Изучение возможностей сетевого оборудования, применяемого при построении современных ЛВС

Актуальность написания бакалаврской работы обусловлена тем, что относительно небольшая сложность и стоимость ЛВС, использующих в основном ПК, обеспечивают широкое применение сетей в автоматизации коммерческой, банковской и других видов деятельности, делопроизводства, технологических и производственных процессов, для создания распределенных управляющих, информационно-справочных, контрольно-измерительных систем, систем промышленных роботов и гибких производственных производств. Во многом успех использования ЛВС обусловлен их доступностью массовому пользователю, с одной стороны, и теми социально-экономическими последствиями, которые они вносят в различные виды человеческой деятельности, с другой стороны. Если в начале своей деятельности ЛВС осуществляли обмен межмашинной и межпроцессорной информацией, то на последующих стадиях в ЛВС стала передаваться, в дополнение к этому, текстовая, цифровая, изобразительная (графическая), и речевая информация.

Компьютер уже давно стал неотъемлемой частью жизни людей. Он помогает решать множество вопросов. Практически в любой отрасли деятельности человека используются компьютеры. Образовательные программы, медицинское обслуживание, промышленные процессы — везде применяются компьютеры. На сегодня компьютеризация достигла такого уровня, что обойтись без них никак нельзя.

Отдельная эра в истории развития компьютеров началась с появлением локальных сетей, которые позволяют объединять компьютеры между собой. Именно локальная сеть подняла функциональность компьютера на невиданную до сих пор высоту. Даже один компьютер способен выполнять огромное количество операций, тем самым позволяя обрабатывать большое количество данных и выдавать требуемый результат. А представьте себе, что можно сделать с помощью тысячи компьютеров, объединенных в одну сеть! Это дает возможности для выполнения таких заданий, на решение которых раньше уходили годы и были задействованы тысячи людей. Даже если не «копать» так глубоко, преимущества использования локальных сетей очевидны: общее использование ресурсов, баз данных, общение, Интернет и многое другое.

Сегодня существует большое количество способов объединения компьютеров в локальную сеть. Разного размера проводные и беспроводные локальные сети сотнями появляются каждый день. При этом если большие корпоративные сети требуют соответствующих знаний и уровня подготовки для их создания, то небольшие офисные и тем более домашние сети могут создавать простые пользователи. Главное при этом — достаточный уровень знаний и желание добиться результата.

Локальные вычислительные сети представляют собой системы распределенной обработки данных и, в отличие от глобальных и региональных вычислительных сетей, охватывают небольшие территории (диаметром 5 — 10 км) внутри отдельных контор, банков, бирж, вузов, учреждений, научно-исследовательских организаций и т. п. При помощи общего канала связи ЛВС может объединять от десятков до сотен абонентских узлов, включающих персональные компьютеры (ПК), внешние запоминающие устройства (ЗУ), дисплеи, печатающие и копирующие устройства, кассовые и банковские аппараты, интерфейсные схемы. ЛВС могут подключаться к другим локальным и большим (региональным, глобальным) сетям ЭВМ с помощью специальных шлюзов, мостов и маршрутизаторов, реализуемых на специализированных устройствах или на ПК с соответствующим программным обеспечением (Приложение А).

Цель данной выпускной квалификационной работы — изучение возможностей сетевого оборудования применяемого при построении современных ЛВС.

Объектом исследования данной выпускной квалификационной работы является оборудование используемое при построении локальных сетей.

Предметом исследования является изучение сетевого оборудования локальных вычислительных сетей.

1. Типы линий связи

1.1 Кабельные линии связи

Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов — неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели (Приложение Б). Первые два типа кабелей называют так же медными кабелями.

Кабели на основе витой пары.

Витой парой называется скрученная пара проводов. Этот вид среды передачи данных очень популярен и составляет основу большого количества как внутренних, так и внешних кабелей. Кабель может состоять из нескольких скрученных пар (внешние кабели иногда содержат до нескольких десятков таких пар).

Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Кабели на основе витой пары являются симметричными, то есть они состоят из двух одинаковых в конструктивном отношении проводником. Симметричный кабель на основе витой пары может быть как экранированным, так и неэкранированным.

Нужно отличать электрическую изоляцию проводящих жил, которая имеется в любом кабеле, от электромагнитной изоляции. Первая состоит из непроводящего диэлектрического слоя — бумаги или полимера, например поливинилхлорида или полистирола. Во втором случае помимо электрической изоляции проводящие жилы помещаются также внутрь электромагнитного экрана, в качестве которого чаще всего применяется проводящая медная оплетка.

Кабель на основе неэкранированной витой пары, используемый для проводки внутри здания, разделяется в международных стандартах на категории (от 1 до 7).

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был основной тип кабеля для телефонной разводки.

Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории — способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3 были стандартизированы в 1991 году. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей для частот в диапазоне до 16 МГц. Кабели категории 3, предназначенные как для передачи данных, так и для передачи голоса, составляют сейчас основу многих кабельных систем зданий.

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий (FDDI, FastEthernet, ATM и GigabitEthernet) ориентировано на использование витой пары категории 5. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабели системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).

Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 250 МГц, а для кабелей категории 7 — до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей — поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, две — для передачи голоса.

