Лабораторная (практическая) работа

Определение структуры, состава и основных компонентов компьютерной сети.

Задача 1. Изучить назначение, виды, стандарты, основное оборудование кабельных и беспроводных компьютерных сетей. Познакомиться с преимуществами и недостатками, а также техническими параметрами.

Порядок выполнения:

Известно, что локальная сеть (ЛС, LAN) обеспечивает передачу информации между ПК и другими сетевыми устройствами, которые находятся в одном или нескольких близко расположенных зданий. Территориально-распределенная сеть (WAN) соединяет несколько локальных сетей, географически удаленных друг от друга.

Основные задачи, которые позволяет решать ЛС:

- использование автоматизированных систем управления предприятием и создание единой информационной среды предприятия;

- надежное хранение больших объемов информации на сервере с регулярным ее резервным копированием;

- совместное использования в организациях общих ресурсов, таких как жесткие диски, принтеры, накопители CD-ROM, серверные приложения (серверы баз данных, почтовые серверы, Интернет-серверы и пр.).

Для организации территориально-распределенных сетей используется:

• коммутируемая телефонная сеть общего пользования с соединением через модем,

• линии высокоскоростной цифровой сети с предоставлением комплексных услуг,  оптоволоконная связь,

• спутниковые каналы связи.

Стандарты в области локальных сетей объединяет семейство IEEE 802.× ×, а также ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. Например:

- стандарт IEEE 802.3 описывает модификации сетей

Ethernet – 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F,

- раздел стандарта IEEE 802.3u описывает технологию Fast Ethernet (100Base-T),

- IEEE 802.3ak стандартизует одну их технологий гигабитных сетей – 10GBase-CX4.

Для организации работы локальных сетей может используется следующее основное оборудование:

• интегрированные на материнской плате сетевые адаптеры или сетевые интерфейсные платы;

• концентраторы;

• коммутаторы;

• кабели;

• маршрутизаторы (территориально-распределенные сети);

• модемы (территориально-распределенные сети).

Сетевые адаптеры. Назначение сетевого адаптера – физическое подключение ПК к сетевому кабелю и обеспечение его работы в составе локальной сети. Материнские платы современных ПК обычно имеют интегрированную гигабитную сетевую подсистему (10/100/1000 Мбит/с) технологии Ethernet.

Концентраторы. В локальной сети технологии Ethernet все входящие в сеть ПК взаимодействуют с концентраторами (HUB) или коммутаторами. Соединенные с одним концентратором ПК образуют сегмент локальной сети. Концентраторы бывают разных видов и обычно обеспечивают соединение 12 – 24-х пользователей в пределах одного помещения или группы соседних помещений. При применении концентратора все пользователи делят между собой полосу пропускания сети. Пакет, принимаемый по одному из портов концентратора, рассылается во все другие порты, которые анализируют этот пакет (предназначен он для них или нет). В настоящее время вместо концентраторов используются неуправляемые коммутаторы (hub-switch, см. рис. 1.2).

Рисунок 1.2. 48-портовый неуправляемый коммутатор

Коммутатор предоставляет каждому устройству (серверу, ПК или другому коммутатору/концентратору), подключенному к одному из его портов, всю полосу пропускания сети. Это повышает производительность и уменьшает время отклика сети за счет сокращения числа пользователей на сегмент. Новые коммутаторы обычно поддерживают скорости передачи 10/100/1000 Мбит/с в зависимости от максимальной скорости подключаемого устройства и могут автоматически настраиваться на оптимальную скорость.

В отличие от концентраторов, которые выполняют широковещательную рассылку всех пакетов, принимаемых по любому из портов, коммутаторы передают пакеты только целевому устройству (адресату). Это осуществляется, так как они

«знают» MAC-адрес (Media Access Control) каждого подключенного устройства. В результате уменьшается трафик и повышается общая пропускная способность, а эти два фактора являются критическими с учетом растущих требований к полосе пропускания сети современных сложных бизнес-приложений.

