Podstawy sieci komputerowych

Podstawy sieci komputerowych
Materiały przygotowane na zajęcia z Sieci komputerowych.
Mgr inż. Piotr Rakowski
Gliwice 2002 – 2005
Spis treści:
Podstawy sieci komputerowych ____________________________________________________1
Spis treści: ________________________________________________________________________________ 1
Literatura: ________________________________________________________________________________ 1
Wprowadzenie __________________________________________________________________2
Cel tworzenia sieci_______________________________________________________________2
Klasyfikacja sieci ________________________________________________________________3
Role komputerów w sieci _________________________________________________________4
Klienci ___________________________________________________________________________________ 4
Serwery __________________________________________________________________________________ 4
Środowiska sieci_________________________________________________________________4
Topologie sieciowe _______________________________________________________________6
Topologia z magistralą liniową ________________________________________________________________ 7
Topologia gwiazdy _________________________________________________________________________ 8
Składniki sieci __________________________________________________________________8
Medium transmisyjne ____________________________________________________________9
Okablowanie ______________________________________________________________________________ 9
Dlaczego kable są skręcone? __________________________________________________________________ 9
Rodzaje kabli_____________________________________________________________________________ 10
Z przeplotem i bez _________________________________________________________________________ 10
Urządzenia sieciowe ____________________________________________________________11
Karta sieciowa ____________________________________________________________________________ 11
HUB ___________________________________________________________________________________ 12
SWITCH ________________________________________________________________________________ 12
REPEATER______________________________________________________________________________ 13
BRIDGE ________________________________________________________________________________ 14
ROUTER ________________________________________________________________________________ 14
Literatura:
1. M. Sportach, Sieci komputerowe. Księga eksperta. Helion 1999.
2. Microsoft Training and Certification. Podstawy sieci i systemu operacyjnego Windows
2000. Kurs 2243A. MSOC 2001.
3. Fragmenty rozdziałów i część ilustracji pochodzi z magazynu CHIP oraz serwisu internetowego infojama.pl
1
Wprowadzenie
Pierwsza sieć komputerowa powstała w 1969 roku w USA i zbudowano ją na potrzeby wojska. Obecnie nie ma chyba sfery życia publicznego, w której nie korzystalibyśmy z przetwarzania
i przesyłania danych cyfrowych.
Na rynku dostępne są różnorodne technologie sieciowe, których kierunki rozwoju określone
są przez międzynarodowe organizacje standaryzacyjne i grupy robocze przy współudziale największych firm dostarczających sprzęt i oprogramowanie sieciowe.
Sieć komputerowa jest mechanizmem pozwalającym na komunikowanie się komputerów znajdujących się w różnych miejscach.
Cel tworzenia sieci
Przyczyny zakładania sieci komputerowych są następujące:
•
współużytkowanie programów i plików;
•
współużytkowanie innych zasobów sprzętowych: drukarek, pamięci masowych, itd.
•
współużytkowanie baz danych;
•
tworzenie grup roboczych;
•
poczta elektroniczna, szybkie i łatwe komunikowanie się;
•
oprogramowanie wspomagające pracę grup roboczych i obieg dokumentów;
•
rozwój organizacji - sieci mogą zmieniać strukturę organizacyjną firmy i sposób jej zarządzania.
