Компьютер уже давно стал неотъемлемой частью жизни людей. Он помогает решать множество вопросов. Практически в любой отрасли деятельности человека используются компьютеры. Образовательные программы, медицинское обслуживание, промышленные процессы – везде применяются компьютеры. На сегодня компьютеризация достигла такого уровня, что обойтись без них никак нельзя.

Отдельная эра в истории развития компьютеров началась с появлением локальных сетей, которые позволяют объединять компьютеры между собой. Именно локальная сеть подняла функциональность компьютера на невиданную до сих пор высоту. Даже один компьютер способен выполнять огромное количество операций, тем самым позволяя обрабатывать большое количество данных и выдавать требуемый результат. А представьте себе, что можно сделать с помощью тысячи компьютеров, объединенных в одну сеть! Это дает возможности для выполнения таких заданий, на решение которых раньше уходили годы и были задействованы тысячи людей. Даже если не «копать» так глубоко, преимущества использования локальных сетей очевидны: общее использование ресурсов, баз данных, общение, Интернет и многое другое.

Сегодня существует большое количество способов объединения компьютеров в локальную сеть. Разного размера проводные и беспроводные локальные сети сотнями появляются каждый день. При этом если большие корпоративные сети требуют соответствующих знаний и уровня подготовки для их создания, то небольшие офисные и тем более домашние сети могут создавать простые пользователи. Главное при этом – достаточный уровень знаний и желание добиться результата.

Что касается желания, то это зависит только от вас. А вот в первом вопросе вам поможет книга, которую вы держите в руках. В ней собрано все необходимое для того, чтобы изучить принцип функционирования сетей и применить эти знания на практике. Дело остается только за малым: требуется ваше желание.

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу электронной почты gromakovski@minsk.piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция).

На веб-сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.

Часть 1
Теоретические сведения о сетях

○ Основные типы сетей

○ Топология и режимы работы сети

○ Модель ISO/OSI

○ Протоколы передачи данных

○ Среда передачи данных

○ Методы доступа к передающей среде

○ Понятие сетевого стандарта

○ Особенности функционирования беспроводных сетей

○ Стандарты IEEE 802.3

○ Стандарты IEEE802.11

○ Спецификации Bluetooth

○ Спецификации HomePNA

○ Спецификации HomePlug

○ Механизмы и особенности управления сетью

○ Сетевое оборудование

Глава 1
Основные типы сетей

□ Одноранговая сеть

□ Сеть на основе сервера

Появление компьютерных сетей было логичным шагом в истории компьютеризации общества. Благодаря этому шагу компьютеры получили еще большее распространение, а самое главное – практически в каждый дом пришел Интернет, предоставляющий доступ к практически неограниченным источникам информации.

Компьютерные сети прошли долгий этап развития. В результате на сегодня компьютеры можно объединить как в локальном, так и в глобальном масштабе.

Итак, существует два варианта сетей – локальные и глобальные. Принцип объединения в них компьютеров и работы в этих сетях практически идентичен, но масштабы сети накладывают свои ограничения и требования.

Локальная сеть, LAN (Local Area Networks) – сеть, с помощью которой компьютеры объединяются на ограниченной территории. Такой вариант сети встречается в офисах, на предприятиях, в залах ожидания аэропортов, вокзалов, в кафе, ресторанах и т. д. Главное ее предназначение – организация доступа к общим ресурсам внутри сети. При этом локальная сеть часто имеет подключение к Интернету, что делает ее частью глобальной сети.

Глобальная сеть, WAN (Wide Area Networks) – разновидность сети, которая, согласно существующим легендам, образовалась из локальной сети достаточно больших масштабов. В результате появилась Всемирная паутина, она же Интернет.

Наиболее важным понятием, характеризующим сеть, является ее тип. Именно от типа сети зависят ее возможности, безопасность, управляемость и, самое главное, – доступ к важным данным.

Различают два типа сетей – одноранговую и сеть на основе сервера. Сети обеих разновидностей выполняют поставленные перед ними задачи, но делают это по-разному, в чем вы сможете убедиться далее.

