Конспект лекций по дисциплине «Сетевые технологии»

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра «Информационные системы в менеджменте»

 

 

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

«СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»

(дополненная версия)

для студентов специальности 7.050102

«Экономическая кибернетика»

дневной формы обучения

 

 

 

 

Утверждено

на заседании кафедры ИСМ

протокол №  1 от «    »       2007г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Одесса -2007г.

 

Конспект лекций по дисциплине «СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» для студентов специальности 7.050102 «Экономическая кибернетика» дневной формы обучения / Сост.  Е.А. Арсирий. - Одесса: ОНПУ, 2007.  - 184с.

 

 

 

 

                                                                                Составители:

                                                                                Е.А.Арсирий  доц., к.т.н

 

СОДЕРЖАНИЕ
		Стр.
1	ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ	6
1.1	Два подхода к разработке сетевых технологий.	6
1.2	Эволюция разработки технологий локальных сетей.	7
1.3	Эволюция глобальных сетей.	10
1.4	Классификация компьютерных сетей.	14
1.5	Особенности технологий локальных и глобальных информационных компьютерных сетей и их сближение.	20
1.6	Какие новые возможности предприятию дает использование сетевых технологий?	23
1.7	Требования, предъявляемые при разработке и функционировании сети.	27
2	ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ  КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ (КС)	33
2.1	Определение КС и ее программных и аппаратных компонентов.	33
2.2	Как «выглядит» информация в компьютере?	35
2.3	Физическая передача данных по линиям связи.	37
2.4	Пример передачи данных по «вырожденной сети».	41
2.5	Топологическая структура КС.	43
2.6	Организация совместного использования линий связи.	49
2.7	Адресация компьютеров в КС	50
2.8	Структуризация, как средство построения больших сетей.	53
3.	УРОВНИ СЕТЕВОЙ АРХИТЕКТУРЫ.	59
3.1	Многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия.	59
3.2	Эталонная многоуровневая модель OSI	62
3.3	Взаимодействие между уровнями OSI	64
3.4	Функции уровней модели OSI	66
3.4.1	Физический уровень	67
3.4.2	Канальный уровень	68
3.4.3	Сетевой уровень	69
3.4.4	Транспортный уровень	70
3.4.5	Сеансовый уровень	71
3.4.6	Представительский уровень	71
3.4.7	Прикладной уровень	71
3.4.8	Cетезависимые и сетенезависимые уровни	71
3.5	Стандартные стеки коммуникационных протоколов	73
3.5.1	Стек TCP/IP	73
3.5.2	Стек IPX/SPX	75
3.5.3	Стек NetBIOS/SMB	77
4	ЛИНИИ СВЯЗИ	78
4.1	Состав линии связи	79
4.2	Типы линий связи	80
4.3	Характеристики линии связи	82
4.3.1	Характеристики линии связи, не подключенной к сети	84
4.3.2	Характеристики реальной линии связи	92
4.3.3	Связь между пропускной способностью линии и ее полосой пропускания	96
5.	МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА ФИЗИЧЕСКОМ УРОВНЕ ИНФОРМАЦИИ	99
5.1	Аналоговая модуляция	99
5.2	Цифровое кодирование	103
5.2.1	Потенциальный код без возвращения к нулю NRZ	105
5.2.2	Метод биполярного кодирования с альтернативнойинверсией AMI	107
5.2.3	Потенциальный код с инверсией при единице NRZI	108
5.2.4	Код трехуровневой передачи MLT-3	109
5.2.5	Биполярный импульсный код	110
5.2.6	Манчестерский код	111
5.2.7	Дифференциальный манчестерский  код.	113
5.2.8	Потенциальный код 2B1Q	113
5.2.9	Код PAM5	114
5.3	Логическое кодирование	114
5.3.1	Избыточные коды	115
5.3.2	Скрэмблирование	117
6	МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ	121
6.1	Структура типичного кадра компьютерной сети.	121
6.2	Передача кадров на канальном уровне	123
6.3	Методы гарантии доставки кадров информации	124
6.4	Методы обнаружения ошибок на канальному уровне.	127
6.5	Адресация кадров.	130
6.6	Методы управления обменом в сети.	131
6.6.1	Классификация методов управления обменом.	131
6.6.2	Управление обменом в сети с топологией «звезда»	132
6.6.3	Управление обменом в сети с топологией «шина»	133
6.6.4	Управление обменом в сети с топологией «кольцо»	136
7	БАЗОВЫЕ СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.	139
7.1	Эталонная модель локальных сетей.	139
7.1.1	Комитет стандартов IEEE 802.x.	139
7.1.2	Подуровни канального уровн	142
7.2	Структура стандартов IEEE 802.x.	143
7.3	Сети Ethernet Fast Ethernet	145
7.3.1	Базовая сетевая технология Ethernet -  краткий обзор возможностей	145
7.3.2	Преемственность стандарта 802.3 и стандартов 802.3u и 802.12	148
7.3.3	Технология Fast Ethernet (802.3u)	150
7.4	Технология Gigabit Ethernet (802.3z)	157
7.5	Особенности технологии 100VG-AnyLAN (802.12)	161
7.6	Сети Token-Ring	164
7.6.1	Технология Token Ring (802.5) основные характеристики.	165
7.6.2	Канальный уровень 802.5. Маркерный метод доступа.	166
7.6.3	Форматы кадров Token Ring.	171
7.6.4	Физический уровень стандарта 802.5	175
7.7	Сети FDDI - самостоятельный стандарт института ANSI	177
7.7.1	Канальный уровень технологии FDDI.	178
7.7.2	Физический уровень технологии FDDI	182

 

 

 1 ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

1. Два подхода к разработке сетевых технологий.

