Компьютерные сети, адресации в сети
Компьютерная сеть (КС) — это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи и оснащенных коммуникационным оборудованием и программным обеспечением.
Коммуникационное, или сетевое, оборудование — это периферийные устройства, которые осуществляют преобразование сигналов, используемых в компьютере, в сигналы, передаваемые по линиям связи, и наоборот. При использовании телефонных линий связи применяют модемы, подключаемые к компьютеру через стандартный последовательный порт. Одна из важнейших характеристик модема — это скорость передачи данных, измеряемая в битах за секунду (бод). Современные модемы имеют скорость передачи данных 1200–52000 бод и более. При использовании других линий связи применяют сетевые адаптеры.
Линия связи — это оборудование, с помощью которого осуществляется соединение компьютеров в сеть.
Линии связи бывают:
- проводные — для передачи сигналов используются кабели (например, телефонная линия);
- беспроводные — все остальные линии связи: спутниковая связь, каналы цифровой связи (КЦС). Пропускная способность КЦС — до сотен млн Кбод.
Объединенные в сеть компьютеры всегда работают под управлением специальных программ управления сетью.
Коммуникационное, или сетевое, программное обеспечение — это набор программ, обеспечивающий работу сетевого оборудования и обмен информацией между компьютерами в сети.
Сетевое программное обеспечение делится на две группы:
- «низкого» уровня — управляет сетевым оборудованием с целью преобразования сигналов из одного вида в другой. Эти программы ничего «не знают» о структуре передаваемой информации;
- «высокого» уровня — распознает и обрабатывает информацию в зависимости от ее характера и способа организации.
Компьютерные сети делятся на две группы — локальные и глобальные.
Локальные вычислительные сети
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) — объединяет компьютеры, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, и представляет собой замкнутую систему. Небольшие расстояния между компьютерами позволяют использовать в локальных сетях в качестве линий связи простейшие проводные линии (кабели различных типов: коаксиальный, витая пара, оптоволоконный). Кабели подсоединяются к компьютеру через специальное устройство, называемое сетевой картой или сетевым адаптером. Это устройство вставляется в слот расширения на материнской плате компьютера. Имеются материнские платы со встроенным сетевым адаптером. Сетевые адаптеры (ArcNet, Ethernet, TokenRing) различаются производительностью (скоростью передачи данных) и соответственно стоимостью.
Для построения сети используются и другие сетевые устройства: хабы, концентраторы, повторители и др. Для подключения к локальной сети портативных компьютеров часто используется беспроводное подключение, при котором передача данных осуществляется с помощью электромагнитных волн.
Топология ЛВС — это способ объединения компьютеров в сеть между собой.
Основные топологии ЛВС:
Гирлянда
Кольцо
Звезда
ЛВС создается для совместного использования и обмена информацией между компьютерами, а также для совместного использования ресурсов сети.
Ресурс сети — это устройство, входящее в аппаратную часть какого-либо компьютера сети, доступное и используемое любым пользователем сети. Это могут быть принтеры, сканеры, дисковые накопители большой емкости, устройства резервного копирования информации, станки с ЧПУ и т. д., а также диски, программы и данные.
Существуют два принципиально разных способа соподчинения компьютеров в локальной сети и соответственно технологии работы в ней.
Одноранговая сеть — сеть равноправных компьютеров — рабочих станций, каждый из которых имеет имя и пароль для входа в компьютер в момент загрузки операционной системы. Имя и пароль назначаются владельцем компьютера средствами операционной системы и BIOS. В такой сети могут быть организованы «подсети» — так называемые группы, каждая из которых имеет имя, например «Бухгалтерия». Принадлежность к какой-либо группе может быть задана или изменена пользователем. Владельцу каждого компьютера в сети предоставлена программная возможность самому преобразовывать свой локальный ресурс (диски, папки, принтер) в разделяемый (сетевой), а также устанавливать права и пароль доступа к нему. Он же отвечает за сохранность или работоспособность этого ресурса. Сети этого вида часто организуются в небольших офисах (10–15 компьютеров); они не требуют системного администратора.
