Багатозначність поняття топології

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ КОЛЕДЖ ОНАХТ

Комісія ЕОТ

 

ЗАТВЕРДЖУЮ

Заступник директора ОТК

По учбовій роботі

В.І.Уманська

Р.

 

Методичний посібник

для САМОСТІЙНої РОБоти

ПО КУРСУ

“МЕРЕЖІ ЕОМ”

Для студентів спеціальності 091504

“Обслуговування комп’ютерних і інтелектуальних систем та мереж”

Розробив: Кривченко Ю.В., викладач комісії ЕОТ

РОЗГЛЯНУТО

На засіданні циклової

Комісії ЕОТ

Протокол №___від________ _____

Голова комісії: ___________М.М. Гаджиєв

М. Одеса 2006 р.

Рецензент - Кирєєв І.А.,

к.т.н., доцент Одеської Національної академії зв’язку

	- 3 -

Методичний посібник для самостійної роботи з дисципліни “Мережі ЕОМ” включає в себе додатковий теоретичний матеріал 15 тем, присвячених принципам побудови локальних та глобальних комп’ютерних мереж, основним складовим комп’ютерної комунікації, протоколам зв’язку та мережевим послугам.

Для успішного засвоєння матеріалу даного посібника необхідно відвідування лекційних занять та виконання лабораторних робіт згідно з програмою курсу.

Після кожної теми, оформленої у вигляді окремої самостійної роботи, необхідно відповісти на контрольні запитання, при необхідності скориставшись літературою, список якої приведено на стор..

 

 

ЗМІСТ

 

СР №1. Місце і роль локальних мереж ………………………………………..…5

 

СР №2. Гібридні топології локальних мереж …………………………….…….9

 

СР №3. Узгодження, екранування та гальванічна розв'язка ліній зв'язку. Методи кодування інформації в локальних мережах………… …...…..14

 

СР №4. Класифікація та структура модемів ………………………………....25

 

СР №5. Принципи побудови складених мереж за рівнями моделі OSI ………..31

 

СР №6. Робота протоколу міжмережевої взаємодії IP ……………………...37

 

СР №7. Методи доступу до фізичного середовища мережі

(керування обміном) …………………………………………………....44

 

СР №8. Мережеві технології Ethernet і Fast Ethernet. Використання репітерів і концентраторів ……………………………………….......52

 

СР №9. Мережеві технології Token-Ring та FDDI ……………………...…….59

 

СР №10. Мережеві технології Arcnet та 100VG-AnyLAN. Застосування надшвидкісних мережевих технологій …………………………..…...68

 

СР №11. Організаційна структура супремагістралі Internet ……………......78

 

СР №12. Засоби захисту інформації в мережах ………………………….…..82

 

СР №13. Сервіси, протоколи та адресація ресурсів Internet …….…………..89

 

СР №14. Послуги, які надає глобальна мережа ………………………………..94

 

СР №15. Гіпертекстові технології ………………………………………..….100

 

Література……………….…………………………………………………....…103

- 4 - - 5 -

Самостійна робота №1

ТЕМА: Місце і роль локальних мереж

 

Передача інформації між комп'ютерами дозволяє організувати спільну роботу окремих комп'ютерів, вирішувати одну задачу за допомогою декількох комп'ютерів, спеціалізувати кожний з комп'ютерів на виконанні якоїсь однієї функції, спільно використовувати ресурси і вирішувати безліч інших проблем. Існує багато способів і засобів обміну інформацією: від найпростішого переносу файлів за допомогою дискети до всесвітньої комп'ютерної мережі Internet, здатної зв'язати всі комп'ютери світу.

Розглянемо особливості трьох основних типів мереж: локальних, глобальних та регіональних.

