Компьютерные сети


А. В. Кузин





                КОМПЬЮТЕРНЫЕ
                СЕТИ




3-е издание, переработанное и дополненное


Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальностям «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (по отраслям) и «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»





    МОСКВА 2014

УДК 004.6(075.32)
ББК 32.973я723
      К89





Рецензенты:
профессор Московского государственного социального университета, доктор технических наук Ю. П. Кораблин; профессор МВТУ им. Баумана, доктор технических наук А. С.Чижов





      Кузин А. В.
К89 Компьютерные сети: учебное пособие / А. В. Кузин. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2014. — 192 с.: ил. — (Профессиональное образование).

        ISBN 978-5-91134-476-4 (ФОРУМ)
        ISBN 978-5-16-004609-9 (ИНФРА-М)

        Рассматриваются общие вопросы построения компьютерных сетей: сетевые архитектуры, аппаратные компоненты, линии связи, сетевые модели, задачи и функции по уровням сетевой модели OSI, различия и особенности распространенных протоколов разных уровней, принципы адресации в сети, методы доступа к среде передачи данных. Приводятся особенности основных операционных систем, структура и информационные услуги территориальных сетей.
        Для студентов средних специальных учебных заведений, обучающихся по специальностям «Автоматизированные системы обработки информации и управления», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».

                                                    УДК 004.6(075.32)
                                                    ББК 32.973я723









ISBN 978-5-91134-476-4 (ФОРУМ) © Кузин А. В., 2010
ISBN 978-5-16-004609-9 (ИНФРА-М) © Издательство «ФОРУМ», 2010

            Введение








   Компьютерные информационно-вычислительные сети (ИВС) и телекоммуникации — сравнительно новая, стремительно развивающаяся область науки и техники. Работы по проектированию и созданию ИВС и телекоммуникаций ведутся одновременно во многих передовых странах мира.
   Для изучения принципов организации и функционирования информационно-вычислительных сетей и телекоммуникаций необходимо обладать знаниями в достаточно широкой области, включающей основы электротехники и электроники, информатики и вычислительной техники, и дополнить их знаниями сетевых технологий, техники электрической связи и других.
   Учитывая специфику среднего профессионального обучения, материал предлагаемого учебного пособия излагается последовательно, начиная с рассмотрения общих вопросов построения ИВС, а затем с углубленным описанием основных компонентов сетей и телекоммуникаций.
   Основой книги послужили тексты лекций и практических занятий, проводимых автором в Красногорском оптико-электронном колледже, а также на факультете информационных систем Российского государственного социального университета.

Глава 1


            ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О КОМПЬЮТЕРНЫХ
            СЕТЯХ









1.1. Классификация информационно-вычислительных сетей (ИВС). Локальные, городские и глобальные сети

   Коммуникационная сеть — система, состоящая из объектов, называемых пунктами (узлами) сети и осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления некоторого продукта, а также линий передачи (связей, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами. В качестве продукта может фигурировать информация, энергия, масса. Соответственно различают группы сетей информационных, энергетических, вещественных. В группах сетей возможно разделение на подгруппы. Так, среди вещественных сетей могут быть выделены сети транспортные, водопроводные, производственные и др.
   Информационно-вычислительная сеть — коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования является информация, а узлами сети — вычислительное оборудование. Компонентами ИВС могут быть электронные вычислительные машины (ЭВМ) и периферийные устройства, являющиеся источниками и приемниками данных, передаваемых по сети. В качестве периферийных устройств могут выступать ЭВМ, принтеры, плоттеры и другое вычислительное, измерительное и исполнительное оборудование автоматических и автоматизированных систем. Собственно пересылка информации происходит с помощью средств, объединяемых под названием среда передачи данных.

1.1. Классификация информационно-вычислительных сетей...

