Основы локальных сетей

Основы локальных сетей

2-е издание, исправленное

Новиков Ю.В.
Кондратенко С.В.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК 004.43(075.8)
ББК 15
Н-73
Основы локальных сетей / Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. - M.: Национальный Открытый
Университет “ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных технологий)
ISBN 5-9556-0032-9

Курс представляет собой краткое учебное пособие по основам локальных компьютерных сетей, в
котором рассматриваются ключевые принципы, лежащие в основе архитектуры локальных сетей,
базовые функции локальных сетей, а также алгоритмы реализации этих функций. Приводятся
рекомендации по проектированию наиболее распространенных сетей Ethernet и Fast Ethernet.
Рассматриваются также вопросы подключения локальных сетей к глобальной сети Internet с
помощью модемов.
Локальные сети в последнее время из модного дополнения к компьютерам все более превращаются в
обязательную принадлежность любой компании, имеющей больше одного компьютера.
Совершенствование аппаратуры и программных средств достигло такого уровня, когда установить и
эксплуатировать простейшую сеть может практически любой более или менее грамотный
пользователь. Тем более что на рынке имеется множество книг, подробно описывающих процесс
установки и обслуживания. А наиболее распространенная операционная система Microsoft Windows
уже содержит в себе довольно развитые сетевые средства, так что даже покупать специальное
сетевое программное обеспечение совсем не обязательно. И то, что раньше было доступно только
посвященным, только специально обученным профессионалам, теперь легко может проделать
каждый. Этот курс дает информацию, которая не скоро устареет. Ни появление новых программных
средств, ни выпуск более эффективных и производительных аппаратных средств не отменят
ключевых принципов, лежащих в самой основе сетевых технологий. Именно этим принципам и
уделено основное внимание в книге.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2005-2016
(c) Новиков Ю.В., Кондратенко С.В., 2005-2016

3

Определение локальных сетей и их топология

В этой лекции говорится о базовой терминологии сетевых технологий, назначении и
роли локальных сетей, применяемых сетевых структурах, их достоинствах и
недостатках.

Место и роль локальных сетей

Немного истории компьютерной связи

Связь на небольшие расстояния в компьютерной технике существовала еще задолго до
появления первых персональных компьютеров.

К большим компьютерам (mainframes), присоединялись многочисленные терминалы
(или “интеллектуальные дисплеи”). Правда, интеллекта в этих терминалах было очень
мало, практически никакой обработки информации они не делали, и основная цель
организации связи состояла в том, чтобы разделить интеллект (“машинное время”)
большого мощного и дорогого компьютера между пользователями, работающими за
этими терминалами. Это называлось режимом разделения времени, так как большой
компьютер последовательно во времени решал задачи множества пользователей. В
данном случае достигалось совместное использование самых дорогих в то время
ресурсов - вычислительных (рис. 1.1).

Рис. 1.1.  Подключение терминалов к центральному компьютеру

Затем были созданы микропроцессоры и первые микрокомпьютеры. Появилась
возможность разместить компьютер на столе у каждого пользователя, так как
вычислительные, интеллектуальные ресурсы подешевели. Но зато все остальные
ресурсы оставались еще довольно дорогими. А что значит голый интеллект без средств
хранения информации и ее документирования? Не будешь же каждый раз после
включения питания заново набирать выполняемую программу или хранить ее в
маловместительной постоянной памяти. На помощь снова пришли средства связи.
Объединив несколько микрокомпьютеров, можно было организовать совместное
использование ими компьютерной периферии (магнитных дисков, магнитной ленты,
принтеров). При этом вся обработка информации проводилась на месте, но ее
результаты передавались на централизованные ресурсы. Здесь опять же совместно

4

использовалось самое дорогое, что есть в системе, но уже совершенно по-новому.
Такой режим получил название режима обратного разделения времени (рис. 1.2). Как и
в первом случае, средства связи снижали стоимость компьютерной системы в целом.

Рис. 1.2.  Объединение в сеть первых микрокомпьютеров

Затем появились персональные компьютеры, которые отличались от первых
микрокомпьютеров тем, что имели полный комплект достаточно развитой для
полностью автономной работы периферии: магнитные диски, принтеры, не говоря уже
о более совершенных средствах интерфейса пользователя (мониторы, клавиатуры,
мыши и т.д.). Периферия подешевела и стала по цене вполне сравнимой с
компьютером. Казалось бы, зачем теперь соединять персональные компьютеры (рис.
1.3)? Что им разделять, когда и так уже все разделено и находится на столе у каждого
пользователя? Интеллекта на месте хватает, периферии тоже. Что же может дать сеть в
этом случае?

