Принципы построения и организация компьютерных сетей

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Инженерно-технологическая академия




              П. А. ДЯТЛОВ





            ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ



                       Учебное пособие












                   Ростов-на-Дону - Таганрог
        Издательство Южного федерального университета
2022

УДК 004.7(075.8)
ББК 32.973.202я73
     Д998
Печатается по решению кафедры радиотехнических
и телекоммуникационных систем
Института радиотехнических систем и управления
Южного федерального университета (протокол № 9 от 24 апреля 2022 г.)

    Рецензенты:

кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе ООО «Аквазонд» А. А. Дегтярев
кандидат технических наук, доцент кафедры РТС ИРТСУ Южного федерального университета О. А. Усенко

      Дятлов, П. А.

Д998        Принципы построения и организация компьютерных сетей :
      учебное пособие / П. А. Дятлов ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2022. - 127 с.
            ISBN 978-5-9275-4109-6
            В учебном пособии рассмотрены принципы, методы и ключевые вопросы построения компьютерных сетей разной архитектуры. Материалы учебного пособия предназначаются для проведения лекционных занятий, практических работ и лабораторного практикума при изучении курсов «Информатика», «Информационные технологии» и «Прикладная информатика» студентами специальностей 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», 11.05.02 «Специальные радиотехнические системы» и 11.05.04 «Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи» дневной и дистанционной форм обучения.
УДК 004.7(075.8)
ББК 32.973.202я73
ISBN 978-5-9275-4109-6


                                  © Южный федеральный университет, 2022
                                  © Дятлов П. А., 2022
                                  © Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ............................................... 5

1. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ................ 7
  1.1. Дискретные системы и сигналы.................... 7
  1.2. Граница Клода Шеннона.......................... 10
  1.3. Способы представления элементов двоичных кодов. 13
  Контрольные вопросы и задачи........................ 17

2. СЕТЕВЫЕ ТОПОЛОГИИ.................................. 19
  2.1. Топология «Общая шина»......................... 19
  2.2. Топология «Звезда»............................. 21
  2.3. Топология «Кольцо»............................. 25
  2.4. Другие топологии............................... 26
  Контрольные вопросы и задачи........................ 27

3. МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ.............. 29
  3.1. Первый уровень - физический уровень............ 34
   3.1.1. Скорость передачи данных.................... 34
   3.1.2. Достоверность передачи данных............... 35
   3.1.3. Технологии Ethernet......................... 35
   3.1.4. Стандарты Ethernet или семейство IEEE 802 .. 37
   3.1.5. Стандарты Ethernet семейства IEEE 802.3 .... 38
   3.1.6. Стандарты Ethernet семейства IEEE 802.11 ... 43
   3.1.7. Краткие итоги первого уровня модели......... 46
  3.2. Второй уровень - канальный уровень............. 47
   3.2.1. Физический адрес (MAC-адрес)................ 48
   3.2.2. Кадр Ethernet............................... 50
   3.2.3. Протоколы канального уровня................. 52
  3.3. Третий уровень - сетевой уровень............... 52
  3.4. Четвертый уровень - транспортный уровень....... 54
  3.5. Пятый уровень - сессионный уровень............. 55
  3.6. Шестой уровень - уровень представления......... 56
  3.7. Седьмой уровень - прикладной уровень........... 56
  3.8. Выводы по модели OSI........................... 57
  Контрольные вопросы и задачи........................ 59

3

Оглавление

   4. МОДЕЛЬ DOD................................................. 61
    4.1. Межсетевой уровень...................................... 63
     4.1.1. ARP-протокол......................................... 63
     4.1.2. IP-протокол.......................................... 67
    4.2. Транспортный уровень.................................... 85
     4.2.1. TCP-протокол......................................... 85
     4.2.2. UDP-протокол......................................... 89
     4.2.3. Функции транспортного уровня......................... 90
    4.3. Прикладной уровень...................................... 91
    Контрольные вопросы и задачи................................. 91
   5. ПОСТРОЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ.............................. 93
    5.1. Сетевое оборудование локальных компьютерных сетей.       93
    5.2. Безопасность сети....................................... 96
    5.3. Примеры сетевых протоколов и сервисов прикладного уровня 99
     5.3.1. Задание IP-адреса.................................... 99
     5.3.2. Сетевые имена........................................ 99
    Контрольные вопросы и задачи................................ 100
   6. СЕТЕВЫЕ УТИЛИТЫ TCP/IP.................................... 102
    6.1. Средства командной строки cmd.......................... 102
     6.1.1. ARP................................................. 102
     6.1.2. IPCONFIG............................................ 103
     6.1.3. PING................................................ 105
     6.1.4. TRACERT............................................. 107
     6.1.5. PATHPING............................................ 109
     6.1.6. NETSTAT............................................. 111
     6.1.7. NBTSTAT............................................. 115
    6.2. Конфигурирование сетевых настроек утилитой Netsh....... 116
     6.2.1. Что такое Netsh?.................................... 116
     6.2.2. Использование Netsh................................. 118
   Контрольные вопросы и задачи................................. 120
   ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................... 123
   СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................ 125