5

   Существует множество причин для объединения отдельных компьютеров в сеть, например:
   1)    в сети можно организовать доступ всех пользователей к единому информационному ресурсу (например, базе данных), расположенному на одном компьютере. При этом возрастает мобильность и оперативность работы, упрощаются процессы обеспечения целостности информационного ресурса и его резервного копирования;
   2)     при объединении компьютеров в сеть снижаются затраты на аппаратное обеспечение в расчете на одного пользователя. Это достигается за счет совместного использования дискового пространства, дорогих внешних устройств (лазерных принтеров, сканеров, плоттеров). При этом правильная организация совместного доступа повышает надежность системы в целом, поскольку при поломке одного устройства исполнение его функций может взять на себя другое;
   3)     совместное использование дискового пространства позволяет разместить сетевые версии прикладного программного обеспечения на диске одного компьютера, что, кроме значительной экономии места на дисках, позволяет снизить затраты на программное обеспечение (ПО).
   ИВС классифицируются по ряду признаков. В зависимости от расстояний между связываемыми узлами различают вычислительные сети:
   • территориальные, охватывающие значительное географическое пространство. Среди территориальных сетей можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы; региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей — WAN (Wide Area Network);
   • локальные вычислительные сети (ЛВС), охватывающие ограниченную территорию (обычно в пределах удаленности узлов сети не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже — на несколько километров). Локальные сети также обозначают сокращением LAN (Local Area Network);
   • корпоративные сети (масштаба предприятия) — совокупность связанных между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение.

Глава 1. Основные понятия о компьютерных сетях

   Среди глобальных сетей следует выделить единственную в своем роде глобальную сеть Internet и реализованную в ней информационную службу World Wide Web (WWW) (переводится на русский язык как всемирная паутина).
   Различают интегрированные сети, неинтегрированные сети и подсети. Интегрированная вычислительная сеть (интерсеть) представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями. Обычно интерсети приспособлены для различных видов связи: телефонии, электронной почты, передачи видеоинформации, цифровых данных и т. п. В этом случае они называются сетями интегрального обслуживания.
   В зависимости от топологии соединений узлов различают сети шинной (магистральной), кольцевой, звездной, ячеистой, комбинированной, произвольной структуры.
   В зависимости от способа управления различают сети:
   «клиент/сервер» или сети с выделенным сервером. В них выделяется один или несколько узлов (их название — серверы), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети клиент/сервер различаются по характеру распределения функций между серверами, другими словами, по типам серверов (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям получается сеть распределенных вычислений. В рамках одной локальной сети может использоваться несколько выделенных серверов. По своему функциональному назначению различают несколько типов серверов:
   • файловый сервер;
   • сервер печати;
   • сервер приложений;
   • сервер базы данных;
   • коммуникационный сервер и т. д.
   Файловый сервер — компьютер, который выполняет функции управления локальной сетью, отвечает за коммуникационные связи, хранит файлы, разделяемые в сети, и предоставляет доступ к совместно используемому дисковому пространству.
   Сервер печати — компьютер, программа или специальное устройство, обеспечивающее доступ станциям сети к центральному разделяемому принтеру. Запросы на печать поступают от каждой рабочей станции к серверу печати, который разделяет их

1.1. Классификация информационно-вычислительных сетей...

7

на индивидуальные задания принтеру, создает очередь печати. Задания обычно обрабатываются в порядке их поступления. В функции сервера печати входит также управление принтером.
   Коммуникационный сервер (сервер удаленного доступа — Access Server) позволяет работать с различными протоколами (правилами передачи информации в сети) и позволяет станциям разделять модем или узел связи с большой ЭВМ. Это дает возможность получить информацию, хранящуюся в сети, практически с любого места, где есть телефон, модем и компьютер.
   Довольно часто сервер совмещает функции коммуникационного сервера и сервера приложений.
   Сервер приложений выполняет одну или несколько прикладных задач, которые запускают пользователи со своих терминалов, включенных в данную сеть. Принцип действия сервера приложений совпадает с принципом действия многотерминальной системы (системы совместной обработки). Задача пользователя выполняется непосредственно на сервере приложений, а по низкоскоростной телефонной линии на удаленный компьютер (терминал) передается только изображение экрана терминала пользователя, а обратно — только информация о нажимаемых пользователем клавишах. Поэтому нагрузка по передаче информации (например, при работе с базами данных (БД)) ложится на высокоскоростной кабель сети, к которой подключен сервер приложений.
   Сервер БД — специализированная программа или компьютер, обеспечивающий станции записями из базы данных. При использовании обычного файл-сервера все данные из БД передаются через сеть в пользовательский компьютер так, чтобы он мог выбрать информацию, необходимую работающей прикладной программе. В отличие от этого, сервер БД сам выбирает необходимые данные и посылает через сеть только информацию, запрашиваемую программой пользователя (эта программа производит обработку информации и представление ее пользователю). Таким образом, в подобных системах (называемых системами «клиент/сервер») совмещаются преимущества систем совместной и распределенной обработки.
   Технология клиент/сервер является реализацией распределенной обработки данных. С точки зрения баз данных под распределенной обработкой понимается выполнение операций с базами данных на одной машине и приложений на другой. В системе архитектуры клиент/сервер обработка данных разделена между компьютером-клиентом и компьютером-сервером, связь

