помощью высокоскоростных сетевых  адаптеров то такие сети называются локальными. При использовании локальной сети компьютеры, как правило, расположены в пределах одной комнаты, здания или в нескольких близко расположенных домах.

 

Для объединения компьютеров или  целых локальных сетей, которые  расположены на значительном расстоянии друг от друга, используются модемы, а также выделенные, или спутниковые каналы связи. Такие сети носят название глобальные. Обычно скорость передачи данных в таких сетях значительно ниже, чем в локальных.

 

   Устройство локальной сети

 

Существуют два вида архитектуры сети: одноранговая (Peer-to-peer) и клиент/ сервер (Client/Server), На данный момент архитектура клиент/сервер практически вытеснила одноранговую.

 

Если используется одноранговая сеть, то все компьютеры, входящие в нее, имеют одинаковые права. Соответственно, любой компьютер может выступать в роли сервера, предоставляющего доступ к своим ресурсам, или клиента, использующего ресурсы других серверов,

 

В сети, построенной на архитектуре  клиент/сервер, существует несколько  основных компьютеров — серверов. Остальные компьютеры, которые входят в сеть, носят название клиентов, или рабочих станций,

 

Сервер — это компьютер, который  обслуживает другие компьютеры в  сети. Существуют разнообразные виды серверов, отличающиеся друг от друга  услугами, которые они предоставляют; серверы баз данных, файловые серверы, принт-серверы, почтовые серверы, веб-серверы и т. д.

 

Одноранговая архитектура получила распространение в небольших  офисах или в домашних локальных  сетях, В большинстве случаев, чтобы  создать такую сеть, вам понадобится пара компьютеров, которые снабжены сетевыми картами, и кабель. В качестве кабеля используют витую пару четвертой или пятой категории. Витая пара получила такое название потому, что пары проводов внутри кабеля перекручены (это позволяет избежать помех и внешнего влияния). Все еще можно встретить достаточно старые сети, которые используют коаксиальный кабель. Такие сети морально устарели, а скорость передачи информации в них не превышает 10 Мбит/с.

 

После того как сеть будет создана, а компьютеры соединены между собой, нужно настроить все необходимые параметры программно. Прежде всего убедитесь, что на соединяемых компьютерах были установлены операционные системы с поддержкой работы в сети (Linux, FreeBSD, Windows)

 

Все компьютеры в одноранговой сети объединяются в рабочие группы, которые имеют свои имена (идентификаторы).

 

В случае использования архитектуры  сети клиент/сервер управление доступом осуществляется на уровне пользователей. У администратора появляется возможность  разрешить доступ к ресурсу только некоторым пользователям. Предположим, что вы делаете свой принтер доступным для пользователей сети. Если вы не хотите, чтобы кто угодно печатал на вашем принтере, то следует установить пароль для работы с этим ресурсом. При одноранговой сети любой пользователь, который узнает ваш пароль, сможет получить доступ к вашему принтеру. В сети клиент/ сервер вы можете ограничить использование принтера для некоторых пользователей вне зависимости от того, знают они пароль или нет.

 

Чтобы получить доступ к ресурсу в локальной сети, построенной на архитектуре клиент/сервер, пользователь обязан ввести имя пользователя (Login — логин) и пароль (Password). Следует отметить, что имя пользователя является открытой информацией, а пароль - конфиденциальной.

Процесс проверки имени пользователя называется идентификацией. Процесс проверки соответствия введенного пароля имени пользователя — аутентификацией. Вместе идентификация и аутентификация составляют процесс авторизации. Часто термин «аутентификация»- используется в широком смысле: для обозначения проверки подлинности,

Из всего сказанного можно сделать  вывод о том, что единственное преимущество одноранговой архитектуры  — это ее простота и невысокая  стоимость. Сети клиент/сервер обеспечивают более высокий уровень быстродействия и защиты.

Достаточно часто один и тот  же сервер может выполнять функции  нескольких серверов, например файлового  и веб-сервера. Естественно, общее  количество функций, которые будет  выполнять сервер, зависит от нагрузки и его возможностей. Чем выше мощность сервера, тем больше клиентов он сможет обслужить и тем большее количество услуг предоставить. Поэтому в качестве сервера практически всегда назначают мощный компьютер с большим объемом памяти и быстрым процессором (как правило, для решения серьезных задач используются многопроцессорные системы),

 

    Оборудование для локальной сети

 

В самом простом случае для работы сети достаточно сетевых карт и кабеля. Если же вам необходимо создать достаточно сложную сеть, то понадобится специальное  сетевое оборудование.