Кабели. В сетевой технологии Ethernet сетевой кабель соединяет между собой сетевой адаптер ПК и концентратор или неуправляемый коммутатор (switch). Для подключения на концах кабеля обжимаются коннекторы (наиболее часто – восьми контактные RJ-45).

Существует несколько типов кабелей, применяемых в различных сетевых технологиях. Витая пара (TP, Twisted Pair) – основной тип кабеля в настоящее время. Бывает двух видов: неэкранированная витая пара (UTP, Unshielded Twisted Pair, см. рисунок 1.2) и экранированная витая пара (STP, Shielded Twisted Pair). Оба типа кабеля состоят из нескольких пар скрученных изолированных медных проводов. Кабель типа неэкранированная витая пара является сегодня наиболее популярным благодаря своей низкой стоимости, гибкости и простоте установки.

Рисунок 1.2. Кабель UTP, категория 5, 4 пары

Недостатком такого кабеля является уязвимость к электрическим помехам и шумам в линии. Кабели витая пара бывают разной категории (3, 4, 5 или 6). Чем выше номер категории, тем большую скорость передачи поддерживает кабель.

Оптоволоконный кабель применяется в центральных магистральных сетях и связи между коммутаторами локальных сетей, находящимися на значительном расстоянии один от другого. Данные передаются с помощью световых импульсов, проходящих по оптическому волокну. Поэтому он обеспечивает полную защиту данных от электрических помех и позволяет передавать информацию на большие расстояния. Оптоволоконный кабель поддерживает скорость передачи данных 10, 100, 1000 Мбит/с, 10 Гбит/с.

Недостатки – сложность монтажа и высокая стоимость. Тонкий и толстый коаксиальный кабель – в настоящее время практически не используется. Конструкция его аналогична стандартному телевизионному кабелю. Каждая технология ЛС (10-Мбит/с Ethernet, 100-Мбит/с Fast Ethernet или Gigabit Ethernet, 10-Gigabit Ethernet) предполагает использование одного или нескольких типов сетевого кабеля. Наиболее часто применяется кабель UTP категории 5 и 5e (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1. Использование различных типов сетевого кабеля

Маршрутизаторы могут выполнять следующие функции:

- Подключение локальных сетей (LAN) к территориальнораспределенным сетям (WAN).

- Соединение нескольких локальных сетей.

Производительность маршрутизатора (объем передаваемых данных в секунду) обычно пропорциональна его стоимости. Поскольку маршрутизатор работает на основе протокола, он может принимать решение о наилучшем маршруте доставки данных, руководствуясь такими факторами, как стоимость, скорость доставки и т.д. Кроме того, маршрутизаторы позволяют эффективно управлять трафиком широковещательной рассылки, обеспечивая передачу данных только в нужные порты.

Модемы позволяют пользователям ПК обмениваться информацией и подключаться к Internet по обычным телефонным линиям. Модем кодирует цифровые сигналы, поступающие от ПК, в аналоговые или цифровые сигналы, передаваемые по телефонной сети общего пользования, а модем на приемном конце линии демодулирует эти сигналы, снова преобразуя их в первоначальную цифровую форму. Модем поддерживает в каждый момент только одно соединение. Для ПК применяются встроенные и внешние модемы, а для портативных компьютеров обычно используются модемы формата PC Card. Модемы используют специальные протоколы модуляции при передаче информации, коррекции ошибок и сжатия данных.

Беспроводные локальные сети (Wi-Fi) позволяют организовать связь между ПК там, где затруднено кабельное соединение или необходима полная мобильность. При этом они совместимы с проводными сетями. Сейчас существуют три стандарта Wi-Fi: IEEE 802.11a, IEEE 802.11b и IEEE 802.11g.

Стандарт IEEE 802.11a позволяет передавать данные на скорости до 108 Мбит/с. Эти беспроводные сети работают на частоте 5 Ггц и обеспечивают возможность шифрования с использованием WEP.

Стандарт IEEE 802.11b позволяет передавать данные на скорости до 11 Мбит/с и работает на частоте 2, 4 Ггц по протоколу широкополосной передачи данных - DSSS.

