Занятие 1. Основные понятия компьютерных сетей.
Курс "Системный администратор компьютерной сети".
vsit, Thursday 16 August 2012 - 14:51:04
[newpage=Компьютерные сети] Занятие 1. Основные понятия компьютерных сетей.
Эта глава посвящена изучению основ компьютерных сетей. Вы узнаете, какие типы сетей существуют, как компьютеры обмениваются информацией и какие службы и стандарты обмена данными при этом используются.
Компьютерные сети и протоколы
Широкое внедрение персональных компьютеров привело к необходимости обмена информацией, обрабатываемой на разных компьютерах. Как перенести большой объем информации с одного компьютера на другой? Как распечатать информацию, если всего один принтер? Как предоставить всем компьютерам выход в Интернет? Эти и многие другие проблемы решают компьютерные сети.
Компьютерная сеть - это соединение двух или более компьютеров для решения следующих задач:
Соединение, как правило, создается с помощью кабеля, но существуют и другие, более сложные средства.
В рамках одного учреждения довольно практично использовать кабельное соединение. Преобразование информации для передачи по кабелю осуществляют устройства, встраиваемые в компьютер - сетевые адаптеры. Такие местные сети получили название локальные сети. А если нам нужно соединить нашу локальную сеть с другой локальной сетью, то как протянуть кабель для подключения к сети, расположенной достаточно удаленно от данной, например, в другом здании или другом городе?
Для этого используют уже существующие кабельные соединения, такие как телефонные линии. Вопросами перекодировки информации для прохождения по телефонным линиям, занимаются специальные устройства, подключаемые к компьютеру - модемы. Можно использовать и другие способы соединения, например, радиосвязь. Устройства преобразования в этом случае будут другими.
Удаленные локальные сети, объединяются друг с другом, создавая глобальные сети. Примером глобальной сети является сеть Интернет.
Пакеты.
Вся работа компьютеров в сети, независимо от назначения и размеров сети, сводится только к одному: обмену информацией. Каждый компьютер имеет встроенный сетевой адаптер, который в свою очередь подключается к кабельной системе.
Перед передачей по сети информация формируется в пакеты. Сетевые адаптеры общаются между собой, передавая и принимая пакеты с информацией. Каждый пакет состоит из двух основных частей: Заголовок и Данные.
Заголовок содержит адрес компьютера-отправителя и адрес компьютера-получателя.
Раздел данных содержит передаваемую информацию.
Переданный в сеть пакет отправляется на все компьютеры. Получив пакет, они читают заголовок, и только тот компьютер, которому этот пакет адресован, прочтет данные из этого пакета.
Если компьютер должен передать по сети, например, текстовый файл большого размера, то сетевой адаптер этого компьютера разделит файл на фрагменты и передаст каждый фрагмент в отдельном пакете. Делается это затем, чтобы большие файлы не загружали сеть на долгое время, давая возможность другим компьютерам работать в сети. Принимающий сетевой адаптер получит все передаваемые ему пакеты, соединит их в единый файл и только после этого передаст готовый файл своему компьютеру. Таким образом, в сети один за другим передаются пакеты от разных компьютеров, не создавая «заторов».
Пакет имеет строго определенный формат, поэтому любой компьютер, получив пакет, сможет его прочитать. Этот формат определяется сетевым протоколом, который устанавливается в настройках операционной системы. Протокол представляет собой набор правил и соглашений для передачи информации по компьютерной сети. Если на компьютерах установлен одинаковый сетевой протокол, то они смогут «понимать» друг друга. Компьютеры с разными протоколами имеют разный формат пакетов и соответственно друг друга не поймут, также как люди, говорящие на разных языках. Например, пакет Ethernet может иметь размер от 64 до 1 518 байт, из них 18 байт используется под заголовок. Поэтому в одном пакете Ethernet можно передавать не более 1 500 байт данных. Пакеты Token Ring вмещают 4 202 байта данных.
Иногда пакет называют кадром (Frame).
Протоколы.
Для стандартизации передаваемой по сети информации, разработаны так называемые сетевые протоколы. Протокол представляет собой набор правил и соглашений для оформления и передачи информации по компьютерной сети. Пакет, созданный по выбранному сетевому протоколу, имеет строго определенный формат. Если на компьютерах сети установлен одинаковый сетевой протокол, то они смогут «понимать» друг друга, т.е. читать пакеты. Компьютеры с разными протоколами имеют разный формат пакетов и соответственно друг друга не поймут, также как люди, сидящие в одной комнате, но говорящие на разных языках.
Есть три наиболее распространенных протокола, используемых в компьютерных сетях Microsoft - NetBEUI, TCP/IP, IPX/SPX.
Сетевой протокол Microsoft TCP/IP особенно широко используется в сети Интернет. Поэтому для совместимости пакетов локальной сети с пакетами сети Интернет мы будем пользоваться только протоколом TCP/IP.
Microsoft TCP/IP-протокол, на основе которого разработаны многие службы в операционной системе Windows, дает следующие возможности:
Классификация локальных сетей
Каждый компьютер в сети может иметь один из двух статусов:
Серверы предоставляют свои ресурсы (диски, папки с файлами, принтеры, устройство для чтения CD/DVD и т.п.) другим компьютерам сети. Как правило, это специально выделенный высокопроизводительный компьютер, оснащенный специальной серверной операционной системой (Windows Server 2003), центрально управляющий сетью.
Рабочая станция (клиентский компьютер) - это компьютер рядового пользователя на базе Windows XP Professional, получающий доступ к ресурсам серверов.
По типу организации работы компьютеров в сети различают
Выбор типа локальной сети в большей степени зависит от требований к безопасности работы с информацией и уровня подготовки администратора сети.
Одноранговые сети. Рабочая группа.
В одноранговой сети все компьютеры имеют одинаковый приоритет и независимое администрирование.
Каждый компьютер имеет установленную операционную систему платформы Microsoft Windows любой версии или совместимую с ней. Эта операционная система поддерживает работу клиента сети Microsoft.
Пользователь каждого компьютера самостоятельно решает вопрос о предоставлении доступа к своим ресурсам другим пользователям сети. Это наиболее простой вариант сети, не требующий особых профессиональных знаний. Установка такой сети не занимает много времени.
Для построения одноранговой локальной сети достаточно объединить компьютеры при помощи сетевого кабеля (смонтировать кабельную систему) и установить на компьютеры, например, ОС Windows XP Professional. Мастер подключения к сети, поможет осуществить все необходимые настройки операционной системы.
Пример одноранговой сети на базе Windows XP Professional
Сети с выделенным сервером
В сети с выделенным сервером управление ресурсами сервера и рабочих станций централизовано и осуществляется с сервера. Отпадает необходимость обходить все компьютеры сети и настраивать доступ к разделяемым ресурсам. Включение новых компьютеров и пользователей в сеть также упрощается. Повышается безопасность использования информации в сети. Это удобно для сетей, в которых работают различные категории пользователей и много разделяемых ресурсов.
Для создания сети с выделенным сервером:
Пример сети с выделенным сервером на базе Windows Server 2003 и Windows XP Professional
Изменения в учетных записях пользователей делаются администратором сети централизованно, на сервере. К тому же пользователей можно объединять в группы и создавать отдельную политику работы в сети для каждой группы. Это значительно облегчает работу администратора при назначении доступа к общим ресурсам.
Выделенный сервер часто выполняет только одну определенную функцию (роль), например:
В небольших локальных сетях, как правило, устанавливают один сервер, объединяющий в себе несколько серверных функций (ролей). Этого вполне достаточно и экономически оправдано. Кстати, небольшие сети могут обходиться и без серверов, т.е. быть одноранговыми.
Сложности такой сети заключаются в следующем:
В таблице представлены достоинства и недостатки двух видов сетей.
Рабочие группы
Рабочая группа - это средство поддержки сетевого окружения, входящее в состав Microsoft Windows XP.
Рабочая группа (workgroup) - это логическая группа сетевых компьютеров одноранговой сети.
Компьютеры рабочей группы совместно используют общие ресурсы, такие как файлы и принтеры. При администрировании каждого компьютера определяют:
При этом, на каждом компьютере рабочей группы создаются собственные базы данных пользователей и политики безопасности локального компьютера.
Рабочая группа является удобной сетевой средой для небольшого числа компьютеров, расположенных недалеко друг от друга.
Домены
В сетях с выделенными серверами администрирование осуществляется централизованно. Для упрощения администрирования, любые компьютеры сети и разделяемые ресурсы можно объединять в группы, называемые доменами.
Домен - это логическая группировка любых компьютеров сети под одним именем.
