Информатика Компьютерные сети Лекция 5 Автор Васильев Николай

Информатика. Компьютерные сети Лекция 5. Автор: Васильев Николай Петрович, кандидат техн. наук, доцент кафедры «Компьютерные системы и технологии» НИЯУ МИФИ

Основные понятия и определения • Компьютерная сеть (КС) (Computer Network) возникает при одновременном выполнении двух условий: – Имеются, как минимум, два компьютера (вычислительные системы); они именуются узлами (node(s)) сети. – Существует среда передачи данных (СПД), объединяющая все узлы данной сети.

Основные понятия и определения • КС – не цель, а средство! – Целью КС является, как и во остальных всех областях вычислительной техники, повышение эффективности работы пользователей (экономия времени, денежных средств и т. п. ) – КС – средство доступа к вычислительным ресурсам (computer resource) • Ресурс – все то, что необходимо для решения поставленной задачи • Вычислительные ресурсы: процессорное время, необходимое для проведения расчетов, место на диске, занимаемое пользовательскими данными и т. п.

Основные понятия и определения • Локальный ресурс (ЛР) (local resource) - ресурс той вычислительной системы, которая доступна нам непосредственно • Удаленный ресурс (УР) (remote resource) – ресурс другой, не нашей, вычислительной системы. – Для доступа к удаленным ресурсам и строится компьютерная сеть! Именно в этом смысл КС!

Основные понятия и определения • Клиент (client) – узел КС (в широком смысле, включая программы, работающие на данном узле), которому необходим доступ к УР другой вычислительной системы. • Сервер (server) – узел КС (также в широком смысле), который предоставляет свои ЛР для доступа клиентам. – Как правило, количество клиентов в КС превышает количество серверов (иногда – намного). – Клиент формирует запрос (request) к серверу на доступ к ресурсу, сервер обслуживает клиентские запросы и формирует ответ или реакцию (response), в котором содержатся данные, относящиеся к ресурсу.

Основные понятия и определения • Протокол (protocol) – набор правил, в соответствие с которыми происходит обмен данными по сети – Универсальные протоколы, такие как IP и TCP предназначены для обмена любыми данными, без привязки к конкретным ресурсам. Для таких протоколов нет понятий «клиент» и «сервер» , а только «отправитель» и «получатель» – Специализированные протоколы, такие как HTTP и SMTP и др. необходимы для доступа к определенным ресурсам: вебстраницам и электронным письмам. Эти протоколы ведут обмен между соответствующими клиентами и серверами • Сетевая служба (network service) – совокупность клиентов, серверов и протоколов, предназначенная для работы с определенными ресурсами. – Примеры: WWW, DNS, E-Mail …

Архитектура сети • Архитектура (architecture) – совокупность принципов функционирования системы • Архитектура сети – задается аппаратурой и сетевой операционной системой (ОС), т. е. той ОС, которая устанавливается на узлах сети. – Одноранговые (peer-to-peer, p 2 p) сети – в них каждый узел может быть как клиентом, так и сервером. Например, узлы представляют собой обычные компьютеры (настольные или ноутбуки), на которых установлены ОС Windows 7 (или 8) либо ОС Linux в конфигурации «рабочая станция» . – Сети с архитектурой «клиент-сервер» – в таких сетях есть узлы-клиенты и узлы-сервер. Например, клиенты – бездисковые рабочие станции или микрокомпьютеры, а серверы – обычные или специализированные компьютеры под управлением ОС Windows Server или Linux в конфигурации «сервер сети»

Архитектура сети – Сети с гибридной (hybrid) или смешанной архитектурой. В таких сетях узлы-клиенты могут выполнять некоторые функции серверов (например, общее хранилище файлов, файлсервер), а узлы-серверы – выполнять отдельные функции клиентов, например, отправлять документы на принт-сервер, расположенный на другом узле. Пример: клиенты и серверы – обычные компьютеры, ОС для клиентов Windows 7 или 8, для серверов – Windows Server 2008 или 2012 • Большинство компьютерных сетей на предприятиях строятся по смешанной архитектуре • Стоимость серверных ОС существенно дороже, чем клиентских – Оптимизация обработки клиентских запросов

Архитектура сетевой службы • Сетевая служба формируется посредством установки на узлах соответствующих прикладных программ – Служба WWW (World Wide Web – всемирная паутина): • Веб-сервер – Apache HTTP Server, Microsoft IIS, … • Клиент – браузер (browse – просматривать) Microsoft Internet Explorer, Google Chrome, … • Протокол HTTP – стандартный, понимается всеми веб-серверами и браузерами – Архитектура сетевых служб: одноранговая или клиент-сервер (чаще всего) • Архитектура сетевой службы может не соответствовать архитектуре сети – Службу WWW можно «поднять» и в одноранговой сети – Наилучший вариант, когда архитектура сетевой службы соответствует архитектуре сети, т. е. серверная часть службы располагается на узлах-серверах, а клиентская – на узлах-клиентах