Иерархические сети — это сети, в которых имеется мощный компьютер — выделенный сервер, ресурсы которого предоставляются другим соединенным с ним компьютерам — рабочим станциям. Сервер (хост) — компьютер, предоставляющий свои ресурсы для совместного использования. Рабочая станция (клиент) — компьютер, пользующийся ресурсами сети. Ресурсы рабочих станций серверу, как правило, не доступны. По сравнению с одноранговыми сетями обеспечивают более высокое быстродействие и надежность работы сети, повышают конфиденциальность и надежность хранения информации и др. Работу всей сети организует системный администратор.
Возможна организация сетей и более сложных видов:
- сочетание одноранговой и иерархической сети — рабочие станции могут быть как подключены к выделенному серверу по принципу иерархической сети, так и объединены между собой в одноранговую сеть;
- иерархическая сеть с несколькими выделенными серверами;
- иерархическая сеть, в которой есть несколько уровней иерархии серверов, при этом серверы нижнего уровня подключаются к серверам более высокого уровня.
Взаимодействие серверов и рабочих станций обеспечивается сетевым программным обеспечением каждого компьютера сети. На сервере устанавливается сетевая операционная система, управляющая его работой и работой всей сети. На компьютере-клиенте располагается клиентская часть программного обеспечения, которая взаимодействует с сервером. В зависимости от вида сети программы на сервере и компьютере-клиенте могут быть как одинаковыми, так и различными. Сейчас наиболее распространены сетевые программы фирм Novell (программы Novell Netware) и Microsoft (Windows NT-сервер, сети Microsoft).
Пользователю рабочей станции доступны ресурсы сети в соответствии с заранее обусловленными правилами.
ЛВС используются в системах управления базами данных для быстрого доступа нескольких компьютеров к одной базе данных (например, при продаже авто-, авиа-, железнодорожных билетов), а также в производстве — для управления производственным процессом, выходного контроля качества, учета готовой продукции и расхода материалов.
Локальные сети обычно объединяют компьютеры, размещенные в одном здании, и не позволяют обеспечить совместный доступ к информации пользователям, находящимся, например, в разных частях города. Для решения этой проблемы создаются региональные сети, объединяющие компьютеры в пределах одного региона (города, страны, континента).
Многие организации, заинтересованные в защите информации от несанкционированного доступа, создают собственные, так называемые корпоративные сети. Такие сети могут объединять десятки тысяч компьютеров, размещенных в различных городах и странах.
Глобальные сети
Потребность в формировании единого мирового информационного пространства привела к созданию глобальных компьютерных сетей.
Глобальная сеть — соединения локальных, региональных и корпоративных сетей и отдельных компьютеров, находящихся на больших расстояниях друг от друга. Большие расстояния требуют наличия дополнительного устройства для обработки больших объемов информации и пересылки ее на большие расстояния. Это — серверы глобальной сети, представляющие собой очень мощные компьютеры.
Из-за больших расстояний использование простых линий связи в глобальных сетях невозможно. Современные глобальные сети используют телефонную связь, однако между серверами связь осуществляется по выделенным линиям или по специальным каналам связи. Они обладают высокой скоростью передачи и помехоустойчивостью. Сейчас в глобальных сетях все чаще используются системы спутниковой связи, что значительно расширяет их масштабы и возможности.
Для пользования глобальной сетью компьютер должен иметь модем и специальное программное обеспечение.
Глобальные сети предоставляют огромные возможности: можно, сидя за компьютером, прочитать новости, посетить картинную галерею, узнать прогноз погоды, обменяться письмами, прочитать книгу, получить ответы на многие вопросы и т. д. Каждый день появляются новые возможности и услуги, предоставляемые сетями.
Самая большая глобальная сеть — Internet (Интернет). Она охватывает все континенты Земли.