2
Klasyfikacja sieci
Ze względu na obszar jaki obejmują swym zasięgiem, przeznaczenie i przepustowość sieci
można podzielić na następujące klasy:
•
lokalna sieć komputerowa (LAN - Local Area Network) - jest to sieć łącząca użytkowników na niewielkim obszarze (pomieszczenie, budynek). Sieci te charakteryzują się przede
wszystkim małym kosztem dołączenia stacji, prostym oprogramowaniem komunikacyjnym
i łatwością rozbudowy. Typową cechą sieci lokalnej jest korzystanie ze wspólnego medium
transmisyjnego przez komunikujące się stacje;
•
miejska sieć komputerowa (MAN - Metropolitan Area Network) - jest to sieć o zasięgu
miasta. Najczęściej są to szybkie sieci wybudowane w oparciu o łącza światłowodowe. Sieci
te udostępniają różne usługi, np.: połączenia między sieciami lokalnymi, możliwość bezpośredniego dołączenia stacji roboczych lub korzystanie z mocy obliczeniowej „dużych” komputerów pracujących w sieci;
•
rozległa sieć komputerowa (WAN - Wide Area Network) - jest to sieć, która przekracza
granice miast, państw, kontynentów. Sieć taka składa się z węzłów i łączących je łączy
transmisyjnych. Dostęp do sieci rozległej uzyskuje się poprzez dołączenie systemów użytkownika do węzłów sieci. W węzłach znajdują się urządzenia umożliwiające przesyłanie
danych między różnymi użytkownikami. Łączność pomiędzy węzłami realizowana jest za
pomocą publicznej sieci telefonicznej, specjalnie wybudowanych łączy, kanałów satelitarnych, radiowych lub innych.
3
Role komputerów w sieci
Komputery w sieci mogą pełnić funkcje klienta lub serwera.
Klienci
Komputery klienckie to te, które składają żądania dotyczące usług lub danych, kierowane do
komputerów nazywanych serwerami.
Serwery
Serwery są komputerami, które dostarczają usługi lub dane do komputerów klienckich.
Serwery przeprowadzają w sieci wiele różnych, złożonych zadań. Na rysunku poniżej przedstawiono różne typy serwerów występujące w sieciach komputerowych.
Środowiska sieci
Środowisko sieci określone jest przez sieciowy system operacyjny oraz przez protokoły, zapewniające komunikację i usługi sieciowe. Istnieją dwa podstawowe typy sieciowych systemów
operacyjnych:
•
każdy-z-każdym (peer-to-peer) – typ sieci równorzędnej, umożliwia użytkownikom udostępnienie zasobów swojego komputera oraz dostęp do zasobów innych komputerów.
Wszystkie systemy w sieci mają taki sam status - żaden z nich nie jest podporządkowany
innemu. Wszystkie stacje uczestniczące w sesji komunikacyjnej mają podobny stopień kontroli nad sesją, dysponują własną mocą przetwarzania i mogą kontrolować swoje działania.
4
Rozwiązanie takie oferuje spore możliwości, nie jest jednak chętnie stosowane przez administratorów sieci ze względu na niewielkie możliwości zarządzania i niski poziom bezpieczeństwa. Występują tutaj problemy związane z lokalizacją danych, tworzeniem kopii zapasowych oraz z zapewnieniem odpowiedniej ochrony danych.
Zalety sieci każdy-z-każdym:
o nie wymagają skomplikowanych i drogich serwerów dedykowanych
o łatwe w eksploatacji
o wystarcz instalacja prostego systemu operacyjnego (np. Windows 98)
o każdy komputer znajduje się pod opieką jego użytkownika
o w wyniku braku hierarchicznej zależności wyższa odporność na błędy niż sieci oparte na serwerach awaria jednego komputera powoduje tylko jego niedostępność
w sieci
o funkcje administracyjne rozłożone są na wszystkich użytkowników
Ograniczenia tego typu sieci:
o użytkownicy muszą pamiętać wiele haseł (do każdego komputera w sieci)
o brak serwera wymusza samodzielne poszukiwanie informacji
o obniżone bezpieczeństwo sieci ze względu na niejednakowy stan wiedzy i umiejętności techniczne jej użytkowników.
Sieci tego typu doskonale nadają się do potrzeb małych instytucji i firm dysponujących
ograniczonym budżetem na cele informatyczne. Innym zastosowaniem ich jest instalacja
w celu współdzielenia informacji w ramach grup roboczych będących częścią większej organizacji.