4

ВВЕДЕНИЕ


      История компьютерных сетей охватывает более пяти десятилетий и может служить предметом для отдельных исследований. В данном учебном пособии обратимся к проблемам физической передачи данных по линиям связи и затронем общие вопросы, связанные с компьютерными сетями в целом.
      При проектировании и построении компьютерных сетей, как разновидности инфокоммуникационной инфраструктуры, учитываются свойства проводных и беспроводных физических сред передачи данных. Под последними понимается физическая основа, служащая связью между участниками информационного обмена данными. Так, например, первые компьютерные сети использовали существующие линии связи, а после открытия технологии Ethernet в качестве проводных физических сред изначально использовались коаксиальные кабели, а в настоящее время - оптические кабели и кабели на основе витой пары. Беспроводные технологии в качестве физической среды используют эфир.
      Участвующие в информационном обмене электрические сигналы имеют различную природу. Как известно, практически все физические процессы непрерывны по своей природе. Путем регистрации различных физических процессов образуются сигналы, которые называют аналоговыми, поскольку они отражают аналог конкретных физических явлений. Аналоговые сигналы описываются функцией времени и непрерывным множеством значений, поэтому аналоговые сигналы также называют непрерывными. Однако аналоговые (непрерывные) сигналы без дополнительных преобразований в настоящее время используются редко. Благодаря теореме отчетов Котельникова (за рубежом это же открытие носит название теоремы Найквиста) аналоговый (непрерывный) сигнал представляется в виде последовательности значений (дискретов иначе отчетов) за счет дискретизации по времени и по уровню. Получаемый в итоге дискретный или цифровой сигнал находит широкое применение при проектировании и построении компьютерных сетей.
      Остановимся подробнее на преобразовании аналогового сигнала в дискретный. Согласно теореме отчетов Котельникова или теореме Найкви

5

Введение

ста, получаемый в результате преобразования аналогового сигнала, дискретный сигнал состоит из последовательности элементарных импульсов фиксированной формы (иначе называемых дискретами, отчетами, элементарными посылками), повторяющихся с некоторым конечным временным интервалом. Дискретный сигнал иначе называют видеосигналом, а элементарный импульс - чипом. Как правило (но не обязательно), временной интервал между последовательными чипами равен или превосходит длительность чипа. Для передачи в сложных условиях (радиоэфир), сопровождаемых неизбежными искажениями дискретного сигнала, используется модуляция сигнала, которая заключается в манипулировании амплитудой, фазой и, возможно, частотами отдельных чипов.

1. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ


1.1. Дискретные системы и сигналы

      Системы передачи данных, в основе которых используются непрерывные сигналы, называются аналоговыми. К дискретным системам относятся цифровые системы, в основе которых происходит обработка дискретных сигналов. Учитывая доминирующую роль в большинстве современных существующих и проектируемых компьютерных системах цифровых (иначе дискретных) сигналов, дальнейшее основное внимание будет сфокусировано на них.
      Широкую популярность цифровых систем в вычислительной технике можно объяснить следующими пятью факторами необходимости преобразований непрерывного сигнала в дискретный сигнал с помощью дискретизации по уровню и дискретизации по времени на основе теоремы отсчетов Котельникова.
    1.     В цифровых системах, по сравнению с аналоговыми, легче обеспечить возможности автоматизированной обработки информации. Связано это в существенном влиянии нестабильности и не идеальности аппаратурных характеристик систем. В цифровых системах большинство операций сводится к процессам, в основе которых находятся логические операции: «Да-Нет», «И», «ИЛИ», «НЕ» и т.п. Поэтому все этапы преобразования сообщений и сигналов такие, как дискретизация по времени и уровню, кодирование, модуляция, усиление, демодуляция, фильтрация, осуществляются с небольшими погрешностями.
    2.     Большим преимуществом цифровых систем является предельная протяженность цифровых линий, которая несравненно выше по сравнению с аналоговыми системами. Обеспечивается это преимущество возможностью восстановления формы цифрового сигнала, искаженного шумами и помехами, неизбежно присутствующими в любой системе передачи данных. Этот процесс называют регенерацией цифрового сигнала.
    3.     Универсальная форма представления сообщений различной физической природы в виде дискретных сигналов или цифровых сигналов и, как результат этого, гибкость цифровых систем, позволяют применять одни и те же методы и оборудование в различных практических сценариях.

7

1. Передача данных в компьютерных сетях

    4.      В цифровых системах гораздо проще уменьшить влияние аппаратурных погрешностей, поэтому в них показатели качества работы существенно выше по сравнению с аналоговыми системами.
    5.      Модульность цифровых систем позволяет объединять отдельные системы в более крупные комплексы.
      Для представления данных в цифровой технике одним из действенных инструментов является двоичный код. Технически он проще реализуем логическими устройствами, например, триггерами и вентилями, которые имеют два устойчивых состояния - открыт или закрыт.
      Преобразование двоичного кода в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием, а чтобы избежать путаницы с другими разновидностями кодирования, такими как шифрование и помехоустойчивое кодирование, здесь и далее будут использоваться понятие натуральное кодирование.
      Таким образом, цифровая последовательность данных, представленная с помощью натурального кодирования, состоит из элементов (иначе разрядов или элементарных посылок), которые называются битами (англ., Binary Digit, Двоичное число), введенного американским ученым Клодом Шенноном.
      Для иллюстрации преобразования непрерывного по уровню и времени сигнала в дискретный сигнал воспользуемся рис. 1, представленным ниже.
      Преобразование непрерывного по уровням и времени сигнала (рис. 1, а) осуществляется в несколько этапов: 1) дискретизация по уровням (иначе квантование) (рис. 1, б), 2) дискретизация по времени
(рис. 1, в), 3) полностью дискретный сигнал по состояниям, т.е. принимающий определенные дискретные значения как по уровням, так и по времени, показан на рис. 1, г.
      На рис. 1, д показан итоговый цифровой (иначе дискретный) сигнал, который в данном случае использует для натурального кодирования три разряда, так как следует из рис. 1, г максимальное значение по уровню имеет ограничение в десятеричной системе счисления 6 (двоичный код - 110). А согласно теореме Котельникова-Найквиста следовать дискретные отчеты по времени должны не реже, чем 1/2f, где f - верхняя граница частотного спектра речевого сигнала. Таким образом, из непрерывного сигнала получается цифровой дискретный сигнал.

8

1.1. Дискретные системы и сигналы

     Дискретный по уровням            t, с
и непрерывный по времени сигнал

д

Рис. 1. Виды сигналов

Кроме того, допускается группировка из нескольких бит: 8 бит образует один байт (англ., Byte), 16 бит (2 байта) - слово (англ., Word);

9

1. Передача данных в компьютерных сетях

32 бита (4 байта) - двойное слово (англ., Double Word) и 64 бита (8 байт) -учетверенное слово (англ., Quadword). Биты нумеруются с младшего разряда, обозначаемого нулем. Таким образом, в «слове» старший бит равен 31.
      Цифровые дискретные сигналы (иначе видеосигналы) используются внутри любой вычислительной системы. Более того, эти сигналы пригодны для любой системы, в которой предприняты необходимые условия для надежной передачи данных без искажений. Прием и передача видеосигналов в условиях воздействия внешних и внутренних шумов является сложной задачей и выходит за рамки данного учебного пособия [1].

