Сетевые информационные технологии. Моделирование и основные протоколы компьютерных сетей

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
В.Г. КОБЫЛЯНСКИЙ 
 
 
 
 
СЕТЕВЫЕ  
ИНФОРМАЦИОННЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ 
 
МОДЕЛИРОВАНИЕ  
И ОСНОВНЫЕ ПРОТОКОЛЫ  
КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2021 

 

УДК 004.722:004.414.23(075.8) 
         К 558 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор В.И. Хабаров 
канд. физ.-мат. наук, доцент М.Г. Зайцев 
 
Работа подготовлена на кафедре 
 «Теоретическая и прикладная информатика» 
 
Кобылянский В.Г. 
К 558   
Сетевые информационные технологии. Моделирование и 
основные протоколы компьютерных сетей: учебное пособие /  
В.Г. Кобылянский. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2021. – 131 с. 
 
ISBN 978-5-7782-4341-5 
 
Учебное пособие по курсу «Сетевые информационные технологии» 
содержит описание инструментальных средств для моделирования и 
анализа трафика компьютерных сетей, а также описание протоколов 
стека TCP/IP, некоторых прикладных протоколов и примеры учебных 
программ для изучения протоколов.  
Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлениям 
01.04.02 «Прикладная математика и информатика», 02.04.03 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем» 
и может быть полезным студентам всех направлений для углубленного 
изучения принципов функционирования компьютерных сетей. 
 
 
 
 
УДК 004.722:004.414.23(075.8) 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-4341-5  
 
 
 
 
 
 
© Кобылянский В.Г., 2021 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2021 

 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время программисты все чаще используют сетевые технологии, основанные на применении взаимодействия «клиент–сервер». 
Такие технологии применяются для удаленного доступа к базам данных 
в информационных системах, доступа к контенту WEB-серверов, удаленного управления мобильными устройствами и бытовыми приборами, а также для организации различных сетевых сервисов (мессенджеры, социальные сети, электронная почта, обмен файлами и т. д.). 
Разработчик современного программного обеспечения должен знать 
и понимать принципы организации сетевых приложений, которые базируются на модели открытого взаимодействия систем OSI. Эта модель 
служит фундаментом, на котором основана вся современная система сетевых стандартов, благодаря которой обеспечивается работа многочисленного сетевого оборудования, выпускаемого сотнями различных производителей. Знание сетевых стандартов, реализуемых в виде протоколов, особенно важно для сетевых администраторов, которым приходится ежедневно заниматься обеспечением надежного функционирования сетей. 
Целью настоящей работы является рассмотрение вопросов, связанных с моделированием компьютерных сетей, анализом сетевого трафика, а также с изучением основных протоколов стека TCP/IP и прикладных протоколов. В первом и втором разделе рассмотрены инструментальные средства, предназначенные для моделирования сетей и анализа трафика соответственно. Третий раздел посвящен изучению основных протоколов стека TCP/IP, в остальных разделах описаны наиболее 
часто используемые прикладные протоколы. 
Каждый раздел содержит теоретический материал, практические 
примеры и задания, а также набор вопросов для самоконтроля. В дополнение к разделам пособия желательно изучить рекомендованные 

источники информации и примеры программ, реализующих некоторые протоколы, что позволит лучше усвоить основной материал и 
ускорить выполнение практических заданий. Исходные тексты программ вынесены в приложения. 
В конце пособия приведен список рекомендуемых источников и 
краткий словарь основных терминов. В основной список вынесены печатные и электронные источники, рекомендуемые для изучения теоретического материала, в дополнительный список – для выполнения практических заданий. 
Пособие рассчитано на подготовленного читателя, знакомого с основами функционирования компьютерных сетей и владеющего базовыми понятиями этой предметной области. Оно может быть полезно 
преподавателям для проведения практических занятий и лабораторных 
работ. Изучение материала желательно начать с первых двух разделов, 
остальные разделы можно изучать в произвольном порядке. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ 

 
 
Прочитав этот раздел, вы узнаете: 
 основные сведения об эмуляторах компьютерных сетей; 
 технологию разработки сетевых моделей; 
 определение следующих терминов: концентратор, коммутатор, 
маршрутизатор, IP-адрес, маска сети. 
 
