Базові концепції комп'ютерних мереж

К. В. Колесніков

 

ПРОЕКТУВАННЯ КОМП’ЮТЕРНИХ

СИСТЕМ ТА

Мереж

 

 

Черкаси

 

Рецензенти:

Хаханов В. І., д.т.н., професор, декан факультету комп’ютерної інженерії та управління Харківського національного університету радіоелектроніки;

Рябцев В. Г., д.т.н., професор, завідувач кафедри математичних та комп'ютерних дисциплін Європейського університету

 

 

К 60	Колесніков, К. В. Проектування комп’ютерних систем та мереж [Текст]: навч. посіб. / К. В. Колесніков; М-во освіти і науки України, Черкаський державний технологічний ун-т. – Черкаси: ЧДТУ, 2011. – 343 с. – ISBN 978-966-402-065-4.

 

У виданні докладно висвітлено принципи, протоколи й технології сучасних комп'ютерних мереж; розглянуто технології фізичного та канального рівнів передавання даних локальних і глобальних комп'ютерних мереж; подано методику виявлення проблемних ситуацій та їхніх причин.

Для студентів напрямів підготовки «Комп'ютерна інженерія», «Комп'ютерні науки».

УДК 004.7 (075.8)

ББК 32.973.202я7

ISBN 978-966-402-065-4 © Колесніков К. В., 2011

 