Интернет — всемирная КС, объединяющая в единое целое десятки тысяч разнородных локальных и глобальных сетей. Эта сеть содержит огромный объем информации по любой тематике, доступной на коммерческой основе всем желающим. Помимо получения чисто информационных услуг, через Интернет можно совершать покупки и коммерческие сделки, оплачивать счета, заказывать билеты на различные виды транспорта, бронировать места в гостиницах и др.
Интернет представляет собой объединение нескольких десятков тысяч различных локальных сетей (Сеть сетей). Каждая ЛВС называется узлом, или сайтом, а юридическое лицо, обеспечивающее работу сайта, — провайдером. Сайт состоит из нескольких компьютеров — серверов, каждый из которых предназначен для хранения информации определенного типа и в определенном формате. Каждый сайт и сервер на сайте имеют уникальные имена, посредством которых они идентифицируются в Интернете.
Для подключения к Интернету пользователь должен заключить контракт на обслуживание с одним из провайдеров в его регионе. После этого любая работа в Интернете начинается с соединения с сайтом провайдера. Связь с провайдером может быть организована:
- по коммутируемому телефонному каналу с помощью модема;
- с помощью постоянно действующего выделенного канала (просто вызовом соответствующей программы для работы в Интернете).
После соединения с провайдером пользователь получает доступ ко всем сайтам и компьютерам в Интернете. Открывающиеся при этом перед пользователем возможности зависят от условий контракта с провайдером.
Основная задача Интернета — обеспечить пользователя необходимой информацией и услугами. Для этого используется технология клиент/сервер.
Клиент (потребитель) — программа, принимающая информацию и услуги, предоставляемые другими компьютерами — серверами (поставщиками). Компьютеры, на которых запускают программы-серверы, должны обладать достаточно мощными ресурсами, т. к. им приходится «пропускать через себя» огромные объемы информации. Любой компьютер может выступить в роли клиента, как только на нем будет запущена какая-либо программа-клиент.
В компьютерных сетях используются различные марки компьютеров, типы модемов, линии связи, операционные системы и другие программы. Для того чтобы все сети «понимали» друг друга, они должны использовать единый набор правил, определяющий способ обмена информацией. Такой набор правил называется протоколом.
Протокол — это стандарт, определяющий формы представления и способы пересылки сообщений, процедуры их интерпретации, правила совместной работы различного оборудования в сетях, установленный по взаимному соглашению.
Все компьютеры, подключенные к Internet, должны использовать один и тот же протокол. С 1983 года это протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Фактически это два протокола.
IP (протокол межсетевого взаимодействия) — более ранний вариант, разработанный для пересылки данных, организованных в пакеты. В пакет входит сообщение и информация о маршруте, т. е. адреса компьютера-отправителя и компьютера-получателя (аналогично пересылке письма в конверте по почте). Специальные компьютеры-маршрутизаторы (router) определяют путь, по которому должны следовать пакеты от компьютера к компьютеру, пользуясь таблицами и алгоритмами маршрутизации (т. к. прямой связи между любыми двумя компьютерами нет). Большие сообщения делятся на несколько пакетов с номерами. По этим номерам компьютер-получатель должен полностью восстановить исходное сообщение после получения всех пакетов. Недостатком протокола IP является его неспособность справиться с ошибками при передаче информации. Каждый пакет содержит контрольные суммы, которые вычисляются определенным образом по исходной информации. Компьютер-получатель выполняет те же вычисления и находит контрольные суммы по полученной информации. Если они не совпадают с исходными, значит, в процессе передачи произошла ошибка и данные исказились. При искажении данных, нарушении последовательности доставки пакетов или прерывании процесса передачи компьютер-получатель полностью отбрасывает пакет.
TCP (протокол управления передачей) устраняет этот недостаток. В случае возникновения какой-либо ошибки принимающий компьютер запрашивает повторную передачу.
Таким образом, TCP следит за целостностью данных, разбивает большие сообщения на последовательности более мелких, организует их нумерацию и последующее восстановление в единое сообщение; IP контролирует перемещение пакетов по Интернету, выбирая маршрут пересылки данных от одного компьютера к другому, а также определяет формат адреса компьютера.