 
Современные компьютерные сети представляют собой сложные 
технические системы, состоящие из большого числа различных 
устройств и каналов связи, соединяющих эти устройства. Специалисты, которые занимаются проектированием, реализацией и обеспечением надежного функционирования сетей, всегда сталкиваются с 
большим числом проблем, требующих быстрого и верного решения. 
Такими проблемами могут быть, например, разработка или изменение топологии сети, выбор коммутационного оборудования, минимизация последствий отказов оборудования и т. д. В этих ситуациях часто есть несколько вариантов решения, и администратор сети должен 
выбрать лучший вариант с точки зрения определенных критериев. 
При этом проведение натурных экспериментов нередко связано с значительными финансовыми затратами или вообще невозможно из-за 
большой загрузки сети пользователями. 
В таких ситуациях удобно использовать специальное программное 
обеспечение – эмуляторы компьютерных сетей. Эмуляторы позволяют 
создать полноценную модель реальной сети, которая включает конечные узлы (хосты), коммутационное оборудование (концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы) и каналы связи. На основе такой модели 
можно выполнить проектирование сети, настройку сетевых параметров 
узлов, моделирование и наглядную демонстрацию процессов, происходящих в построенной сети. 

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ 

Напомним кратко основные сведения о принципах построения и работы компьютерной сети. 

1.1.1. СЕТЕВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 

Сетевое оборудование – это набор устройств, из которых состоит 

компьютерная сеть (компьютеры, коммутаторы, маршрутизаторы, 
точки доступа и т. д.). Физическая среда передачи данных между этими 
устройствами может быть проводной или беспроводной. Проводная 
среда также относится к сетевому оборудованию и часто называется кабельной системой, представленной одним из трех видов проводников: 
коаксиальным кабелем, витой парой или оптоволоконным кабелем. 
В качестве беспроводной среды обычно используется радиоканал. 

Коаксиальный кабель исторически был первой средой передачи дан
ных для локальных компьютерных сетей с топологией «общая шина». 
Он состоит из центрального медного проводника, слоя изоляции, алюминиевой или медной оплетки и дополнительной внешней изоляции. 
Преимуществом этого кабеля является высокая помехоустойчивость, что 
достигается за счет экранирующих свойств оплетки кабеля. Недостатки – 
сложность монтажа кабельной системы из-за повышенной жесткости кабеля и необходимость использования большой номенклатуры различных 
вспомогательных устройств (соединители, ответвители, терминаторы  
и т. д.). Максимальная скорость передачи данных в коаксиальном кабеле 
для сетей стандарта 10BASE-5 составляла 10 Мбит/с. 

В настоящее время коаксиальные кабели в локальных сетях не ис
пользуются. В основном они применяются в качестве магистральной 
линии в высокоскоростных сетях, обеспечивая скорости передачи 
до 1 Гбит/с, в сетях кабельного телевидения и в приемопередающей аппаратуре для подключения антенн. 

Витая пара – самый распространенный тип кабеля для построения 

локальных сетей. Состоит из нескольких скрученных между собой пар 
изолированных проводников. Передача данных происходит по методу 
точка-точка (один приемник и один передатчик), задержка сигнала в 
среднем составляет 4…5 наносекунд на метр кабеля. Достоинствами такого кабеля являются простой монтаж и низкая стоимость по сравнению 
с другими кабелями, недостатками – подверженность помехам и низкая 
секретность передачи информации. 

Существует несколько категорий кабеля с витой парой, которые 

обозначаются числами от 1 до 8 и определяют максимальную скорость 
передачи данных. В настоящее время используются кабели с категориями не ниже пятой, которые обеспечивают максимальную скорость передачи от 100 Мбит/с (для категории 5) до 40 Гбит/с для категории 8. 