•
klient – serwer – zawiera dedykowany serwer, czyli jeden lub więcej komputerów spełniających rolę serwera. Wprowadzają one hierarchię która ma zwiększyć wykorzystanie różnych funkcji sieciowych wraz z jej rozbudową. W sieciach takich zasoby gromadzone są
w komputerach odrębnej warstwy, tzw. serwerach. Są to komputery wielodostępne, regulujące wielodostęp do swoich zasobów innym użytkownikom sieci. Współdzielenie zasobów
niesie ze sobą zarówno korzyści jak i wady.
5
Do korzyści płynących z połączenia serwer-klient zaliczyć należy:
o bezpieczeństwo – zarządza się nim centralnie, nie ma tu elementu „najsłabszego
ogniwa łańcucha” jak np. w sieci typu peer-to-peer. To implikuje kolejną korzyść:
mniejsza ilość haseł do zapamiętania do minimum (najczęściej jest to jedno hasło).
Tworzenie kopii zapasowych przeprowadzane może być stale i w sposób wiarygodny dzięki centralizacji zasobów.
o wydajność – sieci tego typu maja większą wydajność komputerów które się na nią
składają. Dzieje się tak dlatego ponieważ z klienta zdjęty jest ciężar obsługi żądań
innych klientów. Żądania te przejmuje serwer specjalnie skonfigurowany do tego typu zadań
o administracja – kontrola na taka siecią jest ułatwiona dzięki sieciowemu systemowi
operacyjnemu, który zainstalowany jest na serwerze. Sieć taką łatwo można skalować czyli zmieniać jej rozmiary i to niezależnie od liczby przyłączonych do niej
klientów.
Pomimo wielu zalet, sieci te posiadają jedną główną wadę. Jest nim koszt. Koszt związany
z eksploatacją i instalacją sieci. Wynika to z tego, że wymagany jest tu zakup dodatkowego
komputera pełniącego rolę serwera oraz zainstalowanie na nim specjalistycznego oprogramowania umożliwiającego obsługę klientów.
Topologie sieciowe
Topologia określa kształt i konfigurację sieci. Innymi słowy, topologia sieci jest geometrycznym rozplanowaniem połączonych ze sobą komputerów. Topologie sieci LAN mogą być opisane na płaszczyźnie fizycznej lub logicznej. Projektując sieć komputerową określenie określa
kształt i wyjściowym. sieci. Innymi słowy, „topologia” oznacza strukturę, czyli przebieg połączeń
pomiędzy zasobami sieci tzn. różnymi urządzeniami sieciowymi. Topologia jest jednym z tych parametrów sieci, które decydują o jej niezawodności. Wybór odpowiedniej topologii uzależniony jest
6
od technologii która będzie wykorzystana do realizacji sieci. Każda z technologii przewiduje użycie
określonych technologii.
Topologia fizyczna określa geometryczną organizację sieci lokalnych oraz ustala standardy
komunikacji. Jej zadaniem jest również zapewnienie bezbłędne zapewnienie transmisji danych.
Topologia logiczna pokazuje wszelkie możliwe połączenia pomiędzy parami mogących się
komunikować punktów końcowych sieci. Za jej pomocą opisywać można, które punkty końcowe
mogą się komunikować z innymi, a także pokazać które z takich par mają wzajemne bezpośrednie
połączenia. Topologia logiczna opisuje ponadto reguły komunikacji, z których powinna korzystać
każda stacja robocza przy komunikowaniu się w sieci.
Obie powyższe topologie są ze sobą ściśle powiązane.
Topologia z magistralą liniową
Jest to konfiguracja, w której do pojedynczego kabla głównego (magistrala, szyna), stanowiącego wspólne medium transmisyjne, podłączone są wszystkie węzły. Na ogół użyte łącza są
jednorodnymi łączami elektrycznymi. Dopuszczalna długość kabla oraz liczba stacji są jawnie
ograniczone w zależności od typu kabla. Nadawane sygnały docierają do wszystkich stacji poruszając się we wszystkich możliwych kierunkach. Czas propagacji sygnału zależy wyłącznie od długości kabla. W danej chwili tylko jeden węzeł może wysyłać dane w trybie rozgłaszania. Gdy sygnał
dociera do końca kabla zostaje wygaszony przez znajdujący się tam terminator, dzięki czemu nie
występują odbicia. Dane poruszają się nie przechodząc przez węzły sieci.