Стандарт IEEE 802.11g использует скорость передачи до 54 Мбит/с и работает на частоте 2.4 Ггц – той же, что и устройства стандарта IEEE 802.11b, что обеспечивает совместимость этих стандартов.

Оборудование беспроводных сетей включает(см.рис.1.3) сетевые адаптеры, точки доступа (Access Point), беспроводные маршрутизаторы.

Рисунок 1.3. Локальная сеть с использованием Wi-Fi

Сегодня Wi-Fi адаптерами оснащаются практически все ноутбуки и другие мобильные устройства (планшетные компьютеры, смартфоны). Wi-Fi адаптеры для настольных ПК выпускаются для подключения к PCI-слоту или USB-порту. Существуют также материнские платы настольных ПК с интегрированными Wi-Fi адаптерами.

Задача 2. Изучить физическую и логическую топологию локальных компьютерных сетей. Познакомиться с особенностями различных топологий, их преимуществами и недостатками.

Порядок выполнения:

Известно, что все компьютеры в локальной сети соединены линиями связи. Физической топологией компьютерной сети называют геометрическое расположение и физическое подключение линий связи и узлов сети. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры.

Различают физическую и логическую топологию. Физическая топология - это геометрия построения сети, а логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети и способы передачи данных. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга.

Сейчас в локальных сетях используются следующие физические топологии:

§ физическая " шина" (bus);

§ физическая “звезда” (star);

§ физическое “кольцо” (ring);

§ физическая " звезда" и логическое " кольцо" (Token Ring).

Шинная топология. Сети с шинной топологией (см.рис.2.1) используют линейный моноканал (коаксиальный кабель) передачи данных, на концах которого устанавливаются оконечные сопротивления (терминаторы). Каждый компьютер подключается к коаксиальному кабелю с помощью Т-разъема (Т - коннектор). Данные от передающего узла сети передаются по шине в обе стороны, отражаясь от оконечных терминаторов. Терминаторы предотвращают отражение сигналов, т.е. используются для гашения сигналов, которые достигают концов канала передачи данных.

Рисунок 2.1. Сеть с топологией физическая " шина"

Таким образом, информация поступает на все узлы, но принимается только тем узлом, которому она предназначается. В топологии логическая шина среда передачи данных используются совместно и одновременно всеми ПК сети, а сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления по среде передачи. Так как передача сигналов в топологии физическая шина является широковещательной, т.е. сигналы распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной.

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой Ethernet (классы 10Base-5 и 10Base-2 для толстого и тонкого коаксиального кабеля соответственно). Преимущества сетей шинной топологии:

§ отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом; § сеть легко настраивать и конфигурировать;

§ сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов.

Недостатки сетей шинной топологии:

§ разрыв кабеля может повлиять на работу всей сети;

§ ограниченная длина кабеля и количество рабочих станций;

§ трудно определить дефекты соединений.

Топология типа “звезда”. В сети построенной по топологии типа “звезда” (см.рис.2.2) каждая рабочая станция подсоединяется кабелем (витой парой) к концентратору или хабу (hub). Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все компьютеры, подключенные к сети, могут общаться друг с другом.

Рисунок 2.2. Сеть с топологией физическая “звезда”

Данные от передающей станции сети передаются через хаб по всем линиям связи всем ПК. Информация поступает на все рабочие станции, но принимается только теми станциями, которым она предназначается. Так как передача сигналов в топологии физическая звезда является широковещательной, т.е. сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной.

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой 10Base-T Ethernet. Преимущества сетей топологии звезда:

§ легко подключить новый ПК;

§ имеется возможность централизованного управления;

§ сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК.

Недостатки сетей топологии звезда: § отказ хаба влияет на работу всей сети; § большой расход кабеля.

Топология “кольцо”. В сети с топологией кольцо (см.рис.2.3) все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется со входом другого ПК. Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении.

Рисунок 2.3. Сеть с топологией физическое “кольцо”

Принимающая рабочая станция распознает и получает только адресованное ей сообщение. В сети с топологией типа физическое кольцо используется маркерный доступ, который предоставляет станции право на использование кольца в определенном порядке. Логическая топология данной сети - логическое кольцо. Данную сеть очень легко создавать и настраивать.