Для домена создается общая база данных. В Windows Server 2003 эта база данных называется каталогом и входит в службу каталога Active Directory.
К объектам, хранимым в каталоге, относятся как пользователи, так и ресурсы сети.
Домен может объединять любые компьютеры, расположенные в локальной сети или находящиеся в разных городах, странах. Соединение компьютеров домена может быть любым, включая телефонные линии, оптоволоконные линии, спутниковую связь и другие.
Служба каталога Active Directory разворачивается на любом сервере, входящем в состав сети. Такой сервер получает дополнительно статус контроллера домена. Администрирование сети и управление политиками безопасности осуществляется на контроллере домена.
Доменов в сети может быть несколько, и каждый домен обязательно имеет один или несколько контроллеров домена.
Если контроллеров домена несколько, то база данных Active Directory копируется на каждый. Это повышает отказоустойчивость и делает администрирование более удобным, т.к. все изменения, проведенные на одном контроллере домена, отображаются на других. Этот процесс называется репликацией.
[newpage=Адресация компьютеров сети]
Адресация компьютеров сети
Правила взаимодействия в сети, называемые сетевым протоколом TCP/IP определяют, что каждый компьютер в сети должен иметь адрес, так называемый IP-адрес. Вид адреса - 4 числа, записанные через точку. Например, 130.51.45.2 или 192.168.0.1.
IP-адрес компьютера-отправителя и IP-адрес компьютера-получателя указывается в пакете информации, который передается по сети.
Компьютеры находят друг друга по IP-адресам. Если же пользователю необходимо найти компьютер в сети, он должен будет указать его IP-адрес, подобно как мы набираем номер телефона, чтобы позвонить знакомым. Знать IP-адреса всех нужных компьютеров для человека достаточно сложно. Для облегчения доступа пользователей к компьютерам сети (в том числе сети Интернет) стали использовать имена. Для поиска сервера в Интернете проще указать его имя, например, microsoft.com, чем IP-адрес, который может выглядеть как 207.46.230.219.
Для совместимости числового IP-адреса и буквенного имени Windows XP и Windows Server 2003 имеют специальную программу (службу) DNS.
Система доменных имен DNS дополнительно в статье.
В операционную систему Windows Server 2003 включена служба DNS (Domain Naming System - система доменных имен).
Служба DNS выполняет две основных функции:
Пространство доменных имен
Пространство доменных имен имеет иерархическую структуру, которая представлена на рисунке.
Корневой домен располагается на самом верху иерархии и обозначается точкой.
Домены верхнего уровня создаются по определенному признаку. В них объединяются компьютеры сети по географическому признаку или роду деятельности. Например:
Домены второго уровня обычно относятся к названиям компаний и регистрируются владельцами доменов верхнего уровня.
Домены третьего уровня обычно относятся к подразделениям внутри компаний.
При формировании имени домена к нему добавляется имя родительского домена. Например, домен второго уровня microsoft.com, домен третьего уровня eng.microsoft.com.
Домены ниже третьего уровня, как правило, встречаются редко.
Имена узлов. Каждый компьютер, по другому узел или хост, в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем, которое включает имя узла и имена всех доменов по направлению от узла к корню.
Например, компьютер имеет имя WinXP. Если собрать имена трех доменов по структуре, то получится полное доменное имя узла — winxp.test.fio.ru
Алгоритм работы службы DNS достаточно прост.
Топология локальных сетей (физическое соединение)
Топология - это способ физического соединения компьютеров в локальную сеть. Существует несколько стандартных топологий. Наиболее распространенный тип соединения «звезда» объединяет каждый компьютер с центральным устройством (коммутатором). Такое соединение напоминает подключение бытовой техники в удлинитель с несколькими розетками. Если компьютеров больше, чем соединительных гнезд (портов) в коммутаторе, то используют несколько коммутаторов, объединенных между собой.
Все соединения производятся кабелем типа «витая пара». По принципам передачи пакетов информации такая сеть относится к типу Ethernet. Пропускная способность стандартной Ethernet не более 10 Мбит/с. В настоящее время широко используется Fast Ethernet с пропускной способностью 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet с ограничением по скорости 1 Гбит/с.
Тип соединения «звезда»
Часть компьютеров, входящих в локальную сеть, может быть расположена в другом помещении. Тогда такие группы можно объединить по следующей схеме:
Соединение нескольких компьютерных групп
Топология типа «звезда» очень удобна, т.к. легко меняется конфигурация сети. Добавление в сеть нового компьютера или удаление компьютера из сети состоит всего лишь в подсоединении или отсоединении разъема кабеля от коммутатора. Однако при проектировании локальной сети необходимо помнить, что максимальная длина кабеля от порта до порта не должна превышать 100 метров. Если расстояние между коммутаторами или между коммутатором и компьютером превышает 100 м, то его можно поделить на участки по 100 метров и соединить их через коммутаторы.
Кабельная система включает в себя две основные подсистемы: горизонтальная и вертикальная. Горизонтальная подсистема – это топология «звезда», расположенная в пределах одного этажа. Вертикальная подсистема связывает отдельные этажи здания.
Горизонтальная подсистема делится на два типа:
Централизованная
При создании централизованной подсистемы коммутатор, сервер, основные разделяемые устройства, например, принтер, устанавливаются в одном помещении. Кабельная система сводится от каждого компьютера в эту точку. Администрирование осуществляется централизовано. Это позволяет:
Децентрализованная
При создании децентрализованной подсистемы, коммутаторы ставятся в разных помещениях одного этажа, объединяя компьютеры в небольшие группы. Затем все коммутаторы объединяются. Применение децентрализованного администрирования позволяет:
Тему: "Многоуровневый процесс коммуникации. Сетевые компоненты." можно посмотреть здесь[newpage=Стек протоколов TCP/IP]
Стек протоколов TCP/IP
Это стандартизованный набор сетевых протоколов. В настоящее время - это основной набор протоколов взаимодействия в Интернете. Более подробно об этом стеке протоколов и не только о нем можно прочитать в этой статье.
В состав стека протоколов TCP/IP входят два основных протокола: IP, TCP и несколько вспомогательных протоколов.
Как работают эти протоколы?
Протокол IP задает формат адреса узла (поэтому адреса компьютеров называются IP-адресами) и доставляет пакет данных.
Однако, на одном узле (компьютере сети) может функционировать параллельно несколько программ, которым требуется доступ к сети. Следовательно, данные внутри компьютерной системы должны распределяться между программами. Поэтому, при передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел. Необходимо также идентифицировать программу-получателя, что невозможно осуществить средствами протокола IP.
Другой серьезной проблемой IP является невозможность передачи больших массивов данных. Протокол IP разбивает передаваемые данные на пакеты, каждый из которых передается в сеть независимо от других. В случае если какие-либо пакеты потерялись, то модуль IP на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю, т.е. целостность данных будет нарушена.
Для решения этих проблем разработан протокол TCP.
Каждой программе назначается номер TCP- порта в соответствии с ее функциональным назначением на основе определенных стандартов. Порт можно рассматривать как ячейку в почтовом отделении связи. Протокол IP определяет только адрес почтового отделения, а протокол TCP положит конверт в нужную ячейку.
Таким образом, стек протоколов IP и TCP обеспечивают полную адресацию:
Следовательно, комбинация IP-адреса и номера порта позволяет однозначно идентифицировать программу в сети. Такой комбинированный адрес называется сокетом (socket).
Дополнительно к этому, протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку данных. Это обеспечивается тем, что принимающий компьютер подтверждает успешный прием данных. Если передающий компьютер не получает подтверждения, он пытается произвести повторную передачу.
IP-адреса, IP-сети. Подсети и маски подсетей
Более подробно об этом читаем в этой статье.
IP-адреса
Каждый компьютер в локальной сети имеет свой уникальный адрес, так же как человек имеет свой почтовый адрес. Именно по этим адресам компьютеры находят друг друга в сети. Двух одинаковых адресов в одной сети быть не должно. Формат адреса стандартный и определен протоколом IP.
IP-адрес компьютера записывается в 32 разрядах (4 октета). Каждый октет содержит десятичное число от 0 до 255 (в двоичном виде запись представляет последовательность 0 и 1). IP-адрес представляет собой четыре числа, разделяемых точкой. Например, компьютер с IP-адресом 192.168.3.24. Общее число IP-адресов составляет 4,2 млрд., все адреса уникальны.
IP-адрес может быть присвоен не только компьютеру, но и другим сетевым устройствам, например, принт-серверу или маршрутизатору. Поэтому все устройства в сети принято называть узлами или хостами.
