Компьютерные сети

Компьютерная сеть
Компьютерная сеть — группа устройств, объединенных между собой каким-либо способом с целью совместного доступа к ресурсам и обмена информацией.

Основные определения
Узел (абонент, хост) - устройство (компьютер, сетевой принтер, IP-камера, IP-телефон), непосредственно подключенное к сетеобразующему телекоммуникационному оборудованию.
Сервер – специально выделенный высокопроизводительный компьютер, оснащенный соответствующим программным обеспечением, централизованно управляющий работой сети и/или предоставляющий другим компьютерам свои ресурсы (файлы данных, накопители, процессорное время и т.д.).
Клиент (рабочая станция) – компьютер пользователя сети, получающий доступ к ресурсам сервера (серверов).
Среда передачи (канал связи, линия связи) - физическая среда распространения сигналов от источника к приемнику.
Пропускная способность - максимально возможная скорость передачи данных по линии связи.
Сегмент сети - логически или физически обособленная часть сети.
Сегментация сети - разделение сети на сегменты с целью уменьшения в них количества узлов, увеличения пропускной способности в расчете на один узел и повышения безопасности.
Компьютерная сеть

История компьютерных сетей
История развития компьютерных сетей неразрывно связана с развитием вычислительной техники.
40-е годы — Огромные вычислительные устройства, построенные на реле и радиолампах
1947 г. — Изобретение полупроводниковых транзисторов
1950-е — Развитие мэйнфреймов
Конец 50-х годов — Изобретение интегральных схем
Конец 60-х — Удешевление элементов, появление мини-компьютеров
Конец 70-х — Появление персональных компьютеров

Первые локальные компьютерные сети:
Начало 70-х годов - появление больших интегральных схем (БИС).
В 1978 г. компания Apple Computer выпустила первый персональный компьютер (ПК).
В начале 80-х годов произошел взрыв в области объединения компьютеров в сеть.
История компьютерных сетей

Появление стандартов локальных вычислительных сетей
Хаотичное развитие локальных сетей и используемых в них технологий привело к их несовместимости.
Появилась необходимость в стандартизации правил сетевого взаимодействия.
В 1983 г. институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) принял стандарт IEEE 802.3 на технологию Ethernet, разработанную Робертом Меткалфом в 1973 г.
В 1985 г. был принят стандарт IEEE 802.5 на технологию Token Ring, изначально разработанную компанией IBM.
В середине 80-х стали популярными технологии FDDI (Fiber Distributed Data Interface ) и ARCNET (Attached Resource Computer NETwork)
История компьютерных сетей

Появление глобальных сетей
Проблема: связать локальные сети, находящиеся на большом расстоянии друг от друга.
Решение этой проблемы было найдено в создании глобальных вычислительных сетей.
История компьютерных сетей

Классификация компьютерных сетей
Компьютерные сети можно классифицировать про разным признакам:
1. По территориальной распространенности

Классификация компьютерных сетей
Локальная сеть (Local Area Network, LAN) – группа компьютеров, связанных друг с другом и расположенных на небольшой территории. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.
Глобальная сеть (Wide Area Network, WAN) – сеть, объединяющая компьютеры разных городов, регионов, государств.
Региональная сеть (Metropolitan Area Network, MAN) – сеть, связывающая множество локальных сетей на территории одного города. Сочетает в себе признаки как локальной, так и глобальной сети. Для нее характерна большая плотность подключения конечных абонентов, высокоскоростные линии связи и большая протяженность линий связи.

Классификация компьютерных сетей
2. По скорости передачи информации

3. По типу среды передачи данных:
Проводные: коаксиальный кабель, витая пара, волоконно - оптический кабель
Беспроводные: передача информации с использованием электромагнитных волн в определенном частотном диапазоне
Классификация компьютерных сетей

В одноранговой сети все компьютеры равноправны.
Одноранговые сети называют также рабочими группами.
Рабочая группа — это небольшой коллектив, поэтому в одноранговых сетях чаще всего не более 10 компьютеров.
Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции).
Клиент-серверная сеть — это сеть, в которой устройства являются или клиентами, или серверами.
Одноранговая сеть
Сеть с выделенным сервером
Архитектура сети - это способ логической, функциональной и физической организации ее технических и программных средств.