К основному недостатку сетей топологии кольцо является то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети.

Топология Token Ring. Эта топология (см.рис.2.4) основана на топологии " физическое кольцо с подключением типа звезда".

Рисунок 2.4. Сеть с топологией физическая " звезда" и логическое

" кольцо" (Token Ring)

В данной топологии все рабочие станции подключаются к центральному концентратору (Token Ring) как в топологии физическая звезда.

Центральный концентратор - это интеллектуальное устройство, которое с помощью перемычек обеспечивает последовательное соединение выхода одной станции со входом другой станции. Таким образом, рабочие станции связаны петлей кабеля, по которой пакеты данных передаются от одной станции к другой и каждая станция ретранслирует эти посланные пакеты. В каждой рабочей станции имеется для этого приемо-передающее устройство, которое позволяет управлять прохождением данных в сети. Физически такая сеть построена по типу топологии

“звезда”.

Концентратор создаёт первичное (основное) и резервное кольца. Если в основном кольце произойдёт обрыв, то его можно обойти, воспользовавшись резервным кольцом, так как используется четырёхжильный кабель. Отказ станции или обрыв линии связи рабочей станции не влечет за собой отказ сети как в топологии кольцо, потому что концентратор отключает неисправную станцию и замыкает кольцо передачи данных. Один из узлов этой сети (обычно для этого используется файлсервер) создаёт маркер, который отправляется в кольцо сети. Такой узел выступает в качестве активного монитора, который следит за тем, чтобы маркер не был утерян или разрушен. В архитектуре Token Ring маркер передаётся от узла к узлу по логическому кольцу, созданному центральным концентратором. Такая маркерная передача осуществляется в фиксированном направлении (направление движения маркера и пакетов данных представлено на рисунке стрелками синего цвета). Станция, обладающая маркером, может отправить данные другой станции. Для передачи данных рабочие станции должны сначала дождаться прихода свободного маркера. В маркере содержится адрес станции, пославшей этот маркер, а также адрес той станции, которой он предназначается. После этого отправитель передает маркер следующей в сети станции для того, чтобы и та могла отправить свои данные.

Преимущества сетей топологии Token Ring:

§ топология обеспечивает равный доступ ко всем рабочим станциям;

§ высокая надежность, так как сеть устойчива к неисправностям отдельных станций и к разрывам соединения отдельных станций.

Недостатки сетей топологии Token Ring: большой расход кабеля и соответственно дорогостоящая разводка линий связи.

Задача 3. Изучить сетевые модели OSI и TCP/IP, а также соответствующие им сетевые протоколы. Познакомиться с основными сетевыми протоколами и особенностями их применения.

Порядок выполнения:

Известно, что сетевая модель - это модель взаимодействия различных сетевых протоколов (согласованных правил и процессов для обмена данными между работающими в сети устройствами). Рассмотрим две сетевые модели: модель OSI и модель TCP/IP (иногда её называют DOD).

Эталонная сетевая модель OSI ( Open System Interconnection) -

Сетевая модель взаимодействия открытых систем (эталонная модель). Эту модель можно смело назвать стандартом. Именно этой модели придерживаются производители сетевых устройств, когда разрабатывают новые продукты.

Сетевая модель OSI состоит (см.рис.3.1) из 7 уровней:

Рисунок 3.1. Сетевая модель OSI

Прикладной уровень или уровень приложений (application layer) – это самый верхний уровень модели. Он осуществляет связь пользовательских приложений с сетью. На этом уровне работают приложения для просмотра веб-страниц (HTTP), передачи и приёма почты (SMTP, POP3), приёма и получения файлов (FTP, TFTP), для удаленного доступа (Telnet) и т.д.

Представительский уровень или уровень представления данных (presentation layer) преобразует данные в соответствующий формат в виде маленьких порций единиц и ноликов (битов). На этом уровне работают протоколы (стандарты) изображений (JPEG, GIF, PNG, TIFF), кодировок (ASCII, EBDIC), музыки и видео (MPEG) и т.д.