Do zalet tego typu konfiguracji sieci należą: niewielka długość użytego kabla i prostota
układu przewodów. Wyłączenie lub awaria jednej stacji nie powoduje zakłóceń w pracy sieci.
Wadą topologii z magistralą jest niewielka liczba punktów koncentracji, w których można
by było diagnozować sieć, lokalizować uszkodzenia oraz zarządzać siecią. Niekorzystną cechą tej
topologii jest to, że sieć może przestać działać po uszkodzeniu kabla głównego w dowolnym punkcie.
7
Topologia gwiazdy
Sieć zawiera centralny element (hub lub switch), do którego przyłączone są wszystkie węzły. Cały ruch w sieci odbywa się przez hub. Sygnały mogą być nadawane z huba do wszystkich
stacji lub tylko do wybranych. Odległość każdej stacji od huba oraz liczba stacji do niego podłączonych są ograniczone. Czas propagacji sygnału nie zależy od liczby stacji. Nadane przez hub sygnały zanikają samoczynnie. Możliwe jest wystąpienie kolizji, która może być łatwo wykryta przez
hub i zasygnalizowana wszystkim stacjom.
Zaletą tej topologii jest łatwość konserwacji, wykrywania uszkodzeń, monitorowania i zarządzania siecią. Awaria jednej stacji nie wpływa na pracę reszty sieci. Układ okablowania jest łatwo modyfikowalny (łatwo dołączyć stację roboczą), ale jego koszt jest stosunkowo duży (potrzeba
duże ilości kabla w celu podłączenia każdej stacji osobno). Należy również zauważyć, że hub jest
centralnym elementem sieci i jego ewentualna awaria paraliżuje całą sieć.
Składniki sieci
Sieć komputerowa składa się zarówno ze sprzętu jak i z oprogramowania. Podstawowymi
składnikami sieci są:
•
sieciowy system operacyjny;
•
serwery – urządzenia lub oprogramowanie świadczące pewne usługi sieciowe, np.: serwer
plików (udostępnianie plików, włącznie z kontrolą praw dostępu i funkcjami związanymi
z bezpieczeństwem), serwer poczty elektronicznej, serwer komunikacyjny (usługi połączeń
z innymi systemami lub sieciami poprzez łącza sieci rozległej), serwer bazy danych, serwer
archiwizujący, itd.
8
•
systemy klienta – węzły lub stacje robocze przyłączone do sieci przez karty sieciowe. System operacyjny klienta może zawierać oprogramowanie kierujące żądania sieciowe użytkowników lub aplikacji do serwerów;
•
karty sieciowe – adapter pozwalający na przyłączenie komputera do sieci. Stosowane są różne rodzaje kart w zależności od tego do pracy w jakiej sieci są przeznaczone;
•
medium transmisyjne – system okablowania łączący stacje robocze, serwery i urządzenia
sieciowe. W przypadku sieci bezprzewodowych może to być podczerwień lub kanały radiowe;
•
współdzielone zasoby i urządzenia peryferyjne – mogą to być drukarki, napędy dysków
optycznych, plotery, itd.
•
inne urządzenia sieciowe – opisane poniżej.
Medium transmisyjne
Okablowanie
Najprostszy podział sieci LAN wynika z rodzaju medium używanego do transmisji danych.
Istnieją sieci bezprzewodowymi (wykorzystujące fale radiowe) oraz sieci kablowe. Te ostatnie
składają się z kolei ze sterujących ruchem urządzeń aktywnych oraz części pasywnej, stanowiącej
warstwę fizyczną (kable, złącza itd.). Do przesyłania informacji używa się najczęściej przewodów
UTP, STP lub FTP kategorii 5e, potocznie zwanych skrętką.
Dlaczego kable są skręcone?