Кабель «витая пара» является самым популярным способом подключения компьютеров в «домашних» сетях. Стоимость кабеля достаточно низкая, однако при этом скорость передачи данных находится на очень высоком уровне. Длины сегмента кабеля в 100 м хватает, чтобы подключить компьютер в квартире, просто свесив кабель с крыши и подведя его к окну. Именно такой способ подключения является самым простым и распространенным в «домашних» сетях.

Коаксиальные кабели.

Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников. Каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль — по не передаются информационные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существуют несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения: для локальных компьютерных сетей, для глобальных телекоммуникационных сетей, для кабельного телевидения и т. п.

Согласно современным стандартам коаксиальный кабель не считается хорошим выбором при построении структурированной кабельной системы зданий. Далее приводятся основные типы и характеристики этих кабелей.

<<�Толстый>> коаксиальный кабель разработан для сетей Ethernet 10Base-5 с волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм. Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10 МГц — не хуже 18 дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать — он плохо гнется.

<<�Тонкий>> коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10Base-2. Обладая внешним диаметром около 50 мм и тонким внутренним проводником 0,89 мм, этот кабель не так прочен, как <<�толстый>> коаксиал, зато обладает гораздо большей гибкостью, что удобно при монтаже. <<�Тонкий>> коаксиальный кабель также имеет волновое сопротивление 50 Ом, но его механические и электрические характеристики хуже, чем у <<�толстого>> коаксиального кабеля. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в <<�толстом>> коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте.

Рассмотрим элементы коаксиального кабеля.

1 Центральный проводник (CenterConductor). Представляет собой металлический стержень, цельный или состоящий из нескольких проводников. В качестве металла, как правило, выступает медь или сплав с медью, например сплав меди с карбоном, омедненная сталь или омедненный алюминий. Толщина проводника обычно находится в пределах 1−2 мм.

2 Диэлектрик (Dielectric). Служит для надежного разделения и изолирования центрального проводника и оплетки, которые используются для передачи сигнала. Диэлектрик может изготавливаться из различных материалов, например из полиэтилена, фторопласта, пенополиуретана, поливинилхлорида, тефлона и т. д.

3 Оплетка (Braid). Является одним из носителей, который участвует в передаче сигнала. Кроме того, она играет роль заземления и защитного экрана от электромагнитных шумов и наводок. Как правило, оплетка сделана из медной или алюминиевой проволоки. Когда требуется увеличить помехозащищенность системы, может использоваться кабель с двойной и даже четверной оплеткой.

4 Изолирующая пленка (Foil). Выступает обычно в роли дополнительного экрана. В качестве материала используется алюминиевая фольга.

5 Внешняя оболочка (OuterJacket). Используется для защиты кабеля от воздействия внешней среды. Оболочка, как правило, имеет ультрафиолетовую защиту и защиту от возгорания, для чего используется материал с определенными свойствами, например поливинилхлорид, пластик, резина и т. д.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля, используемого для передачи данных в локальных сетях, составляет 50 Ом. При этом толщина тонкого коаксиального кабеля — примерно 0,5−0,6 см, а толстого — 1−1,3 см.

Существует определенная маркировка (категория) кабелей, которая позволяет различать их характеристики. Например, кабель с волновым сопротивлением 50 Ом имеет маркировку RG1−8, RG-11 и RG-58. Различают также подкатегории кабелей, например RG-58/U (одножильный проводник) или RG-58A/U (многожильный проводник).

Наибольшее распространение получил тонкий коаксиальный кабель, поскольку он более гибкий и его легче прокладывать. Если требуется увеличить диаметр сети, то используется толстый коаксиальный кабель. Иногда тонкий и толстый кабели применяются одновременно: тонким кабелем соединяют близкорасположенные компьютеры, а толстым — компьютеры на большом удалении или два сегмента сети.

Волоконно-оптический кабель.

Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5−60 микрон) гибких стеклянных волокон (волоконных световодов), по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля — он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех (в силу особенностей распространения света такие сигналы легко экранировать).

Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и величины диаметра сердечника различают:

— многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления

— многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления

— одномодовое волокно (Приложение В) Понятие <<�мода>> описывает режим распространения световых лучей в сердцевине кабеля. В одномодовом кабеле (SingleModeFiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длинной волны света — от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Изготовление сверхтонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет собой сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (MultiModeFiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим отражения лучей имеет сложный характер. Возникающая при этом интерференция ухудшает качество передаваемого сигнала, что приводит к искажениям передаваемых импульсов в многомодовом оптическом волокне. По этой причине технические характеристики многомодовых кабелей хуже, чем у одномодовых.

Современные волоконно-оптические кабели используются на соединительных линиях местной сети, при сооружении структурированных кабельных систем, в системах кабельного телевидения, а также на абонентских участках.

Российские кабельные заводы производят волоконно-оптические кабели двух типов: с модульной конструкцией сердечника (сердечник с центральным силовым элементом, преимущественно из стекло пластикового стержня, вокруг которого находятся трубки-модули с расположенными в них оптическими волокнами (ОВ)) емкостью до 288 ОВ и трубчатой конструкции (в виде центрального модуля-трубки) емкостью до 24 ОВ.

Волоконно-оптические кабели производятся с различными типами оптических волокон: многомодовыми с размерами 50/125 мкм и 62,5/125 мкм (сердцевина / оболочка соответственно — рекомендация ITU-T G.651), одномодовыми (рекомендации ITU-T G.652.B, G.652.C, G.655), а также с расширенным диапазоном рабочих длин волн. Необходимость наличия в оптических кабелях различных типов оптических волокон определяется с учетом назначения ОК.

