Бесплатный фрагмент - Сети и телекоммуникации

Введение

Ни одно современное предприятие не обходится без использования технологий сетевого обмена включая телефонию, передачу данных, видеоконференцсвязь и других. Каждое предприятие сегодня обязательно подключено к сети интернет- аптеки для передачи данных о кассовых чеках, учебные заведения для передачи данных об обучающихся, магазины для связи с налоговой, министерства и ведомства подключены к системе межведомственного электронного взаимодействия и так далее.

Практически у каждого читателя дома установлено и настроено оборудование для беспроводного доступа к сети общего информационного обмена, либо к локальной вычислительной сети.

Знания в области обеспечения сетевого взаимодействия необходимы для любого специалиста по информационным технологиям и являются обязательным условием выполнения должностных обязанностей практически по любой профессии связанной с ЭВМ сегодня.

Отдельно оговоримся, что программирование для сетевых технологий (для сетей глобального и локального информационного обмена, а так же для пассивного и активного сетевого оборудования, описание имеющегося на рынке оборудования) выходит за рамки данной книги и может быть рассмотрено отдельно.

Мы заострим внимание именно на сетевом взаимодействии и обеспечении функционирования сетей. Основные теоретические сведения об оборудовании и терминологии используемых в работе приведены вначале.

1 ВВЕДЕНИЕ В СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

1.1 Основные определения

Сеть передачи данных — совокупность трёх и более оконечных устройств связи, объединённых каналами передачи данных и коммутирующими устройствами (узлами сети), обеспечивающими обмен сообщениями между всеми оконечными устройствами.

Передача данных — физический перенос данных в виде сигналов от точки к точке или от точки к нескольким точкам средствами связи по каналу передачи данных. Примерами подобных каналов могут служить медные провода, волокно-оптические линии связи, беспроводные каналы передачи.

Сетевая инфраструктура включает в себя три категории компонентов сети:

1. Устройства;

2. Среда передачи;

3. Сервисы.

Устройства и среды передачи — это физические элементы или аппаратное обеспечение сети. Аппаратное обеспечение зачастую является видимой частью сетевой платформы: ноутбук, ПК, коммутатор, маршрутизатор, беспроводная точка доступа или кабели, используемые для соединения устройств.

Оконечное устройство является либо отправителем (источником), либо получателем (адресатом) сообщения. Каждому оконечному устройству в сети назначается адрес, чтобы устройства можно было отличить от других. Если оконечное устройство инициирует обмен данными, то в качестве получателя сообщения оно использует адрес оконечного устройства назначения.

Примерами оконечных устройств могут служить:

1. Настольные персональные компьютеры;

2. Ноутбук;

3. Принтер;

4. IP-телефон;

5. Беспроводной планшетный компьютер;

6. Смартфон.

Промежуточные устройства соединяют отдельные оконечные устройства с сетью и могут соединять несколько отдельных сетей для создания глобальных сетей. Такие устройства обеспечивают подключение и прохождение потоков данных по сети. Для определения пути передачи сообщения промежуточные устройства используют адрес оконечного устройства назначения в сочетании с информацией о связях в сети.

Примерами промежуточных устройств могут служить:

1. Коммутатор;

2. Маршрутизатор;

3. Межсетевой экран;

4. Репитер.

Среда передачи данных — физический канал, по которому сообщение передается от источника к адресату.

Типы физических сред передачи данных:

1. Медный кабель;

2. Оптоволоконный кабель;

3. Беспроводная связь.

Сетевая топология — граф, вершинами которого являются оконечные и промежуточные устройства, а ребрами — физические и информационные связи между вершинами. Схема обеспечивает наглядный способ понимания, каким образом устройства в большой сети связаны между собой. Подразделяется на несколько типов:

1. Физическая топология — отображает физическое расположение промежуточных устройств и кабельных линий;

2. Логическая топология — отображает устройства, порты и схемы адресации.

Изображения топологий приведены на рисунках 1 и 2.

Сетевая карта — устройство, позволяющее взаимодействовать с другими устройствами в сети.

Физический порт — разъем на сетевом устройстве, через который кабели подключены к компьютеру или другому сетевому устройству.

Интерфейс — специализированные порты в сетевом устройстве, которые подключаются к отдельным сетям. Поскольку маршрутизаторы соединяют между собой сети, порты маршрутизатора называются сетевыми интерфейсами.

Часто на практике слова «Порт» и «Интерфейс» являются взаимозаменяемыми.

1.2 Виды сетей

Сети сильно отличаются по площади покрытия, количества пользователей, типа и объема предоставляемых услуг пользователям. Наиболее распространенными типами сетевых инфраструктур являются локальные сети LAN и глобальные сети WAN.

Локальная сеть (LAN) — сетевая инфраструктура, предоставляющая высокоскоростной доступ пользователям и оконечным устройствам на небольшой территории. Обычно является домашней сетью, сетью малого или крупного предприятия. Управляется одним квалифицированным лицом или отдельным IT-отделом на предприятии.

Глобальная сеть (WAN) — сетевая инфраструктура, предоставляющая доступ к другим сетям на большой территории. Принадлежит провайдерам телекоммуникационных услуг и находится под их управлением.

