СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ А В Литвин Эталонная модель

СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ©А. В. Литвин

Эталонная модель взаимосвязи открытых систем • Реализация концепции открытости привела к появлению эталонной модели взаимосвязи открытых систем OSI (ЭМВОС), предложенной ISO. • В этой модели дано описание протоколов взаимодействия информационных систем. • Информационную сеть в OSI (ЭМВОС) - совокупность функций (протоколов), которые подразделяют на группы, называемые уровнями. • Различают семь уровней OSI (ЭМВОС). • Предложенная модель архитектуры открытых систем служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования.

Модель OSI • • • 7 -й уровень — прикладной (application) — поддержка прикладных процессов конечных пользователей. 6 -й уровень —представительный (presentation) — определяет синтаксис данных в модели, может быть объединен с прикладным. 5 -й уровень —сеансовый (session) —установление и поддержка сеанса связи между двумя абонентами сети. Три верхних уровня называются процесс или прикладной процесс. 4 -й уровень — транспортный (transport) — обеспечивает интерфейс между процессами и сетью. Сборка-разборка сообщений на пакеты, обнаружение и устранение ошибок в переданных Пакет — группа байтов, передаваемых абонентами сети другу. 3 -й уровень — сетевой (network) уровень формирует пакеты и производит маршрутизацию пакетов. Маршрутизация сводится к образованию логических каналов. Другой важной функцией сетевого уровня является контроль нагрузки на 2 -й уровень — канальный (link) — уровень звена данных — реализует процесс передачи информации по информационному каналу. 1 -й уровень — физический (physical) — выполняет процедуры в канале связи. Основная задача — управление аппаратурой передачи данных.

Типы сетей • Применяются два метода разделения линии передачи данных: • временное мультиплексирование (разделение по времени или TDM— Time Division Method); • частотное разделение (FDM — Frequency Division Method). • При методе TDM каждому каналу выделяется некоторый квант времени, а при FDM каналу выделяется некоторая полоса частот.

Типы сетей • В небольших медицинских организациях используются локальные вычислительные сети (ЛВС), или LAN (Local Area Networks). • В крупных организациях в сеть включаются большое количество компьютеров, размещенных в нескольких зданиях и объединяемых в корпоративную сеть. В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями, и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы. • Если здания организации удалены друг от друга на значительные расстояния (расположены в разных городах), то используются территориальная сеть (MAN — Metropolitan Area Network). • Вычислительные сети, в которые входят ЛВС и ТВС с абонентами, расположенными на значительном расстоянии называются глобальными ГВС (WAN – Wide Area Network)

Локальные вычислительные сети • ЛВС позволяет организовать совместное использование файлов, программ, принтеров, модемов, электронной почты и дискового пространства. • ЛВС – это сочетание компьютеров, кабелей, плат сетевых адаптеров, сетевой операционной системы и сетевых прикладных программ. • Элементарная сеть состоит из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем. • Если в сети все компьютеры равноправны и нет выделенного сервера, то такие сети называют одноранговыми

Серверы • Выделенными являются сервера, который функционирует только как обслуживающие ЭВМ. • Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов для управления защитой файлов и каталогов. • В ЛВС используются файлсерверы, серверы баз данных, серверы приложений для решения конкретных прикладных задач, коммутационные серверы, специализированные серверы.

Топологии ЛВС • Сети на основе сервера классифицируются по топологиям. • Топология характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. • Топология сети обуславливает ее характеристики и влияет на: • состав необходимого сетевого оборудования; • характеристики сетевого оборудования; • способ взаимодействия компьютеров в сети; • возможности расширения сети; • способ управления сетью. • Базовыми считаются три топологии: шина; звезда; кольцо

Топология шина • Топология шина самая простая, используется один кабель, называемый магистралью или сегментом, к которому подключены все компьютеры сети. • Передача данных осуществляется в виде электрических сигналов по сетевому кабелю, информацию принимает только тот абонент, чей адрес соответствует адресу получателя. • В каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.

Топология ЛВС шина • • • Для предотвращения отражения электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (сопротивление 50 Ом) для поглощения сигналов. Преимущества : экономный расход кабеля; сеть легко расширяется; простота в построении и эксплуатации; не дорогое сетевое оборудование. Недостатки : низкая производительность; трудно локализовать проблемы; выход из строя кабеля останавливает работу многих пользователей; ограниченное количество компьютеров в сети.

