Аппаратные и программные средства для построения локальной сети

 

.

Аппаратные средства

В самом простом случае для работы сети достаточно сетевых  карт и кабеля. Если же необходимо создать  достаточно сложную сеть, то понадобится  специальное сетевое оборудование.

1. Кабель

Компьютеры внутри локальной  сети соединяются с помощью кабелей, которые передают сигналы. Кабель, соединяющий  два компонента сети (например, два  компьютера), называется сегментом. Кабели классифицируются в зависимости  от возможных значений скорости передачи информации и частоты возникновения  сбоев и ошибок. Наиболее часто  используются кабели трех основных категорий:

- витая пара;

- коаксиальный кабель;

- оптоволоконный кабель.

Для построения локальных  сетей сейчас наиболее широко используется витая пара. Внутри такой кабель состоит из двух или четырех пар  медного провода, перекрученных  между собой. Витая пара также имеет свои разновидности: UTP (Unshielded Twisted Pair — неэкранированная витая пара) и STP (Shielded Twisted Pair — экранированная витая пара). Эти разновидности кабеля способны передавать сигналы на расстояние порядка 100 м. Как правило, в локальных сетях используется именно UTP. STP имеет плетеную оболочку из медной нити, которая имеет более высокий уровень защиты и качества, чем оболочка кабеля UTP.В кабеле STP каждая пара проводов дополнительно экранирована (она обернута слоем фольги), что защищает данные, которые передаются, от внешних помех. Такое решение позволяет поддерживать высокие скорости передачи на более значительные расстояния, чем в случае использования кабеля UTP. Витая пара подключается к компьютеру с помощью разъема RJ-45 (Registered Jack 45), который очень напоминает телефонный разъем RJ-11 (Registered Jack 11).

Витая пара способна обеспечивать работу сети на скоростях 10, 100 и 1000 Мбит/с.

Коаксиальный кабель состоит  из медного провода, покрытого изоляцией, экранирующей металлической оплеткой и внешней оболочкой. По центральному проводу кабеля передаются сигналы, в которые предварительно были преобразованы  данные. Такой провод может быть как цельным, так и многожильным. Для организации локальной сети применяются два типа коаксиального  кабеля: ThinNet. (тонкий, 10Base2) и ThickNet (толстый, 10Base5). В данный момент локальные  сети на основе коаксиального кабеля практически не встречаются. Скорость передачи информации в такой сети не превышает 10 Мбит/с. Обе разновидности  кабеля, ThinNet и ThickNet, подключаются к  разъему BNC, а на обоих концах кабеля должны быть установлены терминаторы.

В основе оптоволоконного  кабеля находятся оптические волокна (световоды), данные по которым передаются в виде импульсов света. Электрические  сигналы по оптоволоконному кабелю не передаются, поэтому сигнал нельзя перехватить, что практически исключает  несанкционированный доступ к данным. Оптоволоконный кабель используют для  транспортировки больших объемов  информации на максимально доступных  скоростях. Главным недостатком  такого кабеля является его хрупкость: его легко повредить, а монтировать  и соединять можно только с  помощью специального оборудования,

2. Сетевые карты

Сетевые карты делают возможным  соединение компьютера и сетевого кабеля. Сетевая карта преобразует информацию, которая предназначена для отправки, в специальные пакеты. Пакет —  логическая совокупность данных, в  которую входят заголовок с адресными  сведениями и непосредственно информация. В заголовке присутствуют поля адреса, где находится информация о месте  отправления и пункте назначения данных. Сетевая плата анализирует  адрес назначения полученного пакета и определяет, действительно ли пакет  направлялся данному компьютеру. Если вывод будет положительным, то плата передаст пакет операционной системе. В противном случае пакет  обрабатываться не будет. Специальное  программное обеспечение позволяет  обрабатывать все пакеты, которые  проходят внутри сети. Такую возможность  используют системные администраторы, когда анализируют работу сети, и  злоумышленники для кражи данных, проходящих по ней. Любая сетевая  карта имеет индивидуальный адрес, встроенный в ее микросхемы. Этот адрес  называется физическим, или МАС- адресом (Media Access Control — управление доступом к среде передачи). Порядок действий, совершаемых сетевой картой, следующий. Получение информации от операционной системы и преобразование ее в  электрические сигналы для дальнейшей отправки по кабелю. Получение электрических  сигналов по кабелю и преобразование их обратно в данные, с которыми способна работать операционная система. Определение, предназначен ли принятый пакет данных именно для этого компьютера. Управление потоком информации, которая проходит между компьютером и сетью.