Интернет — всемирное объединение взаимосвязанных сетей для хранения и передачи информации.

Экстранет — защищённая от несанкционированного доступа корпоративная сеть, использующая Интернет-технологии для внутрикорпоративных целей, а также для предоставления части корпоративной информации и корпоративных приложений деловым партнерам компании.

Интранет — частные сети LAN и WAN, которые принадлежат организации и доступны только ее членам, сотрудникам и прочим авторизованным лицам.

Для сети Экстранет особенно важны аутентификация пользователя (который может и не являться сотрудником компании) и, особенно, защита от несанкционированного доступа, тогда как для приложений Интранет они играют гораздо менее существенную роль, поскольку доступ к этой сети ограничен физическими рамками компании.

Для доступа к Интернет существует множество способов подключения. Домашние пользователи, удаленные сотрудники компаний и малые офисы, как правило, для доступа в Интернет нуждаются в подключении к поставщикам услуг Интернета. Варианты подключения существенно меняются в зависимости от провайдера, географического местоположения и развития инфраструктуры. Популярные варианты включают в себя широкополосную кабельную сеть, широкополосную цифровую абонентскую линию (DSL), беспроводные глобальные сети и мобильные сервисы.

1.3 Надежность сетей

Для поддержания работоспособности и надежности сети требуется, чтобы она соответствовала четырем основным требованиям:

1. Отказоустойчивости;

2. Масштабируемость;

3. Качество обслуживание;

4. Безопасность.

Отказоустойчивость — свойство сети сохранять свою работоспособность после отказа одного или нескольких составных компонентов. Для этого сети используют несколько путей передачи данных от источника к месту назначения. Если один путь недоступен, сообщения можно немедленно отправить по другой линии связи. Наличие нескольких путей к месту назначения называется резервированием.

Масштабируемость — свойство сети, позволяющая быстро расширить, обеспечив поддержку новых пользователей и приложений без снижения эффективности обслуживания существующих.

Качество обслуживания (QoS — Quality of Service) — технология предоставления различным классам трафика различных приоритетов в обслуживании во избежание перегрузки сети.

Обеспечение безопасности инфраструктуры сети включает в себя физическую защиту всех устройств, которые необходимы для сетевых подключений, и предотвращение несанкционированного доступа к установленному на них ПО управления.

Безопасность информации означает защиту пакетов данных, передаваемых по сети, а также информации, хранящейся на подключенных к сети устройствах.

Критерии безопасности:

1. Конфиденциальность — только указанные и авторизованные получатели могут иметь доступ к данным;

2. Целостность — гарантия того, что информация не была изменена в процессе передачи от исходного пункта к месту назначения;

3. Доступность — своевременный и надежный доступ к данным для авторизованных пользователей.

1.4 Коммуникация и протоколы

Коммуникация — тип взаимодействия между объектами, который подразумевает обмен информацией между этими объектами. Все способы коммуникаций имеют три общих элемента. Первый — это источник сообщения, или отправитель. Второй элемент — это адресат, или получатель сообщения. Адресат получает и интерпретирует сообщение. Третий элемент, называемый каналом, представляет собой среду передачи данных, по которой сообщение передается от источника к получателю.

В сетях существует несколько способов передачи данных:

1. Индивидуальная (Unicast);

2. Групповая (Multicast);

3. Широковещательная (Broadcast).

Unicast подразумевает собой передачу данных одному единственному адресату в сети. При передаче данных способом Multicast данные получают одновременно несколько адресатов в сети. Broadcast означает, что данные получат все узлы в сети за исключением того, кто информацию и передает.

Сетевые протоколы определяют общий формат и набор правил для обмена сообщениями между устройствами.

Набор протоколов представляет собой множество протоколов, которые используются вместе для предоставления комплексных сетевых сервисов. Набор протоколов может быть определен организацией по стандартизации или разработан производителем сетевого оборудования.

К примеру, набор протоколов TCP/IP является открытым стандартом. Данные протоколы находятся в свободном доступе, и любой разработчик может использовать эти протоколы в аппаратном или программном обеспечении. Каждый стандартный протокол принят отраслевыми компаниями и утвержден организацией по стандартизации. Использование стандартов в разработке и реализации протоколов гарантирует, что продукты от разных производителей будет успешно взаимодействовать между собой.

Открытые стандарты способствуют совместимости, конкуренции и инновациям. Кроме того, они гарантируют, что продукт отдельной компании не сможет монополизировать рынок или получить несправедливое преимущество по сравнению с конкурентами. Пример — покупка беспроводного маршрутизатора для дома. Существует множество вариантов маршрутизаторов различных производителей, каждый из которых включает стандартные протоколы, такие как IPv4, DHCP, 802.3 (Ethernet) и 802.11 (беспроводная сеть LAN). Открытые стандарты также позволяют клиенту с операционной системой OS X от компании Apple загрузить веб-страницу с веб-сервера под управлением GNU/Linux. Это связано с тем, что обе операционные системы используют протоколы открытых стандартов, например из набора протоколов TCP/IP.

Организации по стандартизации обычно являются независимыми от поставщиков некоммерческими организациями, созданными для разработки и продвижения концепции открытых стандартов.