Найчастіше термін «локальні мережі» (LAN, Local Area Network) розуміють буквально, тобто під локальними розуміються такі мережі, що мають невеликі, локальні розміри, з'єднують близько розташовані комп'ютери. Однак досить подивитися на характеристики деяких локальних мереж, щоб зрозуміти, що таке визначення не дуже точне. Наприклад, деякі локальні мережі легко забезпечує зв'язок на відстані декількох кілометрів або навіть десятків кілометрів. Це вже розміри не кімнати, не будинку, не близько розташованих будинків, а, можливо, цілого міста. З іншого боку, по глобальній мережі (WAN, Wide Area Network або GAN, Global Area Network) цілком можуть зв'язуватися комп'ютери, що знаходяться на сусідніх столах в одній кімнаті, але її ніхто не називає локальною мережею. Близько розташовані комп'ютери можуть також зв'язуватися за допомогою кабелю, що з'єднує рознімання зовнішніх інтерфейсів (RS232 - C, Centronics) або навіть без кабелю по інфрачервоному каналі. Але такий зв'язок також не називається локальною мережею.

Невірно і визначення локальної мережі як малої мережі, що зв'язує невелику кількість комп'ютерів. Дійсно, у реальності найбільше часто локальна мережа зв'язує від двох до декількох десятків комп'ютерів. Але граничні можливості деяких локальних мереж набагато вище: максимальне число абонентів може досягати тисячі.

Деякі автори визначають локальну мережу як «систему для безпосереднього з'єднання багатьох комп'ютерів». При цьому мається на увазі, що інформація передається від комп'ютера до комп'ютера без посередників і по єдиному середовищу передачі. Однак говорити про єдине середовище передачі в сучасній локальній мережі не приходиться. Наприклад, у межах однієї мережі можуть використовуватися як електричні кабелі різних типів, так і оптоволоконні кабелі. Визначення передачі «без посередників» також не занадто чітко, адже в сучасних локальних мережах використовуються самі різноманітні концентратори, комутатори, маршрутизатори, мости, що часом роблять досить складну обробку переданої інформації. Не зовсім зрозуміло, вважати їх чи посередниками ні.

Найбільш точно було б визначити як локальну таку мережу, що дозволяє користувачам не помічати зв'язку. Комп'ютери, зв'язані локальною мережею, поєднуються, по суті, в один віртуальний комп'ютер, ресурси якого можуть бути доступні всім користувачам, причому цей доступ не менш зручний, чим до ресурсів, що входять безпосередньо в кожен окремий комп'ютер. Під зручністю в першу чергу розуміється в даному випадку висока реальна швидкість доступу, при якій обмін інформацією між додатками здійснюється непомітно для користувача. При такому визначенні ні повільні глобальні мережі, ні повільний зв'язок через послідовний або рівнобіжний порти не підпадають під поняття локальної мережі.

З такого визначення відразу ж випливає, що швидкість передачі по локальній мережі повинна обов'язково рости в міру росту швидкодії найбільш розповсюджених комп'ютерів. Саме це ми і спостерігаємо: якщо ще порівняно недавно цілком прийнятної вважалася швидкість обміну в 1-10 Мбіт/с, то зараз середньошвидкістною вважається мережа, що працює на швидкості 100 Мбіт/с і активно розробляються засоби для швидкості 1000 Мбіт/с і більше. При менших швидкостях передачі зв'язок стане вузьким місцем, буде надмірно сповільнювати роботу об'єднаного мережею віртуального комп'ютера.

Таким чином, головна відмінність локальної мережі від будь-який іншої - висока швидкість обміну. Але це не єдина відмінність, не менш важливі й інші фактори.

Наприклад, принципово необхідний низький рівень помилок передачі. Дуже швидко передана, але перекручена помилками інформація не має сенсу - її прийдеться передавати ще раз. Тому локальні мережі обов'язково використовують якісні лінії зв'язку, що прокладаються спеціально.

Принципове значення має і така характеристика мережі, як можливість роботи з великими навантаженнями, тобто з великою інтенсивністю обміну (з напруженим трафіком). Якщо механізм керування обміном, використовуваний у мережі, не дуже ефективний, то комп'ютери можуть надмірно довго чекати своєї черги на передачу, і навіть якщо передача буде вироблятися потім на найвищій швидкості і цілком безпомилково, то для користувача мережі це все рівно обернеться неприйнятною затримкою доступу до всіх мережних ресурсів.