Рис. 1.3.  Объединение в сеть персональных компьютеров

Самое главное — это опять же совместное использование ресурса. То самое обратное
разделение времени, но уже на принципиально другом уровне. Здесь уже оно
применяется не для снижения стоимости системы, а с целью более эффективного
использования ресурсов, имеющихся в распоряжении компьютеров. Например, сеть
позволяет объединить объем дисков всех компьютеров, обеспечив доступ каждого из
них к дискам всех остальных как к собственным.

Но нагляднее всего преимущества сети проявляются в том случае, когда все
пользователи активно работают с единой базой данных, запрашивая информацию из
нее и занося в нее новую (например, в банке, в магазине, на складе). Никакими
дискетами тут уже не обойдешься: пришлось бы целыми днями переносить данные с
каждого компьютера на все остальные, содержать целый штат курьеров. А с сетью все
очень просто: любые изменения данных, произведенные с любого компьютера, тут же
становятся видными и доступными всем. В этом случае особой обработки на месте
обычно не требуется, и в принципе можно было бы обойтись более дешевыми
терминалами (вернуться к первой рассмотренной ситуации), но персональные
компьютеры имеют несравнимо более удобный интерфейс пользователя, облегчающий
работу персонала. К тому же возможность сложной обработки информации на месте
часто может заметно уменьшить объем передаваемых данных.

5

Рис. 1.4.  Использование локальной сети для организации совместной работы
компьютеров

Без сети также невозможно обойтись в том случае, когда необходимо обеспечить
согласованную работу нескольких компьютеров. Эта ситуация чаще всего встречается,
когда эти компьютеры используются не для вычислений и работы с базами данных, а в
задачах управления, измерения, контроля, там, где компьютер сопрягается с теми или
иными внешними устройствами (рис. 1.4). Примерами могут служить различные
производственные технологические системы, а также системы управления научными
установками и комплексами. Здесь сеть позволяет синхронизировать действия
компьютеров, распараллелить и соответственно ускорить процесс обработки данных,
то есть сложить уже не только периферийные ресурсы, но и интеллектуальную мощь.

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

Определение локальной сети

Способов и средств обмена информацией за последнее время предложено множество:
от простейшего переноса файлов с помощью дискеты до всемирной компьютерной
сети Интернет, способной объединить все компьютеры мира. Какое же место в этой
иерархии отводится локальным сетям?

Чаще всего термин ” локальные сети ” или “локальные вычислительные сети” (LAN,
Local Area Network) понимают буквально, то есть это такие сети, которые имеют
небольшие, локальные размеры, соединяют близко расположенные компьютеры.
Однако достаточно посмотреть на характеристики некоторых современных локальных
сетей, чтобы понять, что такое определение не точно. Например, некоторые локальные
сети легко обеспечивают связь на расстоянии нескольких десятков километров. Это
уже размеры не комнаты, не здания, не близко расположенных зданий, а, может быть,
даже целого города. С другой стороны, по глобальной сети (WAN, Wide Area Network

6

или GAN, Global Area Network) вполне могут связываться компьютеры, находящиеся
на соседних столах в одной комнате, но ее почему-то никто не называет локальной
сетью. Близко расположенные компьютеры могут также связываться с помощью
кабеля, соединяющего разъемы внешних интерфейсов (RS232C, Centronics) или даже
без кабеля по инфракрасному каналу (IrDA). Но такая связь тоже почему-то не
называется локальной.

Неверно и довольно часто встречающееся определение локальной сети как малой сети,
которая объединяет небольшое количество компьютеров. Действительно, как правило,
локальная сеть связывает от двух до нескольких десятков компьютеров. Но
предельные возможности современных локальных сетей гораздо выше: максимальное
число абонентов может достигать тысячи. Называть такую сеть малой неправильно.

Некоторые авторы определяют локальную сеть как “систему для непосредственного
соединения многих компьютеров”. При этом подразумевается, что информация
передается от компьютера к компьютеру без каких-либо посредников и по единой
среде передачи. Однако говорить о единой среде передачи в современной локальной
сети не приходится. Например, в пределах одной сети могут использоваться как
электрические кабели различных типов (витая пара, коаксиальный кабель), так и
оптоволоконные кабели. Определение передачи “без посредников” также не корректно,
ведь в современных локальных сетях используются репитеры, трансиверы,
концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, мосты, которые порой производят
довольно сложную обработку передаваемой информации. Не совсем понятно, можно
ли считать их посредниками или нет, можно ли считать подобную сеть локальной.