Некоторые протоколы являются проприетарными. Это означает, что описание протокола и принципы его работы определяются одной конкретной компанией или поставщиком. Примерами частных протоколов являются устаревшие наборы протоколов AppleTalk и Novell Netware. Нередко поставщик (или группа поставщиков) разрабатывает частный протокол для удовлетворения потребностей своих заказчиков, а затем способствует принятию этого частного протокола в качестве открытого стандарта.

Примеры различных протоколов различных компаний продемонстрированы на рисунке 3.

1.5 Введение в эталонную модель сети

Чтобы представить взаимодействие между различными протоколами, принято использовать многоуровневые модели. Многоуровневая модель изображает работу протоколов, происходящую внутри каждого уровня, а также взаимодействие с уровнями выше и ниже.

Есть ряд преимуществ в использовании многоуровневой модели для описания сетевых протоколов и операций. Преимущества в использование многоуровневой модели:

1. Упрощение разработки протоколов, поскольку протоколы, работающие на определенном уровне, определяют формат обрабатываемых данных и интерфейс верхних и нижних уровней;

2. Стимулирование конкуренции, так как продукты разных поставщиков могут взаимодействовать друг с другом;

3. Предотвращение влияния изменений технологий или функций одного уровня на другие уровни (верхние и нижние);

4. Общий язык для описания функций сетевого взаимодействия.

Эталонная модель OSI определяет широкий список функций и сервисов, реализуемых на каждом уровне. Кроме того, она описывает взаимодействие каждого уровня с вышестоящими и нижестоящими уровнями. Всего модель насчитывает семь уровней. На рисунке 4 представлен стек модели OSI с указанием единицы данных, с которым работает каждый из уровней.

Описание каждого уровня:

7. Прикладной уровень содержит протоколы для обмена данными между приложениями;

6. Уровень представления обеспечивает общее представление данных, передаваемых между службами прикладного уровня;

5. Сеансовый уровень передает сервисы на уровень представления для организации его диалога и управления обмена данными;

4. Транспортный уровень определяет сервисы для сегментации, передачи и сборки данных для отдельных коммуникаций между оконечными устройствами;

3. Сетевой уровень представляет функции для обмена отдельными частями данных по сети между указанными оконечными устройствами;

2. Протоколы канального уровня описывают способы обмена кадрами данных при обмене данными между устройствами по общей среде передачи данных;

1. Протоколы физического уровня описывают электрические, механические, функциональные и процедурные средства для активации, поддержки, деактивации физического соединения, обеспечивающего передачу битов из одного сетевого устройства в другое.

1.6 Модель стека TCP/IP

Протокольная модель сетевого взаимодействия TCP/IP была создана в начале 70-х годов и иногда называется моделью сети Интернет. Как показано на рисунке 5, такая модель определяет четыре категории функций, необходимых для успешного взаимодействия. Архитектура набора протоколов TCP/IP построена на основе этой модели. TCP/IP представляет собой открытый стандарт, ни одна компания не вправе контролировать ее определение.

Описание каждого уровня:

1. Уровень приложений отображает данные для пользователя, а также обеспечивает кодирование и управление сеансами связи;

2. Транспортный уровень поддерживает связь между различными устройствами в разных сетях;

3. Межсетевой уровень определяет наилучший пути через сеть;

4. Уровень сетевого доступа управляет устройствами и средами передачи данных, из которых состоит сеть.

Следует отметить, что различные авторы интерпретировали модель TCP/IP по-разному и не согласны с тем, что уровень связи или вся модель TCP/IP охватывает проблемы уровня OSI уровня 1 (физический уровень) или предполагается, что аппаратный уровень ниже уровня канала. Несколько авторов попытались включить слои 1 и 2 модели OSI в модель TCP/IP, поскольку они обычно упоминаются в современных стандартах.

Набор протоколов TCP/IP может быть описан с точки зрения эталонной модели OSI. В модели OSI уровень доступа к сети и уровень приложений модели TCP/IP дополнительно подразделяются для описания отдельных функций, которые реализуются на этих уровнях. На рисунке 6 показано сопостовление моделей OSI и TCP/IP.

На уровне доступа к сети набор протоколов TCP/IP не определяет список протоколов, используемых при работе со средой передачи данных, он описывает только передачу информации с сетевого уровня физическим сетевым протоколам. Уровни 1 и 2 модели OSI описывают процедуры доступа к среде передачи и физическим способам отправки данных по сети.

Уровень 3 модели OSI, или сетевой уровень, соответствует сетевому уровню модели TCP/IP. Этот уровень описывает протоколы, определяющие пути передачи данных в сети.

Уровень 4 модели OSI, или транспортный уровень, соответствует транспортному уровню модели TCP/IP. Этот уровень описывает общие сервисы и функции, которые обеспечивают упорядоченную и надежную доставку данных от источника до места назначения.

Уровень приложений TCP/IP включает в себя ряд протоколов, которые поддерживают определенные функции для работы разнообразных приложений конечных пользователей. Уровни 5, 6 и 7 модели OSI используются в качестве образцов разработчиками и поставщиками прикладного программного обеспечения для производства продуктов, предназначенных для работы в сети.

