Основные принципы построения локальных вычислительных сетей

Основные принципы построения
локальных вычислительных сетей
Все
компьютерные
сети, независимо
от
масштаба и вида задач, решаемых можно
рассматривать в общем случае как некоторую
совокупность
менее
двух
персональных
компьютеров, соединенных между собой с помощью
специального
оборудования
и
программного
обеспечения таким образом, чтобы можно было
организовать их согласованную взаимодействие
между собой.
Для
непосредственного
соединения
компьютеров
в
сети
используются
специализированные
кабели
и
специальные
электронные
платы,
названные
сетевыми
адаптерами,
которые
устанавливаются
непосредственно на системной шине персональный
компьютера.
Совокупность кабельных систем, электронного
оборудования и специализированного программного
обеспечения
составляют
понятие
сетевых
информационных технологий Данные технологии
можно условно разделить на следующие основные
группы:
• среда
передачи
информации
специализированная аппаратура, необходимая для
подключения персонального компьютера к сети;
• протоколы передачи информации - системное
программное обеспечение, организует на основе
передающей среды непосредственную передачу
некоторых данных между объединенными в сеть
компьютерами;
• сетевые услуги - системное и прикладное
программное
обеспечение,
предоставляющее
пользователю средства организации удобной и
эффективной работы в составе компьютерной сети
Аппаратная часть
любой компьютерной сети:
• сетевые серверы;
• сетевые рабочие станции;
• сетевая коммуникационная система
Сетевой сервер
• это специализированный компьютер, на котором
установлена и функционирует некоторая
административная программа, управляющая
доступом ко всей сети или ее части и ресурсов
(например, к жестким дискам или принтерам), таким
образом, сетевой сервер формирует ресурсы для
компьютеров, подключенных к вычислительной сети.
• Любой сетевой сервер - это выделенный компьютер
повышенной мощности, на котором функционирует
то или иное специализированное системное
программное обеспечение, позволяющее есть
выполнять данному компьютеру вполне
определенный перечень задач и функций
зависимости от задач, решаемых сетевыми
серверами, они делятся на несколько видов:
файловые серверы, серверы баз данных
коммуникационные серверы и т.д.
• Файловый сервер - это установленный в локальной
вычислительной сети специализированный
компьютер, предназначенный для хранения файлов
и доступен всем пользователям сети Файловый
сервер не только сохраняет файлы, но и у управляет
ими, поддерживает необходимый порядок при
организации взаимодействия пользователей с
файлами, хранящимися на нему.
• Сервер баз данных - это специализированная
станция компьютерной сети, предназначенная для
хранения баз данных коллективного использования и
обработки запросов к ней, поступающих от
пользователей сети Как правило, для выполнения
таких функций в составе компьютерной сети
выделяется компьютер, специально настроен и
оптимизирован для выполнения функций управления
базами даных.
Коммуникационный сервер - это
специализированная рабочая станция
компьютерной сети, выполняет трансляцию
информационных пакетов локальной
вычислительной сети в асинхронные
сигналы, используемые в телефонных линиях
или в системах последовательной связи и
обеспечивают для всех рабочих станций сети
доступ к своим модемов или к соединениям
RS-232-.
• Локальные сети – ЛВС (LAN – Local Area
Network)объединяют находящиеся недалеко друг от
друга (в соседней комнате или здании) компьютеры.
Иногда компьютеры могут находиться на расстоянии
нескольких миль и все равно принадлежать
локальной сети.
• Компьютеры глобальной сети – ГВС (WAN – Wide
Area Network) могут находиться в других городах или
даже странах. Информация проделывает длинный
путь, перемещаясь в данной сети. Интернет состоит
из тысячи компьютерных сетей, разбросанных по
всему миру. Однако, пользователь должен
рассматривать Интернет как единую
• При обмене данными как между ПК в ЛВС,
так и между ЛВС любое информационное
сообщение разбивается программами
передачи данных на небольшие блоки
данных, которые называются пакетами.
В пакет Ethernet входят следующие поля:
• Преамбула состоит из 8 байт, первые семь представляют собой код
10101010, а последний байт – код 10101011. В стандарте IEEE
802.3 восьмой байт называется признаком начала кадра (SFD –
Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.
• Адреса получателя (приемника) и отправителя (передатчика)
включают по 6 байт и строятся по стандарту, описанному в разделе
"Адресация пакетов" лекции 4. Эти адресные поля обрабатываются
аппаратурой абонентов.