ЗМІСТ

ВІД АВТОРА ………………………………………………………...
ВСТУП.................................................................................................
1 БАЗОВІ КОНЦЕПЦІЇ КОМП'ЮТЕРНИХ МЕРЕЖ................
1.1 Класифікація мереж..................................................................
1.1.1 Класифікація мереж за масштабом....................................
1.1.2 Класифікація мереж за способами адміністрування.....
1.1.3 Класифікація мереж за мережевими операційними системами...........................................................................................
1.1.4 Класифікація мереж за мережевими протоколами........
1.1.5 Класифікація мереж за топологією....................................
1.1.6 Класифікація локальних мереж за архітектурою...........
1.2 Режими передачі даних ………………………………………
1.3 Методи комутації ……………………………………………...
1.4. Організація віртуальних каналів …………………………..
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
2 МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ ЗВ’ЯЗКУ МЕРЕЖЕВИХ СИСТЕМ..
2.1 Архітектура комп'ютерної мережі …………………………
2.2 Еталонні моделі ………………………………………………..
2.2.1 Модель OSI (Open Systems Interconnection) ……………..
2.2.2 Модель ТСР/IР ……………………………………………….
2.3 Стандарти IEEE 802.х ………………………………………….
2.4 Основні організації щодо стандартизації мереж ………...
2.5 Класифікація топологічних елементів мереж ……………
2.6. Топології ………………………………………………………..
2.7. Методи доступу до середовища передавання та їх класифікація ………………………………………………………..
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
3 ОСНОВИ ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ ………………………….
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
4 ПЕРЕДАВАННЯ ТА КОДУВАННЯ ІНФОРМАЦІЇ ………..
4.1 Кількість інформації та ентропія …………………………...
4.1.1 Моделі Хартлі (Шеннона) ………………………………….
4.1.2 Властивості ентропії: ………………………………………..
4.2 Вимоги до мереж з позиції якості обслуговування ………
4.3 Кодування інформації ………………………………………..
4.4 Логічне кодування …………………………………………….
4.5 Коди, що самосинхронізуються …………………………….
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
5 УПРАВЛІННЯ ПЕРЕДАВАННЯМ ІНФОРМАЦІЇ ТА СТИСНЕННЯ ДАНИХ ……………………………………………
5.1 Режими передачі ………………………………………………
5.2 Асинхронна, синхронна, ізохронна і плезіохронна передача …………………………………………………………….
5.3 Контроль достовірності передачі …………………………...
5.4 Алгоритми стиснення даних ………………………………..
5.4.1 Алгоритм RLE ………………………………………………..
5.4.2 Алгоритм Лемпела –Зіва …………………………………...
5.4.3 Кодування Шеннона-Фано ………………………………..
5.4.4 Алгоритм Хаффмана ……………………………………….
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
6 СЕРЕДОВИЩА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ. ЛІНІЇ ЗВ’ЯЗКУ ……………………………………………………………..
6.1 Сeредовища передавання даних ……………………………
6.2 Лінії зв'язку ……………………………………………………..
6.2.1 Мідні кабелі: коаксіальний кабель (coaxial) …………….
6.2.2 Мідні кабелі: кабелі на основі скручених пар ………….
6.2.3 Волоконно-оптичний кабель ……………………………...
6.3 Безпровідні середовища передачі даних (радіоканали наземного і супутникового зв'язку) …………………………….
6.3.1 Інфрачервоні канали (InfraReD channel) ………………..
6.3.2 Радіохвилі, сигнали з вузькосмуговим спектром ………
6.3.3 Радіохвилі, сигнали з широкосмуговим спектром …….
6.3.4 Супутниковий зв'язок ………………………………………
6.3.5 Стільниковий зв'язок ………………………………………..
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
7 ЛОКАЛЬНІ МЕРЕЖІ ETHERNET ……………………………..
7.1 Стандарти локальних мереж IEEE 802 …………………….
7.2 Протокол управління логічним каналом IEEE 802.2 ……
7.3 Локальна мережа Еthernet. Характеристика та історія створення ……………………………………………………………
7.3.1 Мережа Ethernet 10 Мбіт/с ………………………………...
7.3.2 Мережа Fast Ethernet 100Мбіт/с …………………………..
7.3.3 Технологія Gigabit Ethernet 1000 Мбіт/с …………………
7.3.4 Мережі 10- та 100 Gigabit Ethernet ……………………….
7.3.5 Тенденції розвитку Ethernet ……………………………….
7.4 Метод доступу CSMA/CD (МДКН/ВК) …………………...
7.5 Час подвійного оберту ………………………………………..
7.6 Формати кадрів Ethernet ……………………………………..
7.7 Пропускна здатність мережі Ethernet 10Base ……………..
Резюме ………………………………………………………………
Питання …………………………………………………………….
8 ЛОКАЛЬНІ МЕРЕЖІ TOKEN RING, FDDI, FIBER CHANNEL, APPLETALK …………………………………………
