Гл_4

1. Принципы построения сетей

Связь компьютера с периферийным устройством (ПУ) является прообразом сети.
Соединение двух устройств называется связью «точка-точка».

2.

Интерфейс – физический канал и правила обмена информацией по каналу.
Со стороны компьютера интерфейс состоит из контроллера ПУ (аппаратная часть)
и драйвера соответствующего ПУ (программная часть). Контроллер работает под
управлением драйвера.
Со стороны ПУ интерфейс реализуется аппаратным устройством управления (УУ).
Интерфейс в основном является двунаправленным и передает не только данные, но и
команды управления для ПУ.
Приложение, которому требуется передать данные на ПУ, обращается с запросом
к операционной системе, которая запускает соответствующий драйвер.
Контроллер последовательно передает каждый бит в виде электрического сигнала по
линии связи.
Чтобы устройству управления ПУ стало понятно, что начинается передача байта,
перед передачей первого бита информации контроллер ПУ формирует стартовый
сигнал специфической формы, а после передачи последнего бита — стоповый сигнал.
Эти сигналы синхронизируют передачу байта.

3. Связь двух ПК

4.

Простейшая связь двух компьютеров реализуется аналогично связи
компьютера с ПУ.
На слайде представлена простейшая схема взаимодействия двух компьютеров
при выполнении запроса компьютера A прочитать файл, расположенный на
диске компьютера В.
Предполагается, что компьютеры А и В связаны через COM-порты.
В отличие от предыдущего случая, когда приложение работает только с одной
стороны (на компьютере), в этом случае передача информации происходит при
взаимодействии программ (приложений) на двух соединенных компьютерах.
Приложение А компьютера А с помощью соответствующих сообщений
обращается к приложению В на компьютере В с просьбой выполнить передачу
файла с диска.
В этом случае роль устройства управления ПУ выполняют контроллер и драйвер
СОМ-порта другого компьютера.
Приложение B, получив сообщение, обращается к диску аналогично связи
компьютера с ПУ. Считанные с диска данные приложение B передает по каналу
связи в компьютер А, где они и попадают к приложению А.

5.

Операционная система (ОС) компьютера представляет собой набор
взаимосвязанных системных программ, который обеспечивает управление
Ресурсами компьютера, а также предоставляет пользователям интерфейс для
работы с аппаратурой компьютера и разработки приложений.
Сетевой ОС называют операционную систему компьютера, которая, помимо
управления локальными ресурсами, предоставляет возможность доступа к
информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров сети (сетевые
средства).
Сетевые средства могут являться встроенными компонентами ОС, либо
существовать в виде отдельных программных продуктов. Например, сетевая
файловая служба обычно встраивается в ОС, а веб-браузер чаще всего является
отдельным приложением.
ОС, которая содержит преимущественно клиентские части сетевых служб,
называется клиентской. За компьютерами с клиентскими ОС работают
рядовые пользователи.
Серверные ОС ориентированы на обработку запросов из сети и включает в
себя в основном серверные части сетевых служб.

6.

Как только компьютеров становится больше двух, появляется
проблема выбора конфигурации физических связей.
Число возможных вариантов конфигураций резко возрастает при
увеличении числа связываемых устройств.
3 устройства:
4 устройства:

7. Связность

А
Б
Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер
непосредственно связан со всеми остальными (А). Такие топологии в сетях
применяются редко.
Неполносвязные топологии (Б) основаны на вариантах, когда обмен данными
между двумя компьютерами производится через другие узлы сети.

8.

Способ соединения компьютеров в сеть называется её топологией.
Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинами которого
являются конечные узлы сети (например, компьютеры, коммуникационное
оборудование), а ребра – электрические и информационные связи между ними.
Сетевая топология может быть:
• физической — описывает реальное расположение и связи
между компьютерами (прокладку кабелей)
• логической — описывает направление потоков данных в
рамках физической топологии

9. Типы топологий

а – общая шина
б – звезда
в – кольцо
г – дерево
д – сетка

10. Сетевые топологии.