Сеансовый уровень или уровень сессий(session layer) – организует сеанс связи между компьютерами. На этом уровне работают протокол кодирования передаваемого по сети видео сигнала, протокол SMPP (Short message peer-to-peer protocol), с помощью которого отправляются СМСки и USSD запросы, протокол PAP (Password Authentication Protocol) для отправки имени пользователя и пароля на сервер без шифрования.

Транспортный уровень (transport layer) обеспечивает надёжность передачи данных от отправителя к получателю. На этом уровне работают протоколы UDP и TCP. UDP протокол (User Datagram Protocol) передает данные без установления соединения, не подтверждает доставку данных и не делает повторы. TCP (Transmission Control Protocol) протокол перед передачей устанавливает соединение, подтверждает доставку данных, при необходимости делает повтор, гарантирует целостность и правильную последовательность загружаемых данных. Следовательно, для музыки, видео, видеоконференций и звонков используется UDP (передает данные без проверки и без задержек), а для текста, программ, паролей, архивов и т.п. – TCP (передает данные с подтверждением о получении, затрачивается больше времени).

Сетевой уровень (network layer) – этот уровень определяет путь, по которому будут переданы данные. Это третий уровень сетевой модели OSI, на котором работают устройства третьего уровня – маршрутизаторы. На этом уровне достаточно много протоколов. На нем работает протокол IP (Internet Protocol) логической адресации устройств в сети, протокол ICMP, который использует команда ping, протоколы (RIP, EIGRP, OSPF) для маршрутизации пакетов и другие.

Канальный уровень (data link layer) обеспечивает взаимодействие сетей на физическом уровне. На нем работают устройства канального уровня – коммутаторы, концентраторы и т.п. На этом уровне работают протоколы LLC (Logical Link Control) управления логическим каналом для взаимодействия с верхним уровнем и

MAC (Media Access Control) физической адресации сетевого оборудования для управления доступом к передающей среде и взаимодействия с нижним уровнем. Типичных представителей на этом уровне много. PPP (Point-to-Point) – это протокол для связи двух компьютеров напрямую. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – стандарт передаёт данные на расстояние до 200 километров. CDP (Cisco Discovery Protocol) – это проприетарный (собственный) протокол принадлежащий компании Cisco Systems, с помощью него можно обнаружить соседние устройства и получить информацию об этих устройствах.

Физический уровень (physical layer) – самый нижний уровень, непосредственно осуществляющий передачу потока данных. На этом уровне работают протоколы Bluetooth, IRDA (Инфракрасная связь), медные провода (витая пара, телефонная линия), Wi-Fi, и т.д.

Сетевая модель TCP/IP

Модель TCP/IP принято называть моделью DOD

(Department of Defense — Министерство обороны США).

От сетевой модели OSI, модель DOD (или TCP/IP) отличается количеством уровней. Здесь их (см.рис.3.2) всего 4:

Рисунок 3.2. Сетевые модели OSI и TCP/IP

В целом, если не вдаваться в подробности, уровень приложений (Application) модели DOD соответствует трём верхним уровням модели OSI (application, presentation, session), транспортный уровень соответствует транспортному, а сетевой – сетевому соответственно, уровень сетевого доступа соответствует двум нижним модели OSI (data link, physical).

Сетевая модель TCP/IP была разработана значительно раньше модели OSI. Модель TCP/IP сформировывалась уже на существующих протоколах, а модель OSI наоборот – сначала была создали модель, а затем протоколы для неё. У каждой модели есть свои плюсы и минусы. OSI более современная модель, поэтому в интернете обсуждают чаще её, а вот протоколы используются TCP/IP стека (группы, стопки (одного на другом)) основанные на модели DOD.

Задача 4. Изучить сетевой протокол Internet Protocol v4 (IPv4), его структуру и основные характеристики. Выполнить установку сети IPv4 с разделением глобальных и частных адресов, а также настроить адресацию ПК при помощи графического интерфейса и командной строки.