Одно и тоже физическое устройство (компьютер или др.) может иметь несколько IP-адресов. Например, если в компьютер установлено несколько сетевых адаптеров, то каждый адаптер должен иметь свой уникальный IP-адрес. Такие компьютеры используются для соединения нескольких локальных сетей и называются маршрутизаторами.
IP сети
Чтобы быстро определить маршрут, по которому будет передаваться информация из одной локальной сети в другую, маршрутизатор может хранить в своей памяти IP-адреса компьютеров этих двух сетей.
В Интернете огромное количество сетей. Маршрутизаторам в Интернете придется хранить адреса всех компьютеров во всех сетях, что делает их работу практически невозможной.
Для указания местонахождения компьютера в сети, IP-адрес разделили на две части, одна содержит номер сети, другая содержит номер компьютера в этой сети. Аналогично наш почтовый адрес указывает улицу и дом на ней.
Для удобства, компьютеры с одним номером сети группируются в логические сети IP-сети.
Связь между логическими IP-сетями осуществляют маршрутизаторы, отвечающие за передачу данных. А сам процесс передачи данных - маршрутизацией.
Процесс целенаправленной доставки данных между IP-сетями, связанный с обеспечением безопасности передаваемых данных, преобразование адресов, фильтрацию и т.п., осуществляют другие специальные устройства – шлюзы.
Подсети и маски подсетей
Введение адреса сети упростило проблемы маршрутизации, но не решило их до конца (например, в больших локальных сетях). Поэтому большую IP-сеть разбивают на несколько подсетей, присвоив каждой из них свой адрес.
Подсети - это отдельные, самостоятельно функционирующие части сети, имеющие свой идентификатор.
Для адреса подсети, в IP-адресе, выделяется пространство из адреса узла.
Для определения адреса сети и подсети используется маска подсети. Формат записи маски подсети такой же, как и формат IP-адреса, это четыре поля, разделяемых точкой. Значения полей маски задаются следующим образом:
Если все биты октета установлены в 1, то это эквивалентно числу 255. Маска рассматривается только в паре с IP-адресом. Например, маска подсети 255.255.255.0 и адрес 192.168.100.5 говорят о том, что 192.168.100 - это номер сети, а 5 - номер компьютера в этой сети.
Просматривая адрес IP через маску подсети IP-протокол, определяет адрес сети, адрес подсети и номер узла.
Таким образом, в паре с IP-адресом компьютеров обязательно указывается маска подсети.
Статические и динамические IP-адреса. DHCP
Все IP-адреса должны быть уникальны во всем пространстве сети. Есть два способа задать эти адреса компьютерам сети.
Статические IP-адреса
Статический IP-адрес присваивается компьютеру вручную. Он прописывается администратором сети в настройках протокола TCP/IP на каждом компьютере сети и жестко закрепляется за компьютером.
Важное преимущество: постоянное соответствие IP-адресов определенным компьютерам. Это позволяет, например, запретить определенному компьютеру выходить в Интернет, или определить, с какого компьютера выходили в Интернет и т.п.
В присвоении статических адресов компьютерам есть определенные неудобства:
Динамические IP-адреса
Если компьютеру не присвоен статический IP-адрес, то адрес назначается автоматически службой DHCP. Такой адрес называется динамическим адресом, т.к. при каждом подключении компьютера к локальной сети адрес может меняться, но всегда оставаться в пределах заданного диапазона.
Функция автоматического назначения IP-адреса гарантирует уникальность выдаваемого IP-адреса, но в одноранговой сети и в сети с сервером работает по разному.
Сети с выделенным сервером
В сетях, управляемых сервером, динамический IP-адрес назначается специальной серверной службой DHCP, входящей в состав Windows Server 2003. В параметрах службы DHCP администратором сети прописывается IP-диапазон, адреса из которого, будут выдаваться другим компьютерам сети.
Сервер, на котором работает эта служба, называется DHCP-сервер. Компьютер, получающий IP-адрес из сети, называется DHCP-клиент.
Одноранговые сети
В одноранговой сети нет DHCP-сервера, а на каждом компьютере установлен (по умолчанию) DHCP-клиент. Во время загрузки операционной системы DHCP-клиент пытается найти в сети доступный DHCP-сервер для получения IP-адреса. После неудачной попытки получить IP-адрес, DHCP-клиент данного компьютера включает встроенную функцию IANA (Internet Assigned Numbers Authority), которая назначает компьютеру IP-адрес и маску подсети, используя один из зарезервированных адресов. При этом служба IANA отслеживает уникальность адресов в сети.
Зарезервированные адреса назначаются из диапазона 169.254.0.0 до 169.254.255.255 с маской подсети 255.255.0.0. Последние два поля адреса представляют уникальный идентификатор клиента.
Автоматическое назначение IP-адреса проводится последовательно на всех компьютерах сети.
Маршрутизаторы и шлюзы.
Маршрутизатор - это специальное устройство, предназначенное для передачи информации из одной сети в другую. Он принимает пакеты из одной сети и передает их в другую, при этом сети не объединяются в одну единую сеть, а остаются вполне независимыми. Маршрутизаторы оснащены системой управления, позволяющей фильтровать проходящие через него данные. Настроив соответствующим образом пакетный фильтр можно ограничивать или совсем запрещать доступ в другую сеть для определенных пользователей.
IP-Маршрутизация - процесс выбора последовательности маршрутизаторов, через которые проходит пакет по пути к узлу-назначению. Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами объединяемых сетей. Для этого он должен быть оснащен несколькими сетевыми адаптерами.
В качестве маршрутизатора может работать компьютер под управлением операционной системой Windows 2003 Server или Windows XP Professional. Функции маршрутизации входят в состав этих операционных систем.
Маршрутизатор является шлюзом для каждой сети, которые он объединяет. Точнее шлюзом для локальной сети является сетевой адаптер, установленный в маршрутизаторе, и подключенный к этой сети. Например, рабочая станция локальной сети хочет подключиться к рабочей станции из другой сети. Она отправляет запрос в свою сеть с целью найти нужный IP-адрес. Если адрес не был найден в сети, то запрос отправляется в шлюз этой сети, т.е. на маршрутизатор, который в свою очередь перенаправляет запрос в другую сеть. Если во второй сети компьютер был найден, то они связываются через маршрутизатор.
Дополнительно шлюзы могут выполнять функции, связанные с обеспечением безопасности передаваемых данных, преобразование адресов, фильтрацию и т.п.
Наиболее распространенные протоколы маршрутизации, входящие в состав стека протоколов TCP/IP:
Address Resolution Protocol, ARP. Протокол разрешения адресов, сопоставляет IP-адрес с адресом физического оборудования MAC-адресом. Посмотреть соответствие адресов из ARP-таблицы можно набрав в командной строке arp и указав IP-адрес.
*Routing Information Protocol, RIP. Протокол маршрутной информации, который используется для обратной совместимости с существующими RIP-сетями.
*Open Shortest Path First, OSPF. Протокол выбора кратчайшего маршрута.
IP-маршрутизация.
IP-Маршрутизация - процесс выбора пути для передачи пакета из одной сети в другую. Под путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет по пути к узлу-назначению. IP-маршрутизатор - это специальное устройство, предназначенное для передачи пакетовиз одной сети в другую и обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети. Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей, соответствующими номерам объединяемых сетей.
Маршрутизация осуществляется на узле-отправителе в момент отправки IP-пакета, а затем на IP-маршрутизаторах.
Принцип маршрутизации на узле отправителе выглядит достаточно просто. Когда требуется отправить пакет узлу с определенным IP-адресом, то узел-отправитель выделяет с помощью маски подсети из собственного IP-адреса и IP-адреса получателя номера сетей. Далее номера сетей сравниваются и если они совпадают, то пакет направляется непосредственно получателю, в противном случае - маршрутизатору, чей адрес указан в настройках протокола IP.
Выбор пути на маршрутизаторе осуществляется на основе информации, представленной в таблице маршрутизации. Таблица маршрутизации - это специальная таблица, сопоставляющая IP-адресам сетей адреса следующих маршрутизаторов, на которые следует отправлять пакеты с целью их доставки в эти сети. Обязательной записью в таблице маршрутизации является так называемый маршрут по умолчанию, содержащий информацию о том, как направлять пакеты в сети, адреса которых отсутствуют в таблице, поэтому нет необходимости описывать в таблице маршруты для всех сетей. Таблицы маршрутизации могут строиться "вручную" администратором или динамически, на основе обмена информацией, который осуществляют маршрутизаторы с помощью специальных протоколов - протоколов динамической маршрутизации.
Протоколы ARP и RARP.