Общая шина
Computer
Computer
Computer
Computer
Все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи.
Информация от каждого компьютера одновременно передается всем
остальным компьютерам.
Плюсы:
• Дешевизна
• Легкое расширение
Минусы:
• Интенсивный трафик снижает производительность
• Низкая отказоустойчивость
• Трудная диагностика

11. Звезда

Hub
Computer
Computer
Computer
Computer
Computer
Computer
Топология, в которой все компьютеры присоединены к центральному узлу
(коммутатор, концентратор, маршрутизатор).
Обмен информацией идет исключительно через центральный узел, на
который ложится большая нагрузка.
Плюсы:
• Высокая отказоустойчивость
• Удобная диагностика
• Высокое быстродействие
Минусы:
• Отказ концентратора отключает всю сеть
• Большой расход кабеля
• Дорогое оборудование

12. Кольцо

Кольцо — это топология, в которой каждый
компьютер соединен линиями связи с двумя
другими:
от одного он только получает информацию,
а другому только передает.
Передача информации всегда производится только в одном направлении.
Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру,
следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего.
Поэтому выход из строя хотя бы одного из них нарушает работу сети в целом.
Каждый компьютер ретранслирует приходящий к нему сигнал, то есть
выступает в роли репитера. Затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого
значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца.
Размеры кольцевых сетей достигают десятков километров.

13. Кольцо

Плюсы:
• Дешевизна
• Легкое расширение
Минусы:
• Интенсивный трафик снижает производительность
• Низкая отказоустойчивость
• Трудная диагностика

14.

Древовидная топология (иерархическая звезда)
Эту топологию можно рассматривать, как объединение нескольких звезд.
В настоящее время дерево является самой распространенной топологией
как в локальных, так и глобальных сетях.

15. Сетчатая (ячеистая) топологии

Computer
Каждый компьютер сети соединяется
со всеми или многими компьютерами
этой же сети.
Computer
Computer
Computer
Computer
Характеризуется высокой
отказоустойчивостью, сложностью
настройки и преизбыточным расходом
кабеля.
Computer
Плюсы: повышенная отказоустойчивость.
Минусы: сложность инсталляции и реконфигурации.

16.

Смешанная топология
Небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию (общая шина, кольцо,
звезда). Для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между
компьютерами.
В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты
(подсети), имеющие разные базовые топологии, поэтому их называют сетями со
смешанной топологией.

17.

Факторы, которые необходимо учитывать при выборе топологии:
1.
- Имеющуюся кабельную систему и оборудование
2.
- Месторасположение компьютеров и оборудования
3.
- Размеры планируемой сети
4.
- Объем и тип информации для совместного использования
Физическое расположение компьютеров, соединяемых сетью, почти не
влияет на выбор топологии. Как бы ни были расположены компьютеры, их
можно соединить с помощью любой заранее выбранной топологии.
Большинство современных сетей используют топологию «звезда» или
гибридную топологию, объединяющую несколько звезд, например, типа
«дерево»

18. Топологические элементы сети

Узлы сети – устройства, наделенные сетевыми адресами.
Кабельный сегмент – отрезок кабеля, соединяющий 2 или более узлов.
Сегмент сети - совокупность узлов сети, использующих общую среду передачи.
Сеть - совокупность узлов сети, имеющих единую систему адресации.
Активные коммуникационные устройства:
Повторитель – устройство, обеспечивающее усиление и фильтрацию сигнала
без изменения его информативности.
Повторитель - устройство, позволяющее
преодолевать ограничения длины
кабельных сегментов.

19.

Активные коммуникационные устройства:
Концентратор (hub) – сетевое устройство, выполняющее функции повторителя
и объединяющее несколько сетевых устройств в один общий сегмент сети.
Концентратор копирует и полностью передает полученную информацию на все
устройства, подключенные к его портам.
Концентратор не является интеллектуальным устройством и обеспечивает только
точки физического соединения для сетевых устройств. Он функционирует на
первом уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI).

20.

Активные коммуникационные устройства:
Мост (bridge) – средство объединения сегментов сетей в единую сеть.
Мост обеспечивает передачу сетевого трафика в соответствии с заданными
условиями.
Коммутатор (switch) – устройство, обеспечивающее соединение сетевых
устройств посредством внутренних механизмов коммутации. Он работает на
втором или третьем уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем.
В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного
устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только получателю.
Используется для сегментации сетей с целью повышения пропускной
способности и безопасности.