Основной тип ОВ, используемых в современных конструкциях оптических кабелей, — одномодовые, характеризующиеся низкими потерями. Многомодовые ОВ применяются, как правило, в оптических кабелях для локальных сетей, например, в структурированных кабельных системах, что объясняется в основном технико-экономическими причинами.

Стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, но проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости монтажного оборудования.

1.2 Беспроводные линии связи

локальный сеть вычислительный адаптер коммутатор Беспроводные LAN (Wireless LAN — WLAN) отличаются от проводных тем, что взаимосвязь между узлами сети осуществляется посредством использования радиосигналов. В состав узлов входят передающие и приемные устройства. Среда, в которой размещены узлы, является средой распространения радиосигналов. В результате, необходимость применения проводных линий отпадает. Роль концентратора проводной LAN выполняет точка доступа (AccessPoint — AP) WLAN.

Беспроводное подключение к магистральной сети может использоваться не только по отношению к индивидуальным абонентам, но так же по отношению к групповым абонентам, каковыми являются проводные LAN.

Необходимость и целесообразность применения беспроводных LAN наряду с проводными обусловлена преимуществами, которые достигаются отсутствием проводных соединений. Эти преимущества проявляются в следующих обстоятельствах:

— необходимость создания LAN между узлами, разделенными естественными и искусственными препятствиями (например, водные препятствия, стены домов, межэтажные перекрытия);

— необходимость обеспечения мобильности узлов, объединенных в локальную сеть;

— необходимость получения доступа к магистральной сети с выходом в Internet-сеть в общественных местах кратковременного пребывания (гостиницы, вокзалы, читальные залы библиотек и др.).

Востребованность беспроводной локальной связи (с потребительской точки зрения) определяет место WLAN в современных беспроводных телекоммуникациях. Важнейшее потребительское свойство WLAN, наряду с удобством их развертывания для обеспечения взаимной связи абонентов, состоит в обеспечении доступа абонентов к магистральным сетям. Последним, в частности, объясняется использование англоязычного термина <<�горячая точка>> (hotspot) для общественных мест развертывания WLAN с выходом в Internet.

Один из наиболее существенных отличительных признаков локальных цифровых сетей по сравнению с глобальными состоит в наличии автономных телекоммуникационных линий между их узлами. Отличие архитектуры беспроводных и проводных LAN обусловлены свойствами среды распространения используемых сигналов:

— проводящей направляющей среды в проводных LAN

— естественной окружающей среды в беспроводных LAN (WirelessLAN — WLAN).

Сети WLAN исключительно надежны. Поскольку беспроводная технология уходит корнями в оборонную промышленность, обеспечение безопасности беспроводных устройств предусматривалось с самого начала. Вот почему беспроводные сети обычно более надежны, чем кабельные. В сетях WLAN используется технология Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), которая отличается высокой устойчивостью к искажению данных, помехам, в том числе преднамеренным, и обнаружению. Кроме того, все пользователи беспроводной сети проходят аутентификацию по системному идентификатору, что предотвращает несанкционированный доступ к данным. Для передачи особо уязвимых данных пользователи могут использовать режим Wired Equivalent Privacy (WEP), при котором сигнал шифруется дополнительным алгоритмом, а данные контролируются с помощью электронного ключа. Вообще говоря, в отдельных узлах перед включением в сетевой трафик должны приниматься свои меры безопасности. В сетях WLAN, работающих по спецификации 802.11b, для обеспечения более высокой надежности сети вместе с аутентификацией пользователя могут применять 40 битные и 128 битные алгоритмы шифрования. Перехват трафика, как умышленный, так и неумышленный, практически невозможен.

IEEE 802.11b — выпущенная институтом Instituteof Electricaland Electronic Engineers (IEEE) техническая спецификация, которая определяет функционирование беспроводных локальных вычислительных сетей, работающих в диапазоне 2,4 ГГц со скоростью 11 Мбит/с по протоколу Direct Sequence Spread Spectrum. Сети WLAN 802.11b работают со скоростью до 11 Мбит в секунду. Для пользователей скорость работы сравнима со скоростью кабельной сети. Точно так же, как и в обычной сети, пропускная способность сети WLAN зависит от ее топологии, загрузки, расстояния до точки доступа и т. д. Как правило, заметной разницы в производительности беспроводной и кабельной сети нет.

Точки доступа.

Точка доступа — это беспроводная базовая станция, предназначенная для обеспечения беспроводного доступа к уже существующей сети (беспроводной или проводной) или создания совершенно новой беспроводной сети. Беспроводная связь осуществляется посредством технологии Wi-Fi.

Проводя аналогию, точку доступа можно условно сравнить с вышкой сотового оператора, с той оговоркой, что у точки доступа меньший радиус действия и связь между подключенными к ней устройствами осуществляется по технологии Wi-Fi. Радиус действия стандартной точки доступа — примерно 200−250 метров, при условии, что на этом расстоянии не будет никаких препятствий (например металлоконструкций, перекрытий из бетона и прочих сооружений плохо пропускающих радио волну).

