1.Постановка задачи и аналитический обзор

1.1Понятие локальной вычислительной сети, её назначение и виды

Архитектура ЛВС.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС, локальная сеть, сленг. локалка; англ. Local Area Network, LAN) — компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт). Также существуют локальные сети, узлы которых разнесены географически на расстояния более 12 500 км (космические станции и орбитальные центры). Несмотря на такие расстояния, подобные сети всё равно относят к локальным.

Построение сети

Существует множество способов классификации сетей. Основным критерием классификации принято считать способ администрирования. То есть в зависимости от того, как организована сеть и как она управляется, её можно отнести к локальной, распределённой, городской или глобальной сети. Управляет сетью или её сегментом сетевой администратор. В случае сложных сетей их права и обязанности строго распределены, ведётся документация и журналирование действий команды администраторов.

Компьютеры могут соединяться между собой, используя различные среды доступа: медные проводники (витая пара), оптические проводники (оптические кабели) и через радиоканал (беспроводные технологии). Проводные связи устанавливаются через Ethernet, беспроводные — через Wi-Fi, Bluetooth, GPRS и прочие средства. Отдельная локальная вычислительная сеть может иметь шлюзы с другими локальными сетями, а также быть частью глобальной вычислительной сети (например, Интернет) или иметь подключение к ней.

Чаще всего локальные сети построены на технологиях Ethernet или Wi-Fi. Следует отметить, что ранее использовались протоколы Frame Relay, Token ring, которые на сегодняшний день встречаются всё реже, их можно увидеть лишь в специализированных лабораториях, учебных заведениях и службах. Для построения простой локальной сети используются маршрутизаторы, коммутаторы, точки беспроводного доступа, беспроводные маршрутизаторы, модемы и сетевые адаптеры. Реже используются преобразователи (конвертеры) среды, усилители сигнала (повторители разного рода) и специальные антенны.

Маршрутизация в локальных сетях используется примитивная, если она вообще необходима. Чаще всего это статическая либо динамическая маршрутизация (основанная на протоколе RIP).

Сетевой администратор — человек, ответственный за работу локальной сети или её части. В его обязанности входит обеспечение и контроль физической связи, настройка активного оборудования, настройка общего доступа и предопределённого круга программ, обеспечивающих стабильную работу сети.

Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI - физического и канального. Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN: звезда (общая шина), кольцо и дерево. Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального. Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN.

Адресация

В локальных сетях, основанных на протоколе IPv4, могут использоваться специальные адреса, назначенные IANA (стандарты RFC 1918 и RFC 1597):

10.0.0.0—10.255.255.255;

172.16.0.0—172.31.255.255;

192.168.0.0—192.168.255.255.

Такие адреса называют частными, внутренними, локальными или «серыми»; эти адреса не доступны из сети Интернет. Необходимость использовать такие адреса возникла из-за того, что при разработке протокола IP не предусматривалось столь широкое его распространение, и постепенно адресов стало не хватать. Для решения этой проблемы был разработан протокол IPv6, однако, он пока малопопулярен. В различных непересекающихся локальных сетях адреса могут повторяться, и это не является проблемой, так как доступ в другие сети происходит с применением технологий, подменяющих или скрывающих адрес внутреннего узла сети за её пределами — NAT или прокси дают возможность подключить ЛВС к глобальной сети (WAN). Для обеспечения связи локальных сетей с глобальными применяются маршрутизаторы (в роли шлюзов и файрволов).

Конфликт IP адресов — распространённая ситуация в локальной сети, при которой в одной IP-подсети оказываются два или более компьютеров с одинаковыми IP-адресами. Для предотвращения таких ситуаций и облегчения работы сетевых администраторов применяется протокол DHCP, позволяющий компьютерам автоматически получать IP-адрес и другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP.

LAN и VPN

Связь с удалённой локальной сетью, подключенной к глобальной сети, из дома/командировки/удалённого офиса часто реализуется через VPN. При этом устанавливается VPN-подключение к пограничному маршрутизатору.

Особенно популярен следующий способ организации удалённого доступа к локальной сети:

Обеспечивается подключение снаружи к маршрутизатору, например по протоколу PPPoE, PPTP или L2TP (PPTP+IPSec).