Виды компьютерных сетей • Переносные, BAN (Body Area Network) – сети, узлы которых человек носит с собой: смартфоны, планшеты. СПД, как правило, беспроводная. – Количество узлов – единицы – Протяженность (периметр) СПД = от сантиметров до десятков сантиметров • Персональные, PAN (Personal Area Network) – сети, принадлежащие некоторому человеку: настольные компьютеры, ноутбуки. – Количество узлов – единицы – Протяженность (периметр) СПД = от метров до десятков метров

Виды компьютерных сетей • Локальные, LAN (Local Area Network) – сети, расположенные в одном или нескольких помещениях – Количество узлов – от единиц до десятков – Протяженность (периметр) СПД = от метров до десятков метров • Жилые, CAN (Campus Area Network) – сети, охватывающие ряд помещений и даже зданий, например, сети, прокладываемые в жилых домах. – Количество узлов – от сотен до тысяч – Протяженность (периметр) СПД = от сотен метров до километров

Виды компьютерных сетей • Региональные или городские, MAN (Metropolitan Area Network) – сети масштаба города и региона – Количество узлов – от десятков тысяч до миллионов – Протяженность (периметр) СПД = от десятков до сотен и тысяч километров (смотря какой город или регион) • Глобальные, GAN (Global Area Network) – сети глобального масштаба, вплоть до всего мира (Интернет) – Количество узлов – вплоть до миллиардов – Протяженность (периметр) СПД = сотни тысяч километров

Локальные (LAN) и распределенные (WAN) сети • BAN, PAN, LAN состоят из отдельных узлов и все относятся к семейству LAN • CAN, MAN, GAN уже состоят не из узлов, а из сетей меньшего масштаба и относятся к семейству распределенных сетей WAN (Wide Area Network) – В WAN появляется новый вид узла, которого нет в LAN – маршрутизатор (router), который одновременно является узлом нескольких LAN, соединяя их в общую, распределенную сеть. • Задание: изучите внешний вид домашнего маршрутизатора, найдите места для подключения (порты) линий LAN и линии WAN

Виды СПД • Проводные – Электрические: витая пара, коаксиальный кабель – Оптические: одно- и многомодовый волоконнооптический кабель • Беспроводные – Радио: Wi. Fi, Bluetooth, сотовая связь (GSM, LTE и т. д. ), спутниковая связь. – Оптические: ИК-связь – Неэлектромагнитные: сонары

Коаксиальный кабель • Co-axis – соосный • 1 – внешняя оболочка из ПВХ • 2 – проволочная оплетка • 3 – слой гибкого диэлектрика • 4 – центральная жила • Волновое сопротивление 50 Ом – У ТВ-антенны 75 Ом

Витая пара • Twisted pair • Кабель включает несколько пар- «косичек» • Обязательное условие: в любой момент времени сигналы в пределах одной пары должны быть в противофазе, т. е. U 1(t) = - U 2(t) • Обозначение: x. TP-y (шаблон) – x= U (unshielded, неэкранированная) – x= S (shielded, экранированная, экран в виде проволочной оплетки) – x=F (foiled, экранированная фольгой) – В помещениях (indoor) применяют UTP, вне помещений (outdoor) – STP и FTP – у = категория кабеля. Определяет число пар в кабеле и число витков на единицу длины. • UTP-5 e – наиболее популярный вид кабеля, 4 пары, скорость передачи данных до 1 гигабита в секунду

Волоконно-оптические (fiber-optic) кабели • В основе – явление фотоэффекта • Мода – излучение на одной частоте. Многомодовый кабель сверху, одномодовый – снизу • 1 – источник света, 2 – фотоприемник, 3 – внешняя оболочка, 4 – отражатель, 5 – световод • В многомодовом кабеле источник неточный, порождает несколько волн с разной частотой. Используется на небольших расстояниях, сотни метров • Одномодовый кабель – высокие требования к источнику и световоду. Используется на больших расстояниях, километры и более • Скорость передачи – десятки гигабит в секунду

Топологии LAN (конфигурация СПД) • Шина (bus). Сигнал распространяется во все стороны по общей магистрали. Устарела, но изредка встречается и сейчас • Кольцо (ring). Сигнал распространяется от соседа к соседу, в строго определенном порядке. Применяется редко • Звезда (star). Узлы сети индивидуально подключаются к общему центральному устройству (ЦУ). Применяется очень часто. – Иерархическая звезда – звезда, в которой существуют соединения ЦУ между собой. Применяется очень часто. • Полносвязная (full-linked). Каждый узел сети соединен со всеми остальными отдельной линией. Применяется в суперкомпьютерах и системах спец. назначения.