Механізм керування обміном може гарантовано працювати тільки тоді, коли заздалегідь відомо, скільки комп'ютерів (абонентів, вузлів) може бути підключене до мережі. При включенні занадто великого числа абонентів забуксує внаслідок перевантаження будь-який механізм. Нарешті, мережею в щирому змісті цього слова можна назвати тільки таку систему передачі даних, що дозволяє поєднувати хоча б до декількох десятків комп'ютерів, але ніяк не два, як у випадку зв'язку через стандартні порти.

- 6 - - 7 -

Таким чином, можна сформулювати наступні суттєві ознаки локальної мережі:

· висока швидкість передачі, велика пропускна здатність;

· низький рівень помилок передачі (або, що те ж саме, високоякісні канали зв'язку). Припустима імовірність помилок передачі даних повинна бути порядку 10^-7 – 10^-8;

· ефективний, швидкодіючий механізм керування обміном;

· обмежене, точно визначене число комп'ютерів, що підключаються до мережі.

При такому визначенні зрозуміло, що глобальні мережі відрізняються від локальних тем, що розраховано на необмежене число абонентів і використовують, як правило, не занадто якісні канали зв'язку і порівняно низьку швидкість передачі, а механізм керування обміном у них у принципі не може бути гарантовано швидким. У глобальних мережах набагато важливіше не якість зв'язку, а сам факт її існування.

Нерідко виділяють ще один клас комп'ютерних мереж - міські мережі (MAN, Metropolitan Area Network), що звичайно бувають ближче до глобальних мереж, хоча іноді мають деякі риси локальних мереж - наприклад, високоякісні канали зв'язку і порівняно високі швидкості передачі. У принципі міська мережа може бути дійсно локальною, із усіма її перевагами.

Правда, зараз уже не можна провести чітку й однозначну границю між локальними і глобальними мережами. Більшість локальних мереж має вихід у глобальну мережу, але характер переданої інформації, принципи організації обміну, режими доступу до ресурсів усередині локальної мережі, як правило, значно відрізняються від тих, що прийнято в глобальній мережі. І хоча всі комп'ютери локальної мережі в даному випадку включені також і в глобальну мережу, специфіки локальної мережі це не скасовує. Можливість виходу в глобальну мережу залишається усього лише одним з ресурсів, поділюваних користувачами локальної мережі.

По локальній мережі може передаватися різноманітна цифрова інформація: дані, зображення, телефонні розмови, електронні листи і т.д. До речі, саме задача передачі зображень, особливо повнокольорових динамічних зображень, пред'являє найбільш високі вимоги до швидкодії мережі. Найчастіше локальні мережі використовуються для поділу (тобто спільного використання) таких ресурсів, як дисковий простір, принтери і вихід у глобальну мережу, але це усього лише незначна частина тих можливостей, що надають ресурси локальних мереж. Наприклад, вони дозволяють здійснювати обмін інформацією між комп'ютерами різних типів. Абонентами (вузлами) мережі можуть бути не тільки комп'ютери, але й інші пристрої, наприклад принтери, плотери, сканери. Локальні мережі дають можливість організувати систему рівнобіжних обчислень на всіх комп'ютерах мережі, що дозволяє багаторазово прискорити рішення складних математичних задач. З їхньою допомогою можна також керувати роботою складної технологічної системи або дослідницької установки з декількох комп'ютерів одночасно.

Однак локальні мережі мають і деякі недоліки, про які завжди варто пам'ятати. Крім додаткових матеріальних витрат на придбання устаткування і мережного програмного забезпечення, на прокладку сполучних кабелів і навчання персоналу, необхідно також мати фахівця, що буде займатися контролем за роботою мережі, модернізацією мережі, керуванням доступом до ресурсів, усуненням можливих несправностей - тобто адміністратора мережі. Мережі обмежують можливості переміщення комп'ютерів, тому що при цьому може знадобитися перекладка сполучних кабелів. Крім того, мережі являють собою прекрасне середовище для поширення комп'ютерних вірусів, тому питанням захисту прийдеться приділяти набагато більше уваги, ніж у випадку автономного використання комп'ютерів.