Так как в этих протоколах используется PPP, то существует возможность назначить абоненту IP-адрес. Назначается свободный (не занятый) IP-адрес из локальной сети.

Маршрутизатор (VPN, Dial-in сервер) добавляет proxyarp — запись на локальной сетевой карте для IP-адреса, который он выдал VPN-клиенту. После этого, если локальные компьютеры попытаются обратиться напрямую к выданному адресу, то они после ARP-запроса получат MAC-адрес локальной сетевой карты сервера и трафик пойдёт на сервер, а потом и в VPN-туннель.

Ethernet

В настоящее время из относительно небольших компьютерных сетей со скоростью передачи до 10 Мбит/с. наиболее широкое распространение получила сеть Ethernet. Эта сеть предназначена для объединения различных учрежденческих (в том числе банковским и офисных) рабочих станций в локальную сеть. Сеть характеризуется низкой стоимостью, простотой наладки и эксплуатации. Для данного типа сетей существует достаточно большой набор программных и аппаратных средств. Успешный опыт эксплуатации сети Ethernet позволил взять её за основу при разработке стандарта IEEE 802.3 для магистральных сетей с множественным доступом, контролем передачи и обнаружением столкновений.

В качестве физической среды стандартом IEEE 802.3 определены два типа коаксиального кабеля, витая пара проводников и оптоволоконный кабель. Соответственно, различают четыре типа спецификации передающей среды: 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T и 10BASE-F. Одной из первых появилась спецификация 10BASE5, определяющая использование толстого коаксиального кабеля с диаметром центрального медного провода 2,17 мм. Спецификация 10BASE2 определяет использование тонкого коаксиального кабеля с диаметром центрального провода 0,89 мм.

Характеристики кабеля оказывают влияние на такие параметры сети, как дальность передачи по кабелю без повторителей, максимальное число станций, подключаемых к одному сегменту и др. Чтобы различить сети на базе кабелей этих типов. В первом случае говорят о сети толстая Ethernet, а во втором - тонкая Ethernet.

В качестве магистрального кабеля в системе 10BASE5 используется кабель RG -11. Для системы 10BASE2 наиболее часто используется RG-58A/U. Кабель RG-11 характеризуется более высокой надежностью и помехозащищенностью, однако его стоимость существенно больше стоимости кабеля RG-58A/U. Сети систем 10BASE5 и 10BASE2 различаются также по дальности передачи по кабелю без повторителей (длине сегмента), максимальному числу станций, подключаемых к сегменту, и способу подключения их к коаксиальному кабелю. Так, максимальная длина сегмента, то есть участка сети без дополнительных усилителей (повторителей), для системы 10BASE5 составляет 500 метров. К сегменту допускается подключение до 100 станций. На концах сегмента размещаются терминаторы, предотвращающие возникновение эффекта отраженной волны на конце коаксиального кабеля. Терминатор имеет такое же волновое сопротивление, как и коаксиальный кабель - 50 Ом. Для подключения станций к передающей среде используется специальный приемопередатчик (трансивер) и адаптер. Трансивер выполняет функции модуля связи со средой, обеспечивая прием и усиление электрических сигналов, поступающих из кабеля, и передачу их обратно в коаксиальный кабель и сетевой адаптер. Для повышения надежности сети в трансивере осуществляется гальваническая развязка из четырех пар проводников, и разъема DB-15 трансивер связан с сетевым адаптером, который размещается внутри рабочей станции. Первая пара проводников используется для передачи сигналов в адаптер, вторая - для приема. Третья пара проводников используется для индикации столкновений кадров, а последняя - для подачи питания на трансивер.

Длина интерфейсного кабеля между адаптером и трансивером может достигать 50 метров. Это позволят в достаточно больших пределах менять месторасположение станций, не затрагивая основной кабель, который прокладывается от одного помещения к другому, как правило, в специальных монтажных коробах. Внутри помещения преимущественно используются трансиверный кабель. Подключение интерфейсного кабеля к адаптеру осуществляется с помощью интерфейса AUI (Attachment Unit Interfase) и стандартного 15-контактного разъема DB-15.