Беспроводные сети из нескольких точек доступа устанавливаются в больших офисных помещениях, зданиях и на других крупных объектах, в основном для того, чтобы создать одну беспроводную локальную сеть (WLAN). К каждой точке доступа можно подключить до 254 клиентских компьютеров. В большинстве случаев нецелесообразно подключать к одной точке доступа больше 10 компьютеров, т.к. скорость передачи данных на каждого пользователя распределяется в равных пропорциях и чем больше у одной точки доступа «клиентов», тем меньше скорость у каждого из них. К примеру, по нашим замерам реальная скорость передачи данных у точки доступа, работающей на стандарте 802.11g — 20−25Мбит/с, и при подключении к ней 10 клиентов скорость на каждого будет в районе 2,5Мбит/с.

При построении территориально распределенных сетей или беспроводных сетей в зданиях, точки доступа объединяются в одну общую сеть через радиоканал или локальную сеть (проводную). При этом пользователь может свободно перемещаться со своим мобильным устройством в радиусе действия этой сети.

В домашней сети, беспроводные точки доступа могут быть использованы для объединения всех домашних компьютеров в одну общую беспроводную сеть или для «расширения» существующей сети, построенной например, на проводном маршрутизаторе. После подключения точки доступа к маршрутизатору, клиенты смогут присоединиться к домашней сети без необходимости повторной настройки локального соединения.

Точка доступа аналогична по своему устройству с беспроводным роутером (беспроводным маршрутизатором). Беспроводные роутеры используются для создания отдельного сегмента сети и поддерживают подключение к ним всех компьютеров с встроенными беспроводными сетевыми адаптерами. В отличии от точки доступа в беспроводной роутер интегрирован сетевой переключатель (свитч), для того чтобы к нему могли дополнительно подключаться клиенты по протоколу Ethernet или для подключения других маршрутизаторов при создании сети из нескольких беспроводных роутеров. Кроме того, беспроводные роутеры имеют встроенный брандмауэр, который предотвращает нежелательное вторжение в сеть злоумышленников. В остальном же, беспроводные роутеры схожи по устройству с точками доступа.

Как и беспроводные роутеры, большинство точек доступа поддерживают стандарты 802.11a, 802.11b, 802.11g или их комбинации.

Рассмотрим три основных режима работы точки доступа:

— «точка доступа»;

— «повторитель»;

— «мост».

Режим «точка доступа».

В новом оборудовании режим «точка доступа» установлен по умолчанию. В этом режиме вы подключаетесь со своего компьютера, оснащенного Wi-Fi адаптером, к беспроводной сети вашей точки доступа. В большинстве случаев для работы в этом режиме специфические настройки не требуются.

Режим «репитер» (ретранслятор).

В данном режиме точка доступа работает как приемо-передатчик или «повторитель». Она принимает слабый сигнал от другой точки доступа и, усиливая его, передает на этой же частоте дальше до необходимого адресата.

Режим «мост».

В этом режиме точка доступа объединяет физически удаленные сегменты сети в одно целое. Используется при построении «линков» или, другими словами, обеспечения связи между отдаленными объектами.

Важно отметить, что для осуществления исправной работы в режимах «ретранслятор» и «мост», SSID (идентификатор беспроводной сети), канал и тип шифрования должны совпадать.

1.3 Модель OSI и протоколы передачи данных

Модель OSI состоит из семи уровней, каждый из которых может иметь несколько подуровней. Верхние уровни этой модели (приложений, представлений, сеансов и транспортный — соответственно уровни 7, 6, 5 и 4) относятся к функциям связи между приложениями. На них выполняются задачи, связанные с форматами имен файлов, множествами кодов, пользовательским интерфейсом, уплотнением, кодированием и другими функциями обмена между приложениями. Нижние три уровня (сетевой, канальный, физический — уровни 3,2 и 1) отвечают за передачу данных между отправителем и получателем. Рассмотрим поподробнее каждый из уровней.

Уровень приложений (уровень 7). Приложение, которое общается с другими компьютерами, использует правила, описанные на уровне приложений эталонной модели OSI. Уровень приложений относится к службам связи приложений. Например, в тестовом редакторе, не предусматривающем связь с другими компьютерами, нет соответствующего кода, и разработчики этого этого приложения не должны беспокоится об уровне 7 модели OSI. Однако если добавляется возможность передачи файлов, то в текстовом редакторе необходима реализация уровня 7 модели OSI. Примеры протоколов используемых на уровне 7: Telnet, HTTP, FTP, Web-обозреватели, 5MTP, SNMP.

Уровень представлений (уровень 6). Основное предназначение уровня заключается в определении форматов данных, таких как текст ASCII, двоичный формат и графический формат JPEG. Кодирование так же определяется OSI как служба уровня представлений. Например, протокол передачи файлов FTPпозволяет выбрать, в каком формате передавать информацию: двоичном или текстовом. Если выбрать двоичный формат, отправитель и получатель не изменяют содержимое файла. Если выбран текстовый формат, то отправитель переводит текст из своего набора символов в стандартный набор ASCII и отправляет его. Получатель преобразует текст из стандартного ASCII в тот набор символов, который используется на его компьютере. Примеры протоколов используемых на уровне 6: JPEG, ASCII, TIFF, GIF, PICT, MPEG, MIDI.

Уровень сеансов (уровень 5). Работу уровня сеансов можно сравнить с работой посредника или арбитра. Основное его назначение — контроль диалога между устройствами или сетевыми узлами. Он служит для организации связи и разбивает сеанс на три фазы: установление связи, перенос данных и разъединение связи. Примеры протоколов используемых на уровне 5: RPC, SQL, AppleTalk ASP.