1. Шинная топология
Все компьютеры подключаются к одному кабелю (шине). На концах кабеля устанавливаются терминаторы. В качестве кабеля используется коаксиальный кабель. Отключение любого из подключенных устройств на работу сети никакого влияния не оказывает. По шинной топологии строятся 10 Мбитные сети.
2. Звездообразная топология
Каждый компьютер подключен отдельным проводом к отдельному порту концентратора (Hub) или коммутатора (Switches). Топология «Звезда» используется в 100 Мбитных сетях.
3. Кольцевая топология
При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер усиливает сигналы и передает их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, функционирование сети может нарушиться.
Сетевые топологии

Топология «Общая шина»
Шина – это линия связи, которую несколько устройств используют для обмена данными.
простота, дешевизна
небольшой расход кабеля;
легко подключать новые рабочие станции;
сеть работает при от отказе любого компьютера
при разрыве кабеля вся сеть не работает
один канал связи на всех
низкий уровень безопасности
сложно обнаруживать неисправности
ограничение размера (не более 185 м)

Топология «Звезда»
сеть работает при отказе любой рабочей станции
высокий уровень безопасности
простой поиск неисправностей и обрывов
большой расход кабеля
высокая стоимость
при отказе коммутатора вся сеть не работает
количество рабочих станций ограничено количеством портов коммутатора.

Топология «Кольцо»
большой размер сети (до 20 км)
надежная работа при большом потоке данных
не нужны коммутаторы
для подключения нового узла нужно останавливать сеть
низкая безопасность
сложность настройки и поиска неисправностей

Сетевые кабели

Сетевые кабели
1 коаксиальный кабель
2 кабель витой пары
3 оптоволоконный кабель
1
2
3

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель.
Структура
Коаксиальный кабель предназначен для построения сетей с топологией "шина«. Кабель состоит из:
проводящей жилы;
изоляции;
металлической оплетки;
внешней изоляции.

Проводящая жила – медный провод или пучок медных проводов, по которым передается информация в виде электрического сигнала
Изоляция – слой диэлектрика который отделяет проводящую жилу от металлической оплетки. В случае повреждения изоляции сигнал из оплетки проникает в жилу, что приводит к разрушению передаваемого по жиле информационного сигнала
Коаксиальный кабель.
Структура

Металлическая оплетка – защищает сигнал, распространяющийся в жиле, от внешних шумов и перекрестных помех
В сильно зашумленных местах можно использовать кабель с двойной экранизацией (содержит металлическую оплетку и дополнительный экран из фольги) или кабель с учетверенной экранизацией (содержит два слоя оплетки и два слоя металлической фольги)
Внешняя изоляция – наружный непроводящий защитный слой.
Коаксиальный кабель.
Структура

Коаксиальный кабель.
Толстый коаксиальный кабель
Характеристики
Диаметр жилы – 1/12" ≈ 2,17 мм
Диаметр кабеля – 1/2" ≈ 12 мм
Волновое сопротивление – 50 Ом
Характеристики
Диаметр жилы – 1/30" ≈ 0,85 мм
Диаметр кабеля – около 5 мм
Волновое сопротивление – 50 Ом
Коаксиальный кабель.
Тонкий коаксиальный кабель

Витая пара

Кабель витой пары
Кабель витой пары предназначен для соединения двух устройств. Обычно он применяется для соединения центральных устройств с оконечными в топологиях "звезда" и "кольцо".
Витая пара - это два провода, перевитых вокруг друг друга. Кабель витой пары - это несколько пар проводов (обычно 4), заключенных в одну защитную оболочку.

Кабель витой пары
Кабель неэкранированной витой пары не содержит дополнительных составляющих
Кабель экранированной витой пары содержит экранирующую оболочку и имеет множество разновидностей в зависимости от способа экранирования, например
Screened Twisted Pair (ScTP) – каждая пара заключена в отдельный экран
Foiled Twisted Pair (FTP) – витые пары заключены в общий экран из фольги
Pair in Metal Foil (PiMF) – каждая пара завернута в полоску металлической фольги, а все пары - в общий экранирующий чулок

Кабель витой пары.
Категории

Кабель витой пары.
Способ подключения
Для подключения кабеля витой пары к устройству используются 8-контактные вилки и розетки RJ-45
Стандарт EIA/TIA-568 определяет соответствие цветов проводников номерам разъемов и нумерацию пар проводников/контактов
Стандарт определяет 2 варианта