8.1 Локальна мережа Token Ring ………………………………..
8.1.1 Топологічна структура й алгоритм функціонування...
8.1.2 Адресація, типи та структура кадрів …………………….
8.1.3 Маркерний метод доступу …………………………………
8.1.4 Формати кадрів Token Ring ………………………………..
8.2 Технологія FDDI ……………………………………………….
8.3 Волоконно-оптичний канал (Fiber Channel) ……………...
8.4 Архітектура локальних мереж AppleTalk …………………
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
9 СТЕК ПРОТОКОЛІВ TCP/IP …………………………………..
9.1 Система адресації в TCP/IP ………………………………….
9.2 Протокол IP …………………………………………………….
9.3 Протокол ARP ………………………………………………….
9.4 Протокол ICMP ………………………………………………..
9.5 Утиліти для тестування мереж TCP/IP ……………………
9.6 Порти ……………………………………………………………
9.7 Протоколи транспортного рівня …………………………...
9.7.1 Протокол UDP ……………………………………………….
9.7.2 Протокол TCP ………………………………………………..
9.8 IP-протокол версії 6 (IPv6) ……………………………………
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
10 СЛУЖБА ДОМЕННИХ ІМЕН DNS. ПРОТОКОЛИ ІР-МАРШРУТИЗАЦІЇ ………………………………………………..
10.1 Служба доменних імен DNS ……………………………….
10.2 Записи ресурсів, формати, повідомлення DNS …………
10.3 Протокол мережного управління SNMP …………………
10.4 Протоколи маршрутизації ………………………………….
10.4.1 Протокол внутрішньої маршрутизації RIP ……………
10.4.2 Протокол маршрутизації OSPF ………………………….
10.4.3 Протоколи зовнішньої маршрутизації …………………
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
11 ТЕХНОЛОГІЇ МЕРЕЖ З КОМУТАЦІЄЮ ПАКЕТІВ ……...
11.1 Технологія X.25 ……………………………………………….
11.2 Технологія Frame Relay ……………………………………..
11.3 Плезіохронна цифрова ієрархія (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) ……………………………………………………
11.4 Синхронна цифрова ієрархія (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) …………………………………………………….
11.5 Передача мовлення зверх IP або VoIP (інтернет-телефонія) ………………………………………………………….
Резюме ………………………………………………………………
Питання …………………………………………………………….
12 ТЕХНОЛОГІЇ ISDN, АТМ, DSL ………………………………
12.1 Технологія ISDN ……………………………………………...
12.2 Технологія АТМ ………………………………………………
12.3 Технологія DSL ………………………………………………..
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
13 БЕЗПЕКА ДАНИХ У КОМП'ЮТЕРНИХ МЕРЕЖАХ ……
13.1 Загальна характеристика системи безпеки. Рівні захисту мережевих систем ……………………………………….
13.2 Персональна ідентифікація ………………………………..
13.3 Надання права на доступ, автентифікація і реєстрація підключень …………………………………………………………
13.4 Захист мережі з використанням брандмауерів та серверів-посередників …………………………………………….
13.5 Захищені з’єднання та віртуальні приватні мережі ……
13.6 Шифрування даних …………………………………………
13.7 Цифрові сертифікати ……………………………………….
13.8 Захист з використанням маршрутизаторів ……………...
Резюме ………………………………………………………………
Питання …………………………………………………………….
14 ВІРТУАЛЬНІ ПРИВАТНІ МЕРЕЖІ VPN …………………...
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
15 ОРГАНІЗАЦІЯ МЕРЕЖЕВИХ ОПЕРАЦІЙНИХ СИСТЕМ …………………………………………………………….
15.1 Складові частини КМ та ОС ……………………………….
15.2 Класифікація ОС KM ………………………………………..
15.3 Структурна схема та головні функції операційної системи KM …………………………………………………………
15.4 Загальна характеристика принципів побудови багатопротокольних систем ……………………………………..
Резюме ……………………………………………………………….
Питання ……………………………………………………………..
16 СЛУЖБИ КАТАЛОГІВ КОМП'ЮТЕРНИХ МЕРЕЖ ……..
16.1 Служба каталогів та її головні властивості ………………
16.2 Еволюція СК …………………………………………………..
16.3 Служба каталогів Х.500 та LDAP …………………………..
16.4 Служба каталогів NDS (eDirectory) ……………………….
16.5 Служба каталогів Active Directory …………………………
16.6 Служби NIS та NIS+ ………………………………………….
Резюме ……………………………………………………………….
Питання …………………………………………………………….
17 БЕЗПРОВІДНА ПЕРЕДАЧА СИГНАЛІВ …………………..
17.1 Мобільний безпровідний зв'язок ………………………….
17.2 Безпровідні локальні мережі ……………………………….
17.3 Мережа Bluetooth …………………………………………….
17.4 Технологія Wi-Max …………………………………………..
17.4.1. Стек протоколів 802.16 ……………………………………
17.4.2. Стандарт 802.16: структура кадру ………………………
17.4.3 Відмінність між мережами 802.11 і 802.16 ………………
Резюме ………………………………………………………………
Питання …………………………………………………………….
ПЕРЕЛІК ПРИЙНЯТИХ СКОРОЧЕНЬ ………………………..
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ………………………..