Оптоволоконный кабель представляет собой несколько волоконных 

световодов, которые защищены изоляцией, а источником сигнала при 
передаче данных служит мощный светодиод (лазер). При этом сигнал 
передается без затухания на расстояние, измеряемое в километрах. Достоинства оптоволоконного кабеля – это высокая помехоустойчивость 
и информационная безопасность. Максимальная скорость передачи данных в магистральных кабелях может достигать 100 Гбит/с. 

Сетевая карта (сетевой адаптер, сетевой интерфейс) необходима 

для объединения компьютеров в локальную сеть и для подключения 
компьютера к сети Интернет. Каждая сетевая карта имеет свой индивидуальный номер – MAC-адрес, который предоставляется производителем. MAC-адрес позволяет однозначно определить каждый узел сети и 
доставить данные именно этому узлу. 

В кабельной системе данные передаются в виде световых или элек
трических импульсов, которые называются сигналами. По мере прохождения сигналы становятся слабыми и менее различимыми, поэтому для 
передачи на большие расстояния применяют специальные устройства – 
повторители (repeater), которые усиливают эти сигналы. Повторитель 
имеет два порта – входной и выходной. 

Концентратор (hub) – это сетевое устройство, имеющее несколько 

портов (от 4 до 32) и служащее для объединения компьютеров в сеть 
Ethernet. Концентратор часто называют многопортовым повторителем 
(multiport repeater), так как он не может определить, какому узлу сети 
предназначен передаваемый кадр, и поэтому ретранслирует входящие 
кадры с одного порта на все другие подключенные порты, что снижает 
уровень безопасности. В настоящее время концентраторы сняты с производства и встречаются редко. 

Коммутатор (switch) – устройство, предназначенное для объеди
нения узлов в локальную сеть, но в отличие от концентратора он передает данные конкретному узлу. Коммутатор находит в принятом кадре 
MAC-адреса отправителя и получателя, соединяет порты, к которым 
подключены эти узлы, и передает данные, оставляя остальные порты 
свободными. В сетях с большим количеством узлов коммутатор  

позволяет значительно увеличить производительность сети за счет повышения фактической скорости передачи кадров и уменьшения паразитного трафика. 

Коммутатор хранит в памяти таблицу, которая определяет связь 

MAC-адреса узла с соответствующим портом коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста и коммутатор начинает работать 
в режиме обучения. В этом режиме при поступлении на один из портов 
кадров они дублируются на все остальные подключенные порты. При 
этом коммутатор проводит анализ каждого кадра, определяет MAC- 
адрес отправителя и заносит в таблицу этот адрес и номер порта, на который поступил кадр. Таким образом в процессе работы коммутатор 
строит таблицу для всех своих портов. 

Если поступает кадр для узла, MAC-адрес которого уже есть в таб
лице, то кадр будет передан только через порт, номер которого указан в 
соответствующей строке таблицы. 

Маршрутизатор (router) – сетевое устройство, которое на основа
нии информации о структуре сети по определенному алгоритму выбирает маршрут для пересылки пакетов между различными сетями, в том 
числе несовместимых по архитектуре и протоколам (например, для соединения в одну сеть нескольких подсетей). Маршрутизатор может использоваться также для подключения локальной сети Ethernet к глобальной сети Интернет, осуществляя при этом функции межсетевого экрана. 

1.1.2. ТОПОЛОГИЯ СЕТИ 

Топология сети определяет физическое размещение узлов сети и 

связей между ними. Выделяют три основные топологии: шина, кольцо, 
звезда: 

 при построении сети по шинной схеме все компьютеры присоеди
няются к одному общему кабелю; 

 при кольцевой топологии все узлы соединяются кабельной систе
мой последовательно друг с другом в неразрывное кольцо, причем последний узел соединяется с первым. Данные в кольце всегда движутся 
в одном направлении, а начинают и заканчивают движение в одной 
точке; 

 при построении сети по топологии «звезда» каждый компьютер 

сети подсоединяется кабелем к портам одного коммутатора. 

Возможны также различные комбинации этих топологий. 

1.1.3. ТИПЫ IP-АДРЕСОВ 

Основным идентификатором узла на сетевом уровне является IP-адрес, 

структура которого определяется соответствующим протоколом. Например, протокол IPv4 представляет адрес в виде четырех однобайтовых чисел, а протокол IPv6 – в виде восьми двухбайтовых чисел. В настоящее 
время основная доля трафика в сетях использует протокол IPv4, поэтому 
далее будем рассматривать именно этот протокол. 