Одноранговая сеть

Одноранговая сеть (рис. 1.1) является наиболее простой и дешевой в создании. Тем не менее она способна обеспечить своих пользователей всем необходимым для получения доступа к нужной информации, в том числе и к Интернету.

Главной особенностью такой сети является то, что каждый участник сети – рабочая станция – имеет одинаковые права и выступает в роли администратора своего компьютера. Это означает, что только он может контролировать доступ к своему компьютеру и только он может создавать общие ресурсы и определять правила доступа к ним. С одной стороны, это делает сеть очень простой в создании, но с другой – администрирование такой сети вызывает достаточно много проблем, особенно если количество участников сети превышает 25–30.

Рис. 1.1. Пример одноранговой сети

Одноранговые сети находят свое применение в небольших офисах, ресторанах и кафе, залах ожидания, то есть в тех местах, которые позволяют поддерживать работу сети с небольшим количеством подключений. Однако, хотя это и противоречит всем принципам, одноранговые сети также используются в так называемых домашних сетях, количество подключений к которым может быть очень большим, например 1000 и более компьютеров. Главное объяснение этому факту – хаотичный способ создания сети, который к тому же, как правило, не требует больших финансовых вложений.

Одноранговая сеть является крайне неуправляемой с точки зрения системного администратора, и чем больше участников сети, тем более этот факт заметен. Например, чтобы ограничить работу пользователя с теми или иными устройствами, потребуется выполнить определенные настройки операционной системы. Сделать это централизованно невозможно, поэтому требуется личное присутствие администратора возле каждого компьютера либо применение программ удаленного управления компьютером. Это же касается обновления антивирусных баз, установки обновлений операционной системы и офисных программ и т. д.

Учитывая изложенные факты, а также практику работы одноранговых сетей, ее использование можно считать оправданным только в случае, если количество узлов сети достаточно мало и все они расположены на небольшой территории, например в пределах одного или нескольких офисов.

Поддержка одноранговых сетей имеется в любой современной операционной системе семейства Microsoft Windows. По этой причине для организации такой сети никакого дополнительного программного обеспечения не требуется.

Внимание

В одноранговой сети доступ к общему ресурсу одновременно могут получить только 10 участников сети. Если для вас важен этот момент, то вам следует установить серверную операционную систему.

В табл. 1.1 приведены основные преимущества и недостатки одноранговой сети, на которые обязательно стоит обратить внимание, прежде чем выбрать тип будущей локальной сети.

Таблица 1.1. Особенности одноранговых сетей

Сеть на основе сервера

Сеть на основе сервера (рис. 1.2), или, как ее еще часто называют, сеть типа «клиент – сервер», – наиболее востребованный тип сети, основными показателями которой являются высокие скорость передачи данных и уровень безопасности.

Под словом «сервер» следует понимать выделенный компьютер, на котором установлена система управления пользователями и ресурсами сети. Данный компьютер в идеале должен отвечать только за обслуживание сети, и никакие другие задачи выполнять на нем не следует. Этот сервер называется контроллер домена. Он является наиболее важным объектом сети, поскольку от него зависит работоспособность всей сети. Именно поэтому данный сервер обязательно подключают к системе бесперебойного питания. Кроме того, в сети, как правило, присутствует дублирующей сервер, который называется вторичный контроллер домена.

Рис. 1.2. Пример сети с управляющим сервером

Кроме контроллера домена в сети могут использоваться и другие серверы разного назначения, к числу которых относятся следующие.

□ Файл-сервер. Данный сервер представляет собой хранилище файлов разного типа. На нем, как правило, хранятся файлы пользователей, общие файловые ресурсы, аудио– и видеофайлы и многое другое. Главное требование к файловому серверу – надежная дисковая подсистема, которая может обеспечивать безопасное хранение файлов и доступ к ним в любое время суток. Часто на данном сервере устанавливается архивирующая система, например стример, с помощью которого осуществляется плановое создание архивных данных. Это обеспечивает гарантированное восстановление данных пользователей в случае непредвиденных сбоев оборудования.