ВІД АВТОРА

 

В основі книги лежить курс лекцій з комп'ютерних мереж, що викладається автором у Черкаському державному технологічному університеті протягом останніх п’ятнадцяти років. Слід зауважити, що матеріал, який викладається, відповідає програмі дисципліни «Проектування Комп'ютерних систем та мереж», затвердженій Міністерством освіти і науки України для технічних університетів, що, на мою думку, зробить цей посібник корисним при вивченні дисциплін: «Комп'ютерні мережі», «Проектування Комп'ютерних систем та мереж», «Адміністрування комп'ютерних мереж», «Мережеві сервіси і служби».

Головна аудиторія книги – студенти комп'ютерних спеціальностей. Ми ставили за мету висвітити досить складні питання, орієнтовані на студентів, які бажають стати фахівцями. Ця книга буде корисна і доступна всім бажаючим одержати або поглибити свої знання в галузі комп'ютерних мережевих технологій. Матеріал викладається в такому вигляді й обсязі, що його засвоєння потребує мінімальних знань в галузі комп'ютерної техніки та інформаційних технологій..

Користуючись нагодою, хочу висловити подяку всім, хто сприяв виходу книги в світ: доценту кафедри комп’ютерних систем п. В. Швидкому, якій витратив багато зусиль і часу на шліфування мовних і термінологічних аспектів, професору п. В. Снитюку за цінні поради, допомогу у вирішенні організаційних питань, розуміння та підтримку. Певний внесок в книгу був також зроблений моїми студентами, які брали участь в обговоренні багатьох матеріалів і питань. Нарешті, автор хотів б висловити сердечну подяку своєї родині за підтримку моєї щоденної праці, без чого їх завершення було б неможливе.

У книзі, напевне, є неточності та й матеріал може дещо застаріти в зв'язку із швидкими змінами у мережевих технологіях. Автор буде вдячний, якщо читач з розумінням поставиться до цього, і з радістю прийме всі зауваження та побажання.

ВСТУП

 

Безпосереднім провісником сучасних комп'ютерних мереж (KM) була телефонна мережа ХХ ст. Виникнення мереж передавання даних і розподіленого їх опрацювання було результатом науково-технічної революції та розвитку мікроелектроніки. Проте справжній розвиток мереж розпочався завдяки появі доступних мікропроцесорів та ЕОМ, які стали масовим явищем. З появою персонального комп'ютера стало можливим наблизити місце опрацювання інформації до місця її виникнення і, таким чином, збільшити ефективність роботи інформаційної системи. Це спонукало організувати надійний зв'язок між ними для сумісного розв'язування задач та використання ресурсів.

Комп'ютерною мережею називають сукупність вузлів (комп'ютерів, терміналів, периферійних пристроїв), що мають можливість інформаційної взаємодії один з одним за допомогою спеціального комунікаційного обладнання і програмного забезпечення. Розміри мереж змінюються в широких межах – від пари сполучених між собою комп'ютерів, що стоять на сусідніх столах, до мільйонів комп'ютерів, розкиданих по всьому світу. Обладнання мереж підрозділяється на активне (інтерфейсні карти комп'ютерів, повторювачі, концентратори тощо) і пасивне (кабелі, роз'єми, комутаційні панелі тощо. Крім того, є допоміжне обладнання – пристрої безперебійного живлення, кондиціонування повітря і аксесуари – монтажні стійки, шафи, панелі. З погляду фізики, активне обладнання – це пристрої, яким необхідне живлення для генерації сигналів, пасивне обладнання подачі енергії не вимагає.

Обладнання комп'ютерних мереж поділяється на кінцеві системи (пристрої), що є джерелами і/або споживачами інформації, і проміжні системи, що забезпечують проходження інформації по мережі. До кінцевих систем ES (End Systems) відносять комп'ютери, термінали, мережеві принтери, факси, касові апарати, зчитувачі штрих-кодів, засоби мовного і відеозв'язку та будь-які інші периферійні пристрої, забезпечені тим або іншим мережевим інтерфейсом. До проміжних систем IS (Intermediate Systems) відносять концентратори (повторювачі), мости, комутатори, маршрутизатори, модеми і інші телекомунікаційні пристрої, а також кабельну і/або безпровідну інфраструктуру, що їх з’єднує.

Потік інформації в мережі називають мережевим трафіком. Трафік, окрім корисної інформації, включає і службову її частину – неминучі накладні витрати на організацію взаємодії вузлів мережі. Пропускна спроможність ліній зв'язку, яку називають також смугою пропускання (bandwidth), визначається як кількість інформації, що проходить через лінію за одиницю часу. Для активного комунікаційного обладнання застосовують поняття продуктивність, причому в двох різних аспектах. Окрім «валової» кількості неструктурованої інформації, що пропускається обладнанням за одиницю часу (біт/с), вводять поняття швидкісті обробки пакетів (pps – packets per second), кадрів (fps – frames per second) або комірок (cps – cells per second).