Обе модели (TCP/IP и OSI) широко применяются в отношении протоколов различных уровней. Так как модель OSI разделяет канальный и физический уровни, именно она используется для этих уровней.

1.7 Сегментация и инкапсуляция данных

Для обеспечения надежности и бесперебойности передачи данных, уменьшения задержек используется разделение сообщения на несколько частей — сегментация.

Данный процесс имеет несколько преимуществ:

1. Отправка небольших отдельных частей от источника к получателю в сети позволяет поддерживать множество различных чередующихся сеансов обмена сообщениями. Это называется мультиплексированием;

2. Сегментация позволяет повысить надежность сетевого взаимодействия. Если какую-либо часть сообщения не удается доставить к месту назначения из-за отказа сети, необходимо будет повторно передать только недостающие части сообщения.

Инкапсуляция — процесс добавления различной информации протоколами на каждом из уровней стека модели OSI во время прохождения через среду передачи информации. Форма, которую принимает массив данных на каждом из уровней, называется единицей данных протокола (PDU). В ходе инкапсуляции каждый последующий уровень инкапсулирует PDU, полученную от вышестоящего уровня в соответствии с используемым протоколом. На каждом этапе процесса PDU получает другое имя, отражающее новые функции.

Ранее на рисунке 5 уже были продемонстрированы наименования PDU.

Деинкапсуляция — это процесс удаления одного или нескольких заголовков принимающим устройством. По мере продвижения данных по стеку к приложениям для конечных пользователей они деинкапсулируются.

1.8 Передача данных в сети

Сетевой (третий) и канальный (второй) уровни отвечают за доставку данных с устройства-источника на устройство назначения. Как показано на рисунке 7, протоколы на обоих уровнях содержат адреса источника и назначения, но эти адреса служат разным целям

1. Адреса источника и назначения сетевого уровня необходимы для доставки IP-пакета от источника к месту назначения в той же или в удаленной сети;

2. Адреса источника и назначения канального уровня необходимы для доставки кадра канала данных от одной сетевой карты к другой в той же сети.

IP-адрес — это логический адрес сетевого уровня (третьего уровня), необходимый для доставки IP-пакета от источника к месту назначения.

IP-пакет содержит два IP-адреса (рисунок 8):

1. IP-адрес источника — IP-адрес устройства-отправителя, изначального источника пакета;

2. IP-адрес назначения — IP-адрес устройства-получателя, конечного места назначения пакета.

IP-адрес состоит из двух частей:

1. Сетевая часть — левая часть адреса, которая показывает, к какой сети относится данный IP-адрес. Абсолютно все устройства из одной и той же сети будут иметь одинаковую сетевую часть. Определяется с помощью маски подсети — битовой маски для определения по IP-адреса сети и адреса узла этой подсети, которая не является частью IP-пакета;

2. Узловая часть — оставшаяся часть адреса, определяющее конкретное устройство в сети и является уникальной для каждого узла в сети.

MAC-адреса (или Физический адрес) — это уникальный адрес канального (второго) уровня сетевого интерфейса (обычно сетевой карты) для реализации коммуникации устройств в сети.

Назначение адреса канального уровня — доставить кадр с одного сетевого интерфейса на другой, когда они находятся в одной и той же сети.

Заголовок кадра канального уровня (рисунок 9) содержит следующие физические (MAC-адреса):

1. Адрес источника канального уровня — физический адрес (MAC-адрес) сетевой карты устройства, которое передает пакет;

2. Адрес назначения канального уровня — физический адрес (MAC-адрес) сетевой карты устройства, которое получает пакет. Это адрес ближайшего маршрутизатора или устройства назначения.

Рассмотрим обмен данными с помощью устройств в одной сети и с помощью устройств в разных сетях.

Посмотрим на рисунок 10. В сети находятся компьютер пользователя и FTP-сервер, с которым будет взаимодействовать компьютер. Компьютер пользователя — это устройство-отправитель, FTP-сервер — устройство-получатель. Получаем:

1. IP-адрес источника: 192.168.1.110;

2. IP-адрес получателя: 192.168.1.9.

Обратите внимание на левую выделенную часть каждого IP-адреса — это и есть сетевая часть адреса, которая остается неизменной (в том случае если маска подсети 255.255.255.0).

Так как и отправитель, и получатель находятся в одной сети, кадр отправляется напрямую принимающему устройству.

1. MAC-адрес источника (сетевой карты Компьютера пользователя): AA-AA-AA-AA-AA-AA в шестнадцатеричном представлении.

2. MAC-адресом получателя (FTP-сервера) является MAC-адрес FTP-сервера: CC-CC-CC-CC-CC-CC в шестнадцатеричном представлении.

Таким образом, кадр канального уровня будет выглядеть как на рисунке 11.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда устройство-отправитель и устройство-получатель находятся в разных сетях. Пример топологии представлен на рисунке 12.

Отправитель и получатель пакета находятся в разных сетях, значит IP-адреса источника и назначения будут представлять узлы в разных сетях. На это будет указывать сетевая часть IP-адреса узла назначения.

1. IP-адрес источника: 192.168.1.110;

2. IP-адрес назначения: 172.16.1.99.

Если устройства находятся в разных сетях, то и сетевые части адресов устройств будут разными.