□ Сервер базы данных. Серверы подобного типа наиболее востребованы, поскольку позволяют обеспечить доступ к единой базе данных. В качестве таковой могут выступать базы данных бухгалтерского и другого типа учета, юридическо-правовые базы данных и т. д. В качестве сервера базы данных используются мощные компьютеры с большим объемом оперативной памяти и RAID-массивом из быстрых жестких дисков. Очень важным является факт организации архивирования данных, поскольку от целостности базы данных и доступа к ней зависит работа всего предприятия.

□ Сервер приложений. Сервер приложений используется в качестве промежуточного звена между сервером базы данных и клиентским компьютером. Это позволяет организовать так называемую трехзвенную (или трехуровневую) архитектуру, с помощью которой выполнение программ, требующих обмен с базой данных, происходит максимально быстро и эффективно. Кроме того, за счет такой организации повышается безопасность доступа к данным и увеличивается управляемость процессом, поскольку легче контролировать работу одного компьютера, нежели сотни.

□ Принт-сервер. Специальный сервер, позволяющий сделать процесс печати более контролируемым и быстрым. Используется в сетях, которым необходим доступ к общему принтеру. Сервер подобного рода обеспечивает управление очередью печати и доступ к принтеру для клиентов любого типа: при проводном или беспроводном соединении, для переносного устройства или мобильного телефона.

□ Интернет-шлюз. Данный сервер позволяет предоставить пользователям локальной сети доступ в Интернет, а также организовать доступ к ресурсам по протоколам FTP и HTTP. Поскольку данный сервер является «окном» во внешнюю сеть, к нему предъявляются определенные требования, среди которых основными являются требования к безопасности локальных данных и защита от доступа к ним извне. Именно поэтому на таком сервере устанавливают различные сетевые фильтры и брандмауэры, позволяющие эффективно фильтровать входящий и исходящий трафик, что делает использование Интернета более безопасным.

□ Почтовый сервер. Практически каждое серьезное предприятие, применяющее для организации обмена данными сеть на основе сервера, для общения с внешним миром пользуется корпоративными электронными ящиками. Этот подход вполне оправдан, поскольку позволяет контролировать входящий и исходящий трафик, тем самым блокируя возможность утечки информации. Подобную систему обмена информацией позволяет реализовать почтовый сервер с соответствующим программным обеспечением. На этот сервер дополнительно устанавливаются разнообразные антиспамовые фильтры, позволяющие бороться (насколько это возможно) со все возрастающим объемом рекламных писем, которые и называются спамом.

Кроме упомянутых выше, могут использоваться и другие типы серверов, что зависит только от потребностей сети. Подключение новых серверов не вызывает никаких трудностей, поскольку гибкость и возможности сети на основе сервера позволяют сделать это в любой момент.

С точки зрения системного администратора, сеть на основе сервера хотя и наиболее сложная в создании и обслуживании, но в то же время наиболее управляемая и контролируемая. Благодаря наличию главного компьютера управление учетными записями пользователей происходит очень легко и, самое главное, – эффективно. Благодаря политикам безопасности также упрощается контроль над самими компьютерами, что делает сеть более управляемой, а данные в ней более защищенными.

На сервер устанавливается серверная операционная система, которая, в отличие от обычной операционной системы, обладает некоторыми преимуществами, например поддержкой нескольких процессоров, большего объема оперативной памяти, инструментами администрирования сети и т. д. К таким операционным системам относятся Windows Server 2003, Windows Server 2008 и т. д.

В табл. 1.2 показаны основные недостатки и преимущества сетей на основе выделенного сервера.

Таблица 1.2. Особенности сетей на основе выделенного сервера

От выбора типа сети зависит ее будущее: расширяемость, возможность использования того или иного программного обеспечения и оборудования, надежность сети и многое другое. В этом плане сеть на основе сервера является наиболее предпочтительной и выгодной.

