Информатика. Основные понятия и определения

1.

Лекция 5.
Автор:
Васильев Николай Петрович, кандидат техн. наук, доцент кафедры
«Компьютерные системы и технологии» НИЯУ МИФИ

2. Основные понятия и определения

• Компьютерная сеть (КС) (Computer
Network) возникает при одновременном
выполнении двух условий:
– Имеются, как минимум, два компьютера
(вычислительные системы); они именуются
узлами (node(s)) сети.
– Существует среда передачи данных (СПД),
объединяющая все узлы данной сети.

3. Основные понятия и определения

• КС – не цель, а средство!
– Целью КС является, как и во остальных всех
областях вычислительной техники, повышение
эффективности работы пользователей (экономия
времени, денежных средств и т.п.)
– КС – средство доступа к вычислительным ресурсам
(computer resource)
• Ресурс – все то, что необходимо для решения
поставленной задачи
• Вычислительные ресурсы: процессорное время,
необходимое для проведения расчетов, место на диске,
занимаемое пользовательскими данными и т.п.

4. Основные понятия и определения

• Локальный ресурс (ЛР) (local resource) ресурс той вычислительной системы,
которая доступна нам непосредственно
• Удаленный ресурс (УР) (remote resource) –
ресурс другой, не нашей, вычислительной
системы.
– Для доступа к удаленным ресурсам и строится
компьютерная сеть! Именно в этом смысл КС!

5. Основные понятия и определения

• Клиент (client) – узел КС (в широком смысле,
включая программы, работающие на данном узле),
которому необходим доступ к УР другой
вычислительной системы.
• Сервер (server) – узел КС (также в широком
смысле), который предоставляет свои ЛР для
доступа клиентам.
– Как правило, количество клиентов в КС превышает
количество серверов (иногда – намного).
– Клиент формирует запрос (request) к серверу на доступ
к ресурсу, сервер обслуживает клиентские запросы и
формирует ответ или реакцию (response), в котором
содержатся данные, относящиеся к ресурсу.

6. Основные понятия и определения

• Протокол (protocol) – набор правил, в соответствие с которыми
происходит обмен данными по сети
– Универсальные протоколы, такие как IP и TCP предназначены для
обмена любыми данными, без привязки к конкретным ресурсам.
Для таких протоколов нет понятий «клиент» и «сервер», а только
«отправитель» и «получатель»
– Специализированные протоколы, такие как HTTP и SMTP и др.
необходимы для доступа к определенным ресурсам: вебстраницам и электронным письмам. Эти протоколы ведут обмен
между соответствующими клиентами и серверами
• Сетевая служба (network service) – совокупность клиентов,
серверов и протоколов, предназначенная для работы с
определенными ресурсами.
– Примеры: WWW, DNS, E-Mail …

7. Архитектура сети

• Архитектура (architecture) – совокупность принципов
функционирования системы
• Архитектура сети – задается аппаратурой и сетевой
операционной системой (ОС), т.е. той ОС, которая
устанавливается на узлах сети.
– Одноранговые (peer-to-peer, p2p) сети – в них каждый узел
может быть как клиентом, так и сервером. Например, узлы
представляют собой обычные компьютеры (настольные
или ноутбуки), на которых установлены ОС Windows 7 (или
8) либо ОС Linux в конфигурации «рабочая станция».
– Сети с архитектурой «клиент-сервер» – в таких сетях есть
узлы-клиенты и узлы-сервер. Например, клиенты –
бездисковые рабочие станции или микрокомпьютеры, а
серверы – обычные или специализированные компьютеры
под управлением ОС Windows Server или Linux в
конфигурации «сервер сети»

8. Архитектура сети

– Сети с гибридной (hybrid) или смешанной
архитектурой. В таких сетях узлы-клиенты могут
выполнять некоторые функции серверов
(например, общее хранилище файлов, файлсервер), а узлы-серверы – выполнять отдельные
функции клиентов, например, отправлять
документы на принт-сервер, расположенный на
другом узле. Пример: клиенты и серверы –
обычные компьютеры, ОС для клиентов Windows
7 или 8, для серверов – Windows Server 2008 или
2012
• Большинство компьютерных сетей на предприятиях
строятся по смешанной архитектуре
• Стоимость серверных ОС существенно дороже, чем
клиентских
– Оптимизация обработки клиентских запросов

