Компьютерные сети. Технологии сетевых интерфейсов. Программное обеспечение и методы диагностики

 
 
 
 
Д. А. Салкин, С. Н. Ивлиев, А. В. Пантелеев 
 
 
 
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ 
 
ТЕХНОЛОГИИ СЕТЕВЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ. 
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 004.7 
ББК 32.971.35 
С16 
 
 
Рецензенты: 
кафедра физики, информационных технологий и методик обучения 
ФГБОУ ВО «МГПУ им. М. Е. Евсевьева» (заведующий кафедрой  
С. С. Голяев, кандидат педагогических наук, доцент); 
профессор кафедры «Информационно-измерительная техника 
и метрология» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», 
доктор технических наук, профессор А. Д. Семенов 
 
 
 
Салкин, Д. А. 
С16  
Компьютерные сети. Технологии сетевых интерфейсов. Программное 
обеспечение и методы диагностики : учебное пособие / Д. А. Салкин, 
С. Н. Ивлиев, А. В. Пантелеев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 220 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1917-8 
 
Содержит материал по программному обеспечению компьютерных сетей, технологиям сетевых интерфейсов современных проводных и беспроводных компьютерных 
сетей. Рассматриваются основы обеспечения эффективного функционирования, технологии организации, создания локальных сетей Ethernet и Wi-Fi на физическом и канальном уровнях межсетевого взаимодействия. Приводится обучающий материал с 
практическими заданиями по работе с программным обеспечением для проектирования структурированных кабельных систем «Эксперт-СКС». Отдельное внимание уделяется программно-аппаратным средствам диагностики и сертификации структурированных кабельных систем. 
Для подготовки бакалавров и магистров по направлениям подготовки 10.03.01 
«Информационная безопасность» (профиль «Организация и технология защиты информации»), 10.04.01 «Информационная безопасность» (профиль «Комплексная защита объектов информатизации»)  и 43.03.01 «Сервис» (профиль «Информационный 
сервис»), 43.04.01 «Сервис» (профиль «Сервис информационных систем»), а также для 
студентов других направлений подготовки, связанных с изучением компьютерных сетей и специализированного программного обеспечения. 
 
УДК 004.7 
ББК 32.971.35 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1917-8 
” Салкин Д. А., Ивлиев С. Н., Пантелеев А. В., 2024 
 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ВВЕДЕНИЕ В КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ:  
СТАНДАРТЫ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ IEEE 802.X 
 
Первая сеть, связывающая компьютеры между собой, была реализована на 
базе радиосети ALOHA Гавайского университета в начале 70-х годов  
XX века под руководством Нормана Абрамсона. Компьютеры при этом для передачи информации использовали общий радиоэфир.  
В 1973 году Роберт Меткалф, работая в компании Xerox, повторил эту идею 
разделяемой среды, объединив компьютеры в сеть уже с помощью коаксиального 
кабеля. Такую разделяемую кабельную среду Меткалф назвал «acable-treeether» 
(древовидный кабельный эфир), а саму технологию – «TheEtherNetwork», получившую в дальнейшем название Ethernet.  
Впоследствии разными компаниями стали разрабатываться свои фирменные технологии локальных сетей. Так, компания Xerox создала технологию 
Ethernet, IBM – технологию Token Ring, Datapoint Corporation – технологию 
ArcNet. 
Каждая компания-производитель сетевого оборудования разрабатывала 
свои фирменные стандарты и выпускала сетевые устройства несовместимые  
с устройствами других компаний. Для исправления этой ситуации в 1980 году  
в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации технологий 
локальных сетей (LAN). В результате было принято семейство стандартов 
IEEE802.x, включившее в себя популярные фирменные стандарты локальных 
сетей: 
– IEEE 802.3 – Ehernet; 
– IEEE 802.4 – ArcNet; 
– IEEE 802.5 – Token Ring и т. д. 
Структура стандартов IEEE802.x приведена на рисунке 1. 
Стандарты IEEE802 описывают функции, которые относятся к функциям 
физического и канального уровней модели OSI. 
Стандарты группы IEEE802.1: 
– дают общие определения локальных сетей и их свойств; 
– описывают связь с моделью OSI; 
– описывают различные технологии канального уровня, например, 802.1D 
(технология прозрачного моста), 802.1Q (технология виртуальных сетей). 
Комитет 802 разделил канальный уровень модели OSI на два подуровня:  
подуровень управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC); 
подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). 
Подуровень MAC специфичен для каждой технологии LAN, а подуровень 
LLC является одинаковым для любой технологии LAN (см. рисунок 1). 
Подуровень LLC описывается стандартом IEEE 802.2 и отвечает за передачу данных с определенной степенью надежности (создание кадров,  
обработку ошибок передачи кадров и т. д.). 
3 