 

 1. Кабель

 

Компьютеры внутри локальной сети соединяются с помощью кабелей, которые передают сигналы. Кабель, соединяющий  два компонента сети (например, два  компьютера), называется сегментом. Кабели классифицируются в зависимости  от возможных значений скорости передачи информации и частоты возникновения сбоев и ошибок. Наиболее часто используются кабели трех основных категорий:

 

витая пара;

коаксиальный кабель;

оптоволоконный кабель,

 

Для построения локальных сетей  сейчас наиболее широко используется витая

пара. Внутри такой кабель состоит  из двух или четырех пар медного  провода, перекрученных между собой. Витая пара также имеет свои разновидности: UTP (Unshielded Twisted Pair — неэкранированная витая пара) и STP (Shielded Twisted Pair —  экранированная витая пара). Эти разновидности кабеля способны передавать сигналы на расстояние порядка 100 м. Как правило, в локальных сетях используется именно UTP. STP имеет плетеную оболочку из медной нити, которая имеет более высокий уровень защиты и качества, чем оболочка кабеля UTP.

В кабеле STP каждая пара проводов дополнительно  экранировала (она обернута слоем  фольги), что защищает данные, которые  передаются, от внешних помех. Такое  решение позволяет поддерживать высокие скорости передачи на более  значительные расстояния, чем в случае использования кабеля UTP, Витая пара подключается к компьютеру с помощью разъема RJ-45 (Registered Jack 45), который очень напоминает телефонный разъем RJ-11 (Regi-steredjack ). Витая пара способна обеспечивать работу сети на скоростях 10,100 и 1000 Мбит/с.

Коаксиальный кабель состоит из медного провода, покрытого изоляцией, экранирующей металлической оплеткой и внешней оболочкой. По центральному проводу кабеля передаются сигналы, в которые предварительно были преобразованы данные. Такой провод может быть как цельным, так и многожильным. Для организации локальной сети применяются два типа коаксиального кабеля: ThinNet (тонкий, 10Base2) и ThickNet (толстый, 10Base5). В данный момент локальные сети на основе коаксиального кабеля практически не встречаются.

В основе оптоволоконного кабеля находятся  оптические волокна (световоды), данные по которым передаются в виде импульсов  света. Электрические сигналы по оптоволоконному кабелю не передаются, поэтому сигнал нельзя перехватить, что практически исключает несанкционированный доступ к данным. Оптоволоконный кабель используют для транспортировки больших объемов информации на максимально доступных скоростях.

Главным недостатком такого кабеля является его хрупкость: его легко  повредить, а монтировать и соединять можно только с помощью специального оборудования.

 

  2. Сетевые карты

 

Сетевые карты делают возможным  соединение компьютера и сетевого кабеля. Сетевая карта преобразует информацию, которая предназначена для отправки, в специальные пакеты. Пакет — логическая совокупность данных, в которую входят заголовок с адресными сведениями и непосредственно информация. В заголовке присутствуют поля адреса, где находится информация о месте отправления и пункте назначения данных, Сетевая плата анализирует адрес назначения полученного пакета и определяет, действительно ли пакет направлялся данному компьютеру. Если вывод будет положительным, то плата передаст пакет операционной системе. В противном случае пакет обрабатываться не будет. Специальное программное обеспечение позволяет обрабатывает все пакеты, которые проходят внутри сети. Такую возможность используют системные администраторы, когда анализируют работу сети, и злоумышленники для кражи данных, проходящих по ней.

 

Любая сетевая карта имеет индивидуальный адрес, встроенный в ее микросхемы.

Этот адрес называется физическим, или MAC-адресом (Media Access Control — управление доступом к среде передачи).

Порядок действий, совершаемых сетевой  картой, такой.

1.    Получение информации  от операционной системы и преобразование ее в электрические сигналы для дальнейшей отправки по кабелю.

2.    Получение электрических  сигналов по кабелю и преобразование  их обратно в данные, с которыми  способна работать операционная  система,

3.    Определение, предназначен ли принятый пакет данных именно для этого компьютера,

4.    Управление потоком  информации, которая проходит между  компьютером и сетью.

 

3. Концентраторы

 

 

Концентратор (хаб) — устройство, способное  объединить компьютеры в физическую звездообразную топологию. Концентратор имеет несколько портов, позволяющих подключить сетевые компоненты. Концентратор, имеющий всего два порта, называют мостом. Мост необходим для соединения двух элементов сети.