9. Архитектура сетевой службы

• Сетевая служба формируется посредством установки на узлах
соответствующих прикладных программ
– Служба WWW (World Wide Web – всемирная паутина):
• Веб-сервер – Apache HTTP Server, Microsoft IIS, …
• Клиент – браузер (browse – просматривать) Microsoft Internet Explorer,
Google Chrome, …
• Протокол HTTP – стандартный, понимается всеми веб-серверами и
браузерами
– Архитектура сетевых служб: одноранговая или клиент-сервер
(чаще всего)
• Архитектура сетевой службы может не соответствовать
архитектуре сети
– Службу WWW можно «поднять» и в одноранговой сети
– Наилучший вариант, когда архитектура сетевой службы
соответствует архитектуре сети, т.е. серверная часть службы
располагается на узлах-серверах, а клиентская – на узлах-клиентах

10. Виды компьютерных сетей

• Переносные, BAN (Body Area Network) – сети, узлы
которых человек носит с собой: смартфоны,
планшеты. СПД, как правило, беспроводная.
– Количество узлов – единицы
– Протяженность (периметр) СПД = от сантиметров до
десятков сантиметров
• Персональные, PAN (Personal Area Network) – сети,
принадлежащие некоторому человеку: настольные
компьютеры, ноутбуки.
– Количество узлов – единицы
– Протяженность (периметр) СПД = от метров до
десятков метров

11. Виды компьютерных сетей

• Локальные, LAN (Local Area Network) – сети,
расположенные в одном или нескольких
помещениях
– Количество узлов – от единиц до десятков
– Протяженность (периметр) СПД = от метров до
десятков метров
• Жилые, CAN (Campus Area Network) – сети,
охватывающие ряд помещений и даже зданий,
например, сети, прокладываемые в жилых домах.
– Количество узлов – от сотен до тысяч
– Протяженность (периметр) СПД = от сотен метров до
километров

12. Виды компьютерных сетей

• Региональные или городские, MAN (Metropolitan
Area Network) – сети масштаба города и региона
– Количество узлов – от десятков тысяч до миллионов
– Протяженность (периметр) СПД = от десятков до сотен
и тысяч километров (смотря какой город или регион)
• Глобальные, GAN (Global Area Network) – сети
глобального масштаба, вплоть до всего мира
(Интернет)
– Количество узлов – вплоть до миллиардов
– Протяженность (периметр) СПД = сотни тысяч
километров

13. Локальные (LAN) и распределенные (WAN) сети

• BAN, PAN, LAN состоят из отдельных узлов и все
относятся к семейству LAN
• CAN, MAN, GAN уже состоят не из узлов, а из сетей
меньшего масштаба и относятся к семейству
распределенных сетей WAN (Wide Area Network)
– В WAN появляется новый вид узла, которого нет в LAN –
маршрутизатор (router), который одновременно
является узлом нескольких LAN, соединяя их в общую,
распределенную сеть.
• Задание: изучите внешний вид домашнего маршрутизатора,
найдите места для подключения (порты) линий LAN и линии
WAN

14. Виды СПД

• Проводные
– Электрические: витая пара, коаксиальный кабель
– Оптические: одно- и многомодовый волоконнооптический кабель
• Беспроводные
– Радио: WiFi, Bluetooth, сотовая связь (GSM, LTE и
т.д.), спутниковая связь.
– Оптические: ИК-связь
– Неэлектромагнитные: сонары

15. Коаксиальный кабель

• Co-axis – соосный
• 1 – внешняя оболочка
из ПВХ
• 2 – проволочная
оплетка
• 3 – слой гибкого
диэлектрика
• 4 – центральная жила
• Волновое
сопротивление 50 Ом
– У ТВ-антенны 75 Ом