Можно с уверенностью сказать, что наступивший 21 век - век информации - этой невесомой нематериальной, но исключительно важной для человека субстанции.  Особенно важное значение приобретает распространение и обмен информацией. Для передачи информации в различном её виде (текст, изображение, звук и т.д.) на большие расстояния изобретено огромное количество разнообразных технических средств, таких как радио, телетайп, телевидение, а также появившиеся сравнительно недавно - телекс, телефакс, компьютерные телекоммуникации. 

В настоящее время эти средства дистанционной передачи информации принято называть средствами телекоммуникации от греческого tele – вдаль, далеко, и латинского  communicatio - общение.

Компьютерные телекоммуникации - считаются не только самым новым, но и самым перспективным видом телекоммуникаций. Они обладают рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными средствами общения людей и передачи информации. Они дешевле многих других средств передачи текста, позволяют не только передавать, получать, но и хранить и обрабатывать информацию. Таким образом, КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ – это дистанционная передача данных с одного компьютера на другой.  

Проблема передачи информации с одного компьютера на другой возникла практически одновременно с появлением компьютеров. Можно, конечно, передавать информацию с помощью внешних носителей информации - магнитных дисков. Но этот способ достаточно медленный и неудобный. Значительно лучше соединить компьютеры кабелем, загрузить программу для передачи информации и, таким образом, получить простейшую компьютерную сеть.

Исторически сложились два подхода к разработке технологий по объединению компьютеров:

1. Технологии локальных сетей. В компьютерное «средневековье», когда компьютеров было мало, но каждый из них обслуживал огромное число людей, существовали системы удаленных терминалов - устройств позволяющих нескольким людям одновременно работать с одним компьютером. Они состояли из дисплея и клавиатуры, и были одними из прародителей современных ПК, а технология их соединения с главным компьютером послужила основой для создания в 70-х годах 20 века первых сетей, которые мы теперь называем локальными. Они требуют специального оборудования (платы расширения, кабели, переходники), пространственно ограничены (одна сеть в одном здании), но зато связывают компьютеры достаточно тесно: одна машина может непосредственно обращаться к периферийным устройствам другой напрямую.

2. Технологии глобальных сетей. Технологии, которые предназначены для связи достаточно удаленных компьютеров. Термин глобальная сеть недостаточно удачен, т.к. далеко не каждая сеть охватывает весь мир. Если локальная сеть может быть в каждой фирме, то глобальные сети можно пересчитать по пальцам. Технологии глобальных сетей призваны объединять персональные компьютеры и локальные сети, где бы они не находились, превращая весь мир в «глобальную деревню». Поэтому для такого объединения удаленных компьютеров часто используются существующие линии связи, изначально предназначенные для совсем других целей (телефонные, телеграфные, кабельные сети). Для разработки этих технологий применяются методы и оборудование, существенно отличающееся от методов и оборудования, характерных для локальных сетей. Если в локальных сетях компьютеры постоянно «чувствуют локоть друг друга», то чтобы пообщаться с удаленным компьютером через глобальную сеть необходимо произвести некоторые действия: выйти в сеть указать адрес нужного компьютера, подождать пока установится связь.

Итак, к середине 80-х годов 20 века существовало два различных (взаимодополняющих) подхода к объединению компьютеров. Чтобы лучше разобраться в технологических принципах построения локальных и глобальных компьютерных сетей, рассмотрим эволюцию компьютерных технологий, начиная с 60-х годов прошлого века.

 

2. Эволюция разработки технологий локальных сетей.

Для чего нужны локальные сети? Локальные сети обеспечивают связь на небольших расстояниях (обычно до 10 км, чаще до 1 км и даже 100 м), связывают компьютеры, находящиеся, например, в одной комнате, соседних комнатах, в одном здании. Зачем? Для переноса информации на несколько десятков метров вполне можно воспользоваться дискетой. Скорость будет приемлемой и никакой головной боли с платами, кабелями, программным обеспечением, распространяющимися по сети вирусами, контролем за важным для пользователей сети соблюдением установленных правил сетевого обмена. Не говоря уже о финансовых затратах. К тому же персональный компьютер, подключенный к сети, теряет часть своей автономности, и его хозяин становится зависимым от других пользователей. Для того чтобы прояснить ситуацию обратимся к истории вопроса.