IP-адрес состоит из двух частей, определяющих адрес сети и адрес 

узла в пределах сети. Специальный разграничительный знак между 
этими частями отсутствует, поэтому для распознавания адреса сети 
маршрутизаторы используют шаблон, который называется маской. 
Маска сети – это 32-битовое число, у которого биты, соответствующие 
адресу сети, установлены в 1, а биты, соответствующие адресу узла в 
сети, установлены в 0. Все узлы одной сети должны использовать одну 
маску сети и иметь одинаковый адрес сети. 

Возможны две формы записи маски: 
 можно указывать в том же виде, что и IP-адрес (4 байта): 

IP-адрес сети: 172.30.0.0; 
маска подсети: 255.255.248.0; 

 можно указывать количество начальных единичных бит в маске 

сразу после IP-адреса через символ ”/” : 

IP-адрес сети: 172.30.0.0/21. 

Все IP-адреса протокола IPv4 подразделяются на публичные, част
ные и специальные. Публичным IP-адресом называется IP-адрес, который используется для выхода в Интернет. Такие адреса часто называются белыми или внешними. Доступ к устройству с публичным IP-адресом можно получить из любой точки глобальной сети, так как эти IPадреса маршрутизируются в Интернете в отличие от частных IP-адресов. Количество публичных адресов протокола IPv4 ограничено, поэтому в локальных сетях используются частные IP-адреса. 

Частный IP-адрес принадлежит к специальному диапазону, не ис
пользуемому в сети Интернет. Следующие диапазоны определены как 
адреса, выделенные для локальных сетей: 

10.0.0.0…10.255.255.255 (маска подсети 255.0.0.0); 
172.16.0.0…172.31.255.255 (маска подсети 255.240.0.0); 
192.168.0.0…192.168.255.255 (маска подсети 255.255.0.0). 

Частные адреса могут называться серыми, локальными или внутрен
ними. 

Специальные адреса предназначены для широковещательных и 

групповых рассылок, а также для отладки сетевых приложений. Например, адреса, в которых первый байт равен 127, являются адресами внутреннего стека протоколов компьютера или маршрутизатора и используются для тестирования сетевых приложений или для организации клиент-серверного взаимодействия на одном компьютере. 

Закрепление IP-адреса за сетевым устройством может быть статиче
ским или динамическим. В первом случае адрес выдается в постоянное 
пользование вручную администратором сети на этапе конфигурирования сети. Недостатком такого способа является высокая трудоемкость 
при большом числе узлов в сети. 

Второй способ предполагает автоматизацию процесса конфигуриро
вания сетевых интерфейсов компьютеров и маршрутизаторов, обеспечивая уникальность адресов. Для этого используется протокол динамического конфигурирования сети DHCP, использующий технологию 
клиент–сервер. Сервер DHCP управляет выдачей IP-адресов, а клиентские программы, установленные на каждом узле сети, обращаются к 
серверу с запросом на получение адреса. 

Сервер DHCP может использовать три режима выдачи IP-адресов: 
 ручное назначение статических адресов; 
 автоматическое назначение статических адресов; 
 автоматическое распределение динамических адресов. 
В первом режиме администратор задает жесткое соответствие IP-ад
ресов физическим адресам клиентов и сервер всегда выдаст определенному клиенту один и тот же назначенный ему адрес. 

Во втором режиме сервер самостоятельно выделит клиенту IP-адрес 

из заданного пула адресов в постоянное пользование. При последующих 
запросах клиенту всегда возвращается тот же адрес. 

В третьем режиме сервер выделяет IP-адрес на ограниченное время. 

По истечении срока аренды или удалении клиента из сети IP-адрес вновь 
считается свободным и может быть выделен другому клиенту. 

Во всех режимах администратор сети при конфигурировании DHCP
сервера указывает ему один или несколько диапазонов IP-адресов, относящихся к одной сети.