• Поле управления (L/T – Length/Type) содержит информацию о
длине поля данных. Оно может также определять тип
используемого протокола. Принято считать, что если значение
этого поля не больше 1500, то оно указывает на длину поля
данных. Если же его значение больше 1500, то оно определяет тип
кадра. Поле управления обрабатывается программно.
• Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных.
Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле
данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту
IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется специальное поле
заполнения (pad data – незначащие данные), которое может иметь
нулевую длину, когда данных достаточно (больше 46 байт).
• Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) содержит
32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и
служит для проверки правильности передачи пакета.
• Если для передачи электрических сигналов
воспользоваться обычной парой параллельных
проводов для передачи знакопеременного списка
большой частоты, то возникающие вокруг одного из
них магнитные потоки будут вызывать помехи в
другом. Для исключения этого явления провода
перекручивают между собой.
Самая простая витая пара (twisted pair) – это два
перевитых друг вокруг друга изолированных провода.
Существует два вида такого кабеля:
• – неэкранированная витая пара (UTP);
• – экранированная витая пара (STP).
•
Часто несколько витых пар помещают в одну
защитную оболочку (типа телефонного кабеля).
Наиболее распространена в ЛВС неэкранированная
витая пара стандарта 10 baseT с эффективной
длиной сегмента – 100 м.
Определено 5 категорий на основе UTP.
Категория
Скорость передачи (Мбит/с)
Количество пар
1
Телефонный кабель только для
передачи речи
1 пара
2
До 4
4 пары
3
До 10
4пары с 9-ю витками на 1 м
4
До 16
4 пары
5
До 100
4 медных пары
• Аппаратное и программное обеспечение,
работающие в сети, разрабатываются в
разных фирмах. Для того чтобы оно было
совместимо между собой, международной
организацией по стандартам (ISO) была
разработана базовая эталонная модель
открытых систем (OSI – Open System
Interconnection model).
• Эта модель описывает многоуровневую
архитектуру сети, при которой все сетевые
функции разделены на семь уровней
•
•
•
•
•
•
•
физический уровень передает данные по сетевым
каналам и включает в себя аппаратные средства,
необходимые для этого;
канальный – предохраняет данные от повреждения на
физическом уровне;
сетевой – передает данные от одного сетевого
компьютера к другому;
транспортный – передает данные от одного приложения к
другому;
сеансовый – это сетевой интерфейс пользователя;
представительский – занимается проблемами сетевого
интерфейса к принтерам, мониторам и преобразованием
форматов файлов;
прикладной – это набор широко используемых сетевых
приложений.
Каждый из семи уровней определяет перечень услуг,
которые он предоставляет смежным уровням, реализуя
определенный набор сетевых функций.
Протокол – это четко определенный набор правил и
соглашений для взаимодействия одинаковых уровней
сети.
Интерфейс определяет услуги, которые нижний
уровень предоставляет верхнему и способ доступа к ним.
Задача каждого уровня – предоставление услуг
вышестоящему уровню, «маскирую» детали реализации
этих услуг. Когда два компьютера в сети работают друг с
другом, каждый из сетевых уровней обменивается
данными с себе подобным (на основе протокола этого
уровня).
Эта логическая или виртуальная связь изображена на
рисунке 10 пунктирной линией. Однако реальная
передача данных происходит на самом нижнем –
физическом уровне, где находится физическая среда
передачи (сетевой кабель). Т. е. на самом деле данные
перемещаются:
– сверху вниз от прикладного уровня к физическому;
– в рамках физического уровня горизонтально по
сетевому кабелю к компьютеру – приемнику данных;
– полученные данные затем двигаются вверх по уровням
сетевой модели
Физический уровень:
• обеспечивает физический путь для передачи
кодированных сигналов;
• устанавливает характеристики этих сигналов
(амплитуда, частота, длительность и т.д.);
• определяет способ соединения СА с
кабелем, тип разъемов, способ передачи;
• обеспечивает поддержку потока битов,
содержание которых на этом уровне не имеет
значения;
• отвечает за кодирование данных и
синхронизацию битов.
Канальный уровень:
• определяет правила совместного
использования физического уровня
узлами сети;
• передает информацию адресованными
порциями – кадрами;
• определяет формат кадра и способ,
согласно которому узел сети решает,
когда можно передать или принять
кадр.
Кадры данных содержат сообщения верхних
уровней (пакеты). Другие кадры, такие как маркеры
или подтверждения приема, используют методы
обнаружения и коррекции ошибок. С точки зрения
верхних уровней, канальный и физический
обеспечивают безошибочную передачу пакетов
данных.