Связь на небольшие расстояния в вычислительной технике применялась задолго до появления первых персональных компьютеров:

1. Подключение терминалов («интеллектуальных дисплеев») к центральному компьютеру (большой ЭВМ «mainframes»)

 

Рис. 1.1. Подключение терминалов к центральному компьютеру (ЭВМ)

Основная цель такой организации связи состояла в том, чтобы разделить интеллект большой мощной и дорогой ЭВМ между пользователями, работающими за терминалами. Терминалы могли располагаться по всему предприятию, а вычислительная мощность оставалась полностью централизованной. Рядовой пользователь, работающий за терминалом большой ЭВМ, получал доступ к общим вычислительным ресурсам процессора, файлам и периферийным устройствам. Ввод и вывод данных он осуществлял самостоятельно с помощью терминала. Эта технология называлась режимом разделения времени, т.к. большая ЭВМ последовательно по времени решала задачи множества пользователей. У нас подобная система называлась системой виртуальных машин, т.к. некоторые далекие от вычислительной техники пользователи были уверены, что вычисления выполняются «внутри дисплея».

2. Объединение в сеть первых микрокомпьютеров (микроЭВМ)

 

Рис. 1.2. Объединение в сеть первых микрокомпьютеров (микроЭВМ)

С появлением микропроцессоров появились микрокомпьютеры. Возникла возможность разместить компьютер на столе у каждого пользователя, т.к. вычислительные ресурсы резко подешевели. Но зато все другие ресурсы оставались довольно дорогими. А что значит «голый интеллект» без средств хранения информации, ее документирования. Здесь на помощь пришли средства связи. Связав несколько микроЭВМ возможно было организовать совместное использование ими компьютерной периферии. При этом вся обработка производилась на месте, но результаты передавались на централизованные ресурсы. Этот режим получил название обратного разделения времени. На первых порах для соединения микрокомпьютеров друг с другом использовались самые разнообразные нестандартные устройства сопряжения. Эти устройства могли соединять только те типы микроЭВМ, для которых они были разработаны. Например, компьютеры «Наири» с компьютерами «Днепр». Такая ситуация создавала большой простор для творчества студентов – названия многих курсовых и дипломных проектов начинались со слов «Устройство сопряжения…». Первым приложением в архитектуре клиент-сервер была лазерная печать (сетевая  технология по разделение функций печати между клиентом и сервером фирмы Xerox). В 1974 году была спроектирована материнская плата для всех лазерных принтеров, решившая проблему подачи страницы плотности 500 т. на дюйм в секунду.

Следует заметить, что и в первом случае и во втором средства связи снижали стоимость всей компьютерной системы в целом.

3. Создание стандартных технологий локальных сетей.

В середине 80-х годов с появлением первых персональных компьютеров с комплектом достаточно развитой периферии (магнитными дисками, принтерами) стали утверждаться стандартные технологии объединения компьютеров в сеть, такие как Ethernet, Token Ring, Arcnet.

 

 

Рис. 1.3. Объединение в сеть персональных компьютеров.

Персональные компьютеры изготавливались по стандартной технологии и поэтому являлись идеальными элементами для построения сетей, с другой стороны явно нуждались в совместном использовании вычислительных ресурсов и дисковых массивов для решения сложных задач. Первоначально это было тоже самое обратное разделение времени, но уже на другом уровне. Например, сеть объединяет объем дисков всех компьютеров, обеспечивая доступ каждому из них к дискам всех остальных как к своим собственным. Появление стандартных сетевых технологий превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Сейчас для создания сети достаточно приобрести сетевые платы соответствующего стандарта и установить их в стандартный разъем стандартного компьютера. Купить и проложить стандартный кабель, присоединить сетевые платы к кабелю стандартными разъемами и  установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например, Windows NT.

На сегодняшний момент преимущества сети проявляются в том случае, если все пользователи активно работают с единой базой данных, запрашивая данные из нее или занося в нее новые (например, в банке, магазине, на складе). Дискетами и курьерами тут не обойдешься. А с сетью очень просто любые изменения данных, произведенные с любого компьютера, тут же становятся видными и доступными всем.

 

Рис. 1. 4. Использование локальной сети для организации совместной работы компьютеров.

В заключение следует отметить, что разделять с помощью локальных сетей можно не только диски и принтеры, но и другие ресурсы, например возможность выхода в глобальную сеть. Если бы локальной сети не было, пришлось бы оснащать соответствующей аппаратурой каждый компьютер, а с локальной сетью достаточно подключить к глобальной сети только один из них, а все остальные уже получат возможность доступа к ней автоматически.

Именно указанные преимущества локальных сетей обеспечивают их популярность и все более широкое применение, несмотря на все неудобства, связанные с их установкой и эксплуатацией.

 

3. Эволюция глобальных сетей.

В начале данного раздела следует отметить, что попытки объединить большие ЭВМ в сеть, используя принципы, которые будут положены в основу технологий глобальных сетей, появились раньше, чем подключение интеллектуальных дисплеев. Первоначально начиналось все аналогично большинству современных технологий, как военная программа, направленная на повышение устойчивости системы обороны США.