Глава 2
Топология и режимы работы сети

□ Топология «шина»

□ Топология «кольцо»

□ Топология «звезда»

При проектировании и создании сети важдное значение имеет способ объединения компьютеров и участников сети. От этого зависит скорость передачи данных, надежность сети, степень устойчивости к поломкам, возможности администрирования и многое другое. Поэтому первым и, пожалуй, самым важным правилом, от которого зависят упомянутые показатели, является топология сети.

Таким образом, топология сети, или сетевая топология, – это описание схемы сети, включающее в себя способ взаимного расположения компьютеров и их объединения. Кроме того, это описание содержит множество правил, связанных с прокладкой кабеля, подключением оборудования, взаимодействием управляющих устройств и т. д.

Различают сетевую топологию четырех видов: физическую, логическую, информационную и топологию управления обменом. Однако чаще всего понятие сетевой топологии ассоциируется именно с расположением компьютеров относительно друг друга, то есть с физической топологией.

Существует достаточно много способов объединения компьютеров, то есть сетевых топологий. К их числу относятся топологии «шина», «звезда», «кольцо», «двойное кольцо», «дерево», «решетка» и др. Наибольшее распространение получили сетевые топологии «шина», «звезда» и «кольцо», поэтому рассмотрим их подробнее.

Топология «шина»

Согласно топологии «шина», или, как ее еще часто называют, «общая шина», или «магистраль», все участники сети подключаются к центральному кабелю (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Пример топологии «шина»

Для предотвращения дальнейшего распространения и возможного отражения сигнала на концах кабеля устанавливаются специальные заглушки – терминаторы, один из которых обязательно заземляется.

Данные в такой сети направляются сразу всем компьютерам, поэтому задача каждого компьютера – проверить, кому адресовано сообщение. Только компьютер, которому адресовано сообщение, может обработать его. При этом, пока данные не будут обработаны, никакие сообщения больше не отправляются. Как только данные обработаны, сигнал об этом поступает в сеть, и работа возобновляется.

Главное преимущество такой сети – простота и дешевизна создания. При ее построении используется минимальное количество кабеля и не требуется никакого управляющего оборудования: в обмене данными участвуют только сетевые адаптеры компьютеров. Если количество компьютеров уже достаточно велико, сеть часто разбивается на сегменты, для соединения которых используются повторители – концентраторы, коммутаторы, мосты и т. п.

Главный минус сети – сильная зависимость скорости передачи данных от количества подключенных компьютеров: чем больше компьютеров и других устройств, тем ниже скорость передачи данных. Кроме того, обрыв центрального кабеля парализует работу всей сети.

Топология «кольцо»

Согласно топологии «кольцо» все компьютеры сети подключены последовательно и образуют своего рода замкнутую кольцевую систему (рис. 2.2).

Для передачи данных в сети используется маркерная система, то есть данные в конкретный момент может передавать только один компьютер. Причем данные передаются только следующему по кругу компьютеру (справа налево). Это позволяет избежать коллизий и увеличивает надежность сети в целом.

Когда компьютеру, обладающему маркером, необходимо передать данные, к маркеру добавляется адрес компьютера, которому эти данные предназначены, и маркерный блок отправляется в сеть по кругу. Таким образом, каждый компьютер, который лежит на пути следования маркерного блока, считывает из него адрес получателя и сравнивает его со своим адресом: если адреса не совпадают, они отправляются далее по кругу. Если адреса совпали, то есть отправитель найден, формируется подтверждающий блок и передается далее по кругу к отправителю. В дальнейшем данные уже передаются по найденному пути до тех пор, пока в этом есть необходимость. Как только передача данных заканчивается, маркер освобождается и идет далее по кругу до первого компьютера, которому необходимо передавать данные.

Рис. 2.2. Пример топологии «кольцо»

Использование топологии «кольцо» обладает некоторыми преимуществами. Например, каждый компьютер сети одновременно выступает повторителем, поэтому затухание сигнала возможно только между соседними компьютерами, что напрямую зависит от расстояния между ними. Кроме того, сеть способна справляться с очень большими объемами трафика за счет отсутствия коллизий и центрального управляющего узла.