Из-за того, что отправитель и получатель IP-пакета находятся в разных сетях, кадр Ethernet не может быть отправлен напрямую к узлу назначения, поскольку он недоступен в сети отправителя. Кадр Ethernet нужно выслать на другое устройство: маршрутизатор или шлюз по умолчанию. В нашем примере шлюз по умолчанию — Маршрутизатор 1.

1. MAC-адрес источника (сетевой карты Компьютера пользователя): AA-AA-AA-AA-AA-AA в шестнадцатеричном представлении.

2. MAC-адрес назначения — устройство-отправитель использует MAC-адрес шлюза по умолчанию или маршрутизатора, если получающее и передающее устройства находятся в разных сетях. В этом примере MAC-адресом назначения является MAC-адрес интерфейса Ethernet Маршрутизатора 1 (11-11-11-11-11-11). Этот интерфейс прикреплен к той же сети, что и Компьютер пользователя.

Таким образом, кадр канального уровня будет выглядеть как на рисунке 13.

2 Модель стека TCP/IP

2.1 Физический (первый) уровень

2.1.1 Описание и характеристика

Физический уровень — первый уровень сетевой модели OSI. Это нижний уровень модели OSI — физическая и электрическая среда для передачи данных. Физический уровень описывает способы передачи бит (а не пакетов данных) через физические среды линий связи, соединяющие сетевые устройства. На этом уровне описываются параметры сигналов, такие как амплитуда, частота, фаза, используемая модуляция, манипуляция. Решаются вопросы, связанные с синхронизацией, избавлением от помех, скорости передачи данных.

Физический уровень состоит из электронных схем, сред передачи данных и разъемов, разрабатываемых инженерами.

Стандарты физического уровня регламентируют три функциональные области:

1. Физические компоненты;

2. Кодирование;

3. Способы передачи сигналов.

Физические компоненты — это электронные устройства, среды передачи данных, а также другие соединители и разъемы, обеспечивающие передачу сигналов, с помощью которых представлены биты информации. Все аппаратные компоненты, в том числе сетевые карты, интерфейсы и соединители, а также материалы и конструкция кабелей описаны в стандартах, относящихся к физическому уровню.

Кодирование — это способ преобразования потока битов в определенный «код». Коды — это группы битов, используемые для формирования предсказуемых комбинаций, которые могут распознаваться как отправителем, так и получателем. В сети под кодированием понимаются изменения напряжения или тока согласно заданным правилам с целью представления значений битов: нулей и единиц. Пример изображен на рисунке 14.

Способы передачи сигналов. Для представления значений битов «1» и «0» в среде подключения физический уровень должен генерировать электрические, оптические или радиосигналы. Метод представления битов с помощью сигналов называется способом передачи сигналов. Стандарты физического уровня должны определять, какой тип сигнала соответствует единице («1»), а какой нулю («0»). Для передачи сигнала можно использовать простое изменение длительности электрического или оптического импульса. Например, длинный импульс может обозначать 1, а короткий — 0.

Основными характеристиками передачи данных являются пропускная способность и производительность.

Пропускная способность — объем данных, который можно передать из одной точки в другую за определенное время. Обычно пропускная способность измеряется в килобитах в секунду (Кбит/с), мегабитах в секунду (Мбит/с) или гигабитах в секунду (Гбит/с).

Производительность — это количество битов, передаваемых по средам передачи данных за определенный период времени.

2.1.2 Среды передачи данных

Типы физических сред передачи данных:

1. Медный кабель;

2. Оптоволоконный кабель;

3. Беспроводная связь.

Медные кабели используются в сетях из-за их невысокой стоимости, простоты монтажа и низкого электрического сопротивления. Однако при передаче сигналов по медным кабелям имеются ограничения по дальности передачи и помехоустойчивости. Данные по медным кабелям передаются в виде электрических импульсов.

Виды медных кабелей:

1. Неэкранированная витая пара (UTP);

2. Экранированная витая пара (STP);

3. Коаксиальный кабель.

Медные кабели могут быть подвержены воздействиям различных помех: электромагнитным и радиочастотным, источником которых могут быть излучения от электромагнитных устройств, а так перекрестные помехи, создающиеся из-за прохождения тока через круговое магнитное поле по проводу, которое воздействует на соседний провод.

Для обеспечения защиты от электромагнитных и радиочастотных помех кабели могут быть обернуты экранирующей оболочкой, что используется в экранируемой витой паре. Для защиты от перекрестных помех соседние кабели скручиваются между собой, причем все четыре пары скрученных кабелей имеют разное число витков, благодаря чему влияние излучение от других пар уменьшается. Используется в экранируемой и в неэкранированной витой паре.

В данных видах кабелей используется штекер 8P8C стандарта RJ-45 (рисунок 15).

Существует два варианта обжима разъёма на кабеле:

1. Прямой кабель используется для соединение сетевой карты узла к коммутатору или коммутатора с маршрутизатором;

2. Перекрестный или кроссовый кабель используется для соединения двух однотипных устройств между собой (коммутатор с коммутатором, маршрутизатор с маршрутизатором), а также для соединения двух узлов в сети.