Транспортный уровень (уровень 4). На уровне 4 работают протоколы, которые могут выполнять коррекцию ошибок. Также производится разбиение входящих данных на потоки для каждого работающего на данном компьютере приложения. Кроме того, на этом уровне может реорганизовываться поток данных, если был нарушен порядок принятых пакетов. Примеры протоколов используемых на уровне 4: TCP, UDP, SPX.

Сетевой уровень (уровень 3). Отвечает за доставку пакетов от отправителя к получателю. Для этого на сетевом уровне определяется логическая адресация, которая может быть назначена каждому сетевому устройству. На этом уровне также определяется работа маршрутизации и методы определения маршрутов, позволяющих доставить пакеты по назначению. На сетевом уровне определяются методы разбиения пакетов на более мелкие, если этого требует передача данных. Например, протокол IP, работающий на маршрутизаторе, считывает из пакета IP-адрес назначения, ищет его в таблице маршрутизации, разбивает его на более мелкие пакеты, если этого требует исходящий интерфейс, и вставляет его в очередь на отправку. Примеры протоколов используемых на уровне 3: IP, IPX, ICMP.

Канальный уровень (уровень 2). Канальный уровень отвечает за передачу данных по одному конкретному каналу или среде. Протоколы канального уровня определяют передачу по одному каналу. Все эти протоколы связаны с типом среды передачи данных в сети (т.е. с типом кабеля). Например, 802.3 и 802.2 — это спецификации, разработанные организацией IEEE. Они являются протоколами канального уровня, определяющими работу сетей Ethernet. Другие протоколы, например, HDLC, отвечают за передачу данных по каналам глобальных сетей. Примеры протоколов используемых на уровне 2: IEEE 802.3/802.2, HDLS, FrameRelay, PPP, FDDI, ATM.

Физический уровень (уровень 1). Спецификации физического уровня отвечают за физические характеристики среды передачи данных. Контакты, штырьки разъемов, использование контактов, электрические цепи, кодировка и модуляция света являются частями различных физических спецификации этого уровня. Несколько спецификаций иногда используются для описания всех деталей физического уровня. Например, спецификация RJ-45 описывает форму штекера, число проводов и контактов в кабеле. Спецификации Ethernetи 802.3 определяют использование 1, 2, 3 и 6 контактов. Таким образом, чтобы использовать кабель категории 5 со штекером RJ-45 для Ethernet-сети, необходимо использовать спецификации Ethernetи RJ-45 физического уровня. Примеры протоколов используемых на уровне 1: V.35, V.24, RJ-45, Ethernet, 802.3, FDDI.

Такое разбиение функций или задач сети на более мелкие части, называемые уровнями, и определение стандартного взаимодействия между этими уровнями дает массу преимуществ. Уровни разбивают огромный и сложный набор понятий и протоколов на более мелкие частицы, позволяя упростить их рассмотрение, реализацию в аппаратном или программном обеспечении, а так же поиск и устранение неполадок. Эталонные модели обладают множеством полезных свойств. Например, разработчики могут сконцентрироваться на функциях одного уровня, зная, что функции, находящиеся вне сферы их деятельности, выполняются на другом. В результате развивается специализация. Другим полезным свойством является то, что изменения на одном уровне не обязательно влекут за собой изменения на другом. Оно обозначается техническим термином слабая комплексация и означает отсутствие ответственности за деятельность на другом уровне специализации.

Очень важное преимущество эталонной модели — совместимость. Если разработчики программного обеспечения придерживаются спецификации эталонной модели, протоколы, удовлетворяющие этой модели, работают совместно. Совместимость служит мощным потенциалом для создания и применения большого числа протоколов.

Далее будут рассмотрены некоторые протоколы, с которыми чаще всего приходиться сталкиваться при работе сетями.

TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) на сегодня является наиболее распространенным и функциональным. Он работает в локальных сетях любых масштабов. Кроме того, это единственный из протоколов, который позволяет работать глобальной сети Интернет.

Протокол был создан в 70-х годах прошлого века управлением Министерства обороны США. Именно с его подачи началась разработка протокола, целью которого было соединение любых двух компьютеров, как бы далеко они ни находились. Конечно, они преследовали свою цель — обеспечить постоянную связь с центром управления, даже если все вокруг будет разрушено в результате военных действий. В итоге была образована глобальная сеть ARPAnet, которую министерство активно использовало в своих целях.

Толчком к дальнейшему усовершенствованию и широкому распространению стека TCP/IP стал тот факт, что его поддержка была реализована в компьютерах c операционной системой UNIX. В результате популярность протокола TCP/IP возросла.

В стек протоколов TCP/IP входит достаточно много протоколов, работающих на различных уровнях, но свое название он получил благодаря двум протоколам — TCP и IP.

TCP (Transmission Control Protocol) — транспортный протокол, предназначенный для управлением передачей данных в сетях, использующих стек протоколов TCP/ IP. IP (Internet Protocol) — протокол сетевого уровня, предназначенный для доставки данных в составной сети с использованием одного из транспортных протоколов, например TCP или UDP.

Нижний уровень стека TCP/IP использует стандартные протоколы передачи данных, что делает возможным его применение в сетях с использованием любых сетевых технологий и на компьютерах с любой операционной системой.