• Сетевой уровень. Отвечает за
буферизацию и маршрутизация в сети.
Маршрутизация – существенная
функция при работе в глобальных сетях
(с коммутацией пакетов), когда
необходимо определить маршрут
передачи пакета, выполнить перевод
логических адресов узлов сети в
физические.
В ЛВС между любой парой узлов
есть прямой путь (маршрут), поэтому
основная функция этого уровня
сводится к буферизации пакетов
Несколько узлов могут передать свои сообщения в один и
тот же узел сети. Моменты прибытия пакетов могут
чередоваться. Задача этого уровня – правильная сборка
пакетов каждого сообщения без смещения и потерь
• Транспортный уровень:
•
– с передающей стороны
переупаковывает информационные
сообщения: длинные разбиваются на
несколько пакетов, короткие объединяются в
один;
• – с принимающей стороны собирает
сообщения из пакетов.
Транспортный уровень является границей,
выше которой в качестве единицы
информации рассматривается только
сообщение, ниже – управляемый сетью пакет
данных.
Сеансовый уровень
Позволяет двум приложениям на разных рабочих
станциях устанавливать, использовать и завершать
соединение, называемое сеансом. Сеанс создается
по запросу процесса пользователя. В запросе
определены: назначение сеанса связи (адрес);
партнер, например, соответствующий прикладной
процесс в другом узле.
Сеанс может начаться только в том случае, если
прикладной процесс партнера активен и согласен
связаться. На этом уровне выполняются такие
функции, как распознавание имен и защита,
необходимые для связи двух приложений в сети.
Любой пользователь, введя имя и пароль и
вошедший в сеть, создает сеанс.
Прикладной уровень
• Представляет собой окно для доступа
прикладных процессов к сетевым услугам. Он
обеспечивает услуги, напрямую
поддерживающие приложение
пользователей, такие как программное
обеспечение для передачи файлов, доступа к
БД и электронной почтой.
•
Основная идея модели OSI заключается в
том, что каждому уровню отводится
конкретная роль. Благодаря этому общая
задача передачи данных расчленяется на ряд
отдельных легкообозримых задач.
Уровень представления
• Его функция заключается в преобразовании
сообщений, используемых прикладным уровнем, в
некоторый общепринятый формат обмена данными
между сетевыми компьютерами.
•
Целью преобразования сообщения является
сжатие данных и их защита. В интерфейсе выше
этого уровня поле данных сообщения имеет явную
смысловую форму; ниже этого уровня поле данных
сообщений и пакетов рассматривается как
передаточный груз и их смысловое значение не
влияет на обработку.
•
На этом уровне работает утилита ОС,
называемая редиректор. Ее назначение –
переадресовать операции ввода/вывода к ресурсам
сервера.
Операционная система управляет ресурсами компьютера,
а сетевая операционная система обеспечивает управление
аппаратными и программными ресурсами всей сети. Тем не
менее, для передачи данных в сети нужен еще один компонент
– протокол.
Протокол – это правила и технические процедуры,
позволяющие ннескольким компьютерам при объединении в
сеть общаться друг с другом.
Отметим три основных
момента, касающихся протоколов:
• существует множество протоколов. И хотя все они участвуют в
реализации связи, каждый протокол имеет: различные цели и
выполняет определенные задачи;
• функции протокола определяются уровнем, на котором он
работает. Если, например, какой-то протокол работает на
физическом уровне, то это означает, что он обеспечивает
прохождение пакетов через плату СА и их поступление в
сетевой кабель. В общем случае каждому уровню присущ свой
набор правил
Уровень
Набор правил (протокол)
Прикладной
Инициация или прием запроса
Представительский
Добавление в сообщение форматирующей, отображающей и шифрующей
информации
Сеансовый
Добавление информации о трафике – с указанием момента отправки
пакета
Транспортный
Добавление информации для обработки ошибок
Сетевой
Добавление адресов и информации о месте пакета в последовательности
передаваемых пакетов
Канальный
Добавление информации для проверки ошибок (трейлера пакета) и
подготовка данных для передачи по физическому соединению
Физический
Передача пакета как потока битов в соответствии с определенным
способом доступа
Несколько протоколов могут
работать совместно каждый на своем
уровне. Это так называемый стек или
набор протоколов (например, стек
TCP/IP, объединяющий транспортный и
сетевой протоколы).