Обжим проводится по двум стандартам: EIA/TIA 568A и EIA/TIA 568B (рисунок 16). Причем для прямого кабеля оба конца должны быть одинаковыми (оба или 568A, или 568B), а для перекрестного разными (один конец — 568A, другой — 568B).

Последовательность проводов для EIA/TIA 568A и 568B представлена на рисунке 17.

Так же следует отметить медный консольный кабель, который соединяет компьютер с маршрутизатором или коммутатором через консольный порт для дальнейшей настройки устройства. Он, как правило, отличается своей плоской формой и синим цветом.

Коаксиальный кабель — электрический кабель, состоящий из центрального проводника и экрана, расположенных соосно и разделённых изоляционным материалом или воздушным промежутком. Коаксиальный кабель использовался в сети Ethernet с самого начала. В настоящее время он не столь широко распространен, хотя и обеспечивает максимальную протяженность сети с топологией типа «шина», которая так же является устаревшей.

Оптоволоконные кабели позволяют передавать данные на большие расстояния и с более высокой пропускной способностью, чем другие среды передачи. Такой кабель также абсолютно невосприимчив к воздействию электромагнитных и радиочастотных помех. Оптические кабели обычно используются для соединения сетевых устройств друг с другом. Для передачи по оптоволоконному кабелю биты кодируются с помощью световых импульсов.

Оптоволоконные кабели подразделяются на два основных типа:

1. Одномодовый оптоволоконный кабель. Имеет сердечник очень малого диаметра. Для передачи луча света требуется дорогостоящая лазерная технология. Широко используется для организации линий связи протяженностью несколько сот километров.

2. Многомодовый оптоволоконный кабель. Имеет сердечник большего диаметра. Для передачи световых импульсов используются светодиодные излучатели. Такие кабели популярны в локальных сетях, поскольку позволяют использовать для работы недорогие светодиоды. Обеспечивает пропускную способность до 10 Гбит/с на расстоянии до 550 метров.

В отличии от электрических импульсов, свет по оптоволокну передается только в одном направлении и работы в полнодуплексном режиме требуются два оптоволокна. Поэтому в оптических соединительных кабелях имеется два волокна, на концах каждого из которых смонтированы стандартные одноволоконные разъемы.

Беспроводные среды передачи позволяют передавать двоичные данные, кодируя их в электромагнитные сигналы микроволнового и радиодиапазона.

Беспроводные технологии передачи данных хорошо работают на открытых пространствах, из-за чего подключение к беспроводной сети на относительно дальнем расстоянии будет удобнее, чем проводное соединение. Однако определенные строительные материалы внутри помещений могут ограничивать зону покрытия.

Беспроводная среда гораздо более восприимчива к помехам и может ухудшаться при работе большого количества устройств: сотовые телефоны, микроволновые печи, а также из-за большого количества соседних беспроводных коммуникаций.

Для доступа к среде беспроводного подключения не требуется подключаться к физическим кабелям. Поэтому доступ к этой среде могут получать несанкционированные пользователи и устройства. Для предотвращения несанкционированого доступа требуется обеспечение безопасности администратором сети.

Отметим также, что в каждый момент времени передачу или прием может осуществлять только одно устройство. Среда передачи общая для всех беспроводных пользователей. Чем больше пользователей одновременно подключаются к беспроводной сети, тем меньшая пропускная способность приходится на каждого из них.

2.2 Канальный (второй) уровень

2.2.1 Описание и характеристика

Канальный уровень — второй уровень сетевой модели OSI, предназначенный для передачи данных узлам, находящимся в том же сегменте локальной сети. Может использоваться для обнаружения и исправления ошибок, возникших на физическом уровне при передачи данных. Канальный уровень отправляет пакеты информации протоколу вышестоящего уровня и принимает их от него.

Канальный уровень делится на два подуровня:

1. Верхний подуровень управления логическим каналом (LLC — Logical Link Control);

2. Нижний подуровень управления доступом к среде (MAC — Media Access Control).

Управление логическим каналом помещает в отправляемый кадр информацию о том, какой протокол сетевого уровня используется для данного кадра. Позволяет протоколом третьего уровня (IPv4 и IPv6) использовать один и тот же сетевой интерфейс и одну и ту же среду передачи данных.

Управление доступом к среде обеспечивает адресацию на канальном уровне, а также обеспечивает доступ к различным сетевым технологиям, в частности взаимодействует с протоколом канального уровня Ethernet, что позволяет передавать и получать информацию через медный или оптоволоконный кабель. Так же MAC взаимодействует с беспроводными технологиями передачи информации.