Все чаще сетевые карты  интегрируются в материнскую  плату и подключаются к южному мосту. Процессор связывается с  южным мостом, и всем оборудованием, что к нему подключено, через северный мост.

3. Повторители

Локальная сеть может быть расширена за счет использования  специального устройства, которое носит  название «репитер» (Repeater — повторитель). Его основная функция состоит  в том, чтобы, получив данные на одном  из портов, перенаправить их на остальные  порты. Данные порты могут быть произвольного  типа: RJ-45 или Fiber-Optic. Комбинации также  роли не играют, что позволяет объединять элементы сети, которые построены  на основе различных типов кабеля. Информация в процессе передачи на другие порты восстанавливается, чтобы  исключить отклонения, которые могут  появиться в процессе движения сигнала  от источника.

Повторители могут выполнять  функцию разделения. Если повторитель  определяет, что на каком-то из портов происходит слишком много коллизий, он делает вывод, что на этом сегменте произошла неполадка, и изолирует  его. Данная функция предотвращает  распространение сбоев одного из сегментов на всю сеть.

Повторитель позволяет:

- соединять два сегмента  сети с одинаковыми или различными  видами кабеля;

- регенерировать сигнал  для увеличения максимального  расстояния его передачи;

- передавать поток данных  в обоих направлениях.

4. Концентраторы

Концентратор — устройство, способное объединить компьютеры в  физическую звездообразную топологию. Концентратор имеет несколько портов, позволяющих подключить сетевые  компоненты. Концентратор, имеющий  всего два порта, называют мостом. Мост необходим для соединения двух элементов сети.

Сеть вместе с концентратором представляет собой «общую шину». Пакеты данных при передаче через концентратор будут доставлены на все компьютеры, подключенные к локальной сети.

Существует два вида концентраторов:

- Пассивные концентраторы.  Такие устройства отправляют  полученный сигнал без его  предварительной обработки.

- Активные концентраторы  (многопортовые повторители). Принимают  входящие сигналы, обрабатывают  их и передают в подключенные  компьютеры.

5. Коммутаторы

Коммутаторы необходимы для  организации более тесного сетевого соединения между компьютером-отправителем и конечным компьютером. В процессе передачи данных через коммутатор в  его память записывается информация о МАС- адресах компьютеров. С  помощью этой информации коммутатор составляет таблицу маршрутизации, в которой для каждого из компьютеров  указана его принадлежность определенному  сегменту сети.

При получении коммутатором пакетов данных он создает специальное  внутреннее соединение (сегмент) между  двумя своими портами, используя  таблицу маршрутизации. Затем отправляет пакет данных в соответствующий  порт конечного компьютера, опираясь на информацию, описанную в заголовке  пакета.

Таким образом, данное соединение оказывается изолированным от других портов, что позволяет компьютерам  обмениваться информацией с максимальной скоростью, которая доступна для  данной сети. Если у коммутатора  присутствуют только два порта, он называется мостом.

 

Коммутатор предоставляет  следующие возможности:

- послать пакет с данными  с одного компьютера на конечный  компьютер;

- увеличить скорость передачи  данных.

6. Маршрутизаторы

Маршрутизатор по принципу работы напоминает коммутатор, однако имеет больший набор функциональных возможностей. Он изучает не только MAC, но и IP-адреса обоих компьютеров, участвующих в передаче данных. Транспортируя  информацию между различными сегментами сети, маршрутизаторы анализируют заголовок  пакета и стараются вычислить  оптимальный путь перемещения данного  пакета. Маршрутизатор способен определить путь к произвольному сегменту сети, используя информацию из таблицы  маршрутов, что позволяет создавать  общее подключение к Интернету  или глобальной сети.

Маршрутизаторы позволяют  произвести доставку пакета наиболее быстрым путем, что позволяет  повысить пропускную способность больших  сетей. Если какой-то сегмент сети перегружен, поток данных пойдет по другому пути.

В качестве простого маршрутизатора может быть использован обыкновенный компьютер [3].

Программные средства  

Сетевые операционные системы

Сетевая ОС - это ОС со встроенными  сетевыми средствами (протоколами, уровнями). Сетевая ОС должна быть многопользовательской - т.е. с разделением ресурсов машины по логину/паролю

Каждый компьютер в  сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой в широком смысле понимается совокупность операционных систем отдельных  компьютеров, взаимодействующих с  целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам - протоколам. В узком смысле сетевая ОС - это  операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность  работать в сети. Характеризуется  многозадачностью, многопользовательским  режимом, многопроцессорной обработкой.