Zwyczajowa nazwa skrętki wzięła się stąd, że składa się ona z ośmiu drutów skręconych
w cztery pary. Każda para oznaczona jest innym kolorem (brązowy, niebieski, pomarańczowy i zielony), przy czym jedna żyła ma jednolitą barwę otuliny, a w drugiej ten kolor pomieszano z białym
paskiem (np. brązowy i brązowo-biały).
Dwa druty są tak splecione, by na odcinku 6 do 10 centymetrów długości wypadał jeden
zwój (istnieją różne technologie splotu, a poszczególne skrętki mogą mieć inny skręt). Taki zabieg
ma na celu zrównoważenie pól elektromagnetycznych, wytwarzanych przez każdą parę podczas
przesyłania sygnału, tak by nie zakłócały się one wzajemnie. Warto zwrócić uwagę na materiał,
z którego wykonane są żyły: może to być linka bądź drut. Ten ostatni jest tańszy, ale bardziej podatny na uszkodzenia mechaniczne (np. w wyniku zgięć).
9
Rodzaje kabli
Do budowy sieci lokalnych używa się różnych odmian przewodów. Najczęściej są to skrętka nieekranowana UTP (Unshielded Twisted Pair) lub foliowana FTP (Foiled Twisted Pair), która
jest ekranowana za pomocą folii z przewodem uziemiającym. Używa się ją głównie do budowy sieci komputerowych zlokalizowanych w pobliżu źródeł dużych zakłóceń elektromagnetycznych. Takie przewody są też stosowane w sieciach Gigabit Ethernet, wykorzystujących wszystkie cztery pary drutów (w Ethernecie i Fast Ethernecie używane są tylko dwie pary).
Innym przewodem jest skrętka ekranowana STP (Shielded Twisted Pair). Różni się ona od
kabla FTP tym, że ma ekran wykonany w postaci oplotu i zewnętrzną koszulkę ochronną.
Z przeplotem i bez
Najprostszą metodą stworzenia małego LAN-u jest połączenie kart sieciowych w obu komputerach kablem z przeplotem, zwanym często krzyżowym lub skrosowanym. Aby uzyskać przeplot, należy końcówki kabla zacisnąć na przemian: jedną zgodnie ze standardem EIA/TIA 568A, a
drugą tak, jak przewiduje norma 568B. Osiągniemy dzięki temu zamianę par odpowiedzialnych za
nadawanie i odbieranie danych (pary 1-3 i 2-6), a karty sieciowe będą się mogły ze sobą "dogadać".
W celu połączenia komputera z przełącznikiem stosuje się tzw. kabel prosty, którego obie
końcówki są zaciśnięte zgodnie z tym samym standardem 568A.
10
Zachowanie właściwej kolejności żył w złączu jest bardzo ważne. Jej zmiana może to być
później przyczyną wielu problemów (np. niskiej wydajności sieci). Odstępstwo od normy EIA/TIA
jest możliwe, trzeba jednak pamiętać, by żyły transmisyjne (przewody: 1 i 2 oraz 3 i 6) pochodziły
z tej samej pary.
Urządzenia sieciowe
Karta sieciowa
Umożliwiają komunikowanie się komputerów w LAN-ie.
Każda karta jest przystosowana tylko do jednego typu sieci (np. Ethernet.) i posiada niepowtarzalny w skali światowej numer, który identyfikuje zawierający ją komputer.
Głównym zadaniem karty sieciowej jest transmisja i rozszyfrowywanie informacji biegnących łączami komunikacyjnymi. Przesyłanie danych rozpoczyna się od uzgodnienia parametrów
transmisji pomiędzy stacjami (np. prędkość, rozmiar pakietów). Następnie dane są przekształcane
na sygnały elektryczne, kodowane, kompresowane i wysyłane do odbiorcy. Karta sieciowa odbior11
cy dokonuje ich deszyfracji i dekompresji. Zatem karta odbiera i zamienia pakiety na bajty zrozumiałe dla procesora stacji roboczej.
HUB
Nazywany jest również koncentratorem.