2.2.2 Виды топологий

Для создания сетей существуют различные способы соединения устройств между собой. Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки. Приведем примеры основных сетевых топологий:

1. Сетевая топология типа «точка-точка» (Point-to-point) — простейший вид сетевой топологии, который соединяет между собой устройства с помощью коммуникационного оборудования. Благодаря своей дешевизне является наиболее распространённой топологией, но самой ограниченной: соединить возможно только два устройства между собой (рисунок 18);

2. Топология типа «шина» (Bus) — тип топологии, использовавший один коаксиальный кабель в виде среды передачи данных. Данный кабель подключается ко всем оконечным устройствам для создания локальной сети. На концах кабелей находятся терминаторы для предотвращения отражения сигнала. При создании сети не требуется коммутатор или концентратор. К достоинствам можно отнести дешевизну и простоту настройки. Однако, чем больше устройств подключено к шине, тем менее производительной будет сеть. А при повреждении кабеля или одного из терминаторов вся сеть выходит из строя (рисунок 19);

3. Топология типа «кольцо» (Ring) — топология, в которой каждый компьютер соединён линиями связи только с двумя другими. В отличии от топологии типа «шина», конечные устройства не являются полностью равноправными. Одни из них обязательно получают информацию от устройства, который ведёт передачу в этот момент, раньше, а другие — позже. Хотя для подготовки данной топологии не требуется дополнительное оборудование, она вызывает определенные сложности при её настройки и обслуживании: на оконечном устройстве требуется несколько сетевых плат для подключение соседних устройств, при добавлении или удалении устройств требуется остановить всю сеть на время, а выход из строя любого узла может полностью вывести из строя всю сеть (рисунок 20), хотя современные сети использующие эту топологию допускают выход из строя одной линии связи (или же узла) без потери работоспособности сети;

4. Топология типа «звезда» (Star) — базовый тип сетевой топологии, в котором все сети присоединены к центральному устройству — к концентратору или коммутатору — с помощью соединения «точка-точка». Легка в обслуживании, имеет высокую производительность сети. При выходе из строя центрального устройства сеть станет неработоспособной (рисунок 21), с другой стороны выход из строя любого узла кроме центрального не оказывает фатального эффекта на работоспособности всей сети вцелом;

5. Ячеистая топология (Mesh) — тип сетевой топологии, в котором все сети друг с другом соединены между собой. Образуют полносвязный граф. Каждый канал в такой сети фактически является каналом, связанным с другим узлом соединением «точка-точка», что повышает отказоустойчивость всей сети, так как выход одного устройства не нарушит работу всех остальных за счет наличия резервных путей передачи данных (рисунок 22).

2.2.3 Методы управление доступа к среде передачи

Для передачи данных между коммутаторами в сети используются два режима:

1. Полнодуплексный режим;

2. Полудуплексный режим.

В полнодуплексном происходит одновременная отправка и получения данных в обе стороны без перебоев. В полудуплексном режиме в один момент времени устройство возможно либо отправлять, либо получать данные.

Для передачи данных важно, чтобы настройки режима передачи и скорости между устройствами совпадало.

Как мы выяснили ранее, в некоторых сетевых топологиях множество узлов используют одни общий канал для передачи информации при работе. И в любой момент может возникнуть ситуация, когда несколько устройств, работающих в полудуплексном режиме, одновременно пытаются отправить или получить данные, используя одну и ту же среду передачи. Для регулирования доступа к среде устройств существует метод множественного доступа:

1. CSMA/CD;

2. CSMA/CA.

При использовании метода CSMA/CD коллизии могут быть обнаружены при сравнении передаваемой и получаемой информации. Если они будут различаться между собой, то другая передача накладывается на текущую (это и будет проявлением коллизии) и передача прерывается немедленно. Посылается сигнал преднамеренной помехи, что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая при этом вероятность коллизии во время повторной попытки.

Метод CSMA/CA используется в беспроводных сетях. Как и CSMA/CD, метод CSMA/CA может обнаруживать коллизии в переданной информации. Так же данный метод позволяет избежать появления коллизии за счет ожидания устройством своей очереди перед отправкой кадра.

2.2.4 Протокол Ethernet

Протокол Ethernet на сегодняшний день является самым распространенным протоколом создания локальных сетей с применением медных кабелей. Был разработан в 1973 году инженером Робертом Меткалфом. Данная технология может поддерживать передачу данных на разных скоростях: от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с. Ethernet определяется протоколами как физического уровня, так и канального и опирается на два подуровня канального уровня: протокол управления логического канала (LLC) и подуровень управления доступа к среде (MAC).

Задачи подуровня MAC:

1. Инкапсуляция данных — добавление кадра третьего уровня и обеспечение адресации второго уровня. При формировании добавляются в кадр заголовок и концевик.

2. Управление доступом к среде передачи данных отвечает за размещение кадров в этой среде и удаление из нее кадров. Он напрямую с первым физическим уровнем стека OSI.

Инкапсуляция данных выполняет следующие функции:

1. Обнаружение ошибок благодаря добавлению в концевик поля для проверки всего кадра на ошибки;

2. Разграничение кадров, для которого добавляются разделители в кадр. С их помощью определяются биты, из которого состоит определенный кадр. Разграничивающие биты обеспечивают синхронизацию между передающими и получающими узлами.

3. Адресация. Процесс инкапсуляции содержит единицу данных протокола третьего уровня (IPv4 или IPv6), а также обеспечивает адресацию для канального второго уровня.

При работе в полудуплексном режиме в LAN-сетях, основанных на Ethernet, могут возникать коллизии, которые решаются методом множественного доступа CSMA/CD.

Кадр Ethernet должен иметь минимальный размер в 64 байта информации, а максимальный размер — 1518 байт. Данные ограничения объясняются следующим образом: 64 байта являются минимальным объемом информации, передаваемой каналу, так как данных объем является достаточным для проверки кадра на коллизии с помощью CSMA/CD, а при кадре, большем 1518 байт, повышается вероятность возникновения ошибок и коллизии, что может вызвать трудности при передачи информации целиком.