Основным функциональным достоинством IP-адресации является полная логическая независимость IP-адресов от физических адресов. Однако чтобы средства канального уровня могли осуществить доставку данных, необходимо знание физического адреса получателя. Механизм определения по IP-адресу физического адреса узла-получателя обеспечивает протокол ARP (Address Resolution Protocol, Протокол Разрешения Адреса).
Определение физических адресов компьютеров осуществляется с помощью широковещательного запроса, в котором сообщается IP-адрес искомого компьютера (устройства). Получив такой ARP-запрос, каждый компьютер проверяет соответствие между указанным IP-адресом и своим собственным. В случае их совпадения сообщает отправителю свой физический адрес. После получения ответа инициировавший запрос компьютер заносит новые данные в специальную ARP-таблицу.
Наличие на каждом узле ARP-таблицы позволяет снизить объем широковещательной рассылки, поскольку запрос направляется в сеть только в случае, если нужное соответствие не найдено в ARP-таблице.
В ряде случаев может оказаться необходимым определить IP-адрес по MAC-адресу. Для этого используется протокол RARP (Reverse Address Resolution Protocol). Функционально RARP схож с протоколом ARP.
Протоколы динамической маршрутизации
Протоколы динамической маршрутизации предназначены для автоматизации процесса построения маршрутных таблиц маршрутизаторов. Принцип их использования достаточно прост: маршрутизаторы с помощью устанавливаемого протоколом порядка рассылают определенную информацию из своей таблицы маршрутизации другим и корректируют свою таблицу на основе полученных от других данных.
Такой метод построения и поддержки маршрутных таблиц существенно упрощает задачу администрирования сетей, в которых могут происходить изменения (например, расширение) или в ситуациях, когда какие-либо маршрутизаторы и/или подсети выходят из строя.
Следует отметить, что использование протоколов динамической маршрутизации не отменяет возможность "ручного" внесения данных в таблицы маршрутизаторов. Внесенные таким образом записи называют статическими, а записи, полученные в результате обмена информацией между маршрутизаторами - динамическими. В любой таблице маршрутизации всегда присутствует, по крайней мере, одна статическая запись - маршрут по умолчанию.
Современные протоколы маршрутизации делятся на две группы: протоколы типа "вектор-расстояние" и протоколы типа "состояние канала".
В протоколах типа "вектор-расстояние" каждый маршрутизатор рассылает список адресов доступных ему сетей ("векторов"), с каждым из которых связано параметр "расстояния" (например, количество маршрутизаторов до этой сети, значение, основанное на производительности канала и т.п.). Основным представителем протоколов данной группы является протокол RIP (Routing Information Protocol, протокол маршрутной информации).
Протоколы типа "состояние канала" основаны на ином принципе. Маршрутизаторы обмениваются между собой топологической информацией о связях в сети: какие маршрутизаторы с какими сетями связаны. В результате каждый маршрутизатор имеет полное представление о структуре сети (причем это представление будет одинаковым для всех), на основе которого вычисляет собственную оптимальную таблицу маршрутизации. Протоколом этой группы является протокол OSPF (Open Shortest Path First, "открой кратчайший путь первым").
Протокол RIP.
Протокол RIP (Routing Information Protocol, протокол маршрутной информации) является наиболее простым протоколом динамической маршрутизации. Он относится к протоколам типа "вектор-расстояние".
Под вектором протокол RIP определяет IP-адреса сетей, а расстояние измеряется в переходах ("хопах", hope) - количестве маршрутизаторов, которое должен пройти пакет, чтобы достичь указанной сети. Следует отметить, что максимальное значение расстояния для протокола RIP равно 15, значение 16 трактуется особым образом "сеть недостижима". Это определило основной недостаток протокола - он оказывается неприменимым в больших сетях, где Возможны маршруты, превышающие 15 переходов.
Протокол RIP версии 1 имеет ряд существенных для практического использования недостатков. К числу важных проблем относятся следующие:
Частично указанные проблемы решаются в версии 2 (RIP2).
Протокол OSPF
Протокол OSPF (Routing (Open Shortest Path First, "открой кратчайший путь первым") является более новым протоколом динамической маршрутизации и относится к протоколам типа "состояние канала".
Функционирование протокола OSPF основано на использовании всеми маршрутизаторами единой базы данных, описывающей, как и с какими сетями связан каждый маршрутизатор. Описывая каждую связь, маршрутизаторы связывают с ней метрику - значение, характеризующее "качество" канала. Например, для сетей Ethernet со скоростью обмена 100 Мбит/с используется значение 1, а для коммутируемых соединений 56 Кбит/с - значение 1785. Это позволяет маршрутизаторам OSPF (в отличие от RIP, где все каналы равнозначны) учитывать реальную пропускную способность и выявлять эффективные маршруты. Важной особенностью протокола OSPF является то, что используется групповая, а не широковещательная рассылка.
Указанные особенности, такие как групповая рассылка вместо широковещательной, отсутствие ограничений на длину маршрута, периодический обмен только короткими сообщениями о состоянии, учет "качества" каналов связи позволяют использовать OSPF в больших сетях. Однако такое использование может породить серьезную проблему - большое количество циркулирующей в сети маршрутной информации и увеличение таблиц маршрутизации. А поскольку алгоритм поиска эффективных маршрутов является, с точки зрения объема вычислений, достаточно сложным, то в больших сетях могут потребоваться высокопроизводительные и, следовательно, дорогие маршрутизаторы. Поэтому возможность построения эффективных таблиц маршрутизации может рассматриваться и как достоинство, и как недостаток протокола OSPF.
эта статья с Компьютерные сети и технологии
( http://www.xnets.ru/plugins/content/content.php?content.101 )
Курс "Системный администратор компьютерной сети".
vsit, Thursday 16 August 2012 - 14:51:04
[newpage=Компьютерные сети] Занятие 1. Основные понятия компьютерных сетей.
- Компьютерные сети и протоколы
- Классификация локальных сетей
- Адресация компьютеров сети
- Система доменных имен DNS
- Топология локальных сетей (физическое соединение)
- Стек протоколов TCP/IP
- IP-адреса, IP-сети. Подсети и маски подсетей
- Статические и динамические IP-адреса. DHCP
- Маршрутизаторы и шлюзы.
Эта глава посвящена изучению основ компьютерных сетей. Вы узнаете, какие типы сетей существуют, как компьютеры обмениваются информацией и какие службы и стандарты обмена данными при этом используются.
Компьютерные сети и протоколы
Широкое внедрение персональных компьютеров привело к необходимости обмена информацией, обрабатываемой на разных компьютерах. Как перенести большой объем информации с одного компьютера на другой? Как распечатать информацию, если всего один принтер? Как предоставить всем компьютерам выход в Интернет? Эти и многие другие проблемы решают компьютерные сети.
Компьютерная сеть - это соединение двух или более компьютеров для решения следующих задач:
- обмен информацией;
- общее использование программного обеспечения;
- общее использование оборудования (принтеры, модемы, диски и т.п.).
Соединение, как правило, создается с помощью кабеля, но существуют и другие, более сложные средства.
В рамках одного учреждения довольно практично использовать кабельное соединение. Преобразование информации для передачи по кабелю осуществляют устройства, встраиваемые в компьютер - сетевые адаптеры. Такие местные сети получили название локальные сети. А если нам нужно соединить нашу локальную сеть с другой локальной сетью, то как протянуть кабель для подключения к сети, расположенной достаточно удаленно от данной, например, в другом здании или другом городе?
Для этого используют уже существующие кабельные соединения, такие как телефонные линии. Вопросами перекодировки информации для прохождения по телефонным линиям, занимаются специальные устройства, подключаемые к компьютеру - модемы. Можно использовать и другие способы соединения, например, радиосвязь. Устройства преобразования в этом случае будут другими.
Удаленные локальные сети, объединяются друг с другом, создавая глобальные сети. Примером глобальной сети является сеть Интернет.
Пакеты.
Вся работа компьютеров в сети, независимо от назначения и размеров сети, сводится только к одному: обмену информацией. Каждый компьютер имеет встроенный сетевой адаптер, который в свою очередь подключается к кабельной системе.
Перед передачей по сети информация формируется в пакеты. Сетевые адаптеры общаются между собой, передавая и принимая пакеты с информацией. Каждый пакет состоит из двух основных частей: Заголовок и Данные.
Заголовок содержит адрес компьютера-отправителя и адрес компьютера-получателя.
Раздел данных содержит передаваемую информацию.
Переданный в сеть пакет отправляется на все компьютеры. Получив пакет, они читают заголовок, и только тот компьютер, которому этот пакет адресован, прочтет данные из этого пакета.