Топология ЛВС звезда • • • При топологии звезда все компьютеры подключаются к концентратору сегментами кабеля. Сигналы от любого передающего компьютера передаются ко всем остальным. Топология звезда как и шина является пассивной. Преимущества сети с топологией звезда: сеть легко модифицируется; выход из строя одного компьютера не влияет на работоспособность сети; высокая производительность, особенно при замене концентратора на свитч. Недостатки топологии звезда: при выходе из строя концентратора останавливается работа всей сети; дорогое сетевое оборудование.

• В топологии кольцо компьютеры подключаются к кабелю замкнутому в физическое кольцо Сигналы по этому кольцу передаются в одном направлении и проходят через каждый компьютер. • Для передачи данных в сети с топологией кольцо используется технология «передачи маркера» .

Топология ЛВС кольцо • Маркер последовательно передается от одного компьютера к другому до тех пор, пока его не получит компьютер-отправитель данных. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает адрес получателя и передает их по кольцу. • Компьютер-получатель посылает обратно сообщение, подтверждающие прием данных. Получив подтверждение, компьютеротправитель создает новый маркер и возвращает его в сеть.

Топология ЛВС кольцо • Кольцо является активной топологией. • Каждый компьютер усиливает сигналы, передавая их следующему компьютеру. • Преимущества сети с топологией кольцо: • сеть простота в построении; • все компьютеры имеют равный доступ; • количество пользователей не оказывает заметного влияния на производительность. • Недостатки топологии кольцо: • обрыв кабеля или отключение компьютер прекращает работу сети; • трудно локализовать проблемы; • изменение конфигурации сети требует остановки работы всей сети.

Сетевые архитектуры • Схема соединения серверов, рабочих станций и других устройств называется сетевой архитектурой. • Самыми популярными сетевыми архитектурами являются Ethernet, Token Ring и Apple Talk. • Сейчас при построении вычислительных сетей используется технология Gigabit Ethernet, которая позволяет передавать данные в сотни раз быстрее, чем при использовании Ethernet, и в десятки раз быстрее, чем при использовании Fast Ethernet

Локальные вычислительные сети Ethernet • • • Локальные вычислительные сети, использующие технологию Ethernet, появились в 1972 года в фирме Xerox. Технология Ethernet наиболее распространена. Стандарт Ethernet выполняет те же функции, что физический и канальный уровни модели OSI. В этой сети был применен метод доступа МДКН/ОК. ЛВС, использующие адаптеры Ethernet, могут связывать широкий спектр систем, включая UNIX-компьютеры, компьютеры Macintosh, ПК IBM и совместимые с ними. В зависимости от типа кабеля адаптеры Ethernet имеют три модификации. 1. ЛВС с коаксиальным кабелем, 2. ЛВС с витой парой проводов, 3. ЛВС с ВОЛС. Длины используемых отрезков коаксиального кабеля не должны превышать нескольких сотен метров, а у витой неэкранированной пары проводов — десятков метров. При больших расстояниях в среду передачи данных включают повторители для сопряжения отрезков.

Пакет ETHERNET • «Преамбула» начало кадра, служит для синхронизации. • «Назначение» содержит адрес узла ЛВС, которому предназначено сообщение. • «Источник» - адрес узла, отправивший пакет. • «Тип» идентифицирует тип протокола более высокого уровня, используемого для передачи или приема. • «Данные» содержит данные, составляющие сообщение. • «CRC-сумма» используется для выявления ошибок передачи. • ЛВС с адаптерами Ethernet между пересылками gfrtnjd находится в состоянии покоя

Передача данных в ETHERNET • Для устранения сетевых конфликтов используется механизм «Множественного доступа с обнаружением несущей и устранением конфликтов» (МДКН/ОК). • Конфликтующие сетевые адаптеры в течение случайного промежутка времени повторяют попытки по запросу или передачи данных. Такой подход эффективен при не большом трафике.

Структура вычислительных сетей

Среды передачи данных • Используются проводные и беспроводные способы • Для прокладки проводных линий связи три типа кабеля: • витая пара (экранированная и неэкранированная), коаксиальный кабель (тонкий и толстый) и оптоволоконный кабель. • К беспроводным способам передачи данных относят: инфракрасное излучение; лазер; радиопередачу в узком спектре; радиопередачу в рассеянном спектре.