Шина • Одна из первых сетей Ethernet • Все узлы подключены к общему каналу данных • На концах шины располагаются терминаторы для подавления сигнала • СПД – коаксиальный кабель – Простота подключения – Максимальная длина сегмента (расстояние между крайними точками шины) 185 (тонкий кабель) и 500 (толстый кабель) метров – Скорость передачи данных до 10 Мбит/с

Кольцо • Информация передается от соседа к соседу в строго определенном порядке • СПД – витая пара или оптоволокно • Отсутствие коллизий, т. е. невозможность одновременной передачи от двух и более узлов • Token Ring (16 Мбит/с), FDDI (622 Мбит/с)

Звезда • Узлы подключаются к портам центрального устройства с помощью кабелей типа витая пара • Длина кабеля лежит в пределах от 1 до 100 метров • Fast Ethernet - 100 Мбит/с • Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с

Сетевые модели

Уровни (слои) в модели Do. D • 1. Канала связи (link) или сетевого доступа (network access) – Отвечает за прием/передачу данных между узлами локальной сети – Сюда относится все, что связано с LAN – и аппаратура, и драйвер сетевой платы и протоколы LAN • 2. Межсетевой (internet) – Отвечает за прием/передачу между узлами распределенной сети WAN – хостами (host) – Здесь возникает проблема маршрутизации – Протоколы: IPv 4, IPv 6

Уровни (слои) в модели Do. D • 3. Транспортный (transport) – Обеспечивает универсальную инфраструктуру передачи данных между программами, работающими на хостах – Протоколы: UDP (ненадежная доставка), TCP (надежная доставка) • 4. Прикладного процесса (process application) – Взаимодействие между конкретными программами, например, клиентом и сервером сетевых служб – Протоколы: HTTP (служба WWW), FTP (служба FTP), SMTP, POP, IMAP (служба E-Mail) – и т. д. , очень много!

Особенности модели Do. D • Появилась раньше (работы начались в конце 60 -х годов в Министерстве обороны США) • Самодостаточная, т. е. не является открытой, пополняется новыми функциями только изнутри • Нижний и верхний уровни слишком «толстые» , в них много функций – Нижний охватывает и аппаратуру и программыдрайверы – Верхний содержит все, что связано с прикладными программами

Уровни модели OSI/ISO • L 1. Физический (physical) – Включает все, что связано с физическими процессами распространения сигнала в СПД • L 2. Канальный (data link) – Отвечает за передачу/прием пакетов данных (кадров, frames) между узлами локальной сети • L 3 и L 4 аналогичны межсетевому и транспортному уровню соответственно в модели Do. D

Уровни модели OSI/ISO • L 5. Сеансовый (session) – Отвечает за сеанс (логический канал) между программой-отправителем и программой получателем – Позволяет контролировать каждый передаваемый байт, обеспечивая надежную доставку • L 6. Представления (presentation) – Отвечает за преобразование данных по форме, например, преобразование кодировки символов, шифрование/расшифрование и т. п. • L 7. Прикладной (application) – Отвечает за взаимодействие прикладных программ с сетью

Особенности модели OSI/ISO • Появилась позже (70 -е годы) в Международной организации по стандартизации (ISO) – Создана рабочей группой OSI - Open Systems Interconnection • Открытая модель: любая программа «видит» сетевые ресурсы точно так же, как и локальные • Обеспечивает универсальность в рамках отдельно взятой ОС – Интерфейс прикладного программирования (API) у каждой ОС свой • Не дает универсальности при работе с сетевыми службами в отрыве от ОС Вывод: обе модели сосуществуют

Межуровневая инкапсуляция данных • Данные с верхних уровней, переходя вниз по модели при передаче, как бы «запаковываются в конверты» на нижележащих уровнях • Эти «конверты» – заголовки протоколов нижележащих уровней – Содержат адресную информацию об отправителе и получателе • На физическом уровне происходит передача двоичных цифр с посредством физических процессов через СПД • Получатель извлекает из СПД двоичные числа, формирует из них кадр (как бы «сообщение во внешнем конверте» ) • Затем получатель как бы распаковывает очередной конверт и передает его содержимое на вышележащий уровень • В конце концов, исходные данные достигают свою программуполучатель

Иллюстрация • Проанализируем, что происходит при обращении веббраузера по адресу http: //ya. ru • Воспользуемся программой-сетевым анализатором (сниффером, sniffer – тот, кто разнюхивает) Wireshark – Бесплатно доступна с официального сайта http: //www. wireshark. org – После запуска программы следует выбрать сетевой интерфейс для прослушивания и установим фильтр для http – иначе будет виден весь трафик (traffic – данные, передаваемые по сети) Задание: впоследствии самостоятельно проанализируйте трафик между Вашим браузером и каким-нибудь вебсервером