Для організації обміну інформацією повинен бути створений комплекс програмних і апаратних засобів, розподілених по різних пристроях мережі.

 

Класифікація мереж

 

Залежно від фізичних властивостей та характеристик програмного забезпечення виділяють декілька різних типів мереж, які можна класифікувати за такими ознаками: область (масштаб) дії, засоби адміністрування, мережеві операційні системи, протоколи, топологія, архітектура.

 

Рисунок 1.1 – Локальна мережа, обмежена невеликою

Площею

4) Міські мережі MAN (Metropolitan Area Network) – мережа в масштабах міста;

5) Регіональні мережі WAN (Wide Area Network – широкомасштабна мережа), приклад використаннямережіWAN у складі корпоративної мережі показано на рисунку 1.2;

 

Рисунок 1.2 – Приклад використання WAN-мережі

Рисунок 1.3 – Структура глобальної мережі, де ВК – вузол

комутації (за [5])

У глобальних мережах застосовуються інші технології, ніж у локальних: кожній технології відповідають свої типи обладнання або використовується інфраструктура існуючих публічних засобів зв'язку. В останньому випадку абоненти комп'ютерної мережі можуть підключатися до мережі в довільних пунктах, охоплених мережею телефонії, ISDN або кабельного телебачення. Глобальні мережі поділяють на розподілені та централізовані. У розподілених глобальних мереж (наприклад, Internet) немає центрального пункту керування. З іншого боку, централізована глобальна мережа має центральний сервер, або центральний вузол (зазвичай в центральному офісі компанії), до якого підключена решта мереж.

1.1.2 Класифікація мереж за способами адміністрування

 

Класифікація мереж за способами адміністрування залежить від того, хто і як в мережі керує розподіленими ресурсами. Комп'ютерна мережа може бути побудована такими способами:

· однорангова (peer-to-peer) робоча група, де всі комп’ютери мають рівні права, тобто один ранг. Тому кожний комп’ютер може виконувати функції як сервера (надавати власні ресурси у користування іншому компютерові), так і клієнта (використовувати надані йому ресурси). Кожний користувач самостійно керує ресурсами свого комп’ютера;

· мережа клієнт/сервер (client/server), у якій функції адміністрування має головний комп’ютер (сервер) із спеціальною мережною операційною системою, яка виконує автентифікацію користувачів, паролів та інші процедури реєстрації та доступу. Всі інші машини мережі названі клієнтами або робочими станціями (workstations).

Недоліком однорангових мереж є їх невелика продуктивність та низький рівень захисту даних. Це пояснюється тим, що мережеві ресурси зосереджені на робочих станціях, яким доводиться одночасно викону­вати функції клієнтів і серверів.

У серверних мережахздійснюється чіткий поділ функцій між комп'ютерами: одні з них постійно є клієнтами, а інші – серверами. Враховуючи різноманіття послуг, що надають комп'ютерні мережі, існує декілька типів серверів: сервер баз даних, файловий сервер, поштовий сервер, web-сервер тощо.

Файловий сервер – комп'ютер, основною функцією якого є збере­ження, управління і передача файлів даних. Він не опрацьовує і не змінює файли, які ним зберігаються і передаються. Сервер може "не знати", чи є файл текстовим документом, гра­фічним зображенням або електронною таблицею. Загалом на файловому сервері можуть бути відсутні клавіатура і монітор. Усі зміни у файлах даних здійснюються з клієнтських робочих станцій. Для цього клієнти зчитують файли даних з файлового сервера, здійснюють необхідні зміни даних і повертають їх знову на файловий сервер. Така організація є найбільш ефективною при роботі великої кількості користувачів із спільною базою даних. Потрібний рівень захисту даних забезпечує системний адміністратор. Вибір оптимального рішення залежить від конкретної ситуації.

 

Класифікація мереж

Режими передачі даних

 

Мережі поділяють також на два класи використання каналу передачі даних, що розрізняються способом: мережі з селекцією даних і маршрутизацією даних.