Если компьютер должен передать по сети, например, текстовый файл большого размера, то сетевой адаптер этого компьютера разделит файл на фрагменты и передаст каждый фрагмент в отдельном пакете. Делается это затем, чтобы большие файлы не загружали сеть на долгое время, давая возможность другим компьютерам работать в сети. Принимающий сетевой адаптер получит все передаваемые ему пакеты, соединит их в единый файл и только после этого передаст готовый файл своему компьютеру. Таким образом, в сети один за другим передаются пакеты от разных компьютеров, не создавая «заторов».
Пакет имеет строго определенный формат, поэтому любой компьютер, получив пакет, сможет его прочитать. Этот формат определяется сетевым протоколом, который устанавливается в настройках операционной системы. Протокол представляет собой набор правил и соглашений для передачи информации по компьютерной сети. Если на компьютерах установлен одинаковый сетевой протокол, то они смогут «понимать» друг друга. Компьютеры с разными протоколами имеют разный формат пакетов и соответственно друг друга не поймут, также как люди, говорящие на разных языках. Например, пакет Ethernet может иметь размер от 64 до 1 518 байт, из них 18 байт используется под заголовок. Поэтому в одном пакете Ethernet можно передавать не более 1 500 байт данных. Пакеты Token Ring вмещают 4 202 байта данных.
Иногда пакет называют кадром (Frame).
Протоколы.
Для стандартизации передаваемой по сети информации, разработаны так называемые сетевые протоколы. Протокол представляет собой набор правил и соглашений для оформления и передачи информации по компьютерной сети. Пакет, созданный по выбранному сетевому протоколу, имеет строго определенный формат. Если на компьютерах сети установлен одинаковый сетевой протокол, то они смогут «понимать» друг друга, т.е. читать пакеты. Компьютеры с разными протоколами имеют разный формат пакетов и соответственно друг друга не поймут, также как люди, сидящие в одной комнате, но говорящие на разных языках.
Есть три наиболее распространенных протокола, используемых в компьютерных сетях Microsoft - NetBEUI, TCP/IP, IPX/SPX.
Сетевой протокол Microsoft TCP/IP особенно широко используется в сети Интернет. Поэтому для совместимости пакетов локальной сети с пакетами сети Интернет мы будем пользоваться только протоколом TCP/IP.
Microsoft TCP/IP-протокол, на основе которого разработаны многие службы в операционной системе Windows, дает следующие возможности:
- Обеспечивает надежную, отказоустойчивую среду обмена информацией.
- Поддерживается всеми современными операционными системами.
- Позволяет компьютерам работать как в локальных, так и в глобальных компьютерных сетях.
- Обеспечивает доступ в Интернет.
Классификация локальных сетей
Каждый компьютер в сети может иметь один из двух статусов:
- Сервер
- Рабочая станция
Серверы предоставляют свои ресурсы (диски, папки с файлами, принтеры, устройство для чтения CD/DVD и т.п.) другим компьютерам сети. Как правило, это специально выделенный высокопроизводительный компьютер, оснащенный специальной серверной операционной системой (Windows Server 2003), центрально управляющий сетью.
Рабочая станция (клиентский компьютер) - это компьютер рядового пользователя на базе Windows XP Professional, получающий доступ к ресурсам серверов.
По типу организации работы компьютеров в сети различают
- Одноранговые сети
- Сети с выделенным сервером
Выбор типа локальной сети в большей степени зависит от требований к безопасности работы с информацией и уровня подготовки администратора сети.
Одноранговые сети. Рабочая группа.
В одноранговой сети все компьютеры имеют одинаковый приоритет и независимое администрирование.
Каждый компьютер имеет установленную операционную систему платформы Microsoft Windows любой версии или совместимую с ней. Эта операционная система поддерживает работу клиента сети Microsoft.
Пользователь каждого компьютера самостоятельно решает вопрос о предоставлении доступа к своим ресурсам другим пользователям сети. Это наиболее простой вариант сети, не требующий особых профессиональных знаний. Установка такой сети не занимает много времени.
Для построения одноранговой локальной сети достаточно объединить компьютеры при помощи сетевого кабеля (смонтировать кабельную систему) и установить на компьютеры, например, ОС Windows XP Professional. Мастер подключения к сети, поможет осуществить все необходимые настройки операционной системы.
Пример одноранговой сети на базе Windows XP Professional
Сети с выделенным сервером
В сети с выделенным сервером управление ресурсами сервера и рабочих станций централизовано и осуществляется с сервера. Отпадает необходимость обходить все компьютеры сети и настраивать доступ к разделяемым ресурсам. Включение новых компьютеров и пользователей в сеть также упрощается. Повышается безопасность использования информации в сети. Это удобно для сетей, в которых работают различные категории пользователей и много разделяемых ресурсов.
Для создания сети с выделенным сервером:
- Необходимо установить и настроить на одном из компьютеров серверную операционную систему (ОС), например Microsoft Windows Server 2003. На этом сервере создается общая база учетных записей всех пользователей, назначаются общие ресурсы, и определяется доступ к каждому для категорий или отдельных пользователей.
- На клиентские компьютеры устанавливается сетевая операционная система Windows XP Professional, которая настраивается для работы с сервером. При подключении к сети каждый пользователь проходит регистрацию на сервере. Только пользователи, прошедшие регистрацию, т.е. зарегистрированные на сервере, могут получить доступ к сети и общим сетевым ресурсам.
Пример сети с выделенным сервером на базе Windows Server 2003 и Windows XP Professional
Изменения в учетных записях пользователей делаются администратором сети централизованно, на сервере. К тому же пользователей можно объединять в группы и создавать отдельную политику работы в сети для каждой группы. Это значительно облегчает работу администратора при назначении доступа к общим ресурсам.
Выделенный сервер часто выполняет только одну определенную функцию (роль), например:
- Файловый сервер (файл-сервер) служит для хранения файлов,
- Сервер печати (принт-сервер) предоставляют принтеры в общее пользование,
- Сервер приложений обеспечивает работу пользователей с сетевыми приложениями,
- Web-серверы предоставляют общий доступ к данным,
- Маршрутизатор - для предоставления доступа к другим сетям и удаленного доступа к вашей сети,
- Серверы электронной почты хранят почтовые ящики пользователей и организовывают доставку почты по сети, и т. д.
В небольших локальных сетях, как правило, устанавливают один сервер, объединяющий в себе несколько серверных функций (ролей). Этого вполне достаточно и экономически оправдано. Кстати, небольшие сети могут обходиться и без серверов, т.е. быть одноранговыми.
Сложности такой сети заключаются в следующем:
- На компьютер, который выбран в качестве сервера, устанавливается специализированная сетевая операционная система. Установка, настройка и администрирование этой системы, клиентов сети, разделяемых ресурсов требует от системного администратора дополнительных знаний.
- При неисправности сервера доступ к сети и сетевым ресурсам становится невозможен. Работа пользователей на каждой рабочей станции может быть продолжена только в автономном режиме.
В таблице представлены достоинства и недостатки двух видов сетей.
| Достоинства | Недостатки | ||||||||||||||
| Одноранговая сеть | |||||||||||||||
|
| ||||||||||||||
| Сеть с выделенным сервером | |||||||||||||||
|
| ||||||||||||||
Рабочая группа - это средство поддержки сетевого окружения, входящее в состав Microsoft Windows XP.
Рабочая группа (workgroup) - это логическая группа сетевых компьютеров одноранговой сети.
Компьютеры рабочей группы совместно используют общие ресурсы, такие как файлы и принтеры. При администрировании каждого компьютера определяют:
- какие ресурсы этого компьютера будут разделяемыми (общими),
- какие пользователи сети будут иметь доступ к этим ресурсам, с какими правами.
При этом, на каждом компьютере рабочей группы создаются собственные базы данных пользователей и политики безопасности локального компьютера.
Рабочая группа является удобной сетевой средой для небольшого числа компьютеров, расположенных недалеко друг от друга.
Домены
В сетях с выделенными серверами администрирование осуществляется централизованно. Для упрощения администрирования, любые компьютеры сети и разделяемые ресурсы можно объединять в группы, называемые доменами.
Домен - это логическая группировка любых компьютеров сети под одним именем.
Для домена создается общая база данных. В Windows Server 2003 эта база данных называется каталогом и входит в службу каталога Active Directory.
К объектам, хранимым в каталоге, относятся как пользователи, так и ресурсы сети.
Домен может объединять любые компьютеры, расположенные в локальной сети или находящиеся в разных городах, странах. Соединение компьютеров домена может быть любым, включая телефонные линии, оптоволоконные линии, спутниковую связь и другие.