16. Витая пара

• Twisted pair
• Кабель включает несколько пар-«косичек»
• Обязательное условие: в любой момент времени
сигналы в пределах одной пары должны быть в
противофазе, т.е. U1(t) = - U2(t)
• Обозначение: xTP-y (шаблон)
– x= U (unshielded, неэкранированная)
– x= S (shielded, экранированная, экран в виде
проволочной оплетки)
– x=F (foiled, экранированная фольгой)
– В помещениях (indoor) применяют UTP, вне
помещений (outdoor) – STP и FTP
– у = категория кабеля. Определяет число пар в кабеле
и число витков на единицу длины.
• UTP-5e – наиболее популярный вид кабеля, 4 пары,
скорость передачи данных до 1 гигабита в секунду

17. Волоконно-оптические (fiber-optic) кабели

• В основе – явление фотоэффекта
• Мода – излучение на одной частоте. Многомодовый кабель сверху,
одномодовый – снизу
• 1 – источник света, 2 – фотоприемник, 3 – внешняя оболочка, 4 –
отражатель, 5 – световод
• В многомодовом кабеле источник неточный, порождает несколько
волн с разной частотой. Используется на небольших расстояниях,
сотни метров
• Одномодовый кабель – высокие требования к источнику и
световоду. Используется на больших расстояниях, километры и
более
• Скорость передачи – десятки гигабит в секунду

18. Топологии LAN (конфигурация СПД)

• Шина (bus). Сигнал распространяется во все стороны по общей
магистрали. Устарела, но изредка встречается и сейчас
• Кольцо (ring). Сигнал распространяется от соседа к соседу, в
строго определенном порядке. Применяется редко
• Звезда (star). Узлы сети индивидуально подключаются к
общему центральному устройству (ЦУ). Применяется очень
часто.
– Иерархическая звезда – звезда, в которой существуют соединения
ЦУ между собой. Применяется очень часто.
• Полносвязная (full-linked). Каждый узел сети соединен со всеми
остальными отдельной линией. Применяется в
суперкомпьютерах и системах спец. назначения.

19. Шина

• Одна из первых сетей Ethernet
• Все узлы подключены к общему
каналу данных
• На концах шины располагаются
терминаторы для подавления
сигнала
• СПД – коаксиальный кабель
– Простота подключения
– Максимальная длина сегмента
(расстояние между крайними
точками шины) 185 (тонкий
кабель) и 500 (толстый кабель)
метров
– Скорость передачи данных до
10 Мбит/с

20. Кольцо

• Информация передается от
соседа к соседу в строго
определенном порядке
• СПД – витая пара или
оптоволокно
• Отсутствие коллизий, т.е.
невозможность
одновременной передачи
от двух и более узлов
• Token Ring (16 Мбит/с), FDDI
(622 Мбит/с)

21. Звезда

• Узлы подключаются к
портам центрального
устройства с
помощью кабелей
типа витая пара
• Длина кабеля лежит
в пределах от 1 до
100 метров
• Fast Ethernet - 100
Мбит/с
• Gigabit Ethernet 1000
Мбит/с

22. Сетевые модели

23. Уровни (слои) в модели DoD

• 1. Канала связи (link) или сетевого доступа (network
access)
– Отвечает за прием/передачу данных между узлами
локальной сети
– Сюда относится все, что связано с LAN – и аппаратура, и
драйвер сетевой платы и протоколы LAN
• 2. Межсетевой (internet)
– Отвечает за прием/передачу между узлами
распределенной сети WAN – хостами (host)
– Здесь возникает проблема маршрутизации
– Протоколы: IPv4, IPv6

24. Уровни (слои) в модели DoD

• 3. Транспортный (transport)
– Обеспечивает универсальную инфраструктуру
передачи данных между программами, работающими
на хостах
– Протоколы: UDP (ненадежная доставка), TCP (надежная
доставка)
• 4. Прикладного процесса (process application)
– Взаимодействие между конкретными программами,
например, клиентом и сервером сетевых служб
– Протоколы: HTTP (служба WWW), FTP (служба FTP),
SMTP, POP, IMAP (служба E-Mail) – и т.д., очень много!