Тонкий Ethernet • Тонкий коаксиальный кабель Ethernet (RG-58) имеет диаметр около 5 мм и волновое сопротивление 50 Ом. • Его называют Thin Net, Cheaper. Net или 10 Base 2. • Данный вид кабеля способен передавать сигналы без заметного искажения на расстоянии до 185 м, а при использовании мощных сетевых адаптеров на расстоянии до 250 м. Хорошо защищен от помех, скорость передачи около 10 Мбит/с.

Толстый кабель Ethernet • Толстый кабель Ethernet коаксиальный кабель RG-8 с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром около 1 см. Этот кабель называется также Thick. Net, Standard Ethernet или 10 Base 5. • Его обычно используют как основной кабель сети, к которому при помощи специальных устройств подсоединяются трансиверные кабели, соединяющие его с сетевыми узлами. • Передача сигнала может проходить без искажения на более длинные расстояния до 500 м. Скорость передачи около 10 Мбит/с.

Витая пара • • Витая пара это два перевитых вокруг друга изолированных медных провода. Четыре витые пары помещают в одну защитную оболочку. Разновидности витой пары: экранированная и неэкранированная. Неэкранированная витая пара часто используется в качестве телефонной линии. Экранированная витая пара использует провода большего диаметра и защищена специальной изоляцией и металлическим фольгированным экраном. Экранированная витая пара является более надежным решением, так как имеет специальную изоляцию и экран. Максимальная длина сегмента на таком кабеле составляет 100 м, скорость передачи данных от 4 Мбит/с до 100 Мбит/с.

Типы витой пары • • неэкранированная витая пара (англ. UTP — Unshielded twisted pair) — без защитного экрана; фольгированная витая пара (англ. FTP — Foiled twisted pair); экранированная витая пара (англ. STP — Shielded twisted pair) — присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки; фольгированная экранированная витая пара (англ. S/FTP — Screened Foiled twisted pair) — внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;

Оптоволоконный кабель • В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. • Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. Передача по оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости (свыше 100 Гбит/с) и на расстояния, измеряемые десятками и сотнями километров. Это самый дорогой вид кабеля.

Параметры сред передачи данных Вид кабеля Тонкий коаксиаль- ный кабель 10 Base 2 Толстый коаксиаль- ный кабель 10 Base 5 Витая пара 10 Base. Т Оптоволо- конный кабель 10 Base. F Максима- льная длина сегмента 185 м в сети не более 5 сегментов 500 м в сети не более 5 сегментов 100 м в сети не более 4 -х концентра торов 2 км Скорость передачи 10 Мбит/с Гибкость Гибкий 10 Мбит/с Менее гибкий Подвержен Простота ность помехам в установ- Хорошо защищен от помех ке Прост в установке 4 -100 Мбит/с Самый гибкий Подвержен помехам прост в установке 100 Мбит/с Гибкий Не подвер- Труден в жен помехам установке и выше Очень

• Беспроводные технологии служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. • Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение. • Беспроводные технологии: Wi-Fi, Wi. MAX, Bluetooth и др.

• Классификация по дальности действия: • • Беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Networks). К этим сетям относятся Bluetooth. • • Беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Networks). К этим сетям относятся сети стандарта Wi-Fi. • • Беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - Wi. MAX.

Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи Технология Стандарт Использование Пропускная способность Радиус действия Частоты Wi-Fi 802. 11 a WLAN до 54 Мбит/с до 100 метров 5, 0 ГГц Wi-Fi 802. 11 b WLAN до 11 Мбит/с до 100 метров 2, 4 ГГц Wi-Fi 802. 11 g WLAN до 54 Мбит/с до 100 метров 2, 4 ГГц Wi-Fi 802. 11 n WLAN до 300 Мбит/с (в перспективе до 450, а затем до 600 Мбит/с) до 100 метров 2, 4 — 2, 5 или 5, 0 ГГц Wi. Max 802. 16 d WMAN до 75 Мбит/с 6 -10 км 1, 5 -11 ГГц Wi. Max 802. 16 e Mobile WMAN до 40 Мбит/с 1 -5 км 2, 3 -13, 6 ГГц Wi. Max 802. 16 m WMAN, Mobile WMAN Bluetooth v. 1. 1 802. 15. 1 WPAN до 0, 7 Мбит/с до 10 метров 2, 4 ГГц Bluetooth v. 2. 0 802. 15. 3 WPAN до 3 Мбит/с до 100 метров 2, 4 ГГц Bluetooth v. 3. 0 802. 11 WPAN от 3 Мбит/с до 24 Мбит/с до 100 метров 2, 4 ГГц UWB 802. 15. 3 a WPAN 110 -480 Мбит/с до 10 метров 3, 1 -10, 6 ГГц Zig. Bee 802. 15. 4 WPAN от 20 до 250 Кбит/с 1 -100 м 2, 4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов), 868 МГц (один канал) Инфракрасный порт Ir. Da WPAN до 16 Мбит/с от 5 до 50 сантиметров, односторонняя связь — до 10 метров до 1 Гбит/с (WMAN), до 100 н/д (стандарт в разработке) Мбит/с (Mobile WMAN) н/д (стандарт в разработке)