Служба каталога Active Directory разворачивается на любом сервере, входящем в состав сети. Такой сервер получает дополнительно статус контроллера домена. Администрирование сети и управление политиками безопасности осуществляется на контроллере домена.
Доменов в сети может быть несколько, и каждый домен обязательно имеет один или несколько контроллеров домена.
Если контроллеров домена несколько, то база данных Active Directory копируется на каждый. Это повышает отказоустойчивость и делает администрирование более удобным, т.к. все изменения, проведенные на одном контроллере домена, отображаются на других. Этот процесс называется репликацией.
[newpage=Адресация компьютеров сети]
Адресация компьютеров сети
Правила взаимодействия в сети, называемые сетевым протоколом TCP/IP определяют, что каждый компьютер в сети должен иметь адрес, так называемый IP-адрес. Вид адреса - 4 числа, записанные через точку. Например, 130.51.45.2 или 192.168.0.1.
IP-адрес компьютера-отправителя и IP-адрес компьютера-получателя указывается в пакете информации, который передается по сети.
Компьютеры находят друг друга по IP-адресам. Если же пользователю необходимо найти компьютер в сети, он должен будет указать его IP-адрес, подобно как мы набираем номер телефона, чтобы позвонить знакомым. Знать IP-адреса всех нужных компьютеров для человека достаточно сложно. Для облегчения доступа пользователей к компьютерам сети (в том числе сети Интернет) стали использовать имена. Для поиска сервера в Интернете проще указать его имя, например, microsoft.com, чем IP-адрес, который может выглядеть как 207.46.230.219.
Для совместимости числового IP-адреса и буквенного имени Windows XP и Windows Server 2003 имеют специальную программу (службу) DNS.
Система доменных имен DNS дополнительно в статье.
В операционную систему Windows Server 2003 включена служба DNS (Domain Naming System - система доменных имен).
Служба DNS выполняет две основных функции:
- организацию пространства имен;
- обеспечение механизма разрешения, т.е. сопоставление «буквенного» адреса цифровому IP-адресу компьютера в сети.
Пространство доменных имен
Пространство доменных имен имеет иерархическую структуру, которая представлена на рисунке.
Корневой домен располагается на самом верху иерархии и обозначается точкой.
Домены верхнего уровня создаются по определенному признаку. В них объединяются компьютеры сети по географическому признаку или роду деятельности. Например:
- ru, uk и т.д. - определяют географическое положение (ru - Россия, uk – Украина)
- com - коммерческие организации (например, microsoft.com);
- edu - образовательные (например, mit.edu);
- gov - правительственные организации (например, congress.gov);
- org - некоммерческие организации (например, rfc-editor.org);
- net - организации, поддерживающие части сети Internet (например, nsf.net).
Домены второго уровня обычно относятся к названиям компаний и регистрируются владельцами доменов верхнего уровня.
Домены третьего уровня обычно относятся к подразделениям внутри компаний.
При формировании имени домена к нему добавляется имя родительского домена. Например, домен второго уровня microsoft.com, домен третьего уровня eng.microsoft.com.
Домены ниже третьего уровня, как правило, встречаются редко.
Имена узлов. Каждый компьютер, по другому узел или хост, в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем, которое включает имя узла и имена всех доменов по направлению от узла к корню.
Например, компьютер имеет имя WinXP. Если собрать имена трех доменов по структуре, то получится полное доменное имя узла — winxp.test.fio.ru
Алгоритм работы службы DNS достаточно прост.
- При установке операционной системы протокол TCP/IP настраивается на сервер имен того домена, в который входит данный компьютер.
- Когда программе-клиенту требуется по доменному имени выяснить IP-адрес, она через протокол TCP/IP связывается с сервером имен, передавая ему свой запрос.
- Сервер имен обрабатывает запрос. Если указанный домен входит в его базу данных, то сервер преобразует имя в IP-адрес и возвращает результат клиенту.
- Если запрашиваемое доменное имя не входит в его базу, то он переадресует запрос вышестоящему серверу имен.
Топология локальных сетей (физическое соединение)
Топология - это способ физического соединения компьютеров в локальную сеть. Существует несколько стандартных топологий. Наиболее распространенный тип соединения «звезда» объединяет каждый компьютер с центральным устройством (коммутатором). Такое соединение напоминает подключение бытовой техники в удлинитель с несколькими розетками. Если компьютеров больше, чем соединительных гнезд (портов) в коммутаторе, то используют несколько коммутаторов, объединенных между собой.
Все соединения производятся кабелем типа «витая пара». По принципам передачи пакетов информации такая сеть относится к типу Ethernet. Пропускная способность стандартной Ethernet не более 10 Мбит/с. В настоящее время широко используется Fast Ethernet с пропускной способностью 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet с ограничением по скорости 1 Гбит/с.
Тип соединения «звезда»
Часть компьютеров, входящих в локальную сеть, может быть расположена в другом помещении. Тогда такие группы можно объединить по следующей схеме:
Соединение нескольких компьютерных групп
Топология типа «звезда» очень удобна, т.к. легко меняется конфигурация сети. Добавление в сеть нового компьютера или удаление компьютера из сети состоит всего лишь в подсоединении или отсоединении разъема кабеля от коммутатора. Однако при проектировании локальной сети необходимо помнить, что максимальная длина кабеля от порта до порта не должна превышать 100 метров. Если расстояние между коммутаторами или между коммутатором и компьютером превышает 100 м, то его можно поделить на участки по 100 метров и соединить их через коммутаторы.
Кабельная система включает в себя две основные подсистемы: горизонтальная и вертикальная. Горизонтальная подсистема – это топология «звезда», расположенная в пределах одного этажа. Вертикальная подсистема связывает отдельные этажи здания.
Горизонтальная подсистема делится на два типа:
- централизованная
- децентрализованная.
Централизованная
При создании централизованной подсистемы коммутатор, сервер, основные разделяемые устройства, например, принтер, устанавливаются в одном помещении. Кабельная система сводится от каждого компьютера в эту точку. Администрирование осуществляется централизовано. Это позволяет:
- значительно упростить управление локальной сетью;
- увеличивается защищенность от несанкционированного доступа к разделяемым ресурсам, коммутатору, т.к. все сосредоточено в одном месте;
Децентрализованная
При создании децентрализованной подсистемы, коммутаторы ставятся в разных помещениях одного этажа, объединяя компьютеры в небольшие группы. Затем все коммутаторы объединяются. Применение децентрализованного администрирования позволяет:
- удобно соединять в локальную сеть группы компьютеров, находящиеся на разных этажах;
- значительно сократить общий метраж кабельной системы;
- сократить расходы на монтажные работы по прокладке кабеля.
Тему: "Многоуровневый процесс коммуникации. Сетевые компоненты." можно посмотреть здесь[newpage=Стек протоколов TCP/IP]
Стек протоколов TCP/IP
Это стандартизованный набор сетевых протоколов. В настоящее время - это основной набор протоколов взаимодействия в Интернете. Более подробно об этом стеке протоколов и не только о нем можно прочитать в этой статье.
В состав стека протоколов TCP/IP входят два основных протокола: IP, TCP и несколько вспомогательных протоколов.
- Протокол IP (Internet Protocol) - основной протокол сетевого уровня. Определяет способ адресации на сетевом уровне.
- Протокол TCP (Transmission Control Protocol) - протокол, обеспечивающий гарантированную доставку данных.
Как работают эти протоколы?
Протокол IP задает формат адреса узла (поэтому адреса компьютеров называются IP-адресами) и доставляет пакет данных.
Однако, на одном узле (компьютере сети) может функционировать параллельно несколько программ, которым требуется доступ к сети. Следовательно, данные внутри компьютерной системы должны распределяться между программами. Поэтому, при передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел. Необходимо также идентифицировать программу-получателя, что невозможно осуществить средствами протокола IP.
Другой серьезной проблемой IP является невозможность передачи больших массивов данных. Протокол IP разбивает передаваемые данные на пакеты, каждый из которых передается в сеть независимо от других. В случае если какие-либо пакеты потерялись, то модуль IP на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю, т.е. целостность данных будет нарушена.
Для решения этих проблем разработан протокол TCP.
Каждой программе назначается номер TCP- порта в соответствии с ее функциональным назначением на основе определенных стандартов. Порт можно рассматривать как ячейку в почтовом отделении связи. Протокол IP определяет только адрес почтового отделения, а протокол TCP положит конверт в нужную ячейку.