21.

Активные коммуникационные устройства:
Маршрутизатор (router) – сетевое устройство, используемое для установления
и управления потоками данных между различными сетями путем выбора
маршрутов на основе механизмов и алгоритмов протоколов маршрутизации.
Для работы они используют информацию о топологии сети, алгоритмы
маршрутизации, а также правила, заданные администратором сети. Они могут
самостоятельно выбирать маршрут доставки пакета данных от отправителя до
получателя.
В роли маршрутизатора может выступать рабочая станция, имеющая несколько
сетевых интерфейсов и снабженная специальным программным обеспечением.

22.

Адресация узлов
Типы адресов:
числовые (например IP-адрес сети Интернет 91.222.130.253)
символьные (например доменный адрес Интернета www.ssau.ru)
плоские (например, аппаратные МАС-адреса)
иерархические (IP-адреса, доменные адреса).
Множество всех адресов в рамках некоторой сетевой технологии называется
адресным пространством.
Символьные адреса предназначены для запоминания людьми и поэтому несут
смысловую нагрузку. Как правило, символьные адреса имеют иерархическую
структуру – адресное пространство структурируется в виде вложенных друг в
друга подгрупп, которые последовательно сужают адресуемую область и в итоге
определяют конкретный узел.
При плоской адресации множество адресов никак не структурировано.
Примером плоского числового адреса является МАС-адрес сетевого узла в
локальных сетях, который встраивается в аппаратуру изготовителем.
Примером числового иерархического адреса являются IP-адреса.

23.

Требования к системе адресации:
Адресация узлов
- адрес должен уникально идентифицировать сетевой интерфейс;
- схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд
администратора и вероятность дублирования адресов;
- желательно, чтобы адрес имел иерархическую структуру;
- адрес должен быть удобен для пользователей сети (символьный вид);
- адрес должен быть компактным.
На практике обычно применяют сразу несколько схем адресации, так что узел
может одновременно иметь несколько адресов. Например WEB-сервер имеет
доменный символьный адрес, IP-адрес, а также МАС-адрес компьютера.
Каждый адрес задействуется когда этот вид адресации наиболее удобен.
Для преобразования адресов из одного вида в другой используются
специальные протоколы разрешения адресов.
Например, в сети Интернет пользователи адресуют компьютеры символьными
именами, которые автоматически преобразовываются в числовые IP-адреса,
по которым сообщения доставляются в сеть назначения, а затем пакет попадает
в конкретный узел по его MAC-адресу.

24.

Маршрутизация
Маршрут - последовательность транзитных узлов на пути от отправителя
к получателю.
ЦЕЛИ МАРШРУТИЗАЦИИ – ОБЕСПЕЧЕНИЕ:
- минимальной задержки пакета при его передаче по сети;
- максимальной пропускной способности сети;
- максимальной защиты пакета от угроз безопасности;
- надежности доставки пакета адресату;
- оптимизации стоимости передачи пакета между узлами сети.
Алгоритм маршрутизации: правило назначения выходной линии связи узла
сети для передачи пакета, базирующееся на информации, содержащейся
в заголовке пакета.
Показатели эффективности алгоритма:
- время доставки пакета;
- нагрузка на сеть при передаче служебной (маршрутной) информации;
- затраты ресурсов коммуникационного оборудования.

25.

Маршрутизация
Способы маршрутизации:
1. Централизованная
2. Распределенная
3. Смешанная
Виды маршрутизации:
Простая (без учета изменения топологии и загрузки узлов)
случайная – выбирается 1 из возможных направлений
лавинная – передача по всем свободным линиям.
Фиксированная (учет изменения топологии, без учета изменения
загрузки узлов)
Адаптивная (учет изменения топологии и загрузки узлов)
локальная (информация о соседних узлах)
распределенная (информация с соседних узлов)
централизованная (использование центра маршрутизации)
гибридная (информация центра и загрузка соседних узлов)

26. Структура сети

Коммутация – соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов.
Виды коммутации:
коммутация каналов - последовательно соединенные участки каналов связи;
коммутация пакетов - передача данных дискретными порциями одинаковой
длины (пакеты);

27.