Наверное, наиболее точно было бы определить как локальную такую сеть, которая
позволяет пользователям не замечать связи. Еще можно сказать, что локальная сеть
должна обеспечивать прозрачную связь. По сути, компьютеры, связанные локальной
сетью, объединяются в один виртуальный компьютер, ресурсы которого могут быть
доступны всем пользователям, причем этот доступ не менее удобен, чем к ресурсам,
входящим непосредственно в каждый отдельный компьютер. Под удобством в данном
случае понимается высокая реальная скорость доступа, скорость обмена информацией
между приложениями, практически незаметная для пользователя. При таком
определении становится понятно, что ни медленные глобальные сети, ни медленная
связь через последовательный или параллельный порты не попадают под понятие
локальной сети.

Из данного определения следует, что скорость передачи по локальной сети
обязательно должна расти по мере роста быстродействия наиболее распространенных
компьютеров. Именно это и наблюдается: если еще десять лет назад вполне
приемлемой считалась скорость обмена в 10 Мбит/с, то сейчас уже среднескоростной
считается сеть, имеющая пропускную способность 100 Мбит/с, активно
разрабатываются, а кое-где используются средства для скорости 1000 Мбит/с и даже
больше. Без этого уже нельзя, иначе связь станет слишком узким местом, будет
чрезмерно замедлять работу объединенного сетью виртуального компьютера, снижать
удобство доступа к сетевым ресурсам.

Таким образом, главное отличие локальной сети от любой другой — высокая скорость

7

передачи информации по сети. Но это еще не все, не менее важны и другие факторы.

В частности, принципиально необходим низкий уровень ошибок передачи, вызванных
как внутренними, так и внешними факторами. Ведь даже очень быстро переданная
информация, которая искажена ошибками, просто не имеет смысла, ее придется
передавать еще раз. Поэтому локальные сети обязательно используют специально
прокладываемые высококачественные и хорошо защищенные от помех линии связи.

Особое значение имеет и такая характеристика сети, как возможность работы с
большими нагрузками, то есть с высокой интенсивностью обмена (или, как еще
говорят, с большим трафиком). Ведь если механизм управления обменом,
используемый в сети, не слишком эффективен, то компьютеры могут подолгу ждать
своей очереди на передачу. И даже если эта передача будет производиться затем на
высочайшей скорости и безошибочно, для пользователя сети такая задержка доступа ко
всем сетевым ресурсам неприемлема. Ему ведь не важно, почему приходится ждать.

Механизм управления обменом может гарантированно успешно работать только в том
случае, когда заранее известно, сколько компьютеров (или, как еще говорят,
абонентов, узлов) допустимо подключить к сети. Иначе всегда можно включить
столько абонентов, что вследствие перегрузки забуксует любой механизм управления.
Наконец, сетью можно назвать только такую систему передачи данных, которая
позволяет объединять до нескольких десятков компьютеров, но никак не два, как в
случае связи через стандартные порты.

Таким образом, сформулировать отличительные признаки локальной сети можно
следующим образом:

Высокая скорость передачи информации, большая пропускная способность сети.
Приемлемая скорость сейчас — не менее 10 Мбит/с.
Низкий уровень ошибок передачи (или, что тоже самое, высококачественные
каналы связи). Допустимая вероятность ошибок передачи данных должна быть
порядка 10-8 — 10-12.
Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом по сети.
Заранее четко ограниченное количество компьютеров, подключаемых к сети.

При таком определении понятно, что глобальные сети отличаются от локальных
прежде всего тем, что они рассчитаны на неограниченное число абонентов. Кроме
того, они используют (или могут использовать) не слишком качественные каналы
связи и сравнительно низкую скорость передачи. А механизм управления обменом в
них не может быть гарантированно быстрым. В глобальных сетях гораздо важнее не
качество связи, а сам факт ее существования.

Нередко выделяют еще один класс компьютерных сетей — городские, региональные
сети (MAN, Metropolitan Area Network), которые обычно по своим характеристикам
ближе к глобальным сетям, хотя иногда все-таки имеют некоторые черты локальных
сетей, например, высококачественные каналы связи и сравнительно высокие скорости
передачи. В принципе городская сеть может быть локальной со всеми ее
преимуществами.