Визначимо такі найважливіші поняття теорії мереж, як сервер і клієнт.

Сервером називається абонент (вузол) мережі, що надає свої ресурси іншим абонентам, але сам не використовує ресурси інших абонентів, тобто служить тільки мережі. Серверів у мережі може бути декілька, і зовсім не обов'язково сервер - це самий продуктивний комп'ютер. Виділений сервер - це сервер, що займається тільки мережними задачами. Невиділений сервер може займатися крім обслуговування мережі й іншими задачами. Специфічний тип сервера - це мережний принтер.

Клієнтом називається абонент мережі, що тільки використовує мережні ресурси, але сам свої ресурси в мережу не віддає, тобто мережа його обслуговує. Комп'ютер-клієнт також часто називають робочою станцією. У принципі кожен комп'ютер може бути одночасно як клієнтом, так і сервером.

Під сервером і клієнтом часто розуміють також не самі комп'ютери, а працюючі на них програмні додатки. У цьому випадку той додаток, що тільки віддає ресурс у мережу, є сервером, а той додаток, що тільки користується мережними ресурсами, є клієнтом.

 

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Які задачі дозволяють вирішувати локальні обчислювальні мережі?
2. У чому особливості архітектури LAN, MAN, WAN?
3. Які інтерфейси використовуються для зв’язку комп’ютерів локально мережі?
4. Наведіть приклади пристроїв, призначених для об’єднання та розподілення сегментів комп’ютерних мереж.
5. Яке визначення локальної мережі є найбільш точним?
6. Які стандарти швидкості передачі даних використовуються в ЛОМ на сьогоднішній день?
7. Перелічіть найбільш істотні риси локальної мережі.
8. Які типи інформації можна передавати по локальної мережі?
9. Як відбувається мережева взаємодія Клієнта та Сервера?

 

 

- 8 - - 9 -

Самостійна робота №2

ТЕМА: Гібридні топології локальних мереж

 

Крім базових топологій локальних мереж нерідко застосовується також мережна топологія «дерево» (tree), яку можна розглядати як комбінацію декількох зірок. Як і у випадку зірки, дерево може бути активним (рис. 1) і пасивним (рис. 2). При активному дереві в центрах об'єднання декількох ліній зв'язку знаходяться центральні комп'ютери, а при пасивному - концентратори (хаби).

 

Рис. 1. Топологія «активне дерево»

 

 

Рис. 2 Топологія «пасивне дерево». К - концентратори

 

Застосовуються досить часто і комбіновані топології, серед яких найбільше поширення одержали зірково-шинна (рис. 3) і зірково-кільцева (рис. 4).

У зірково-шинній (star-bus) топології використовується комбінація шини і пасивної зірки. У цьому випадку до концентратора підключаються як окремі комп'ютери, так і цілі шинні сегменти, тобто насправді реалізується фізична топологія «шина», що включає всі комп'ютери мережі. У даній топології може використовуватися і кілька концентраторів, з'єднаних між собою й утворюючих так називану магістральну, опорну шину. До кожного з концентраторів при цьому підключаються окремі комп'ютери або шинні сегменти. Таким чином, користувач одержує можливість гнучко комбінувати переваги шинної і зіркової топологій, а також легко змінювати кількість комп'ютерів, підключених до мережі.

 

Рис. 3. Приклад зірково-шинної топології

 

 

Рис. 4. Приклад зірково-кільцевої топології

 

- 10 - - 11 -

У випадку зірково-кільцевої (star-ring) топології в кільце поєднуються не самі комп'ютери, а спеціальні концентратори (зображені на мал. 4 у виді прямокутників), до яких у свою чергу підключаються комп'ютери за допомогою зіркоподібних подвійних ліній зв'язку. У дійсності всі комп'ютери мережі включаються в замкнуте кільце, тому що усередині концентраторів усі лінії зв'язку утворюють замкнутий контур (як показане на рис. 4). Дана топологія дозволяє комбінувати переваги зіркової і кільцевої топологій. Наприклад, концентратори дозволяють зібрати в одне місце всі точки підключення кабелів мережі.