Изначально протокол TCP/IP разрабатывался для применения в глобальных сетях, именно поэтому он является максимально гибким. В частности, благодаря способности фрагментации пакетов данные, несмотря на качество канала связи, в любом случае доходят до адресата. Кроме того, благодаря наличию IP-протокола становится возможной передача данных между разнородными сегментами сети.

Недостатком TCP/IP-протокола является сложность администрирования сети. Так, для нормального функционирования сети требуется наличие дополнительных серверов, например DNS, DHCP и т. д., поддержание работы которых и занимает большую часть времени системного администратора.

IPX/SPX

Стек протоколов IPX/SPX является разработкой и собственностью компании Novell. Он был разработан для нужд операционной системы Novell NetWare, которая еще до недавнего времени занимала одну из лидирующих позиций среди серверных операционных систем.

Протоколы IPX и SPX работают на сетевом и транспортном уровнях модели ISO/ OSI соответственно, поэтому отлично дополняют друг друга. Протокол IPX может передавать данные с помощью датаграмм, используя для этого информацию о маршрутизации в сети.

Однако для того, чтобы передать данные по найденному маршруту, необходимо сначала установить соединение между отправителем и получателем. Этим и занимается протокол SPX или любой другой транспортный протокол, работающий в паре с IPX.

К сожалению, стек протоколов IPX/SPX изначально ориентирован на обслуживание сетей небольшого размера, поэтому в больших сетях его использование малоэффективно: излишнее использование широковещательного вещания на низкоскоростных линиях связи не допустимо.

NetBIOS/SMB

Достаточно популярный стек протоколов, разработкой которого занимались компании IBM и Microsoft, соответственно, ориентированный на использование в продуктах этих компаний. Как и у TCP/IP, на физическом и канальном уровне стека NetBIOS/SMB работают стандартные протоколы, такие как Ethernet, TokenRing и другие, что делает возможным его использование в паре с любым активным сетевым оборудованием. На верхних же уровнях работают протоколы NetBIOS (Network Basic Input/Output System) и SMB (Server Message Block).

Протокол NetBIOS был разработан в середине 80-х годов прошлого века, но вскоре был заменен на более функциональный протокол NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface), позволяющий организовать очень эффективный обмен информацией в сетях, состоящих не более чем из 200 компьютеров.

Чтобы обмен между компьютерами был возможен, каждый из них должен обладать логическим именем. Для обмена данными между компьютерами используются логические имена, присваиваемые компьютерам динамически при их подключении к сети. При этом таблица имен распространяется на каждый компьютер сети. Поддерживается также работа с групповыми именами, что позволяет передавать данные сразу нескольким адресатам.

Главные плюсы протокола NetBEUI — скорость работы и очень малые требования к ресурсам. Если требуется организовать быстрый обмен данными в небольшой сети, состоящей из одного сегмента, лучшего протокола для этого не найти. Кроме того, для доставки сообщений установленное соединение не является обязательным требованием: в случае отсутствия соединения протокол использует датаграммный метод, когда сообщение снабжается адресом получателя и отправителя и «пускается в путь», переходя от одного компьютера к другому.

Однако NetBEUI обладает и существенным недостатком: он полностью лишен понятия о маршрутизации пакетов, поэтому его использование в сложных составных сетях не имеет смысла.

Что касается протокола SMB (Server Message Block), то с его помощью организуется работа сети на трех самых высоких уровнях — сеансовом, уровне представления и прикладном уровне. Именно при его использовании становится возможным доступ к файлам, принтерам и другим ресурсам сети. Данный протокол несколько раз был усовершенствован (вышло три его версии), что позволило применять его даже в таких современных операционных системах, как Microsoft Vista и Windows 7. Протокол SMB универсален и может работать в паре практически с любым транспортным протоколом, например TCP/IP и SPX.

HTTP

Пожалуй, самый востребованный из протоколов, с которым ежедневно работают десятки миллионов пользователей Интернета по всему миру.

Протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) разрабатывался специально для Интернета: для получения и передачи данных по Интернету. Он работает по технологии «клиент — сервер», которая подразумевает, что есть клиенты, запрашивающие информацию (например, просмотр содержимого веб-страницы), и серверная часть, которая обрабатывает эти запросы и отсылает ответ.

HTTP работает на уровне приложений. Это означает, что данный протокол должен пользоваться услугами транспортного протокола, в качестве которого по умолчанию выступает протокол TCP.

Первая версия протокола HTTP была разработана еще в начале 90-х годов прошлого века и на то время полностью удовлетворяла пользователей своими возможностями. Но со временем, когда в Интернет пришла графика и динамичные изображения, возможностей протокола стало не хватать и он постепенно начал изменяться.

В своей работе протокол использует понятие URI (Uniform Resource Identifier) — уникального идентификатора ресурса, в качестве которого обычно выступает адрес веб-страницы, файла или любого другого логического объекта. При этом URI поддерживает работу с параметрами, что позволяет расширять функциональность протокола. Так, используя параметры, можно указать, в каком формате и кодировке вы хотите получить ответ от сервера. Это в свою очередь позволяет передавать с помощью HTTP не только текстовые документы, но и любые двоичные данные.