25. Особенности модели DoD

• Появилась раньше (работы начались в конце
60-х годов в Министерстве обороны США)
• Самодостаточная, т.е. не является открытой,
пополняется новыми функциями только
изнутри
• Нижний и верхний уровни слишком
«толстые», в них много функций
– Нижний охватывает и аппаратуру и программыдрайверы
– Верхний содержит все, что связано с прикладными
программами

26. Уровни модели OSI/ISO

• L1. Физический (physical)
– Включает все, что связано с физическими
процессами распространения сигнала в СПД
• L2. Канальный (data link)
– Отвечает за передачу/прием пакетов данных
(кадров, frames) между узлами локальной сети
• L3 и L4 аналогичны межсетевому и
транспортному уровню соответственно в
модели DoD

27. Уровни модели OSI/ISO

• L5. Сеансовый (session)
– Отвечает за сеанс (логический канал) между
программой-отправителем и программой получателем
– Позволяет контролировать каждый передаваемый
байт, обеспечивая надежную доставку
• L6. Представления (presentation)
– Отвечает за преобразование данных по форме,
например, преобразование кодировки символов,
шифрование/расшифрование и т.п.
• L7. Прикладной (application)
– Отвечает за взаимодействие прикладных программ с
сетью

28. Особенности модели OSI/ISO

• Появилась позже (70-е годы) в Международной
организации по стандартизации (ISO)
– Создана рабочей группой OSI - Open Systems Interconnection
• Открытая модель: любая программа «видит» сетевые
ресурсы точно так же, как и локальные
• Обеспечивает универсальность в рамках отдельно
взятой ОС
– Интерфейс прикладного программирования (API) у каждой
ОС свой
• Не дает универсальности при работе с сетевыми
службами в отрыве от ОС
Вывод: обе модели сосуществуют

29. Межуровневая инкапсуляция данных

• Данные с верхних уровней, переходя вниз по модели при
передаче, как бы «запаковываются в конверты» на
нижележащих уровнях
• Эти «конверты» – заголовки протоколов нижележащих уровней
– Содержат адресную информацию об отправителе и получателе
• На физическом уровне происходит передача двоичных цифр с
посредством физических процессов через СПД
• Получатель извлекает из СПД двоичные числа, формирует из
них кадр (как бы «сообщение во внешнем конверте»)
• Затем получатель как бы распаковывает очередной конверт и
передает его содержимое на вышележащий уровень
• В конце концов, исходные данные достигают свою программуполучатель

30. Иллюстрация

• Проанализируем, что происходит при обращении веббраузера по адресу http://ya.ru
• Воспользуемся программой-сетевым анализатором
(сниффером, sniffer – тот, кто разнюхивает) Wireshark
– Бесплатно доступна с официального сайта
http://www.wireshark.org
– После запуска программы следует выбрать сетевой
интерфейс для прослушивания и установим фильтр для http
– иначе будет виден весь трафик (traffic – данные,
передаваемые по сети)
Задание: впоследствии самостоятельно проанализируйте
трафик между Вашим браузером и каким-нибудь вебсервером

31. Сообщение протокола HTTP

32. Сообщение протокола TCP (segment)

33. Сообщение протокола IP (datagram)

34. Сообщение канального уровня (кадр, frame)

35. Сетевое оборудование

• Коннекторы RJ-45 устанавливаются с помощью
специального инструмента на кабель-витую пару
категории 5 или 5e
– Получаем т.н. Patch-cord, которым можно соединять
компьютеры с сетевым оборудованием
• Концентратор (hub) – устройство физического уровня
– Неустойчив в коллизиям, применяется редко
• Коммутатор (switch, L2-switch) – устройство,
охватывающее уровни L1 и L2
– Внутри себя может переключить свой произвольный порт на
любой другой – за счет предварительного анализа MACадреса в передаваемых кадрах