Рис.1  Структура сетевой ОС

В сетевой операционной системе  отдельной машины можно выделить несколько частей (рисунок 1):

- Средства управления  локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной  памяти между процессами, планирования  и диспетчеризации процессов,  управления процессорами в мультипроцессорных  машинах, управления периферийными  устройствами и другие функции  управления ресурсами локальных  ОС.

- Средства предоставления  собственных ресурсов и услуг  в общее пользование - серверная  часть ОС (сервер). Эти средства  обеспечивают, например, блокировку  файлов и записей, что необходимо  для их совместного использования;  ведение справочников имен сетевых  ресурсов; обработку запросов удаленного  доступа к собственной файловой  системе и базе данных; управление  очередями запросов удаленных  пользователей к своим периферийным  устройствам. 

- Средства запроса доступа  к удаленным ресурсам и услугам  и их использования - клиентская  часть ОС (редиректор). Эта часть  выполняет распознавание и перенаправление  в сеть запросов к удаленным  ресурсам от приложений и пользователей,  при этом запрос поступает  от приложения в локальной  форме, а передается в сеть  в другой форме, соответствующей  требованиям сервера. Клиентская  часть также осуществляет прием  ответов от серверов и преобразование  их в локальный формат, так  что для приложения выполнение  локальных и удаленных запросов  неразличимо. 

- Коммуникационные средства  ОС, с помощью которых происходит  обмен сообщениями в сети. Эта  часть обеспечивает адресацию  и буферизацию сообщений, выбор  маршрута передачи сообщения  по сети, надежность передачи  и т.п., то есть является средством  транспортировки сообщений. 

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может  отсутствовать либо клиентская, либо серверная части.

На рисунке 2 показано взаимодействие сетевых компонентов. Здесь компьютер 1 выполняет роль "чистого" клиента, а компьютер 2 - роль "чистого" сервера, соответственно на первой машине отсутствует  серверная часть, а на второй - клиентская. На рисунке отдельно показан компонент  клиентской части - редиректор. Именно редиректор перехватывает все запросы, поступающие от приложений, и анализирует  их. Если выдан запрос к ресурсу  данного компьютера, то он переадресовывается соответствующей подсистеме локальной  ОС, если же это запрос к удаленному ресурсу, то он переправляется в сеть. При этом клиентская часть преобразует  запрос из локальной формы в сетевой  формат и передает его транспортной подсистеме, которая отвечает за доставку сообщений указанному серверу. Серверная  часть операционной системы компьютера 2 принимает запрос, преобразует  его и передает для выполнения своей локальной ОС. После того, как результат получен, сервер обращается к транспортной подсистеме и направляет ответ клиенту, выдавшему запрос. Клиентская часть преобразует результат  в соответствующий формат и адресует его тому приложению, которое выдало запрос.

Рис. 2 взаимодействие компонентов  операционной системы при взаимодействии компьютеров

На практике сложилось  несколько подходов к построению сетевых операционных систем (рис 3).

Рис. 3 Варианты построения сетевых  ОС

Первые сетевые ОС представляли собой совокупность существующей локальной  ОС и надстроенной над ней сетевой  оболочки. При этом в локальную  ОС встраивался минимум сетевых  функций, необходимых для работы сетевой оболочки, которая выполняла  основные сетевые функции. Примером такого подхода является использование  на каждой машине сети операционной системы MS DOS (у которой, начиная с ее третьей  версии появились такие встроенные функции, как блокировка файлов и  записей, необходимые для совместного  доступа к файлам). Принцип построения сетевых ОС в виде сетевой оболочки над локальной ОС используется и  в современных ОС, таких, например, как LANtastic или Personal Ware.

Однако более эффективным  представляется путь разработки операционных систем, изначально предназначенных  для работы в сети. Сетевые функции  у ОС такого типа глубоко встроены в основные модули системы, что обеспечивает их логическую стройность, простоту эксплуатации и модификации, а также высокую  производительность. Примером такой  ОС является система Windows NT фирмы Microsoft, которая за счет встроенности сетевых  средств обеспечивает более высокие  показатели производительности и защищенности информации по сравнению с сетевой  ОС LAN Manager, той же фирмы (совместная разработка с IBM), являющейся надстройкой  над локальной операционной системой OS/2 [2].