Все современные операционные системы имеют встроенную поддержку основных протоколов для работы с Интернетом.
Каждый компьютер, подключенный к Интернету, должен иметь свой уникальный адрес во избежание путаницы при пересылке информации.
В Интернете применяются два типа адресов.
IP-адрес — по смыслу аналогичен почтовому индексу. IP-адрес — это последовательность из четырех чисел, разделенных точками. Каждое из чисел занимает 1 байт, т. е. может принимать значения 0..255. Так как 1 байт = 8 бит, эти числа часто называют октетами. Используется три класса IP-адресов: А, В и С. Класс IP-адреса определяет, сколько октетов отводится под адрес сети и сколько — под адрес компьютера.
Класс А используется для работы с небольшим количеством сетей (до 126), содержащих большое число компьютеров (≈16,8 млн).
Класс В — для работы со средним количеством сетей (до 16384), содержащих среднее число компьютеров (до 65534).
Класс С — для работы с большим количеством сетей (до ≈ 2 млн), содержащих малое число компьютеров (до 254).
Класс определяют по значению первого октета:
- если в первом октете число от 1 до 126 — класс А;
- если в первом октете число от 128 до 191 — класс В;
- если в первом октете число от 192 до 223 — класс С.
Для передачи сообщений на конкретные компьютеры в Internet протокол TCP/IP и программы-клиенты используют IP-адреса. Но они неудобны для восприятия пользователем. Человеку привычнее работать с именами.
Все пространство адресов Интернета разбито на области — домены. Внутри доменов возможно разделение по определенным признакам.
Доменный адрес — уникальное символьное имя компьютера в сети. Оно состоит из частей, разделенных точками. Место назначения уточняется справа налево: сначала указывается имя компьютера, затем — имя в сети, в которой он находится.
Доменный адрес компьютера включает в себя как минимум два уровня доменов. Домен первого уровня определяет страну или тип организации, которой принадлежит компьютер. Существуют установленные двухбуквенные сокращения для доменов стран. Например, Россия — ru, США — us, Франция — fr и т. д. Домены типов организаций обычно имеют трехбуквенные сокращения. Например, учебные заведения — edu, правительственные учреждения — gov, коммерческие организации — com, провайдеры услуг Интернет — net и т. д. Домен второго уровня определяет организацию, которая владеет или управляет сетью, содержащей данный компьютер. Обычно имя этого домена совпадает с названием соответствующей фирмы или ее торговой маркой. Имя компьютера указывает конкретный компьютер в сети, определенной доменами первого и второго (а возможно, и следующих) уровней. Оно регистрируется только в этой сети, и только эта сеть «ответственна» за передачу информации конкретному компьютеру-адресату.
Примеры доменных имен:
Домены могут сочетать региональные и организационные уровни, например: edu.ru — образовательные организации в России.
Доменные адреса должны быть преобразованы в IP-адреса. «Обычный» компьютер не может и не должен знать все IP-адреса Интернета. На DNS-серверах (Domain Name System) хранятся таблицы соответствия доменных и IP-адресов. DNS-серверы распределены по всей сети Internet. Каждый из них хранит информацию о большом числе компьютеров и способен мгновенно преобразовать доменное имя в IP-адрес. Если IP-адрес запрошенного компьютера не известен данному DNS-серверу, он обратится к ближайшему DNS-серверу и т. д. по цепочке, пока требуемый адрес не будет найден. Это займет несколько секунд. Адрес одного из DNS-серверов пользователь должен указать при настройке компьютера для работы в Интернете. Его можно получить у администратора локальной сети или провайдера.
В Интернете для поиска Web-документов используется система адресации URL (Uniform Resource Locator — унифицированный указатель ресурсов). Она применяется для указания способа организации информации на конкретном хосте и идентификации размещенного на нем информационного ресурса. URL включает в себя протокол доступа к документу, доменное имя или IP-адрес сервера, на котором находится документ, а также путь к файлу и собственно имя файла. Протокол доступа к документу определяет способ передачи информации. Для доступа к Web-страницам используется протокол передачи гипертекста HTTP. При записи протокола после его имени следует двоеточие и две косые черты: http://.