 
 
Рисунок 1. Структура стандартов IEEE802.x [8] 

IEEE 802.2 описывает возможность предоставления подуровнем LLC передачи данных с разной степенью надежности. В зависимости от требований 
протокола верхнего сетевого уровня LLC может обеспечивать один из трех уровней надежности доставки кадра получателю. В зависимости от уровня надежности LLC предоставляет один из трех следующих сервисов. 
4 

LLC1 – это услуга без установления соединения и без подтверждения получения данных. В этом случае обеспечивается самая быстрая передача кадров  
в сети, но без гарантии их доставки (применяется, когда поверх LLC работает 
протокол IP).  
LLC2 – это услуга с установлением логического соединения перед началом 
передачи и с подтверждением получения данных (т. е. с восстановлением данных 
после ошибок при передаче).  
LLC3 – это услуга без установления логического соединения, но с подтверждением получения данных [8].  
В современных сетях используется стек TCP/IP, где задачу по обеспечению 
надежности доставки решает протокол транспортного уровня TCP, поэтому сейчас всегда применяется режим LLC1. 
Кроме передачи данных LLC предоставляет дополнительные услуги: 
– мультиплексирование – передача данных разных сетевых протоколов 
(IPv4, IPv6, ARP, ICMP) на подуровень MAC; и демультиплексирование кадров – 
получение пакетов от подуровня MAC и перенаправление нужному сетевому 
протоколу (рисунок 2); 
– управление потоком (борьба с перегрузками). Перегрузки в сети могут 
возникнуть, например, когда более слабое устройство в сети не успевает принимать данные от более мощного устройства, в результате возникает так называемое «затопление» (flooding) маломощного сетевого устройства. Защита от таких 
«затоплений» может обеспечена подуровнем LLC. 
 
 
 
Рисунок 2. Демультиплексирование кадров протоколом LLC 
5 

Все следующие после IEEE802.2 стандарты (начиная с 802.3, 802.4, 802.5  
и т. д.) в структуре IEEE802 описывают MAC-подуровень канального уровня  
и физический уровень отдельных технологий локальных сетей. Среди технологий 
локальных сетей, получивших популярность в разное время, можно выделить: 
– Ethernet; 
– Wi-Fi; 
– Token Ring; 
– FDDI; 
– ATM; 
– 100VG-AnyLAN. 
Еще до включения в IEEE 802 технологию Ethernet в качестве стандартного 
сетевого решения начинают использовать сразу три компании: DEC, Intel и 
Xerox. Этот промышленный стандарт получил название Ethernet II или Ethernet 
DIX. К концу 90-х годов ХХ века Ethernet стал доминирующей технологией в 
локальных сетях и впоследствии вытеснил все другие существующие конкурирующие технологии. 
Из вышеприведенных технологий для создания современных компьютерных сетей в настоящее время используют технологии Ethernet и Wi-Fi. Остальные технологии устарели и на практике не используются. Подуровень MAC канального уровня выполняет следующие функции: 
– обеспечение совместного использования разделяемой среды; 
– передача кадров между конечными узлами сети посредством физического уровня (для однозначной идентификации узлов в сети используется MACадресация). 
В настоящем пособии в качестве проводной технологии ЛВС будет рассматриваться Ethernet, а беспроводной – Wi-Fi. 
 
