Компьютерные сети


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году




Н.В. Максимов, И.И. Попов


КОМПЬЮТЕРНЫЕ
СЕТИ



УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


6-е издание, переработанное и дополненное



Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальностям информатики и вычислительной техники



znanium.com

Москва

2020

ИНФРА-М

УДК 004.7(075.32)
ББК 32.973.202я723

    M17



     Рецензенты:
        Романов В.П. — заведующий кафедрой проектирования автоматизированных информационных систем Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова, кандидат технических наук, профессор;
        Агальцов В.П. — преподаватель Московского государственного колледжа информационных технологий, кандидат технических наук



      Максимов Н.В.
М17 Компьютерные сети : учебное пособие / Н.В. Максимов, И.И. Попов. — 6-е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 464 с. — (Среднее профессиональное образование).


          ISBN 978-5-00091-454-0 (ФОРУМ)
          ISBN 978-5-16-011990-8 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-105870-1 (ИНФРА-М, online)


          Рассматриваются вопросы организации сетевых архитектур, типы, топология, методы доступа, среда передачи, аппаратные компоненты компьютерных сетей, а также методы пакетной передачи данных, модель OSI, задачи и функции по уровням модели OSI. Описываются локальные сети, технологии доступа к глобальным информационным ресурсам, адресация в сетях, способы проверки правильности передачи данных, межсетевое взаимодействие, принципы маршрутизации пакетов. Значительное внимание уделяется процессам, протоколам и форматам данных пользовательского (прикладного) уровня сетей — доступ к информационным ресурсам Internet и других сетей с помощью распределенных файловых и информационных систем.
          Для учащихся техникумов, колледжей, студентов вузов, а также для системы бакалавриата.


УДК 004.7(075.32)
ББК 32.973.202я723







                                    © Максимов Н.В., Попов И.И., 2012

ISBN 978-5-00091-454-0 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-011990-8 (ИНФРА-М, print)

© Максимов Н.В., Попов И.И., 2013, с изменениями

ISBN 978-5-16-105870-1 (ИНФРА-М, online) © ФОРУМ, 2013

                Введение








   B последние десятилетия существенно возросло общественное и экономическое значение информации и информационных технологий. Как считают многие исследователи, в настоящее время формируется и развивается информационное общество. Известны следующие критерии перехода индустриального общества в информационное:
   • технологический критерий: широкое распространение информационных технологий — в производстве, в учреждениях, в сфере образования, в частной жизни;
   • социальный критерий: в обществе доминирует информационное сознание, обеспечен широкий доступ к разнообразной информации;
   • экономический критерий: информация становится ключевым фактором в промышленности, в сфере услуг, занятости;
   • политический критерий: свобода информации ведет к политическим процессам, характеризующимся широким участием населения в политической жизни;
   • культурный критерий: осознание культурной ценности информации.
   В последнее время в индустриально развитых странах возник феномен «электронных мигрантов» — работников, использующих телекоммуникационные технологии, которые освобождают их от необходимости ежедневно ездить на работу на транспорте, численность таковых в США свыше 15 млн чел. Появляются электронные иммигранты, осуществляющие подобную деятельность через государственные границы. Есть все основания полагать, что через 20 лет проблема электронных иммигрантов станет одним из важных политических вопросов, поскольку она будет затрагивать государственный суверенитет, что осложнит и без того запутанную проблематику, связанную с обеспечением как свободного движения информационных потоков, так и международного доступа к национальным базам данных (БД).

Введение

   Быстрое развитие информационных технологий приводит к «информационному расслоению» общества, происходящему быстрее, чем имущественное расслоение в России и других странах бывшего соцлагеря. Информационное общество характеризуется тем, что каждый гражданин может получить любую информацию в любое время и в любом месте. Если определенные слои граждан в силу тех или иных причин не будут иметь широкого доступа к информации и средствам коммуникации, то неизбежно возникнут категории «информационно богатых» и «информационно бедных».
   Возможностями доступа и обработки информации, которые предоставляет современная электронная техника, могут пользоваться лишь те, кто в состоянии получить высшее образование и оплачивать необходимые расходы. В подавляющем большинстве это представители хорошо обеспеченных слоев общества, получающие ряд экономических, политических и моральных преимуществ перед остальными членами общества. Информатизация порождает новое расслоение членов общества, связанное с возможностями доступа к информации.
   В связи с этим представляется весьма важным обучение сетевым информационным технологиям в учебных заведениях всех форм и уровней подготовки, начиная с простейших навыков компьютерной грамотности.
   Настоящее учебное пособие посвящается проблематике телекоммуникационных систем, сетей и технологий доступа к распределенным информационным ресурсам.
   Настоящее учебное пособие не претендует на исчерпывающее и глубокое изложение всех материалов данной предметной области. Нашей целью являлось, скорее, охватить как можно более широкий круг вопросов, связанных с телекоммуникационными и вычислительными системами, включая использование данных средств для доступа к мировым информационным ресурсам.
   Продумывая структуру настоящего пособия, мы исходили из того, что сети не должны рассматриваться как самоцель, самодовлеющий объект, а только в контексте всех инфраструктур кооперативного использования информационных ресурсов (ИР), где локальная сеть (ЛС), например, только один из «игроков».
   C появлением в первой половине 70-х годов видеотерминалов первоначально возникли структуры «терминал — хост» (локальный или удаленный).