Глава 1. Основные понятия о компьютерных сетях

между которыми происходит по сети. Основная функция компьютера-клиента состоит в выполнении приложения (интерфейса с пользователем и логики представления) и осуществлении связи с сервером, когда этого требует приложение. Компьютер-клиент может быть как простой машиной типа персонального компьютера, так и мощной рабочей станцией с многозадачной и многопользовательской операционной системой типа UNIX. Таким образом, выбор компьютера, операционной системы, оперативной и дисковой памяти, другого оборудования определяется требованиями приложения. Главная функция компьютера-сервера заключается в обслуживании потребностей клиента. Связь с клиентом, анализ и выполнение запроса к базе данных, включая возврат клиенту результата запроса (набора строк из базы данных), управление одновременным доступом к базе данных многих пользователей, перенаправление запросов к другим серверам сети, обеспечение защиты — таковы некоторые основные функции компьютера-сервера.
   К рассмотренным выше серверам можно добавить сервер электронной почты и факс-сервер. Главной их характеристикой является степень защиты конфиденциальной информации от несанкционированного доступа.
   Один выделенный компьютер в сети может одновременно выполнять функции файл-сервера, сервера печати, приложений и т. д.
   Одноранговые — в них все узлы равноправны. Поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером — объект, предоставляющий эти услуги, поэтому каждый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.
   Сети также различают в зависимости от используемых в них протоколов и по способам коммутации.
   Протоколы — это набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков сети при передаче данных. Другими словами, протокол — это совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участниками процесса информационного обмена.
   Поскольку информационный обмен — процесс многофункциональный, то протоколы делятся на уровни. К каждому уров

1.2. Программные и аппаратные средства ИВС

9

ню относится группа родственных функций. Для правильного взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой. Этим целям служат унификация и стандартизация в области телекоммуникаций и вычислительных сетей.
   Унификация и стандартизация протоколов выполняются рядом международных организаций, что наряду с разнообразием типов сетей породило большое число различных протоколов. Наиболее широко распространенными являются протоколы, разработанные и применяемые в глобальной сети Internet, протоколы открытых систем Международной организации по стандартизации (ISO — Intrenational Standard Organization), протоколы Международного телекоммуникационного союза (International Telecommunication Union — ITU) и протоколы Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers).
   Протоколы ISO являются семиуровневыми и известны как протоколы базовой эталонной модели взаимосвязи открытых систем.


1.2. Программные и аппаратные средства ИВС

   Вычислительная сеть (ВС) — это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов, основными элементами которого являются:
   • компьютеры;
   • коммуникационное оборудование;
   • операционные системы;
   • сетевые приложения.
   В основе любой сети лежит стандартизованная аппаратная платформа. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов — от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.
   Второй элемент — это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль

Глава 1. Основные понятия о компьютерных сетях

стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Изучение принципов работы коммуникационного оборудования требует знакомства с большим количеством протоколов, используемых как в локальных, так и глобальных сетях.
   Третьей составляющей, образующей программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.
   Последней составляющей сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.



1.3. Сети одноранговые и «клиент/сервер»

   Локальные, глобальные и территориальные сети могут быть одноранговыми сетями, сетями типа «клиент/сервер» (они также называются сетями с выделенным сервером) или смешанными сетями (в которых используются как одноранговые технологии, так и технологии с выделенным сервером).