Стандарты беспроводной связи Технология Стандарт Использование Пропускная способность Радиус действия Частоты 802. 11 n WLAN до 300 Мбит/ до 100 метров 2, 4 — 2, 5 или 5, 0 ГГц Wi. Max 802. 16 m WMAN, Mobile WMAN до 1 Гбит/с (WMAN), н/д (стандарт в разработке) Bluetooth v. 3. 0 802. 11 WPAN от 3 Мбит/с до 24 Мбит/с до 100 метров 2, 4 ГГц UWB 802. 15. 3 a WPAN 110 -480 Мбит/с до 10 метров 3, 1 -10, 6 ГГц Wi-Fi 2, 4 ГГц Zig. Bee Инфракрасный порт 802. 15. 4 Ir. Da WPAN от 20 до 250 Кбит/с 1 -100 м до 16 Мбит/с от 5 до 50 сантиметров, односторонняя связь — до 10 метров (16 каналов), 868 МГц (один канал)

Базовые сетевые протоколы • Протокол – это набор правил, определяющих методы передачи данных между процессами или компьютерами. Широко распространенными сетевыми протоколами являются: TCP/IP, Ethernet, Fast Ethernet, IPX/SPX. • Компьютеры сети связываются друг с другом и сервером, используя пакеты сообщений, называемых кадрами. • Кадры сообщений могут быть переданы : • для открытия сеанса связи с другим адаптером; • при передаче данных; • для подтверждения приема кадра данных; • при посылке общего сообщения всем адаптерам; • при закрытии сеанса связи.

Базовые сетевые протоколы • Компьютер – отправитель в соответствии с протоколом выполняет следующие • действия: • - разбивает данные на небольшие блоки, называемые пакетами, с которыми может работать протокол; • - добавляет к пакетам адресную информацию; • - подготавливает данные к передаче через плату сетевого адаптера и далее по сетевому кабелю

Базовые сетевые протоколы • Компьютер – получатель повторяет те же действия, но в обратном порядке: • - принимает пакеты данных из сетевого кабеля; • - передает пакеты в компьютер через плату сетевого адаптера; • - удаляет из пакета всю служебную информацию, добавленную компьютером – отправителем; • - копирует данные из пакетов в буфер – для их объединения в исходный блок данных; • - передает приложению этот блок данных в том формате, который оно использует

Протоколы TCP/IP • Семейство протоколов Transmition Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) – это стандартный набор протоколов, разработанный для глобальных вычислительных сетей. В состав семейства входят протоколы UDP, ARP, ICMP, TELNET, PTP.

Протоколы TCP/IP

Сетевая операционная система • Сетевая операционная система обеспечивает поддержку: • сетевого оборудования • сетевых протоколов • протоколов маршрутизации • фильтрации сетевого трафика • доступа к удалённым ресурсам, таким как принтеры, диски и т. п. по сети • наличие в системе сетевых служб позволяющих удалённым пользователям использовать ресурсы компьютера

Сетевая операционная система Примеры сетевых операционных систем: Novell Net. Ware LANtastic Microsoft Windows (NT, XP, Vista, 7, 8) Различные UNIX системы, такие как Solaris, Free. BSD • Различные GNU/Linux системы • IOS • Zy. NOS компании Zy. XEL • • •

Задачи СОС • Главными задачами являются разделение ресурсов сети (например, дисковые пространства) и администрирование сети. С помощью сетевых функций системный администратор определяет разделяемые ресурсы, задаёт пароли, определяет права доступа для каждого пользователя или группы пользователей. Отсюда деление: • сетевые ОС для серверов; • сетевые ОС для пользователей. • Существуют специальные сетевые ОС, которым приданы функции обычных систем (Пр. : Windows NT) и обычные ОС (Пр. : Windows XP, 7, 8), которым приданы сетевые функции. Сегодня практически все современные ОС имеют встроенные сетевые функции.