Введение

5

   Чуть раньше и независимо развиваются глобальные сети (пакетной коммутации), используемые как для функций связи общего назначения, так и для так называемых коммуникаций «хост — хост», с целью (в то же время) выравнивания использования вычислительных мощностей по часовым поясам (подобно тому как это осуществляется в сетях энергопередачи). Это были именно вычислительные сети. Структуры «терминал — хост» вносят сюда дополнительную динамику.
   Эта ситуация сохраняется до середины 80-х годов XX в., с появлением и взрывообразным распространением персональных компьютеров (ПК) (как выразился один из тогдашних научных острословов «карлики-млекопитающие на планете вычислительных динозавров»). Появляются локальные сети, интегрирующие прежде всего информационные ресурсы (файл-сервер), редкие или дорогостоящие технические средства (принт-сервер) и т. п.
   Изучение трафика (потоков данных) в развивающихся сетях показало смещение акцентов с распределенных вычислений на обмен информацией — доступ к удаленным базам данных, обмен сообщениями по электронной почте и пр. Вырисовываются, таким образом, информационные сети.
   Наконец, в 80—90-е годы широко распространяется технология TCP/IP, обеспечивая рост и развитие «сети сетей» — Internet, которая представляет собой глобальную информационно-вычислительную сеть.
   Именно в такой последовательности авторы и пытались выстроить структуру учебного пособия.

   В первой главе рассматриваются общие понятия, определения, структуры и элементы сетей, системы «терминал — хост» и «клиент — сервер», варианты структуры «клиент — сервер», системы коммутации пакетов, датаграммный метод и метод виртуальных соединений; протоколы и их типы, модель взаимодействия открытых систем (OSI), топологические характеристики сетевых решений («общая шина», «кольцо», «звезда»).

   Во второй главе описываются средства и системы связи и коммуникации как обеспечивающая инфраструктура, рассматриваются физико-технические и экономические характеристики каналов связи, в том числе кабельные (витая пара и коаксиальный кабель) оптоволоконные, радиоканалы (в том числе спутниковые).

Введение

   В третьей главе рассматриваются технологии «терминал — хост» и коммуникации ЭВМ — ЭВМ (на примере ПК, как наиболее доступной среде). Здесь речь идет о базовых телекоммуникационных технологиях доступа к локальным и удаленным ресурсам, в том числе о модемах, их разновидностях и протоколах, о программах управления обменом с помощью модемов, о терминалах, их типах и программах эмуляции режима терминала на ПК (терминальтах). Рассматриваются программные средства эмуляции режима хоста (центрального компьютера сети) и системы BBS.

   Четвертая глава посвящается технологии локальных сетей, которые явились следующим этапом развития компьютерных коммуникаций (в том числе некоторые конкретные технологии — Arcnet, Ethernet, Fast Ethernet и пр.), технические средства, оборудование и программное обеспечение локальных сетей.

   В пятой главе рассматриваются вопросы адресации сообщений и организация транспортного уровня в сети сетей Internet — система адресов Internet, стек протоколов TCP/IP и его взаимосвязь с моделью OSI, а также протоколы транспортных уровней, в том числе протоколы канального уровня SLIP и PPP, межсетевые протоколы (протокол IP, ICMP — Internet Control Message Protocol), протоколы управления маршрутизацией (протокол RIP — Routing Information Protocol), протоколы транспортного уровня (User Datagram Protocol — UDP, Transfer Control Protocol— TCP).

   Шестая глава посвящается Internet-технологиям доступа к распределенным ресурсам — протоколам и программам прикладного уровня. Рассматриваются протокол эмуляции удаленного терминала Telnet (команды протокола Telnet, информационные ресурсы Internet, доступные через Telnet); электронная почта (интерфейсные программы, системы почтовой рассылки, протоколы обслуживания электронной почты — SMTP, POP3, IMAP, доступ к информационным ресурсам Internet по электронной почте). Далее рассматриваются распределенные файловые системы Internet — распределенная файловая система Usenet — система телеконференций Internet (протокол NNTP, программное обеспечение Usenet); файловая система Gopher (программы-клиенты, Gopher-серверы); система архивов FTP (протокол FTP — File Transfer Protocol), программное обеспече

Введение

7

ние доступа к FTP-архивам). Дается характеристика клиентских и серверных программ каждого из протоколов.