Основным недостатком протокола HTTP является избыточный объем текстовой информации, необходимой для того, чтобы клиент мог правильно отобразить полученный от сервера ответ. При большом объеме содержимого веб-страницы это может создавать излишне большой трафик, что ухудшает восприятие информации. Кроме того, протокол полностью лишен каких-либо механизмов сохранения состояния, что делает невозможной навигацию по веб-страницам посредством одного лишь HTTP-протокола. По этой причине вместе с HTTP-протоколом используются сторонние протоколы либо пользователю необходимо работать с браузером, обрабатывающим HTTP-запросы.

FTP. Протокол FTP (File Transfer Protocol) является «родным братом» протокола HTTP, только, в отличие от последнего, он работает не с текстовыми или двоичными данными, а с файлами.

Этот протокол — один из старейших: он появился еще в начале 70-х годов прошлого века. Как и HTTP, он работает на прикладном уровне и в качестве транспортного протокола использует TCP-протокол. Его основная задача — передача файлов с/на FTP-сервер.

FTP-протокол представляет собой набор команд, которые описывают правила подключения и обмена данными. При этом команды и непосредственно данные передаются с использованием различных портов. В качестве стандартных портов используются порты 21и 20: первый — для передачи данных, второй — передачи команд. Кроме того, порты могут быть динамическими.

Размер файлов, передаваемых с помощью FTP-протокола, не лимитируется. Предусмотрен также механизм докачки файла, если в процессе передачи произошел обрыв связи. Главным недостатком FTP-протокола является отсутствие механизмов шифрования данных, что позволяет перехватить начальный трафик и определить с его помощью имя пользователя, а также его пароль подключения к FTP-серверу. Чтобы избежать подобной ситуации, параллельно используется протокол SSL, с помощью которого данные шифруются.

РОРЗ и SMTP

Использование электронной почты для обмена сообщениями уже давно является альтернативой обычной почте. Электронная почта гораздо эффективнее и быстрее. Ее использование стало возможным благодаря протоколам POP3 (Post Office Protocol Version 3) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol).

Протокол POP3 работает на прикладном уровне и применяется для получения электронных сообщений из почтового ящика на почтовом сервере. При этом он использует один из портов и транспортный протокол TCP.

Сеанс связи с почтовым сервером разбит на три этапа: авторизация, транзакция и обновление. Авторизации пользователя происходит при соединении с почтовым сервером, для чего может использоваться любой почтовый клиент, поддерживающий работу с протоколом POP3. На этапе транзакции клиент запрашивает у сервера выполнение необходимого действия, например получения информации о количестве сообщений, получения самих сообщения либо их удаления. Процесс обновления предназначен для выполнения запроса клиента. После окончания обновления сеанс связи завершается до поступления следующего запроса на соединение.

При прохождении этапа авторизации может использоваться любой из существующих протоколов шифрования, например SSL или TLS, что делает процесс получения электронной корреспонденции более защищенным.

Протокол POP3 позволяет только получать электронные сообщения, а для их отправки приходится использовать другой протокол, в качестве которого чаще всего применяется SMTP, точнее, его усовершенствованная версия — ESMTP (Extended SMTP).

Как и POP3, протокол SMTP работает на прикладном уровне, поэтому ему необходимы услуги транспортного протокола, в роли которого выступает протокол TCP. При этом отправка электронных сообщений также происходит с использованием одного из портов, например 25 порта.

IMAP

IMAP (Interactive Mail Access Protocol) — еще один почтовый протокол, созданный на основе протокола POP3. Он был разработан позже протокола POP3. В результате в нем были учтены все недостатки и добавлено большое количество новых востребованных функций.

Наиболее полезными среди них является возможность частичного скачивания сообщений, анализируя содержимое которых можно эффективно настраивать фильтры, сортирующие письма или отсеивающие спам.

Еще одна немаловажная функция — механизм оптимизации использования каналов, по которым передаются сообщения. Эти каналы не всегда быстрые и незагруженные, поэтому наличие такой функции существенно облегчает жизнь пользователя. Имеется также возможность передачи сообщений по небольшим частям, что очень полезно, когда размер письма большой, например 5−10 Мбайт.

SLIP

Протокол передачи данных SLIP (Serial Line Internet Protocol) создан специально для организации постоянного подключения к Интернету с использованием имеющейся телефонной линии и обычного модема. Из-за высокой стоимости этот тип подключения могут позволить себе немногие пользователи. Как правило, такое подключение создается в организациях, имеющих сервер, на котором находится веб-страница организации и другие ресурсы (база данных, файлы).

Данный протокол работает вместе с протоколом TCP/IP и находится на более низком уровне. Перед тем как информация с модема поступит на обработку TCP/ IP-протоколу, ее предварительно обрабатывает SLIP-протокол. Выполнив все необходимые действия, он создает другой пакет и передает его TCP/IP.

РРР Протокол РРР (Point-to-Point Protocol) выполняет ту же работу, что и описанный выше SLIP. Однако он лучше выполняет эти функции, так как обладает дополнительными возможностями. Кроме того, в отличие от SLIP, PPP может взаимодействовать не только с TCP/IP, но и с IPX/SPX, NetBIOS, DHCP, которые широко используются в локальных сетях.

Протокол PPP более распространен также благодаря использованию на интернет-серверах с установленной операционной системой семейства Windows NT (SLIP применяют для соединения с серверами, работающими в операционной системе UNIX).