У мережах з селекцією даних існує загальний канал передачі, до якого підключені всі вузли. У кожний момент часу каналом володіє тільки один вузол, який видає дані в канал. Будь-який виданий в канал блок даних отримують (у вигляді копій) всі вузли мережі. Кожний вузол перевіряє адресу одержувача, яка передана з блоком даних, і, порівнявши його з власною адресою, у разі збігу обробляє отримані дані, а у разі неспівпадання – відкидає їх (знищує свою копію).

Мережі з маршрутизацією даних складаються з безлічі окремих каналів, що сполучають два вузла мережі. Пара вузлів, що мають загальний канал, можуть передавати дані один одному незалежно від решти вузлів мережі. Для передачі даних між вузлами, що не мають загального каналу, необхідно задіювати один або декілька інших вузлів, які здійснили б маршрутизацію інформації, яка передається.

 

Методи комутації

 

Будь-яка мережа обов’язково використовує той чи інший метод комутації абонентів. Найпоширенішими є три методи комутації (рисунок 1.4): комутація каналів (circuit switching), комутація повідомлень (message switching) і комутація пакетів (packet switching).

 

Рисунок 1.4 – Класифікація методів комутації

Для застосування методу комутації каналів потрібен фізичний канал для прямого передавання даних між вузлами. Фізичний канал складається з послідовно сполучених канальних ділянок. Ділянки поєднуються за допомогою комутаторів, які встановлені між кінцевими вузлами мережі. Комутація каналів зручна для телефонних мереж. Але для передавання комп’ютерних даних мережі з комутацією каналів не придатні з причин великого значення коефіцієнту пульсації трафіку. Комутація дозволяє скоротити кількість необхідних ліній зв'язку і підвищити завантаження каналів зв'язку. Практично неможливо надати кожній парі вузлів виділену лінію зв'язку, тому в мережах завжди застосовується той або інший спосіб комутації абонентів, що використовує існуючі лінії зв'язку для передачі даних різних вузлів.

Комутація може здійснюватися в двох режимах: динамічно і статично. У першому випадку комутація виконується на час сеансу зв'язку (зазвичай, від секунди до годин) за ініціативою одного з вузлів, а після закінчення сеансу зв'язок розривається. У другому випадку комутація виконується обслуговуючим персоналом мережі на значно триваліший період часу (декілька місяців або років) і не може бути змінена за ініціативою користувачів. Такі канали називаються виділеними (dedicated) або такими, що орендуються (leased).

Під комутацією повідомлень розуміють передачу єдиного блоку даних між вузлами мережі з тимчасовою буферизацією цього блоку кожним з транзитних вузлів. У наш час в чистому вигляді мережі з комутацією повідомлень не існують, втім вони були прототипом мереж з комутацією пакетів.

При комутації пакетів всі дані, які передає користувач, розбиваються передавачем на невеликі (до декількох кілобайт) частини – пакети (packet). Кожний пакет забезпечується заголовком, в якому указується, як мінімум, адреса вузла-одержувача і номер пакету. Передача пакетів по мережі відбувається незалежно один від одного. Комутатори такої мережі мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів, що дозволяє згладжувати пульсації трафіку на лініях зв'язку між комутаторами. Пакети іноді називають дейтаграмами (datagram), а режим індивідуальної комутації пакетів – дейтаграмним режимом.

Мережа з комутацією пакетів уповільнює процес взаємодії кожної конкретної пари вузлів, оскільки їх пакети можуть чекати в комутаторах, поки передадуться інші пакети. Проте загальна ефективність (обсяг переданих даних в одиницю часу) при комутації пакетів буде вищою, ніж при комутації каналів. Це пов'язано з тим, що трафік кожного окремого абонента має пульсуючий характер, а пульсації різних абонентів, відповідно до закону великих чисел, розподіляються в часі, збільшуючи рівномірність навантаження на мережу.

 

Резюме

 

Комп'ютерні мережі є логічним наслідком розвитку телекомунікаційних технологій. За територіальними ознаками розрізнюють глобальні, регіональні, міські та локальні мережі. З появою стандартних мережевих технологій Ethernet, FDDI, Token Ring запрацювали швидкі та ефективні локальні мережі. Локальні та регіональні мережі не є комутованими (тобто вони не мають маршрутизаторів), втім глобальні мережі використовують комутацію даних. Найпоширені методи комутації: комутація каналів і комутація пакетів. Передавання даних в мережах відбувається як із попереднім встановленням з'єднання (режим віртуального каналу), так і в дейтаграмному режимі.