   В седьмой главе рассматриваются информационные системы Internet, в том числе информационные технологии WWW, структура документов в HTML, элементы реализации интерфейсов в HTML, средства расширения HTML-технологий. Рассматривается HTTP (HyperText Transfer Protocol) и его особенности. Описываются компоненты программного обеспечение для World Wide Web — мультипротокольные программы-браузеры, программы-серверы, программы анализа статистики посещений. Далее рассматриваются информационно-поисковые системы Internet — распределенная информационная система WAIS (Wide Area Information Servers), базирующаяся на протоколе Z39.50, а также информационно-поисковые системы World Wide Web и их краткие характеристики. Более подробно рассматриваются возможности поисковой машины AltaVista.
   Учебное пособие базируется на материалах, накопленных авторами в процессе практической, исследовательской, а также преподавательской деятельности (МИФИ, МИСИ, МГУ, РГГУ, РЭА им. Г. В. Плеханова). Авторы выражают благодарность коллегам, принявшим участие в обсуждении материала: А. Г. Романенко (РГГУ), К. И. Курбакову (РЭА им. Г. В. Плеханова), П. Б. Храмцову (РНИЦ «Курчатовский институт»), рецензентам, а также И. А. Кузиной (ЦИТ МГУ) за предоставленные иллюстративные материалы.

Глава 1
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ И СТРУКТУРЫ










   Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии являются, с одной стороны, результатом развития средств коммуникации и связи, а также вычислительной техники и программного обеспечения, а с другой — это важнейший фактор экономического и научно-технического прогресса, обеспечивающий кооперацию, разделение труда, интегральное использование ресурсов.
   Системы коллективной человеческой деятельности, опирающиеся на телекоммуникационные технологии, разделяются на две группы:
   • системы с разделением времени (СРВ) — Time Sharing System, в которых каждый участник как бы пользуется собственной ЭВМ и основной задачей администраторов и разработчиков является защита данных от несанкционированного доступа и взаимная изоляция участников;
   • системы обеспечения групповых решений (СОГР) — Computer Supported Cooperative Work, groupware, ориентированные на прямо противоположную задачу — обеспечить взаимодействие пользователей в процессе принятия решений. СОГР сочетают коммуникационную, вычислительную технологии и технологию принятия решений для облегчения формулирования и решения проблем группой лиц.

1.1. Системы «терминал — хост»

9



            1.1. Системы «терминал — хост»



   Первые системы совместной эксплуатации информационных и вычислительных ресурсов (системы коллективного пользования) появились в 60—70-е гг. XX в. и относятся к вычислительным системам с разделением времени. Первоначально операционные системы ЭВМ (ОС) были рассчитаны на пакетную обработку информации, затем, с созданием интерактивных терминальных устройств, появилась возможность совместной работы пользователей в реальном масштабе времени. Основные этапы развития систем доступа к информационным ресурсам представлены на рис. 1.1 и включают следующие схемы.
   1.    Взаимодействие терминала (конечный пользователь, источник запросов и заданий) и хоста (мэйнфрейм/mainframe, центральная ЭВМ, держатель всех информационных и вычислительных ресурсов) — рис. 1.1, а, б. Может осуществляться как в локальном, так и в удаленном режимах, во втором случае, как правило, некоторая совокупность пользователей (дисплейный класс)


Хост                        Хост                       Хосты

Терминалы                  Терминалы

ПК                 ПК          ПК Файл-сервер ПК                       Терминалы
г                              д                                  в
Internet

Рис. 1.1. Варианты коллективного использования информационно-вычислительных ресурсов:
а — локальный хост; б — удаленный хост; в — глобальная сеть; г — коммуникации ПК — ПК; д — локальная сеть; е — Internet

Глава 1. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии...

размещается в так называемом абонентском пункте — комплексе, снабженном контроллером (устройством управления), принтером, концентратором и обеспечивающим параллельную работу пользователей с удаленным хостом. Связь между хостом и абонентским пунктом в этом случае осуществлялась с помощью модемов по телефонным каналам.
   2.    На следующем этапе (рис. 1.1, в) формируются сети передачи данных (из существующих общих и специальных цифровых каналов), позволяющие не только осуществлять более тесное взаимодействие терминал — хост, но и обмен хост — хост для реализации распределенных баз данных и децентрализации процессов обработки информации.
   3.    Появление и массовое распространение персональных компьютеров выводит на первый план (для массового пользователя) проблему связи ПК — ПК (рис. 1.1, г) для быстрого резервирования и копирования информации (в том числе с использованием модемов) и локальные сети (рис. 1.1, д) — для совместной эксплуатации баз данных (файл-сервер) и дорогостоящего оборудования. В дальнейшем локальные сети потеряли самостоятельное значение вследствие интеграции с глобальными в двухуровневые сети, строящиеся по единому принципу в рамках Internet (рис. 1.1, е).
   В последующем перечисленные конфигурации не претерпели существенных изменений, однако понятия хост и терминал из чисто аппаратурных трансформировались в аппаратурно-программные и даже сугубо программные (например, эмуляторы терминала и эмуляторы хоста на однотипных ПК). Кроме того, в 80-е гг. в обиход входит понятие интеллектуального терминала (smart terminal) — сателлитной машины, которая берет на себя часть функций по обработке информации пользователя (например, синтаксический анализ запроса или программы).



            1.2. Системы «клиент — сервер»


   Таким образом, по мере развития представлений о распределенных вычислительных процессах и процессах обработки данных складывается концепция архитектуры «клиент — сервер» — обобщенное представление о взаимодействии двух компонент информационной технологии (технического и/или программно