Сеть вместе с концентратором представляет собой «общую шину». Пакеты данных при передаче через концентратор будут доставлены на все компьютеры, подключенные к локальной сети.

Существует два вида концентраторов.

 Пассивные концентраторы.  Такие устройства отправляют  полученный сигнал без его  предварительной обработки.

 Активные концентраторы  (многопостовые повторители). Принимают  входящие сигналы, обрабатывают  их и передают в подключенные  компьютеры.

 

4. Коммутаторы

 

Коммутаторы необходимы для организации  более тесного сетевого соединения между компьютером-отправителем и конечным компьютером. В процессе передачи данных через коммутатор в его память записывается информация о MAC-адресах компьютеров. С помощью этой информации коммутатор составляет таблицу маршрутизации, в которой для каждого из компьютеров указана его принадлеж¬ность определенному сегменту сети.

 

При получении коммутатором пакетов данных он создает специальное  внутреннее соединение (сегмент) между  двумя своими Портами, используя  таблицу маршрутизации. Затем отправляет пакет данных в соответствующий  порт конечного компьютера, опираясь на информацию, описанную в заголовке пакета.

Таким образом, данное соединение оказывается  изолированным от других портов, что  позволяет компьютерам обмениваться информацией с максимальной скоростью, которая доступна для данной сети. Если у коммутатора присутствуют только два порта, он называется мостом.

Коммутатор предоставляет следующие  возможности:

 послать пакет с данными  с одного компьютера на конечный  компьютер;

увеличить скорость передачи данных.

 

5. Маршрутизаторы

 

Маршрутизатор по принципу работы напоминает коммутатор, однако имеет больший  набор функциональных возможностей, Он изучает не только MAC, но и IP-адреса обоих компьютеров, участвующих  в передаче данных. Транспортируя  информацию между различными сегментами сети, маршрутизаторы анализируют заголовок пакета и стараются вычислить оптимальный путь перемещения данного пакета. Маршрутизатор способен определить путь к произвольному сегменту сети, используя информацию из таблицы маршрутов, что позволяет создавать общее подключение к Интернету или глобальной сети.

Маршрутизаторы позволяют произвести доставку пакета наиболее быстрым путем, что позволяет повысить пропускную способность больших сетей. Если какой-то сегмент сети перегружен, поток  данных пойдет по другому пути.

 

     Топология сети

 

Порядок расположения и подключения  компьютеров и прочих элементов  в сети называют сетевой топологией. Топологию можно сравнить с картой сети, на которой отображены рабочие  станции, серверы и прочее сетевое оборудование. Выбранная топология влияет на общие возможности сети, протоколы и сетевое оборудование, которые будут применяться, а также на возможность дальнейшего расширения сети,

Физическая топология — это  описание того, каким образом будут  соединены физические элементы сети. Логическая топология определяет маршруты прохождения пакетов данных внутри сети.

Выделяют пять видов топологии  сети:

 

общая шина;

звезда;

кольцо;

 

 

  Общая шина

 

В этом случае все компьютеры подключаются к одному кабелю, который называется шиной данных. При этом пакет будет приниматься всеми компьютерами, которые подключены к данному сегменту сети.

 

Быстродействие сети во многом определяется числом подключенных к общей шине компьютеров. Чем больше таких компьютеров, тем медленнее работает сеть. Кроме того, подобная топология может стать причиной разнообразных коллизий, которые возникают, когда несколько компьютеров одновременно пытаются передать информацию в сеть. Вероятность появления коллизии возрастает с увеличением количества подключенных к шине компьютеров.

Преимущества использования сетей  с топологией «общая шина» следующие:

 значительная экономия кабеля;

простота создания и управления.

 

Основные недостатки:

вероятность появления коллизий при  увеличении числа компьютеров в  сети;

обрыв кабеля приведет к отключению множества компьютеров;

 низкий уровень защиты передаваемой  информации. Любой компьютер может  получить данные, которые передаются  по сети.

 

 

 

 

   Звезда

 

При использовании звездообразной топологии каждый кабельный сегмент, идущий от любого компьютера сети, будет подключаться к центральному коммутатору или концентратору, Все пакеты будут транспортироваться от одного компьютера к другому через это устройство. Допускается использование как активных, так и пассивных концентраторов, В случае разрыва соединения между компьютером и концентратором остальная сеть продолжает работать. Если же концентратор выйдет из строя, то сеть работать перестанет. С помощью звездообразной структуры можно подключать друг к другу даже локальные сети.