Таким образом, стек протоколов IP и TCP обеспечивают полную адресацию:
- Номер TCP-порта позволяет однозначно идентифицировать программу на компьютере сети,
- Компьютер в сети однозначно определяется IP-адресом.
Следовательно, комбинация IP-адреса и номера порта позволяет однозначно идентифицировать программу в сети. Такой комбинированный адрес называется сокетом (socket).
Дополнительно к этому, протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку данных. Это обеспечивается тем, что принимающий компьютер подтверждает успешный прием данных. Если передающий компьютер не получает подтверждения, он пытается произвести повторную передачу.
IP-адреса, IP-сети. Подсети и маски подсетей
Более подробно об этом читаем в этой статье.
IP-адреса
Каждый компьютер в локальной сети имеет свой уникальный адрес, так же как человек имеет свой почтовый адрес. Именно по этим адресам компьютеры находят друг друга в сети. Двух одинаковых адресов в одной сети быть не должно. Формат адреса стандартный и определен протоколом IP.
IP-адрес компьютера записывается в 32 разрядах (4 октета). Каждый октет содержит десятичное число от 0 до 255 (в двоичном виде запись представляет последовательность 0 и 1). IP-адрес представляет собой четыре числа, разделяемых точкой. Например, компьютер с IP-адресом 192.168.3.24. Общее число IP-адресов составляет 4,2 млрд., все адреса уникальны.
IP-адрес может быть присвоен не только компьютеру, но и другим сетевым устройствам, например, принт-серверу или маршрутизатору. Поэтому все устройства в сети принято называть узлами или хостами.
Одно и тоже физическое устройство (компьютер или др.) может иметь несколько IP-адресов. Например, если в компьютер установлено несколько сетевых адаптеров, то каждый адаптер должен иметь свой уникальный IP-адрес. Такие компьютеры используются для соединения нескольких локальных сетей и называются маршрутизаторами.
IP сети
Чтобы быстро определить маршрут, по которому будет передаваться информация из одной локальной сети в другую, маршрутизатор может хранить в своей памяти IP-адреса компьютеров этих двух сетей.
В Интернете огромное количество сетей. Маршрутизаторам в Интернете придется хранить адреса всех компьютеров во всех сетях, что делает их работу практически невозможной.
Для указания местонахождения компьютера в сети, IP-адрес разделили на две части, одна содержит номер сети, другая содержит номер компьютера в этой сети. Аналогично наш почтовый адрес указывает улицу и дом на ней.
Для удобства, компьютеры с одним номером сети группируются в логические сети IP-сети.
Связь между логическими IP-сетями осуществляют маршрутизаторы, отвечающие за передачу данных. А сам процесс передачи данных - маршрутизацией.
Процесс целенаправленной доставки данных между IP-сетями, связанный с обеспечением безопасности передаваемых данных, преобразование адресов, фильтрацию и т.п., осуществляют другие специальные устройства – шлюзы.
Подсети и маски подсетей
Введение адреса сети упростило проблемы маршрутизации, но не решило их до конца (например, в больших локальных сетях). Поэтому большую IP-сеть разбивают на несколько подсетей, присвоив каждой из них свой адрес.
Подсети - это отдельные, самостоятельно функционирующие части сети, имеющие свой идентификатор.
Для адреса подсети, в IP-адресе, выделяется пространство из адреса узла.
Для определения адреса сети и подсети используется маска подсети. Формат записи маски подсети такой же, как и формат IP-адреса, это четыре поля, разделяемых точкой. Значения полей маски задаются следующим образом:
- все биты, установленные в 1, соответствуют идентификатору сети;
- все биты, установленные в 0, соответствуют идентификатору узла.
Если все биты октета установлены в 1, то это эквивалентно числу 255. Маска рассматривается только в паре с IP-адресом. Например, маска подсети 255.255.255.0 и адрес 192.168.100.5 говорят о том, что 192.168.100 - это номер сети, а 5 - номер компьютера в этой сети.
Просматривая адрес IP через маску подсети IP-протокол, определяет адрес сети, адрес подсети и номер узла.
Таким образом, в паре с IP-адресом компьютеров обязательно указывается маска подсети.
Статические и динамические IP-адреса. DHCP
Все IP-адреса должны быть уникальны во всем пространстве сети. Есть два способа задать эти адреса компьютерам сети.
Статические IP-адреса
Статический IP-адрес присваивается компьютеру вручную. Он прописывается администратором сети в настройках протокола TCP/IP на каждом компьютере сети и жестко закрепляется за компьютером.
Важное преимущество: постоянное соответствие IP-адресов определенным компьютерам. Это позволяет, например, запретить определенному компьютеру выходить в Интернет, или определить, с какого компьютера выходили в Интернет и т.п.
В присвоении статических адресов компьютерам есть определенные неудобства:
- Администратор сети должен вести учет всех используемых адресов, чтобы исключить повторы
- При большом количестве компьютеров в локальной сети установка и настройка IP-адресов отнимают много времени
Динамические IP-адреса
Если компьютеру не присвоен статический IP-адрес, то адрес назначается автоматически службой DHCP. Такой адрес называется динамическим адресом, т.к. при каждом подключении компьютера к локальной сети адрес может меняться, но всегда оставаться в пределах заданного диапазона.
Функция автоматического назначения IP-адреса гарантирует уникальность выдаваемого IP-адреса, но в одноранговой сети и в сети с сервером работает по разному.
Сети с выделенным сервером
В сетях, управляемых сервером, динамический IP-адрес назначается специальной серверной службой DHCP, входящей в состав Windows Server 2003. В параметрах службы DHCP администратором сети прописывается IP-диапазон, адреса из которого, будут выдаваться другим компьютерам сети.
Сервер, на котором работает эта служба, называется DHCP-сервер. Компьютер, получающий IP-адрес из сети, называется DHCP-клиент.
Одноранговые сети
В одноранговой сети нет DHCP-сервера, а на каждом компьютере установлен (по умолчанию) DHCP-клиент. Во время загрузки операционной системы DHCP-клиент пытается найти в сети доступный DHCP-сервер для получения IP-адреса. После неудачной попытки получить IP-адрес, DHCP-клиент данного компьютера включает встроенную функцию IANA (Internet Assigned Numbers Authority), которая назначает компьютеру IP-адрес и маску подсети, используя один из зарезервированных адресов. При этом служба IANA отслеживает уникальность адресов в сети.
Зарезервированные адреса назначаются из диапазона 169.254.0.0 до 169.254.255.255 с маской подсети 255.255.0.0. Последние два поля адреса представляют уникальный идентификатор клиента.
Автоматическое назначение IP-адреса проводится последовательно на всех компьютерах сети.
Маршрутизаторы и шлюзы.
Маршрутизатор - это специальное устройство, предназначенное для передачи информации из одной сети в другую. Он принимает пакеты из одной сети и передает их в другую, при этом сети не объединяются в одну единую сеть, а остаются вполне независимыми. Маршрутизаторы оснащены системой управления, позволяющей фильтровать проходящие через него данные. Настроив соответствующим образом пакетный фильтр можно ограничивать или совсем запрещать доступ в другую сеть для определенных пользователей.
IP-Маршрутизация - процесс выбора последовательности маршрутизаторов, через которые проходит пакет по пути к узлу-назначению. Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами объединяемых сетей. Для этого он должен быть оснащен несколькими сетевыми адаптерами.
В качестве маршрутизатора может работать компьютер под управлением операционной системой Windows 2003 Server или Windows XP Professional. Функции маршрутизации входят в состав этих операционных систем.
Маршрутизатор является шлюзом для каждой сети, которые он объединяет. Точнее шлюзом для локальной сети является сетевой адаптер, установленный в маршрутизаторе, и подключенный к этой сети. Например, рабочая станция локальной сети хочет подключиться к рабочей станции из другой сети. Она отправляет запрос в свою сеть с целью найти нужный IP-адрес. Если адрес не был найден в сети, то запрос отправляется в шлюз этой сети, т.е. на маршрутизатор, который в свою очередь перенаправляет запрос в другую сеть. Если во второй сети компьютер был найден, то они связываются через маршрутизатор.
Дополнительно шлюзы могут выполнять функции, связанные с обеспечением безопасности передаваемых данных, преобразование адресов, фильтрацию и т.п.
Наиболее распространенные протоколы маршрутизации, входящие в состав стека протоколов TCP/IP:
Address Resolution Protocol, ARP. Протокол разрешения адресов, сопоставляет IP-адрес с адресом физического оборудования MAC-адресом. Посмотреть соответствие адресов из ARP-таблицы можно набрав в командной строке arp и указав IP-адрес.
*Routing Information Protocol, RIP. Протокол маршрутной информации, который используется для обратной совместимости с существующими RIP-сетями.