6 

1. СЕТИ ETHERNET 
 
1.1. 
 Технологии Ethernet 

Существуют две технологии Ethernet, которые принципиально отличаются 
друг от друга: 
1) классический Ethernet на разделяемой среде (устаревшая технология, на 
практике в основном не применяется); 
2) коммутируемый Ethernet (широко применяется, начиная с технологии 
Fast Ethernet). 
Классический Ethernet для передачи данных использует разделяемую 
среду, к которой подключаются все узлы (компьютеры) в сети. В качестве общей 
среды здесь может использоваться либо шина в виде коаксиального кабеля, либо 
шина, встроенная в концентратор (hub). Эта технология поддерживается с самого 
первого варианта Ethernet (до 10 Мбит/с) до Gigabit Ethernet.  
Коммутируемый Ethernet использует соединение «точка–точка». То есть 
компьютеры не делят между собой физическую среду передачи, каждое устройство подключается к другому устройству по отдельному физическому каналу (по 
отдельному кабелю). Объединение компьютеров в сеть производится с помощью 
коммутаторов (switch). Отсюда название – коммутируемый Ethernet. 
Впервые коммутируемый Ethernet появился в технологии Fast Ethernet.  
В технологиях начиная с 10G Ethernet поддерживается только коммутируемый 
Ethernet. В настоящее время коммутируемый Ethernet является практически 
единственной актуальной технологией канального уровня для построения проводных сетей. 
В таблице 1 приведены все существующие на данный момент технологии 
Ethernet. 
Первый тип Ethernet имел максимальную скорость передачи данных –  
10 Мбит/с, данные можно было передавать по коаксиальному кабелю, по медному кабелю на основе витой пары и по оптическому кабелю. В технологии Fast 
Ethernet скорость передачи данных была увеличена до 100 Мбит/с, а данные 
стало возможно передавать по двум типам кабеля: по медному кабелю на основе 
витой пары и по оптическому кабелю. Далее в Gigabit Ethernet скорость уже составила 1 Гбит/с, в 10G Ethernet – 10 Гбит/с, 100G Ethernet – 100 Гбит/с. Последняя версия скоростного Ethernet – 100G Ethernet рассчитана на применение 
только оптического кабеля.  
Также была выпущена промежуточная версия Ethernet – это 5G Ethernet, 
которая поддерживает две скорости (2,5 и 5 Гбит/с) и рассчитана на подключение 
только по витой паре. Эта версия технологии Ethernet была выпущена как альтернатива высокоскоростным технологиям (10G Ethernet и 100G Ethernet) для 
возможности удешевления построения скоростных локальных сетей, поскольку 
оборудование, работающее на 10G Ethernet или 100G Ethernet слишком дорогое. 
 
 
7 

Т а б л и ц а  1 
Версии технологии Ethernet 
Название 
Скорость 
Тип кабеля 
Стандарт IEEE 
Ethernet 
10 Мб/с 
«толстый» и «тонкий» 
коаксиал, «витая 
пара», оптика 
802.3 
Fast Ethernet 
100 Мб/с 
«витая пара», оптика 
802.3u 
Gigabit Ethernet 
1 Гб/с 
«витая пара», оптика 
802.3z 
802.3ab 
5G Ethernet 
2,5 Гб/с 
5 Гб/с 
«витая пара» 
802.3bz 
10G Ethernet 
10 Гб/с 
«витая пара», оптика 
802.3ae 
802.3an 
100G Ethernet 
 
100 Гб/с 
40 Гб/с 
оптика 
802.3ba 
802.3bj 
802.3bm 
802.3cd 
802.3cu 
802.3ct 
Terabit Ethernet 
200 Гб/с 
400 Гб/с 
оптика 
802.3bs 
802.3cd 
802.3ck 
802.3cm 
802.3cn 
802.3cu 
802.3cw 
802.3db 
 
Различные версии технологии Ethernet отличаются друг от друга только на 
физическом уровне модели OSI. Физический уровень Ethernet описывает технологии передачи данных в коаксиальном кабеле, кабеле на основе витой пары и 
оптоволоконном кабеле. Канальный уровень Ethernet определяет методы доступа к разделяемой среде и протоколы, которые одинаковы для всех версий 
Ethernet.  
 
1.2. 
 Канальный уровень технологии Ethernet 

1.2.1. Адресация в сетях Ethernet 

На уровне MAC для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартами IEEE802 МАС-адреса. 
 