 

Использование данной топологии удобно при поиске поврежденных элементов: кабеля, сетевых адаптеров или  разъемов, «Звезда» намного удобнее  «общей шины» и в случае добавления новых устройств. Следует учесть и то, что сети со скоростью передачи 100 и 1000 Мбит/с построены по топологии «звезда».

 

Если в самом центре «звезды» расположить концентратор, то логическая топология изменится на «общую шину».

 

Преимущества «звезды»:

 

 простота создания и управления;

 высокий уровень надежности  сети;

 высокая защищенность информации, которая передается внутри сети (если в центре звезды расположен коммутатор).

 

Основной недостаток — поломка  концентратора приводит к прекращению  работы всей сети.

 

    Кольцевая топология

 

В случае использования кольцевой  топологии все компьютеры сети подключаются к единому кольцевому кабелю. Пакеты проходят по кольцу в одном направлении через все сетевые платы подключенных к сети компьютеров. Каждый компьютер будет усиливать сигнал и отправлять его дальше по кольцу.

В представленной топологии передача пакетов по кольцу организована маркерным методом. Маркер представляет собой определенную последовательность двоичных разрядов, содержащих управляющие данные. Если сетевое устройство имеет маркер, то у него появляется право на отправку информации в сеть. Внутри кольца может передаваться всего один маркер.

Компьютер, который собирается транспортировать данные, забирает маркер из сети и отправляет запрошенную информацию по кольцу. Каждый следующий компьютер будет  передавать данные дальше, пока этот пакет не дойдет до адресата. После получения адресат вернет подтверждение о получении компьютеру-отправителю, а последний создаст новый маркер и вернет его в сеть,

Преимущества данной топологии  следующие:

эффективнее, чем в случае с общей  шиной, обслуживаются большие объемы данных;

 каждый компьютер является  повторителем: он усиливает сигнал  перед отправкой следующей машине, что позволяет значительно увеличить  размер сети;

 возможность задать различные  приоритеты доступа к сети; при  этом компьютер, имеющий больший приоритет, сможет дольше задерживать маркер и передавать больше информации.

 

Недостатки:

 обрыв сетевого кабеля приводит  к неработоспособности всей сети;

 произвольный компьютер может  получить данные, которые передаются  по сети.

 

 

    Протоколы TCP/IP

 

 

Протоколы TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - Протокол управления передачей  данных/Интернет протокол) являются основными  межсетевыми протоколами и управляют  передачей данных между сетями разной конфигурации и технологии. Именно это семейство протоколов используется для передачи информации в сети Интернет, а также в некоторых локальных сетях. Семейство протоколов TPC/IP включает все промежуточные протоколы между уровнем приложений и физическим уровнем. Общее их количество составляет несколько десятков.

 

Основными среди них являются:

 транспортные протоколы: TCP - Transmission Control Protocol (Протокол управления передачей  данных) и другие - управляют передачей  данных между компьютерами;

 протоколы маршрутизации: IP - Internet Protocol (Протокол Интернета) и другие - обеспечивают фактическую передачу данных, обрабатывают адресацию данных, определяет наилучший путь к адресату;

 протоколы поддержки сетевого  адреса: DNS - Domain Name System (Доменная система  имен) и другие - обеспечивает определение уникального адреса компьютера;

 протоколы прикладных сервисов: FTP - File Transfer Protocol (Протокол передачи  файлов), HTTP - HyperText Transfer Protocol (Протокол  передачи гипертекста), TELNET и другие - используются для получения  доступа к различным услугам: передаче файлов между компьютерами, доступу к WWW, удаленному терминальному доступу к системе и др.;

 шлюзовые протоколы: EGP - Exterior Gateway Protocol (Внешний шлюзовый протокол) и другие - помогают передавать  по сети сообщения о маршрутизации и информацию о состоянии сети, а также обрабатывать данные для локальных сетей.

 почтовые протоколы: POP - Post Office Protocol (Протокол приема почты) - используется  для приема сообщений электронной  почты, SMPT Simple Mail Transfer Protocol (Протокол передачи почты) - используется для передачи почтовых сообщений.

 

Все основные сетевые протоколы (NetBEUI, IPX/SPX и ТСРIР) являются маршрутизируемыми  протоколами. Но вручную приходится настраивать лишь маршрутизацию  ТСРIР. Остальные протоколы маршрутизируются операционной системой автоматически.

 

    IP-адресация

 

При построении локальной сети на основе протокола TCP/IP каждый компьютер  получает уникальный IP-адрес, который  может назначаться либо DHCP-сервером - специальной программой, установленной на одном из компьютеров сети, либо средствами Windows, либо вручную.