Для сетей системы 10BASE2 максимальная длина сегмента составляет 185 метров, хотя для некоторых типов сетевых адаптеров допускается увеличение этого параметра до 200, а некоторые, для адаптеров ЗСОМ - даже до 300 метров.

Максимальное число станций, подключаемых к сегменту, должно быть не больше 30. Подключение станций осуществляется с помощью T- и BNC-коннектора с волновым сопротивлением 50 Ом. T-коннектор представляет собой небольшой тройник, который одной стороной подключается к сетевому адаптеру, а двумя другими через BNC-коннекторы - к коаксиальному кабелю. Сетевые коннекторы аналогичны коннекторам для подключения измеряемых устройств к осциллографам. BNC-коннекторы подсоединяются к коаксиальному кабелю путем распайки, обжима или закрутки. В двух последних случаях используется специальный монтажный инструмент. На свободном конце оконечных рабочих станций должен располагаться специальный терминатор, представляющий собой небольшую заглушку с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля.

Терминатор используется для поглощения сигналов на концах коаксиального кабеля и предотвращения эффекта отраженной волны. Один из терминаторов (но не оба) должен быть заземлен. Иначе сеть будет работать неустойчиво.

Сетевой адаптер для системы 10BASE2 предполагает наличие встроенного приемопередатчика. Следует заметить, что большинство сетевых адаптеров с целью унификации имеют соответствующие разъемы и могут использоваться и в сети 10BASE2, так и в сети 10BASE5. Адаптеры могут иметь как автономное исполнение и подключаться к компьютеру с помощью интерфейса RS-232С, и встраиваться в компьютер на его системную шину. Автономные адаптеры Ethernet стоят несколько дороже встраиваемых адаптеров и, как правило, применяются в тех случаях, когда невозможно поместить адаптер внутрь компьютера. В общем, за счет использования относительно дешевого кабеля и отсутствия трансиверов, стоимость сети Ethernet 10BASE2 является более низкой по сравнению с сетью Ethernet 10BASE5, в связи с чем за ней закрепилось название CheapNet (дешевая сеть).

Используя специальные повторители (репитеры), можно объединять между собой до пяти сегментов сети. В этом случае максимальная длина сети Ethernet 10BASE5 составляет 2,5 км, а максимальная длина сети Ethernet 10BASE2 - 1 км. Репитеры могут располагаться в произвольном участке сегмента, образуя сети различной конфигурации - линейной или разветвленной.

Более того, повторители позволяют объединять сети с толстым и тонким кабелем. В настоящее время появились многопортовые повторители, позволяющие объединять несколько сегментов в виде звездообразной структуры. Таким образом, с помощью повторителей может быть реализована топология локальной компьютерной сети, близкая к оптимальной. При этом необходимо соблюдать так называемое правило "5-4-3". В соответствии с этим правилом можно объединять между собой не более пяти сегментов сети, используя для этого четыре повторителя. Цифра три указывает на то, что к трем сегментам могут быть подключены узлы сети.

Совершенствование сетевых средств, и в первую очередь адаптеров, позволило широко использовать витые пары проводников в качестве передающей среды локальных компьютерных сетей. Так, в рамках сети Ethernet и, соответственно, стандарта IEEE 802.3 разработана спецификация 10BASE-T, определяющая использование в качестве передающей среды витой пары проводников категории 3 и длиной кабеля до 100 метров. Основным структурным элементом сети является концентратор (Hub), к которому радикальным образом (рис.2) подключаются рабочие станции.

Используя несколько концентраторов, можно построить сеть достаточно сложной конфигурации. Например, объединив два концентратора с помощью коаксиального кабеля, можно получить локальную сеть.

Топология сети

Все компьютеры в локальной сети соединены линиями связи. Геометрическое расположение линий связи относительно узлов сети и физическое подключение узлов к сети называется физической топологией. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры.

Различают физическую и логическую топологию. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга. Физическая топология - это геометрия построения сети, а логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети и способы передачи данных.

В настоящее время в локальных сетях используются следующие физические топологии:

• физическая "шина" (bus);

• физическая “звезда” (star);

• физическое “кольцо” (ring);

• физическая "звезда" и логическое "кольцо" (Token Ring).