36. Сетевое оборудование

• Маршрутизатор (router) – устройство,
охватывающее L1, L2, L3
– Передает данные между разными LAN
– К каждому порту маршрутизатора подключается
отдельная LAN
• WiFi-маршрутизатор (WiFi-router) (L1,L2,L3)
– Имеет один порт для подключения WAN и несколько –
для одной LAN. К этой же LAN будут относиться узлы,
подключенные по беспроводной сети
• WiFi-точка доступа (access point) – дополнение к
WiFi-маршрутизатору
– Расширяет площадь покрытия

37. Сетевое оборудование

• Маршрутизирующий коммутатор (L3-switch)
(L1,L2,L3)
– Помесь коммутатора и маршрутизатора
– Позволяет несколько подключений по портам
рассматривать как одну LAN и передавать данные
между полученными LAN
• Шлюз (gateway) – работают на уровнях, выше L3
– Брандмауэры – на основании набора правил
разрешают или запрещают доступ к сетевым ресурсам
– Балансировщики нагрузки – перенаправляют трафик
при перегруженности отдельных участков сети
– Внимание – в терминах ОС часто шлюзом именуют
маршрутизатор

38. Литература

Основная литература:
L. Hughes. The Second Internet. – InfoWeapons, 2010 (книга доступна к
загрузке из Интернет по бесплатной лицензии)
К.Андерсон, М.Минасси. Локальные сети. Полное руководство: Пер. с англ. –
К: ВЕК+, М.:ЭНТРОП, СПб.:КОРОНА, 1999. – 624 с., ил.
Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия - СПб: Питер,
2000. - 704 с.: ил.
4. Ногл М. TCP/IP. Иллюстрированный учебник – М.:ДМК Пресс, 2001. – 480 с.:
ил.
Интернет-ресурсы:
1. Материалы сайта главного координируещего органа Интернет IANA http://www.iana.org
2. Материалы сайта рабочей группы по развитию Интернет IETF http://www.ietf.org
3. Материалы сайта координируего органа Интернет в России РУ-Центр http://www.nic.ru

39. Задание 1

Какие протоколы относятся к транспортному
уровню (transport layer) четырехуровневой
модели стека протоколов TCP/IP?
A. ARP
B. TCP
C. UDP
D. IP
E. ICMP

40. Задание 2

На каком из четырех уровней модели стека
протоколов TCP/IP к передаваемой информации
добавляется заголовок, содержащий поле TTL
(time-to-live)?
A. На Уровне приложений (application
layer)
B. На Транспортном уровне (transport
layer)
C. На Межсетевом уровне (internet
layer)
D. На Канальном уровне (link layer)

41. Задание 3

На каком уровне четырехуровневой модели
стека протоколов TCP/IP работает служба DNS?
A. На Уровне приложений (application
layer)
B. На Транспортном уровне (transport
layer)
C. На Межсетевом уровне (internet
layer)
D. На Канальном уровне (link layer)

42. Задание 4

Назовите отличия концентраторов от
коммутаторов 2-го уровня.
A.
Коммутаторы работают на более
высоком уровне модели OSI, чем концентраторы
B.
Коммутаторы не могут усиливать
сигнал, в отличие от концентраторов
C.
Коммутаторы анализируют IP-адреса
во входящем пакете, а концентраторы
анализируют MAC-адреса

43. Задание 5

В чем отличия маршрутизаторов от коммутаторов 2-го
уровня?
A.
Коммутаторы оперируют с MACадресами, маршрутизаторы оперируют с адресами
протоколов высокого уровня, таких как TCP/IP
B.
Маршрутизаторы оперируют с MACадресами, коммутаторы оперируют с адресами
протоколов высокого уровня, такими как TCP/IP
C.
Коммутаторы «обучаются» динамически,
маршрутизаторы требуют занесения маршрутов в
таблицу маршрутизации вручную

44. Спасибо за внимание!