 

DHCP-сервер позволяет гибко раздавать  IP-адреса компьютерам и закрепить  за некоторыми компьютерами постоянные, статические IP-адреса. Встроенное  средство Windows не имеет таких возможностей. Поэтому если в сети имеется DHCP-сервер, то средствами Windows лучше не пользоваться, установив в настройках сети операционной системы автоматическое (динамическое) назначение IP-адреса. Установка и настройка DHCP-сервера выходит за рамки этой книги.

 

Следует, однако, отметить, что при  использовании для назначения IP-адреса DHCP-сервера или средств Windows загрузка компьютеров сети и операции назначения IP-адресов требует длительного  времени, тем большего, чем больше сеть. Кроме того, компьютер с DHCP-сервером должен включаться первым.

 

Если же вручную назначить компьютерам  сети статические (постоянные, не изменяющиеся) IP-адреса, то компьютеры будут загружаться  быстрее и сразу же появляться в сетевом окружении. Для небольших  сетей этот вариант является наиболее предпочтительным, и именно его мы будем рассматривать в данной главе.

 

Для связки протоколов TCP/IP базовым  является протокол IP, так как именно он занимается перемещением пакетов  данных между компьютерами через  сети, использующие различные сетевые технологии. Именно благодаря универсальным характеристикам протокола IP стало возможным само существование Интернета, состоящего из огромного количества разнородных сетей.

 

   Пакеты данных протокола IP

 

Протокол IP является службой доставки для всего семейства протоколов ТСР-iР. Информация, поступающая от остальных протоколов, упаковывается в пакеты данных протокола IP, к ним добавляется соответствующий заголовок, и пакеты начинают свое путешествие по сети

 

     Система IP-адресации

 

 

Одними из важнейших полей заголовка пакета данных IP являются адреса отправителя и получателя пакета. Каждый IP-адрес должен быть уникальным в том межсетевом объединении, где он используется, чтобы пакет попал по назначению. Даже во всей глобальной сети Интернет невозможно встретить два одинаковых адреса.

 

IP-адрес, в отличие от обычного  почтового адреса, состоит исключительно  из цифр. Он занимает четыре  стандартные ячейки памяти компьютера - 4 байта. Так как один байт (Byte) равен 8 бит (Bit), то длина  IP-адреса составляет 4 х 8 = 32 бита.

 

Бит представляет собой минимально возможную единицу хранения информации. В нем может содержаться только 0 (бит сброшен) или 1 (бит установлен).

 

Несмотря на то, что IP-адрес всегда имеет одинаковую длину, записывать его можно по-разному. Формат записи IP-адреса зависит от используемой системы счисления. При этом один и тот же адрес может выглядеть совершенно по-разному:

 

Формат числовой записи	Значение
Двоичный (Binary)	10000110000110000000100001000010
Шестнадцатеричный (Hexadecimal)	0x86180842
Десятичный (Decimal)	2249721922
Точечно-десятичный (Dotted Decimal)	134.24.8.66

 

 

 

Двоичное число 10000110 преобразовывается  в десятичное следующим образом: 128 + 0 + 0 + 0 + 0 + 4 + 2 + 0 =134.

Наиболее предпочтительным вариантом, с точки зрения удобства чтения человеком, является формат написания IP-адреса в точечно-десятичной нотации. Данный формат состоит из четырех десятичных чисел, разделенных точками. Каждое число, называемое октетом (Octet), представляет собой десятичное значение соответствующего байта в IP-адресе. Октет называется так потому, что один байт в двоичном виде состоит из восьми бит.

При использовании точечно-десятичной нотации записи октетов в адресе IP следует иметь ввиду следующие  правила:

•   допустимыми являются только целые числа;

•   числа должны находиться в диапазоне от 0 до 255.

 

Старшие биты в IP-адресе, расположенные  слева, определяют класс и номер  сети. Их совокупность называется идентификатором  подсети или сетевым префиксом. При назначении адресов внутри одной сети префикс всегда остается неизменным. Он идентифицирует принадлежность IP-адреса данной сети.

 

Например, если IP-адреса компьютеров  подсети 192.168.0.1 - 192.168.0.30, то первые два  октета определяют идентификатор подсети - 192.168.0.0, а следующие два - идентификаторы хостов.

 

Сколько именно бит используется в тех или иных целях, зависит  от класса сети. Если номер хоста  равен нулю, то адрес указывает  не на какой-то один конкретный компьютер, а на всю сеть в целом.