 

Питання

 

1. Визначте поняття " комп'ютерна мережа".

2. Наведіть класифікацію мереж за територіальними ознаками.

3. Чому мережіWAN з'явилися раніше, ніж мережі LAN?

4. Поясніть різницю методів адміністрування в одноранговій мережі та в мережі "клієнт-сервер".

5. Чому, на Вашу думку, топології "зірка" та "розподілена зірка" ("дерево") є найпоширенішими?

 

Рисунок 2.1 – Компоненти архітектури комп’ютерної мережі

Для спрощення розробки і документування мереж створений ряд моделей, що представляють різні погляди на те, з яких частин складаються мережеві програмні засоби (МПЗ) і як вони взаємодіють між собою.

Базовим поняттям для всіх використовуваних моделей є поняття протоколу. Протокол (protocol) – формальний набір правил, що визначає послідовність і формат повідомлень, якими обмінюються мережеві компоненти. Кожна модель, відповідно до різновидів виконуваних протоколами функцій, виділяє групи протоколів, які називають рівнями (level), і описує взаємодію рівнів. Кожний рівень взаємодіє з сусідніми рівнями формально описаним способом, тобто визначено інтерфейс (interface) між кожними двома рівнями. Інтерфейс – набір послуг, служб або сервісів (service), які нижчий рівень надає вищому. Для отримання послуг вищий рівень звертається до точки доступу сервісу (Service Access Point, SAP).

Повний набір протоколів, що включає протоколи всіх рівнів моделі, зазвичай називають стеком протоколів (protocol stack).

За типом розрізняються служби зі встановленням з'єднання (connection) і без з'єднання (connectionless). Служби зі встановленням з'єднання дозволяють передавати і приймати потоки даних довільного обсягу, заздалегідь домовившись про це (встановивши з'єднання). Служби без з'єднання передають дані окремими блоками незалежно один від одного.

Варто звернути увагу, що у ролі функціональних елементів можуть виступати як окремі пристрої, так і програмні модулі. Відповідно до цього, існують апаратні і програмні інтерфейси. Інтерфейс – формально зазначена логічна та фізична межа поміж незалежними об'єктами, яка задає параметри, процедури і характеристики іхньої взаємодії. Мережевими технічнимизасобамиє різноманітні пристрої, що забезпечують об'єднання комп'ютерів в єдину комп'ютерну мережу. До цих пристроїв відносяться мережеві контролери, вузли комутації тощо. МПЗкерують роботою комп'ютерної мережі і забезпечують відповідний інтерфейс з користувачами. До МПЗ належать мережеві операційні системи і допоміжні (сервісні) програми.

Кожна із складових архітектури комп'ютерної мережі характеризує її окремі властивості, і тільки їх сукупність характеризує всю мережу в цілому. Таким чином, вибір комп'ютерної мережі може бути зведений до вибору її топології, протоколів, апаратних засобів і МПЗ. Кожна з цих компонент є відносно незалежною. Наприклад, мережі з однаковою топологією можуть використовувати різні методи доступу, протоколи і МПЗ. Термін «розподілене МПЗ» означає процеси, що знаходяться в різних адресних просторах на різних комп'ютерах, які змушені обмінюватися даними, не використовуючи звичні засоби – загальні області пам'яті тощо. У різних мережах можуть застосовуватись однакові протоколи і (або) МПЗ. Це розширює можливість вибору оптимальної архітектури комп'ютерної мережі.

 

Еталонні моделі

 

Рисунок 2.2 – Еталонна модель OSI (ВВС)

 

Канальний рівень – забезпечує надійну безпомилкову доставку даних у фізичній мережі. Стандарти цього рівня: підрівень управління логічним каналом (Logical Link Control – LLC) і підрівень управління доступом до середовища (Medium Access Control – MAC). На канальному рівні потік бітів між двома учасниками мережі поділяється на кадри (frame). Канальний рівень вирішує, хто може передавати дані в кожний момент часу, керує потоком даних (буферизацією) і контролює послідовність кадрів.