Оптоволоконный кабель

Оптоволоконный кабель

Различают:
одномодовое волокно
имеет диаметр жилы 5-10 мкм (микрометр)
способно передавать только один сигнал
имеет полосу пропускания до сотен ГГц/км
технологически сложно в изготовлении и использовании
многомодовое волокно со ступенчатым или плавным изменением показателя преломления
имеет диаметр жилы 50-60 мкм
способно передавать одновременно несколько сигналов
имеет полосу пропускания 500-800 МГц
Оптоволоконный кабель

Оптоволоконный кабель
Преимущества и недостатки
Преимущества
Передает информацию с большой скоростью
Для передачи информации используется свет с длиной волны 1,55 мкм, 1,3 мкм, 0,85 мкм
Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание сигнала в оптоволокне
Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного и недорогого материала (в отличие от меди)
Компактность и легкость
Устойчивость к электромагнитным помехам
Защищенность от несанкционированного доступа
Долговечность – Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет
Недостатки
Для выполнения монтажа оптоволоконного кабеля требуется относительное дорогое оборудование
Некачественное соединение резко снижает характеристики кабеля

Типы серверов
Сервер - (от англ. server, обслуживающий). Сервер бывает программный и аппаратный.
Сервер данных (файлов) и личных папок - это выделенный сервер, предназначенный для выполнения файловых операций ввода-вывода и хранящий файлы любого типа.
Сервер Приложений - это программная платформа, предназначенная для эффективного исполнения процедур, на которых построены приложения. 1С, Консультант+, Гарант - это самые простые программы, которые могут быть установлены на сервере для обеспечения доступа большому числу сотрудников.

Типы серверов
Сервер Имен (DNS) - в сети каждому компьютеру присвоен ip адрес (айпи). Между собой компьютеры общаются, обращаясь именно по нему. Сервер имен - та программа, которая помогает преобразовывать цифры в читаемые имена.
Почтовый Сервер - электронная почта. Почтовая программа это только оболочка, а самая главная часть - Почтовый Сервер. Это то место, откуда отправляется почта, куда она приходит. Почтовый сервер общается с другими почтовыми серверами на основе конфигурационных файлов, заданных пользователем.

Типы серверов
Веб Сервер - это самый популярный вид сервера. Веб-сервер нужен чтобы хранить сайты и веб-приложения. Самый популярный веб-сервер это Apache.
Прокси Сервер - это сервер, который осуществляет запрос в Интернет вместо вас.
Преимущества: Анонимность. Безопасность. Экономия трафика. Контроль за посещением сайтов сотрудниками. Авторизация выхода в Интернет. Блокировка баннеров. Блокировка нежелательных сайтов.

Типы серверов
Терминальный Сервер - нужен для создания удаленной работы на сервере сотрудникам. Программный сервер, принимающий PPP-соединения и обеспечивающий удаленный доступ. Сервер удаленного доступа:
подключается одновременно к локальной и к территориальной коммуникационной сетям;
обеспечивает маршрутизацию блоков данных при их передаче через территориальную сеть.
Видеосервер - если установлена система видеонаблюдения, то один из вариантов ее использования - хранить записи на видеосервере. А просматривать их с помощью разных программ.

Типы серверов
Беспроводной сервер - В своей простейшей интерпретации такой компьютер может представлять собой типичный Web-сервер или сервер приложений, который просто знает, как передавать документы, составленные на стандартном для беспроводных устройств языке. Часто в качестве такого языка выступает Wireless Markup Language (WML). Адаптация Web-сервера для работы в качестве беспроводного сервера, способного обрабатывать документы WML-типа, обычно сводится просто к тому, чтобы обучить сервер распознаванию этих документов. Web-серверу требуется только сообщить клиенту, что документ составлен в формате для беспроводных устройств, и на этом его работа заканчивается.
Серверы DHCP - IP-адрес компьютерам можно присваивать вручную, или же на одной из машин запускается так называемый сервер DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), который автоматически присваивает IP-адрес каждой локальной машине. Основное преимущество сервера DHCP — свобода изменения конфигурации локальной сети при ее расширении, добавлении или удалении машин (например, портативных ПК).