8 

MAC-адрес имеет размер 6 байт (48 бит) и записывается в виде шести пар 
шестнадцатеричных цифр, разделенных тире или двоеточиями, например: 
11-A0-17-3D-BC-01 или 11:A0:17:3D:BC:01.  
Каждый сетевой адаптер имеет свой уникальный MAC-адрес. МАС-адрес 
также может определять группу интерфейсов или даже все интерфейсы локальной сети. 
Существует 3 типа MAC-адресов: 
– индивидуальный (unicast): 80-93-A2-A9-54-9E; 
– групповой (multicast): 01-80-С2-00-00-08; 
– широковещательный (broadcast): FF-FF-FF-FF-FF-FF. 
Первый (младший) бит старшего байта адреса назначения – признак того, 
является ли адрес индивидуальным или групповым. Если этот бит равен 1, то это 
означает, что адрес является групповым, если 0, то индивидуальным. 
Адрес, состоящий из всех единиц, называется широковещательным. Кадр 
с таким адресом назначения передается всем узлам локальной сети. 
Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса – 
централизованный или локальный. Если значение этого бита равно 0, то это значит, что адрес назначен централизованно по правилам IEEE 802. Как правило, 
почти всегда используются централизованные адреса. 
Локальные адреса назначаются администратором сети, в обязанности которого входит обеспечение их уникальности. 
При централизованном назначении MAC-адреса должны быть уникальны 
во всем мире. Поэтому комитет IEEE распределяет между производителями сетевого оборудования так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI). Каждый производитель имеет такой идентификатор и помещает его в три старших байта адреса. Например, Cisco 
имеет идентификаторы 00-00-0C, 6C-50-4D, 70-81-05, Intel – 00-02-B3 и т. д. [9]. 
Таким образом, структура MAC-адреса выглядит следующим образом: 
– старшие 3 байта – OUI; 
– младшие 3 байта – уникальный идентификатор оборудования, назначенный производителем. 
MAC-адрес сетевого оборудования можно всегда узнать с помощью утилиты диагностики ipconfig /all в ОС Windows и ifconfig в ОС Linux.  
 
1.2.2. Формат кадра Ethernet 

На канальном уровне протокольной единицей данных является кадр, то 
есть информация передается по сети и считается кадрами. Для классического 
Ethernet и коммутируемого Ethernet используется один и тот же формат кадра. 
Существует несколько стандартов формата кадра Ethernet: 
– Ethernet I – первый экспериментальный стандарт формата кадра, реализованный в компании Xerox; 
– Ethernet DIX (Ethernet II) – промышленный стандарт формата кадра, 
принятый компаниями DEL, Intel и Xerox; 
9 

– IEEE 802.3/LLC – стандарт формата кадра, принятый комитетом IEEE 
802, который основан на разбиении канального уровня на два подуровня; здесь 
различаются кадры MAC и кадры LLC (кадр LLCопределяется стандартом 802.2 
и инкапсулируется в кадр MAC, описываемый стандартом 802.3); 
– Raw 802.3 (Novell 802.3) – стандарт формата кадра Ethernet от компании 
Novell; 
– Ethernet SNAP – стандарт комитета IEEE 802. 
На практике в сетевом оборудовании используется один стандарт формата 
кадра – Ethernet DIX, поэтому рассматривать будем только его. Формат кадра 
Ethernet DIX приведен на рисунке 3. 
 
 
6 байт 
6 байт 
2 байта 
46–1500 байт 
4 байта 
Т 
Тип 
DATA 
Данные 
DA 
Адрес 
получателя 
SA 
Адрес 
отправителя 
FCS 
Контрольная 
сумма 
Концевик
Заголовок 
0800 – IPv4 
86DD – IPv6 
0806 – ARP 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3. Формат кадра EthernetDIX 
Кадр включает в себя заголовок, полезные передаваемые данные и концевик. В формат кадра Ethernet DIX входят следующие поля: 
– DA (Destination Address) – МАС-адрес узла назначения; 
– SA (Source Address) – МАС-адрес узла отправителя; 
– Т (Туре, или Ether Type) – это условный код (в шестнадцатеричном формате) протокола верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных 
кадра (например, значение 08-00 соответствует протоколу IP); 
– DATA – передаваемые данные; 
– FCS (Frame Check Sequence) – контрольная сумма, вычисляемая по алгоритму CRC-32 [9; 21]. 
Адресация в сетях Ethernet осуществляется на базе МАС-адресов. МАСадрес узла назначения необходим для доставки кадра получателю, поэтому он 
помещается в начало кадра. МАС-адрес узла отправителя нужен для другой 
цели: чтобы узел получателя знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него 
ответить. 
Узел в сети, получивший кадр, должен знать, какому протоколу верхнего 
сетевого уровня передать обработанный на канальном уровне кадр. Для этого 
используется 2-байтовое поле, в котором записывается код в шестнадцатеричном 
10