Мережевий рівень – забезпечує передачу даних між мережами. На цьому рівні знаходяться системи адресації учасників мереж і системи маршрутизації. Мережевий рівень вибирає спосіб передачі даних по мережі: (комутація каналів, комутація пакетів). У мережах з комутацією пакетів мережевий рівень ділить потік даних на пакети, що незалежно маршрутизуються по мережі. Пакети можуть передаватися як по віртуальних каналах, так і у вигляді дейтаграм. Приклади протоколів 3-го рівня: ARP (Address Resolution Protocol), IP (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange).

Транспортний рівень – організовує інтерфейс системи, призначеної для користувача, з мережею передачі даних, відповідає за надійну передачу даних і розподіл обов'язків між учасниками мережі: SPX (Sequenced Packet Exchange), UDP (User Datagramm Protocol), TCP (Transmission Control Protocol)

Сеансовий рівень – призначений для організації діалогу між процесами. Основні функції рівня – обробка підключень (login) і відключень (logout), автентифікація, синхронізація. Приклад: NETBIOS (Network Basic Input/Output System), NETBEUI (Network Basic Extended User Interface).

Презентаційний рівень – керує представленням інформації в мережі. Гарантує, що дані, якими обмінюються учасники, записані у форматі, який розуміють обидві сторони. Рівень має справу з наборами символів (character sets), форматами даних, кодуванням і упаковкою даних. Приклад: перекодування з KOI8-P в Windows 1251, SSL (Secure Socket Layer).

Прикладний рівень – інтерфейс між мережею і користувачем. Типові послуги, що надаються прикладним рівнем, – електронна пошта (X.400), передача файлів (FTP), веб-сервер (HTTP), управління мережею не в ISO (SNMP).

Модель ТСР/IР

 

Ця еталонна модель використана в комп'ютерній мережі ARPANET (а також її спадкоємиці, всесвітній мережі Інтернет), яка є попередником нинішніх мереж. ARPANET була дослідницькою мережею Міністерства оборони США. Вона об'єднала сотні університетів і урядових будинків за допомогою виділених телефонних ліній. Коли згодом з'явилися супутникові мережі і радіомережі, виникли великі проблеми при об'єднанні з ними інших мереж за допомогою наявних протоколів. Знадобилася нова еталонна архітектура. Таким чином, можливість об'єднувати різні мережі в єдине ціле була головною метою. Пізніше архітектура отримала назву еталонної моделі TCP/IP відповідно до своїх двох основних протоколів.

У цій моделі мережі з комутацією пакетів в основі є міжмережевий рівень (інтернет-рівень), що не має з'єднань. Його завдання полягає в забезпеченні можливості для кожного хоста посилати в будь-яку мережу пакети, які незалежно рухатимуться до пункту призначення (наприклад, в іншій мережі). Вони можуть прибувати не в тому порядку, в якому були відправлені. Якщо потрібне дотримання порядку відправлення, тоді це завдання виконують більш верхні рівні.

Міжмережевий рівень визначає офіційний формат пакету і протокол, названий IP (Internet Protocol). Завданням міжмережного протоколу є доставка IP-пакетів до пунктів призначення. Основними аспектами тут є вибір маршруту пакету і недопущення закупорки транспортних артерій. Міжмережевий рівень моделі TCP/IP функціонально близький мережевому рівню моделі OSI. Ця відповідність показана на рисунку 2.3.

Транспортний рівень – рівень, розташований над міжмережевим рівнем моделі TCP/IP. На цьому рівні описано два різні протоколи. Перший, TCP (Transmission Control Protocol – протокол управління передачею), є надійним протоколом зі встановленням з'єднань, що дозволяє без помилок доправити байтовий потік з однієї машини на будь-яку іншу машину об'єднаної мережі. Він розбиває вхідний потік байтів на окремі повідомлення і передає їх міжмережевому рівню.

 

Рисунок 2.3 – Еталонна модель ТСР/ІР