Типы серверов
Принт-серверы - Такие серверы позволяют всем подключенным к сети компьютерам распечатывать документы на одном или нескольких общих принтерах. В этом случае отпадает необходимость комплектовать каждый компьютер собственным печатающим устройством. Кроме того, принимая на себя все заботы о выводе документов на печать, принт-сервер освобождает компьютеры для другой работы. Например, принт-сервер хранит посланные на печать документы на своем жестком диске, выстраивает их в очередь и выводит на принтер в порядке очередности.

МОДЕЛЬ OSI
Модель Open Systems Interconnection (OSI) – это скелет, фундамент и база всех сетевых сущностей. Модель определяет сетевые протоколы, распределяя их на 7 логических уровней. Важно отметить, что в любом процессе, управление сетевой передачей переходит от уровня к уровню, последовательно подключая протоколы на каждом из уровней.
Нижние уровни отвечают за физические параметры передачи, такие как электрические сигналы. Токи представляются в виде последовательности единиц и нулей (1 и 0), затем, данные декодируются и маршрутизируются по сети. Более высокие уровни охватывают запросы, связанные с представлением данных. Условно говоря, более высокие уровни отвечают за сетевые данные с точки зрения пользователя.

Семь уровней модели OSI
Прикладной уровень - это уровень, на котором существует конечный пользователь.
Уровень приложений обрабатывает основу, которую используют почти все приложения
конечного пользователя.
Функции application:
Решение задач, отправка файлов; управление заданиями и системой;
Определение пользователей по их логину, e-mail адресу, паролям, электронным подписям;
Запросы на соединение с иными прикладными процессами;

Семь уровней модели OSI
Уровень представления
- как только клиент делает HTTP-запрос, сам запрос передается на уровень представления.
Этот уровень обрабатывает три основные функции:
Шифрование и дешифрование
Сериализация и десериализация (перевод на другой язык)
Сжатие (чем меньше битов нужно отправить, тем быстрее будет запрос.
Функция – представить данные, передаваемых между прикладными процессами, в необходимой форме.

Семь уровней модели OSI
Сеансовый уровень
- отвечает за открытие, закрытие и поддержание соединений между клиентом и сервером.
Этот уровень используется для:
Открытие соединений
Поддержание активных соединений
Закрытие соединений
Функция – определить, какая будет передача информации между 2-мя прикладными процессами:
полудуплексной (по очередная передача и прием данных) или дуплексной (одновременная передача
и прием информации).

Семь уровней модели OSI
Транспортный уровень - обычно определяется на основе используемого протокола.
Два наиболее популярных из них:
-Протокол управления передачей (TCP)
-Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP)
Функция – гарантировать доставку данных, уровень использует подтверждение от получателя, если подтверждение не пришло транспортный уровень снова отправляет подтверждение данных.
TCP является одним из основных протоколов. Он используется поверх IP (интернет-протокола) для обеспечения надежной передачи пакетов.
Протокол TCP устраняет многие проблемы, возникающие при использовании IP, такие как потерянные пакеты, неупорядоченные пакеты, дублирующиеся пакеты и поврежденные пакеты.
UDP имеет более высокую скорость передачи пакетов, однако менее надежен.

Семь уровней модели OSI
Сетевой уровень - отвечает за отправку пакетов из сети в сеть. Наиболее важным протоколом
здесь является интернет-протокол (IP).
IP берет сегменты из транспортного протокола и добавляет метаданные, которые помогают определить,
где находится ваш клиент в локальной сети.
Функция –пересылка сообщений, что означает, что он отправляет ваши пакеты из сети в сеть.

Семь уровней модели OSI
Канальный уровень - передача сообщений по кадрам.
Функция – выявить и исправить ошибки. При обнаружении ошибок проводится проверка правильности доставки данных, если неправильно, то кадр отбрасывается.
Задачи уровня
Найти, где в потоке бит, начинается и оканчивается сообщение
Обнаружить и скорректировать ошибки при отправке информации
Адресация, необходимо знать, какому компьютеру отправлять информацию, потому что к разделяемой среде в основном, подключается несколько компьютеров
Обеспечить согласованный доступ к разделяемой среде, чтобы в одно и то же время, информацию передавал один компьютер.
Уровень разбит на два подуровня:
Уровень логического соединения (LLC) – этот уровень обеспечивает управление потоком, подтверждение и обработку ошибок в случае, если что-то пойдет не так.
Управление доступом к мультимедиа (MAC) – этот уровень отвечает за присвоение уникального идентификационного номера на основе вашей сетевой карты, называемого MAC-адресом. Это означает, что никакие два устройства не имеют одинаковых MAC-адресов.