Кадр размером меньшем 64 байт называются карликовыми (runt), а кадры размером большем 1518 байт называются Jumbo-кадрами. Подобного рода кадры отбрасываются устройством автоматически при его поступлении так как считается, что они были образованы в результате коллизии.

Кадр Ethernet выглядит как на рисунке 23 и имеет следующие поля:

1. Преамбула — поле, с которого начинается каждый кадр. Он используется для синхронизации отправляющего и принимающего устройств. Размер: 7 байт;

2. Начало кадра (SFD — Start of Frame Delimiter) — поле, указывающее на начало полезной информации. Размер: 1 байт;

3.MAC-адрес назначения — поле, указывающее на предполагаемого получателя на канальном уровне. MAC-адрес в кадре сравнивается с MAC-адресом устройства. Передача кадру может быть индивидуальной (unicast), групповой (multicast) или широковещательной (broadcast). Размер: 6 байт;

4. MAC-адрес источника — поле, указывающее на устройство, отправившего кадр. Адрес должен быть индивидуальным (unicast). Размер: 6 байт;

5. EtherType — поле кадра, указывающее на протокол третьего уровня. Пример некоторых значений EtherType: 0x0800 — IPv4, 0x0806 — ARP, 0x06DD — IPv6. Размер: 2 байта;

6. Данные — непосредственно информация, передаваемая пользователем с устройства-отправителя до устройства-получателя. Размер может составлять от 46 до 1500 байт. Если объем информации меньше положенной, то она дополняется заполняющими байтами, которые увеличивают размер кадра до минимального значения;

7. Контрольная последовательность кадров (FCS — Frame Check Sequence) — поле, которое используется для обнаружения ошибок в передаваемом кадре. Для этого используется циклический избыточный код (CRC). Принцип действия следующий: отправляющее устройство перед отправкой кадра рассчитывает CRC и результат помещает в поле FCS. Принимающее устройство получает кадр, рассчитывает CRC заново для обнаружения ошибок и сравнивает значения CRC между собой. В случае несовпадения расчетов кадр будет отброшен. Размер: 4 байта.

2.2.5 MAC-адрес

MAC-адрес Ethernet — это 48-битное двоичное значение, выраженное в виде 12 шестнадцатеричных чисел (рисунок 24) и состоящий из 6 откетов.

Левая половина MAC-адреса содержит информацию о компании-производителя устройства — Уникальный идентификатор организации (OUI — Organizationally Unique Identifier), который является уникальным для каждого производителя. Правая половина адреса выбирается для каждого устройства, выпущенной этой организацией, индивидуально.

Администратор сети может по собственному желанию изменить MAC-адрес устройства для различных целей. Например, при совпадении MAC-адресов у различных устройств в следствии ошибки в процессе производства.

Представление MAC-адреса у различных компаний, а также в различных операционных системах, может отличаться друг от друга. К примеру (рисунок 25):

MAC-адрес имеет несколько видов:

1. Индивидуальный (unicast);

2. Широковещательный (broadcast);

3. Групповой (multicast);

Индивидуальный MAC-адрес — это уникальный адрес, который используется при отправке кадра от одного передающего устройства к одному устройству назначения. MAC-адрес источника всегда является индивидуальным.

Широковещательный MAC-адрес — адрес, который указывает, что получателями данного пакета являются абсолютно все устройства в локальной сети за исключением устройства-источника этого пакета. Широковещательные адреса предусмотрены во многих сетевых протоколах, например DHCP или ARP. Широковещательный MAC-адрес всегда один: FF-FF-FF-FF-FF-FF (или 48 единиц в двоичном формате).

Групповой MAC-адрес — адрес, позволяющий отправить пакет нескольким устройствам в сети. Всегда имеет формат 01-00-5E-XX — XX — XX, где XX — XX — XX формируется из младших 23 бит группового IP-адреса, преобразованных в 6 шестнадцатеричных символов.

2.2.6 Коммутатор

Сетевой коммутатор (switch) — устройство второго уровня, предназначенное для объединения нескольких узлов в одной локальной сети. Для пересылки пакетов коммутатор использует MAC-адреса.

Коммутатор хранит в своей ассоциативной памяти таблицу MAC-адресов (таблицу коммутации), на основе которой и происходит пересылка каждого конкретного кадра, поступающего на устройство.

Таблица MAC-адресов составляется динамически, когда коммутатор проверяет MAC-адрес источника в кадрах, принимаемых портом. MAC-адреса хранятся в памяти относительно недолго — около 5 минут в зависимости от примененных настроек на устройстве. Делается это для предотвращения переполнения памяти в случае большого потока трафика или при преднамеренной атаки на сетевую инфраструктуру злоумышленниками.

При поступлении каждого кадра Ethernet через порт коммутатор выполняет следующие действия:

1. Когда MAC-адрес источника отсутствует, он добавляется в таблицу вместе с номером входящего порта. Если MAC-адрес источника уже существует, коммутатор обновляет таймер для данной записи.