Багатозначність поняття топології

Топологія мережі визначає не тільки фізичне розташування комп'ютерів, але, що набагато важливіше, характер зв'язків між ними, особливості поширення сигналів по мережі. Саме характер зв'язків визначає ступінь відмовостійкості мережі, необхідну складність мережної апаратури, найбільш підходящий метод керування обміном, можливі типи середовищ передачі (каналів зв'язку), припустимий розмір мережі (довжина ліній зв'язку і кількість абонентів), необхідність електричного узгодження і багато чого іншого.

 

Рис. 5. Приклади використання різних топологій

Фізичне розташування комп'ютерів, що з'єднуються мережею, досить слабко впливає на вибір топології. Будь-які комп'ютери, як би вони ні були розташовані, завжди можна з'єднати за допомогою будь-якої заздалегідь обраної топології (рис. 5).

У випадку, коли комп'ютери розташовані навколо якогось центра, вони цілком можуть з'єднуватися між собою шиною або кільцем. Коли комп'ютери розташовані в одну лінію, вони можуть з'єднуватися зіркою або кільцем. Інша справа, яка буде необхідна для цього сумарна довжина кабелю.

Коли в літературі згадується про топологію мережі, то можуть мати на увазі чотири зовсім різних поняття, що відносяться до різних рівнів мережної архітектури.

Фізична топологія (тобто схема розташування комп'ютерів і прокладки кабелів). У цьому аспекті, наприклад, пасивна зірка нічим не відрізняється від активної зірки, тому її нерідко називають просто «зіркою».

Логічна топологія (тобто структура зв'язків, характер поширення сигналів по мережі). Це, напевно, найбільш правильне визначення топології.

Топологія керування обміном (тобто принцип і послідовність передачі права на захоплення мережі між окремими комп'ютерами).

Інформаційна топологія (тобто напрямок потоків інформації, переданої по мережі).

Наприклад, мережа з фізичною і логічною топологією «шина» може як метод керування використовувати естафетну передачу права захоплення мережі (тобто бути в цьому аспекті кільцем) і одночасно передавати всю інформацію через один виділений комп'ютер (бути в цьому аспекті зіркою). Мережа з логічною топологією «шина» може мати фізичну топологію «зірка» (пасивна) або «дерево» (пасивне).

Мережа з будь-якою фізичною топологією, логічною топологією, топологією керування обміном може вважатися зіркою в аспекті інформаційної топології, якщо вона побудована на основі лише одного сервера і декількох клієнтів, що спілкуються тільки з цим сервером. У цьому випадку справедливі всі міркування про зв’язок відмовостійкості мережі з неполадками центра (у даному випадку - сервера). Точно так само будь-яка мережа може бути названа шиною в інформаційному змісті, якщо вона побудована з комп'ютерів, що є одночасно як серверами, так і клієнтами. Як і у випадку будь-якої іншої шини, така мережа буде мало чуттєва до відмовлень окремих комп'ютерів.

Отже, топологія не є основним чинником при виборі типу мережі. Набагато важливішим є, наприклад, рівень стандартизації мережі, швидкість обміну, кількість абонентів, вартість устаткування, обране програмне забезпечення. Але, з іншого боку, деякі мережі дозволяють використовувати різні топології на різних рівнях. Цей вибір уже цілком лягає на користувача, що повинний враховувати все вищенаведене.

- 12 - - 13 -

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. У яких випадках використовують гібридні топології?
2. Чім відрізняється активне та пасивне «дерево»?
3. Як проектується зірково-шинна топологія? В чому її переваги та вади?
4. Як працює зірково-кільцева топологія? В яких випадках її доречно використовувати?
5. Що визначає топологія мережі?
6. Які топології мереж найбільш відмовостійки та чому?
7. Як пов'язаний розмір мережі з використаною топологією?
8. Яке значення поняття топології є найбільш важливим?
9. Що окрім топології впливає на характеристики мережі?
10. Як пов’язані фізична, логічна та інформаційна топології?

 

 

Самостійна робота №3

ТЕМА: Узгодження, екранування

та гальванічна розв'язка ліній зв'язку.

Методи кодування інформації в локальних мережах