Семь уровней модели OSI
Физический уровень – на данном уровне данные могут передаваться с помощью электричества,
радиоволн или даже света.
Функция –преобразование кадров в байты (8 бит) и отправке их по какому-либо транспортному методу (электричество, волны, свет и так далее).
Основная цель физического уровня представить нуль и единицу в качестве сигналов, передаваемые по среде передачи данных.
В качестве канала передачи информации используются:
Кабели: коаксиал, витая пара, оптический.
Беспроводные технологии, такие как, радиоволны, инфракрасное излучение.
Спутниковые КС
Беспроводная оптика или лазеры, применяются редко, из-за низкой скорости и большого количества помех.

Беспроводная сеть
Беспроводная сеть – это гибкая инфраструктура, представляющая собой комплекс аппаратно –
программных средств для передачи информации.
Беспроводная компьютерная система призвана обеспечить взаимодействие пользователей, различных серверов и баз данных посредством обмена цифровыми сигналами через радиоволны. Подключение может осуществляться несколькими способами: Bluetooth, WiFi или WiMax.
WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю.
Wi-fi это система более короткого действия, обычно покрывающая сотни метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно wi-fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

Беспроводная сеть
Bluetooth - производственная спецификация беспроводных персональных сетей. Обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10-100 метров друг от друга (дальность очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Беспроводная сеть
Существуют 5 видов беспроводных сетей.

Беспроводная сеть
Технологии беспроводных сетей.
WPANS - беспроводные персональные сети. Две современные технологии создания беспроводных персональных сетей - это Infra Red и Bluetooth. Они предоставляют возможность связи устройств в радиусе около 10 м. Для установки связи устройства должны находиться в зоне прямой видимости. Их связь характеризуется достаточно небольшим расстоянием.
WLANS предоставляет возможность пользователям определенного района или места, например, школы или библиотеки, создать сеть и получить доступ в Интернет. Временная сеть может быть создана с ограниченным числом пользователей и без приёмопередатчика при условии, что им не требуется доступ к Интернет-ресурсам.
WMANS - беспроводные городские сети. Даная технология позволяет объединять несколько сетей в городе (селе), например, городские здания, что является прекрасной альтернативой кабельному соединению.
WWANS - беспроводные глобальные сети. Данный тип сетей объединяет различные города и страны посредством систем спутниковой или антенной связи. Их называют системами 2G (системами второго поколения).

Беспроводная сеть
Беспроводное соединение осуществляется двумя основными способами:
1. Работа в режиме инфраструктуры (Infrastructure Mode), когда все компьютеры связываются между собой через точку доступа (Access Point). Роутер работает в режиме коммутатора, и очень часто имеет проводное соединение и доступ в интернет. Чтобы подключиться нужно знать идентификатор (SSID). Это наиболее привычный для обывателя тип подключения. Это актуально для небольших офисов или квартир. В роли точек доступа выступают роутера (Router).
2. Второй вариант подключения используется если необходимо связать два устройства между собой напрямую. Например, два мобильных телефона или ноутбука. Такой режим называется Adhoc, или равный с равным (peer to peer).

Беспроводная сеть
Выбор оборудования для создания беспроводной сети зависит от масштаба желаемой сети. Для организации беспроводной сети может использоваться следующее оборудование:
1контроллер wi-fi точек доступа;
2wi-fi точка доступа;
3антенны wi-fi точек доступа;
4маршрутизатор (router);
5коммутатор (switch);
6беспроводные адаптеры и пр.
1 Контроллер wi-fi точек доступа - конечное устройство управления сетью, в частности wi-fi точками доступа.
Существует несколько типов контроллеров:
Виртуальный контроллер.
Контроллер для маршрутизаторов.
Беспроводный контроллер.
2 Wi-fi точка доступа – это беспроводная базовая станция, предназначенная для обеспечения беспроводного доступа к уже существующей сети.
3 Wi-fi антенна – это радиотехническое устройство для приема и передачи сигналов беспроводного интернета.
4 Маршрутизатор (router) – это специализированный компьютер, который пересылает пакеты между различными сегментами сети на основе правил и таблиц маршрутизации.