Х.25

Протокол Х.25, который был создан в 1976 году и усовершенствован в 1984 году, работает на физическом, канальном и сетевом уровнях модели взаимодействия ISO/OSI. Его разработкой занимался консорциум, состоящий из представителей многих телефонных компаний, и создавали его специально для использования на существующих телефонных линиях.

Когда разрабатывался X.25, цифровая телефонная линия была редкостью — использовалась в основном аналоговая. По этой причине в нем присутствует система обнаружения и коррекции ошибок, что существенно повышает надежность связи. В то же время эта система замедляет скорость передачи данных (максимальная — 64 Кбит/с). Однако этот факт не мешает использовать его там, где прежде всего требуется высокая надежность, например в банковской системе.

Frame Relay

Frame Relay — еще один протокол, предназначенный для передачи данных по телефонной линии. Помимо высокой надежности (как у X.25), он обладает дополнительными полезными нововведениями. Поскольку передаваемые данные могут иметь формат видео, аудио или содержать электронную информацию, есть возможность выбирать приоритет передаваемого содержимого.

Еще одна особенность протокола Frame Relay — его скорость, которая достигает 45 Мбит/с.

AppleTalk

Протокол AppleTalk является собственностью компании Apple Computer. Он был разработан для установки связи между компьютерами Macintosh.

Как и TCP/IP, AppleTalk представляет собой набор протоколов, каждый из которых отвечает за работу определенного уровня модели ISO/OSI.

В отличие от протоколов TCP/IP и IPX/SPX, стек протокола AppleTalk использует собственную реализацию физического и канального уровней, а не протоколы модели ISO/OSI.

Рассмотрим некоторые протоколы стека AppleTalk.

- DDP (Datagram Delivery Protocol) — отвечает за работу сетевого уровня. Его основное предназначение — организация и обслуживание процесса передачи данных без предварительной установки связи между компьютерами.

- RTMP (Routing Table Maintenance Protocol) — работает с маршрутными таблицами AppleTalk. Любая такая таблица содержит информацию о каждом сегменте, куда возможна доставка сообщений. Таблица состоит из номеров маршрутизаторов (порта), которые могут доставить сообщение к выбранному компьютеру, количества маошрутизаторов, параметров выбранных сегментов сети (скорости, загруженности и т. п.).

- NBP (Name Binding Protocol) — отвечает за адресацию, которая сводится к привязке логического имени компьютера к физическому адресу в сети. Кроме процесса привязки имени, он отвечает за регистрацию, подтверждение, стирание и поиск этого имени.

- ZIP (Zone Information Protocol) — работает в паре с протоколом NBP, помогая ему производить поиск имени в рабочих группах, или зонах. Для этого он использует информацию ближайшего маршрутизатора, который создает запрос по всей сети, где могут находиться входящие в заданную рабочую группу компьютеры.

- ATP (AppleTalk Transaction Protocol) — один из протоколов транспортного уровня, который отвечает за транзакции. Транзакция — это набор из запроса, ответа на этот запрос и идентификационного номера, который присваивается данному набору. Примером транзакции может быть сообщение о доставке данных от одного компьютера другому. Кроме того, ATP умеет делать разбивку больших пакетов на более мелкие с последующей их сборкой после подтверждения о приеме или доставке.

- ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol) — протокол, аналогичный ATP. Он отвечает за доставку пакетов. Однако в данном случае осуществляется не одна транзакция, а гарантированная доставка, которая может повлечь за собой несколько транзакций. Кроме того, протокол гарантирует, что данные при доставке не будут утеряны или продублированы.

2. Оборудование кабельных ЛВС

2.1 Сетевые адаптеры

Сетевой адаптер, или сетевая карта, — это ключевое оборудование, которое используется в качестве посредника между компьютером и средой передачи данных. Без сетевого адаптера невозможен обмен информацией в принципе. Его задача — обработать получившие данные согласно требованиям физического уровня модели ISO.

Сетевой адаптер вне зависимости от того, для работы в сетях какого типа он предназначен, служит для обработки данных, поступающих ему от компьютера или по каналу передачи данных. В режиме передачи он преобразует поступившие от компьютера данные в электрический сигнал и отправляет его каналу, используемому для передачи данных. В режиме получения данных он выполняет противоположное действие: преобразует электрические сигналы в данные и передает их протоколам верхнего уровня.

Главное различие сетевых адаптеров, не учитывая конструктивные особенности, вариант исполнения. Существует три варианта.

Плата для установки в слот расширения. Представляет собой плату, содержащую необходимую аппаратную начинку, которую можно установить в свободный слот расширения материнской платы. До появления ATX-стандарта этот вариант исполнения был наиболее распространенным и дешевым. Так, материнская плата (даже бюджетный ее вариант) всегда имеет в своем составе свободный слот, предназначенный для установки устройства любого типа. Как правило, это слот типа PCI или PCI Express в персональных компьютерах и PCMCIA-слот в ноутбуках или других переносных устройствах.

Внешний USB-адаптер. Использование USB-адаптеров для расширения функциональности компьютера уже давно стало одним из самых распространенных способов. Не минула эта участь и сетевые адаптеры. Мало того, часто USB-порт становится единственным способом подключения дополнительных устройств. Часто для подключения адаптера используется удлинительный USB-шнур. Кроме варианта с USB-подключением, нередко встречаются адаптеры, которые с помощью удлинительного шнура подключаются к FireWire-порту на материнской плате или дополнительном FireWire-контроллере.