8

Правда, сейчас уже нельзя провести четкую границу между локальными и глобальными
сетями. Большинство локальных сетей имеет выход в глобальную. Но характер
передаваемой информации, принципы организации обмена, режимы доступа к
ресурсам внутри локальной сети, как правило, сильно отличаются от тех, что приняты
в глобальной сети. И хотя все компьютеры локальной сети в данном случае включены
также и в глобальную сеть, специфики локальной сети это не отменяет. Возможность
выхода в глобальную сеть остается всего лишь одним из ресурсов, разделяемых
пользователями локальной сети.

По локальной сети может передаваться самая разная цифровая информация: данные,
изображения, телефонные разговоры, электронные письма и т.д. Кстати, именно задача
передачи изображений, особенно полноцветных динамических, предъявляет самые
высокие требования к быстродействию сети. Чаще всего локальные сети используются
для разделения (совместного использования) таких ресурсов, как дисковое
пространство, принтеры и выход в глобальную сеть, но это всего лишь незначительная
часть тех возможностей, которые предоставляют средства локальных сетей. Например,
они позволяют осуществлять обмен информацией между компьютерами разных типов.
Полноценными абонентами (узлами) сети могут быть не только компьютеры, но и
другие устройства, например, принтеры, плоттеры, сканеры. Локальные сети дают
также возможность организовать систему параллельных вычислений на всех
компьютерах сети, что многократно ускоряет решение сложных математических задач.
С их помощью, как уже упоминалось, можно управлять работой технологической
системы или исследовательской установки с нескольких компьютеров одновременно.

Однако сети имеют и довольно существенные недостатки, о которых всегда следует
помнить:

Сеть требует дополнительных, иногда значительных материальных затрат на
покупку сетевого оборудования, программного обеспечения, на прокладку
соединительных кабелей и обучение персонала.
Сеть требует приема на работу специалиста (администратора сети), который будет
заниматься контролем работы сети, ее модернизацией, управлением доступа к
ресурсам, устранением возможных неисправностей, защитой информации и
резервным копированием. Для больших сетей может понадобиться целая бригада
администраторов.
Сеть ограничивает возможности перемещения компьютеров, подключенных к ней,
так как при этом может понадобиться перекладка соединительных кабелей.
Сети представляют собой прекрасную среду для распространения компьютерных
вирусов, поэтому вопросам защиты от них придется уделять гораздо больше
внимания, чем в случае автономного использования компьютеров. Ведь
достаточно инфицировать один, и все компьютеры сети будут поражены.
Сеть резко повышает опасность несанкционированного доступа к информации с
целью ее кражи или уничтожения. Информационная защита требует проведения
целого комплекса технических и организационных мероприятий.

Ничто не дается даром. И надо хорошо подумать, стоит ли подключать к сети все
компьютеры компании, или часть из них лучше оставить автономными. Возможно, что

9

сеть вообще не нужна, так как породит гораздо больше проблем, чем позволит решить.

Здесь же следует упомянуть о таких важнейших понятиях теории сетей, как абонент,
сервер, клиент.

Абонент (узел, хост, станция) — это устройство, подключенное к сети и активно
участвующее в информационном обмене. Чаще всего абонентом (узлом) сети является
компьютер, но абонентом также может быть, например, сетевой принтер или другое
периферийное устройство, имеющее возможность напрямую подключаться к сети.
Далее в курсе вместо термина ” абонент ” для простоты будет использоваться термин
“компьютер”.

Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим
абонентам, но сам не использует их ресурсы. Таким образом, он обслуживает сеть.
Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно, что сервер — самый
мощный компьютер. Выделенный (dedicated) сервер — это сервер, занимающийся
только сетевыми задачами. Невыделенный сервер может помимо обслуживания сети
выполнять и другие задачи. Специфический тип сервера — это сетевой принтер.

Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но
сам свои ресурсы в сеть не отдает, то есть сеть его обслуживает, а он ей только
пользуется. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией . В принципе
каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером.

Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие
на них программные приложения. В этом случае то приложение, которое только отдает
ресурс в сеть, является сервером, а то приложение, которое только пользуется
сетевыми ресурсами — клиентом.

Топология локальных сетей

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети
обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно
друга и способ соединения их линиями связи . Важно отметить, что понятие топологии
относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко
проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не
слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному
пути.

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля,
допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы,
возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети
приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий, их достоинствах и
недостатках надо.

Существует три базовые топологии сети:

Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи.

10