Сообщение протокола HTTP

Сообщение протокола TCP (segment)

Сообщение протокола IP (datagram)

Сообщение канального уровня (кадр, frame)

Сетевое оборудование • Коннекторы RJ-45 устанавливаются с помощью специального инструмента на кабель-витую пару категории 5 или 5 e – Получаем т. н. Patch-cord, которым можно соединять компьютеры с сетевым оборудованием • Концентратор (hub) – устройство физического уровня – Неустойчив в коллизиям, применяется редко • Коммутатор (switch, L 2 -switch) – устройство, охватывающее уровни L 1 и L 2 – Внутри себя может переключить свой произвольный порт на любой другой – за счет предварительного анализа MACадреса в передаваемых кадрах

Сетевое оборудование • Маршрутизатор (router) – устройство, охватывающее L 1, L 2, L 3 – Передает данные между разными LAN – К каждому порту маршрутизатора подключается отдельная LAN • Wi. Fi-маршрутизатор (Wi. Fi-router) (L 1, L 2, L 3) – Имеет один порт для подключения WAN и несколько – для одной LAN. К этой же LAN будут относиться узлы, подключенные по беспроводной сети • Wi. Fi-точка доступа (access point) – дополнение к Wi. Fi-маршрутизатору – Расширяет площадь покрытия

Сетевое оборудование • Маршрутизирующий коммутатор (L 3 -switch) (L 1, L 2, L 3) – Помесь коммутатора и маршрутизатора – Позволяет несколько подключений по портам рассматривать как одну LAN и передавать данные между полученными LAN • Шлюз (gateway) – работают на уровнях, выше L 3 – Брандмауэры – на основании набора правил разрешают или запрещают доступ к сетевым ресурсам – Балансировщики нагрузки – перенаправляют трафик при перегруженности отдельных участков сети – Внимание – в терминах ОС часто шлюзом именуют маршрутизатор

Литература • • • Основная литература: L. Hughes. The Second Internet. – Info. Weapons, 2010 (книга доступна к загрузке из Интернет по бесплатной лицензии) К. Андерсон, М. Минасси. Локальные сети. Полное руководство: Пер. с англ. – К: ВЕК+, М. : ЭНТРОП, СПб. : КОРОНА, 1999. – 624 с. , ил. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия - СПб: Питер, 2000. - 704 с. : ил. 4. Ногл М. TCP/IP. Иллюстрированный учебник – М. : ДМК Пресс, 2001. – 480 с. : ил. Интернет-ресурсы: 1. Материалы сайта главного координируещего органа Интернет IANA - http: //www. iana. org 2. Материалы сайта рабочей группы по развитию Интернет IETF - http: //www. ietf. org 3. Материалы сайта координируего органа Интернет в России РУ-Центр - http: //www. nic. ru

Задание 1 Какие протоколы относятся к транспортному уровню (transport layer) четырехуровневой модели стека протоколов TCP/IP? A. ARP B. TCP C. UDP D. IP E. ICMP

Задание 2 На каком из четырех уровней модели стека протоколов TCP/IP к передаваемой информации добавляется заголовок, содержащий поле TTL (time-to-live)? A. На Уровне приложений (application layer) B. На Транспортном уровне (transport layer) C. На Межсетевом уровне (internet layer) D. На Канальном уровне (link layer)

Задание 3 На каком уровне четырехуровневой модели стека протоколов TCP/IP работает служба DNS? A. На Уровне приложений (application layer) B. На Транспортном уровне (transport layer) C. На Межсетевом уровне (internet layer) D. На Канальном уровне (link layer)

Задание 4 Назовите отличия концентраторов от коммутаторов 2 -го уровня. A. Коммутаторы работают на более высоком уровне модели OSI, чем концентраторы B. Коммутаторы не могут усиливать сигнал, в отличие от концентраторов C. Коммутаторы анализируют IP-адреса во входящем пакете, а концентраторы анализируют MAC-адреса

Задание 5 В чем отличия маршрутизаторов от коммутаторов 2 -го уровня? A. Коммутаторы оперируют с MACадресами, маршрутизаторы оперируют с адресами протоколов высокого уровня, таких как TCP/IP B. Маршрутизаторы оперируют с MACадресами, коммутаторы оперируют с адресами протоколов высокого уровня, такими как TCP/IP C. Коммутаторы «обучаются» динамически, маршрутизаторы требуют занесения маршрутов в таблицу маршрутизации вручную

Спасибо за внимание!