*Open Shortest Path First, OSPF. Протокол выбора кратчайшего маршрута.
IP-маршрутизация.
IP-Маршрутизация - процесс выбора пути для передачи пакета из одной сети в другую. Под путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет по пути к узлу-назначению. IP-маршрутизатор - это специальное устройство, предназначенное для передачи пакетовиз одной сети в другую и обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети. Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей, соответствующими номерам объединяемых сетей.
Маршрутизация осуществляется на узле-отправителе в момент отправки IP-пакета, а затем на IP-маршрутизаторах.
Принцип маршрутизации на узле отправителе выглядит достаточно просто. Когда требуется отправить пакет узлу с определенным IP-адресом, то узел-отправитель выделяет с помощью маски подсети из собственного IP-адреса и IP-адреса получателя номера сетей. Далее номера сетей сравниваются и если они совпадают, то пакет направляется непосредственно получателю, в противном случае - маршрутизатору, чей адрес указан в настройках протокола IP.
Выбор пути на маршрутизаторе осуществляется на основе информации, представленной в таблице маршрутизации. Таблица маршрутизации - это специальная таблица, сопоставляющая IP-адресам сетей адреса следующих маршрутизаторов, на которые следует отправлять пакеты с целью их доставки в эти сети. Обязательной записью в таблице маршрутизации является так называемый маршрут по умолчанию, содержащий информацию о том, как направлять пакеты в сети, адреса которых отсутствуют в таблице, поэтому нет необходимости описывать в таблице маршруты для всех сетей. Таблицы маршрутизации могут строиться "вручную" администратором или динамически, на основе обмена информацией, который осуществляют маршрутизаторы с помощью специальных протоколов - протоколов динамической маршрутизации.
Протоколы ARP и RARP.
Основным функциональным достоинством IP-адресации является полная логическая независимость IP-адресов от физических адресов. Однако чтобы средства канального уровня могли осуществить доставку данных, необходимо знание физического адреса получателя. Механизм определения по IP-адресу физического адреса узла-получателя обеспечивает протокол ARP (Address Resolution Protocol, Протокол Разрешения Адреса).
Определение физических адресов компьютеров осуществляется с помощью широковещательного запроса, в котором сообщается IP-адрес искомого компьютера (устройства). Получив такой ARP-запрос, каждый компьютер проверяет соответствие между указанным IP-адресом и своим собственным. В случае их совпадения сообщает отправителю свой физический адрес. После получения ответа инициировавший запрос компьютер заносит новые данные в специальную ARP-таблицу.
Наличие на каждом узле ARP-таблицы позволяет снизить объем широковещательной рассылки, поскольку запрос направляется в сеть только в случае, если нужное соответствие не найдено в ARP-таблице.
В ряде случаев может оказаться необходимым определить IP-адрес по MAC-адресу. Для этого используется протокол RARP (Reverse Address Resolution Protocol). Функционально RARP схож с протоколом ARP.
Протоколы динамической маршрутизации
Протоколы динамической маршрутизации предназначены для автоматизации процесса построения маршрутных таблиц маршрутизаторов. Принцип их использования достаточно прост: маршрутизаторы с помощью устанавливаемого протоколом порядка рассылают определенную информацию из своей таблицы маршрутизации другим и корректируют свою таблицу на основе полученных от других данных.
Такой метод построения и поддержки маршрутных таблиц существенно упрощает задачу администрирования сетей, в которых могут происходить изменения (например, расширение) или в ситуациях, когда какие-либо маршрутизаторы и/или подсети выходят из строя.
Следует отметить, что использование протоколов динамической маршрутизации не отменяет возможность "ручного" внесения данных в таблицы маршрутизаторов. Внесенные таким образом записи называют статическими, а записи, полученные в результате обмена информацией между маршрутизаторами - динамическими. В любой таблице маршрутизации всегда присутствует, по крайней мере, одна статическая запись - маршрут по умолчанию.
Современные протоколы маршрутизации делятся на две группы: протоколы типа "вектор-расстояние" и протоколы типа "состояние канала".
В протоколах типа "вектор-расстояние" каждый маршрутизатор рассылает список адресов доступных ему сетей ("векторов"), с каждым из которых связано параметр "расстояния" (например, количество маршрутизаторов до этой сети, значение, основанное на производительности канала и т.п.). Основным представителем протоколов данной группы является протокол RIP (Routing Information Protocol, протокол маршрутной информации).
Протоколы типа "состояние канала" основаны на ином принципе. Маршрутизаторы обмениваются между собой топологической информацией о связях в сети: какие маршрутизаторы с какими сетями связаны. В результате каждый маршрутизатор имеет полное представление о структуре сети (причем это представление будет одинаковым для всех), на основе которого вычисляет собственную оптимальную таблицу маршрутизации. Протоколом этой группы является протокол OSPF (Open Shortest Path First, "открой кратчайший путь первым").
Протокол RIP.
Протокол RIP (Routing Information Protocol, протокол маршрутной информации) является наиболее простым протоколом динамической маршрутизации. Он относится к протоколам типа "вектор-расстояние".
Под вектором протокол RIP определяет IP-адреса сетей, а расстояние измеряется в переходах ("хопах", hope) - количестве маршрутизаторов, которое должен пройти пакет, чтобы достичь указанной сети. Следует отметить, что максимальное значение расстояния для протокола RIP равно 15, значение 16 трактуется особым образом "сеть недостижима". Это определило основной недостаток протокола - он оказывается неприменимым в больших сетях, где Возможны маршруты, превышающие 15 переходов.
Протокол RIP версии 1 имеет ряд существенных для практического использования недостатков. К числу важных проблем относятся следующие:
- Оценка расстояния только с учетом числа переходов. Протокол RIP не учитывает реальную производительность каналов связи, что может оказаться неэффективным в гетерогенных сетях, т.е. сетях, объединяющих каналы связи различного устройства, производительности, в которых используются разные сетевые технологии.
- Проблема медленной конвергенции. Маршрутизаторы, использующие протокол RIP. Рассылают маршрутную информацию каждые 30 с, причем их работа не синхронизирована. В ситуации, когда некоторый маршрутизатор обнаружит, что какая-либо сеть стала недоступной, то в худшем случае (если проблема была выявлена сразу после очередной рассылки) он сообщит об это соседям через 30 с. Для соседних маршрутизаторов все будет происходить также. Это означает, что информация о недоступности какой-либо сети может распространятся маршрутизаторам в достаточно долго, очевидно, что сеть при этом будет находиться в нестабильном состоянии.
- Широковещательная рассылка таблиц маршрутизации. Протокол RIP изначально предполагал, что маршрутизаторы рассылают информацию в широковещательном режиме. Это означает, что отправленный пакет вынуждены получить и проанализировать на канальном, сетевом и транспортном уровне все компьютеры сети, в которую он направлен.
Частично указанные проблемы решаются в версии 2 (RIP2).
Протокол OSPF
Протокол OSPF (Routing (Open Shortest Path First, "открой кратчайший путь первым") является более новым протоколом динамической маршрутизации и относится к протоколам типа "состояние канала".
Функционирование протокола OSPF основано на использовании всеми маршрутизаторами единой базы данных, описывающей, как и с какими сетями связан каждый маршрутизатор. Описывая каждую связь, маршрутизаторы связывают с ней метрику - значение, характеризующее "качество" канала. Например, для сетей Ethernet со скоростью обмена 100 Мбит/с используется значение 1, а для коммутируемых соединений 56 Кбит/с - значение 1785. Это позволяет маршрутизаторам OSPF (в отличие от RIP, где все каналы равнозначны) учитывать реальную пропускную способность и выявлять эффективные маршруты. Важной особенностью протокола OSPF является то, что используется групповая, а не широковещательная рассылка.
Указанные особенности, такие как групповая рассылка вместо широковещательной, отсутствие ограничений на длину маршрута, периодический обмен только короткими сообщениями о состоянии, учет "качества" каналов связи позволяют использовать OSPF в больших сетях. Однако такое использование может породить серьезную проблему - большое количество циркулирующей в сети маршрутной информации и увеличение таблиц маршрутизации. А поскольку алгоритм поиска эффективных маршрутов является, с точки зрения объема вычислений, достаточно сложным, то в больших сетях могут потребоваться высокопроизводительные и, следовательно, дорогие маршрутизаторы. Поэтому возможность построения эффективных таблиц маршрутизации может рассматриваться и как достоинство, и как недостаток протокола OSPF.
эта статья с Компьютерные сети и технологии
( http://www.xnets.ru/plugins/content/content.php?content.101 )