У данного типа сети есть также и недостатки. Так, подключение нового компьютера требует остановки работы всей сети. Аналогичная ситуация происходит, если один из компьютеров выходит из строя: сеть становится неработоспособной. Кроме того, поиск неисправности в такой сети сопряжен со множеством сложностей.

Топология «звезда»

Топология «звезда» на сегодня является наиболее распространенной. Согласно ей каждый компьютер или устройство сети подключается к центральному узлу, образуя подобным образом один сегмент сети (рис. 2.3).

Сегменты сети могут соединяться между собой одним из доступных способов, например посредством центрального либо промежуточного узла, образуя более сложную сеть или входя в состав комбинированной сети.

Рис. 2.3. Пример топологии «звезда»

В качестве центрального узла используется любое активное сетевое устройство с достаточным количеством портов. В самом простом случае в роли центрального узла выступает концентратор, который в силу своих ограничений позволяет передавать данные в конкретный момент только одному компьютеру. При этом поступившие на концентратор данные он сразу пересылает всем подключенным к нему устройствам. Если на концентратор в один момент поступают данные от двух разных отправителей, то оба пакета игнорируются.

В случае с более интеллектуальным узлом, например коммутатором, данные одновременно могут передаваться сразу несколькими компьютерами, что значительно увеличивает скорость обмена данными.

Несмотря на то что «звезда» наиболее дорогостоящая в использовании по сравнению с другими топологиями, благодаря своей надежности и высокой скорости передачи данных она уже практически стала стандартом. Большую роль играет также тот факт, что принятый уже достаточно давно стандарт ATX подразумевает наличие на материнской плате персонального компьютера интегрированного сетевого адаптера, который изначально предназначен для работы с этой топологией.

Глава 3
Модель ISO/OSI

Функционирование сети подчиняется определенным теоретическим правилам. В качестве такой теоретической основы выступает свод правил и стандартов, которые описывают так называемую модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Основным разработчиком модели является Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO), поэтому очень часто используется более короткое название – модель ISO/OSI.

Согласно модели ISO/OSI существует семь уровней, пройдя через которые, данные от одного компьютера могут быть переданы другому компьютеру, и абсолютно не важно, какая операционная система при этом используется и каким образом данные попадают от источника к адресату.

Уровни имеют названия и расположены в следующем порядке: физический канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, уровень представления данных и прикладной уровень. Данные могут передаваться как в указанном, так и в обратном порядке. Так, при передаче данные начинают свое движение с прикладного уровня и доходят до физического уровня, который представляет собой среду передачи данных. Если же данные принимаются, то они проходят путь от физического до прикладного уровня (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схематическое отображение модели ISO/OSI

Описанная модель является стандартом для любой среды передачи данных, которых на сегодня используется три: кабель, радиоволны и инфракрасное излучение. Однако, в зависимости от среды передачи данных, имеются определенные различия в работе физического и канального уровней модели ISO/OSI, в чем вы сможете убедиться далее.

Каждый уровень отвечает только за свою часть подготовки данных к приему или передаче, что в результате позволяет сделать процесс передачи/приема максимально эффективным и, самое главное, независимым от среды передачи данных, а также обойти вопрос совместимости оборудования, которое используется для этого.

Как уже было упомянуто выше, модель ISO/OSI состоит из семи уровней, а именно:

□ физический – передача и прием электрических сигналов;

□ канальный – управление каналом связи и доступом к среде передачи данных;

□ сетевой – определение оптимальных маршрутов передачи данных;

□ транспортный – контроль целостности и правильности данных в процессе передачи и приема данных;

□ сеансовый – создание, сопровождение и поддержание сеанса связи;

□ уровень представления – кодирование и шифрование данных с помощью требуемых алгоритмов;

□ прикладной – взаимодействие с клиентскими программами.

Данные между разными уровнями модели передаются посредством стандартных интерфейсов и протоколов передачи данных, главная задача которых – обработка полученных данных и приведение их к тому виду, который необходим для работы следующего уровня. Более подробно о разных протоколах передачи данных вы сможете узнать далее.