1.2. Граница Клода Шеннона

      Научно-технический прогресс в области высоких технологий неразрывно связан с постоянным наращиванием вычислительных мощностей микропроцессоров, что приводит не только к увеличению пропускной способности внутренних шин персональных компьютеров, связывающих процессор с внутренними устройствами, но и к повышению пропускной способности компьютерных сетей, связывающих различные сетевые узлы¹ между собой.
      В большинстве проводных компьютерных сетях и внутри вычислительных систем применяют ряд способов, позволяющих обойтись при передаче сигналов без использования модуляции. Для повышения пропускной способности логичным выглядит уменьшение периода повторения прямоугольных импульсов двоичного кода (увеличение частоты следования) и уменьшение длительности импульсов. По такому пути всегда шли, пока не возникало проблем с синхронизацией, эффективным кодированием и надежной передачей данных. Чем больше период повторения и шире длительность импульсов, тем большей энергией обладает передаваемый сигнал и тем больше отношение сигнал-шум, но скорость передачи информации при этом снижается.


       ¹ Здесь и в дальнейшем изложении под узлом принято считать компьютер, смартфон или телефон, рабочую станцию сети, сервер, терминал или любое устройство, способное на прием/передачу данных под управлением стека протоколов TCP/IP.

10

1.2. Граница Клода Шеннона


      В 1927 г. один из первых исследователей в теории информации Гарри Найквист установил, что число независимых импульсов, которые могут быть переданы в единицу времени без искажений, ограничено двойной шириной частотного диапазона канала связи [2]:

Тпов

= 1/fnoe; fnoe < 2Nf,

где Tпов, fnoe - период повторения и частота следования импульсов двоичного кода; Af - полоса пропускания канала связи.
      Максимальная скорость передачи данных в канале связи без учета шумов, согласно теореме Найквиста, определяется, как C = 2Af log2M [бит/сек], где Af - полоса канала связи, а M - число уровней цифрового сигнала на выходе аналого-цифрового преобразователя.
      Идеи Гарри Найквиста нашли продолжение в 1940-х гг. в работах Клода Шеннона. Также похожие результаты были получены в 1933 г. русским ученым Владимиром Александровичем Котельниковым, но из-за секретности проводимых им работ, не получили широкой огласки. В русскоязычной литературе ключевые идеи в области цифровой обработки сигналов называют теоремой Котельникова, а за рубежом она известна, как теорема Найквиста-Шеннона или теорема отчетов.
      Суть утверждения, связывающего непрерывные и дискретные сигналы в следующем: любой непрерывный по уровню и времени сигнал, имеющий полосу частот от 0 до /в, можно непрерывно передавать при помощи отчетов, следующих друг за другом через 1/f/в секунды, где /в - наивысшая частота в спектре передаваемого сигнала [2].
      Американский ученый Клод Шеннон в 1948 г. сформулировал зависимость скорости передачи данных для гауссова канала передачи данных


                        С = Af iog2 [1 + РИ ;
I   Рп J

Рп = NoAf,

где C - скорости передачи данных; Pс, Pп - мощности сигнала и помехи; N0 - односторонняя спектральная плотность мощности гауссова белого шума; Af - ширина полосы пропускания канала связи.
      Если обозначить энергетическими затратами pe, как отношение мощности сигнала, затрачиваемой для передачи одного бита, к односторон-

11

1. Передача данных в компьютерных сетях

ней спектральной плотности мощности гауссова белого шума, а спектральную эффективность рf, как отношение скорости передачи данных к полосе частот канала, то получим фундаментальную асимптотическую границу Шеннона, которая должна удовлетворять следующему условию:

Ре = P ; Pf = C ; Pe > 2рf -¹
     N0        Af           Р f

или

C
E0 > 2/Аf -1.

(1)

N0

С/
A/^f

      Анализ границы Клода Шеннона (1), представленной на рис. 2 демонстрирует, что каналы связи, расположенные под кривой с абсолютно любыми и не всегда оптимальными комбинациями ре и рf возможны в принципе, а также возможен размен полосы канала на энергию сигнала. Так, например работа со скоростью C = 10Аf потребует отношения сигнал-шум порядка 30 дБ, что является вполне приемлемым и используется во многих цифровых радиорелейных и модемных каналах связи. А вот увеличение полосы в 100 раз приведет к отношению сигнал-шум порядка 280 дБ, что представляется совершенно нереалистичным и не удовлетворяет практическому использованию.

Рис. 2. Граница Клода Шеннона

Граница Клода Шеннона характеризует предельные возможности гауссова канала связи, которые могут быть достигнуты путем наилучшего

12