Например, URL имеет вид
Элементы этого адреса обозначают:
- http:// — префикс, указывающий тип протокола. В данном случае означает, что адрес относится к хосту, который является WWW-сервером. В качестве префикса (протокола) могут быть также указаны: ftp://, file://, news://;
- home.microsoft.com — доменное имя хоста. После него может следовать число, обозначающее порт, через который будет производиться подключение к хосту;
- /intl/ru/ — папка ru корневого каталога intl хоста;
- www_tour.html — имя файла. URL-адрес не должен содержать пробелов.
Он состоит из латинских букв и некоторых символов ( _ , ~ , —). Прописные и строчные буквы различаются. Путь к папке и название файла могут отсутствовать, а в конце могут указываться некоторые параметры. Например:
IP — Internet Protocol
Протокол передачи, который первым объединил отдельные компьютеры в единую сеть. Самый примитивный в этом списке. Он является ненадёжным, т. е. не подтверждает доставку пакетов получателю и не контролирует целостность данных. По протоколу IP передача данных осуществляется без установки соединения.
Основная задача этого протокола — маршрутизация датаграмм, т. е. определение пути следования данных по узлам сети.
Популярная версия на текущий момент — IPv4 с 32-битными адресами. Это значит, что в интернете могут хранится 4.29 млрд адресов IPv4. Число большое, но не бесконечное. Поэтому существует версия IPv6, которая поможет решить проблему переполнения адресов, ведь уникальных IPv6 будет 2 ^ 128 адресов (число с 38 знаками).
TCP/IP — Transmission Control Protocol/Internet Protocol
Это стек протоколов TCP и IP. Первый обеспечивает и контролирует надёжную передачу данных и следит за её целостностью. Второй же отвечает за маршрутизацию для отправки данных. Протокол TCP часто используется более комплексными протоколами.
Протокол, обеспечивающий передачу данных без предварительного создания соединения между ними. Этот протокол является ненадёжным. В нём пакеты могут не только не дойти, но и прийти не по порядку или вовсе продублироваться.
Основное преимущество UDP протокола заключается в скорости доставки данных. Именно поэтому чувствительные к сетевым задержкам приложения часто используют этот тип передачи данных.
Стек протоколов, снова канальный уровень
О канальном уровне модели TCP/IP мы рассказали меньше всего, давайте вернемся еще раз к началу, чтобы рассмотреть инкапсуляцию протоколов и, что значит «стек».
Большинству пользователей знаком протокол Ethernet. В сети, по стандарту Ethernet, устройства отправителя и адресата имеют определенный MAC-адрес — идентификатор «железа». MAC-адрес инкапсулируется в Ethernet вместе с типом передаваемых данных и самими данными. Фрагмент данных, составленных в соответствии с Ethernet называется фреймом или кадром (frame).
MAC-адрес каждого устройства уникален и двух «железок» с одинаковым адресом не должно существовать, хотя порой такое случается, что приводит к сетевым проблемам. Таким образом, при получении сетевой адаптер занимается извлечением полученной информации из кадра и ее дальнейшей обработкой.
После ознакомления с уровневой структурой модели становится понятно, что информация не может передаваться между двумя компьютерами напрямую. Сначала кадры передаются на межсетевой уровень, где компьютеру отправителя и компьютеру получателя назначается уникальный IP. После чего, на транспортном уровне, информация передается в виде TCP-фреймов либо UDP-датаграмм.
На каждом этапе, подобно снежному кому, к уже имеющейся информации добавляется служебная информация, например, порт на прикладном уровне, необходимый для идентификации сетевого приложения. Добавление служебной информации к основной обеспечивают разные протоколы — сначала Ethernet, поверх него IP, еще выше TCP, над ним порт, означающий приложение с делегированным ему протоколом. Такая вложенность называется стеком, названным TCP/IP по двум главным протоколам модели.