Коммутация каналов
Коммутация каналов ведет свое происхождение от телефонных сетей.
Сеть с коммутацией каналов представляет собой множество коммутаторов и
конечных узлов (абонентов), соединенных между собой линиями связи.
Для связи абонентов на время сеанса связи определяется маршрут (составной
канал), который задается администратором, либо автоматически с помощью
специальных аппаратных и программных средств.
Обмен данными предваряется процедурой установления соединения, которая
реализуется с помощью запроса, содержащего адрес вызываемого абонента.
Если на пути между абонентами отсутствует свободный канал или вызываемый
абонент занят, то происходит отказ в установлении соединения.
Составной канал имеет фиксированную пропускную способность, обслуживает
только конкретных абонентов, обеспечивает надежную передачу и освобождается
только после окончания сеанса связи. На время сеанса другие абоненты не могут
использовать данный канал.
Сеть с коммутацией каналов эффективно передает трафик , когда скорость его
соответствует максимальной пропускной способности. В случае пульсирующего
компьютерного трафика эффективность снижается.

28.

Коммутация пакетов
Сети с коммутацией пакетов также состоят из коммутаторов, связанных линиями
связи. Сеть не создает заранее для абонентов отдельных каналов связи.
Принципом работы сетей с коммутацией пакетов является разбиение всей
информации на отдельные порций данных, называемых пакетами.
Каждый пакет снабжается заголовком, в котором содержится адрес назначения и
другая информация. Это позволяет коммутаторам обрабатывать каждый пакет
независимо от других (дейтаграммный способ). Продвижение пакета по сети
Осуществляется на основе таблиц коммутации.
Пакеты могут идти по сети разными маршрутами и приходить абоненту в другом
порядке. Однако такой режим позволяет оптимально передавать пульсирующий
компьютерный трафик, эффективно используя пропускную способность сети.
1. Отправляемые данные
3. Образование пакетов
2. Разбиение на части
4. Сборка на узле назначения

29.

Дейтаграммный способ передачи пакетов

30.

Сравнение сетей с коммутацией пакетов и каналов
Коммутация каналов
Коммутация пакетов
Предварительное установление
соединения
Отсутствует этап установления
соединения
Адрес требуется только на этапе
соединения
Адрес и служебная информация
передается с каждым пакетом
Сеть может отказать абоненту в
установлении соединения
Сеть всегда готова принять данные от
абонента
Гарантированная пропускная
способность для абонентов
Пропускная способность для абонентов
неизвестна
Трафик реального времени передается
без задержек
Ресурсы сети используются эффективно
при передаче пульсирующего трафика
Высокая надежность передачи
Возможны потери данных
Нерациональное использование
Автоматическое динамическое
пропускной способности каналов,
распределение пропускной способности
снижающее общую эффективность сети сети

31.

Передача с установлением логического соединения
Узел 1
Узел 2
Запрос на установление
соединения
Прием запроса на
установление соед.
Прием подтверждения
Подтверждение
соединения
Передача данных
Прием данных
Прием подтверждения
Подтверждение
приема данных
Запрос на разрыв
соединения
Прием запроса на
разрыв соединения
Прием подтверждения
Подтверждение
разрыва
соединения
Фаза
установления
соединения
Фаза
передачи
данных
Фаза
разрыва
соединения

32.

Контрольные вопросы:
1. Назовите основные элементарные топологии компьютерных сетей.
2. Каковы преимущества и недостатки топологий:
общая шина
звезда
3. Укажите типы сетевых адресов, приведите примеры
4. Каково назначение сетевого устройства «повторитель» ?
5. В чем отличие коммутатора от концентратора?
6. В чем состоит основное назначение маршрутизатора?
7. Что такое алгоритм маршрутизации?
8. В чем состоит отличие режима «коммутации сообщений» от режима
«коммутации пакетов»?
9. Назовите активные коммуникационные устройства и их функции.