Jest to urządzenie posiadające wiele portów służących do przyłączenia stacji roboczych zestawionych przede wszystkim w topologii gwiazdy. W sieci takiej nie ma bezpośrednich połączeń
pomiędzy stacjami. Komputery podłączone są przy pomocy jednego kabla do centralnego huba,
który po nadejściu sygnału rozprowadza go do wszystkich linii wyjściowych.
SWITCH
Nazywany jest również przełącznikiem lub hubem przełączającym.
Stosuje się je zwykle w sieciach opartych na skrętce. Switch jest urządzeniem służącym do
przyłączania stacji w topologii gwiazdy. Główną zaletą jest umiejętność rozładowania ruchu w sieci
i wyeliminowania kolizji.
12
Switche umożliwiają zmniejszenie obciążenia w sieci, poprzez jej podział na mikrosegmenty i tzw. przełączanie (komutowanie). Polega to na tym, iż do jednego segmentu można przydzielić
zaledwie jedną stacje roboczą, co znacznie redukuje rywalizację o dostęp do medium. Użytkownik
otrzymuje wtedy całą szerokość pasma dla siebie. Każdy port switcha stanowi wejście do jednego
segmentu sieci. Urządzenia te eliminują więc wąskie gardło w sieciach LAN związane z węzłami,
przez które przekazywane są dane z centralnego serwera, a dalej rozprowadzane do odpowiednich
stacji.
Nowoczesne, inteligentne switche posiadają dwa tryby przełączania: fast forward (zwany
też cut-through) i store-and-foreward.
W fast forward odebrana ramka jest wysyłana natychmiast po otrzymaniu adresu docelowego. Powoduje to, iż mogą zostać wysłane ramki z błędami lub biorące udział w kolizji.
W store-and-foreward ramka jest sprawdzana pod kątem sumy kontrolnej. Eliminowane są
ramki błędne i biorące udział w kolizjach. Wadą tego trybu są jednak dość duże opóźnienia
w transmisji.
Inteligentne przełączanie polega na tym, że standardowo przełącznik pracuje w trybie fast
forward, a gdy liczba błędów przekracza kilkanaście na sekundę, zaczyna automatycznie stosować
metodę store-and-foreward. Gdy licz-ba błędów spada poniżej tego poziomu, przełącznik powraca
do trybu fast forward.
REPEATER
Nazywany jest również wzmacniakiem.
Informacja przesyłana kablem ulega zniekształceniom proporcjonalnie do jego długości.
Jednym z urządzeń, które wzmacnia i regeneruje sygnały przesyłane kablem jest repeater. Repeater
służy do fizycznego zwiększania rozmiarów sieci.
Repeater powtarza (kopiuje) odbierane sygnały i wzmacnia sygnał. Polega to na zwiększeniu poziomu odbieranego przebiegu falowego bez zmiany jego częstotliwości. Jest to najprostsze
urządzenie tego typu. Może łączyć tylko sieci a takiej samej architekturze, używające tych samych
protokołów i technik transmisyjnych. Potrafi jednak łączyć segmenty sieci o różnych mediach
transmisyjnych.
13
BRIDGE
Bridge czyli mostek to urządzenie posiadające 2 lub więcej portów, służące do łączenia
segmentów sieci. Na bieżąco identyfikuje swoje porty i kojarzy konkretne komputery. Pozwala na
podniesienie wydajności i zwiększenie maksymalnych długości sieci.
ROUTER
To najbardziej zaawansowane urządzenie stosowane do łączenia segmentów sieci i zwiększania jej fizycznych rozmiarów. Router jest urządzeniem konfigurowalnym, pozwala sterować
przepustowością sieci i zapewnia pełną izolację pomiędzy segmentami. Zadaniem routera jest miedzy innymi wybór najlepszej trasy do przesłania danych.
Do kierowania danych routery używają tzw. tablicę routingu, zawierającą informacje o sąsiadujących routerach i sieciach lokalnych. Służy ona do wyszukania optymalnej drogi od obecnego
położenia pakietu do innego miejsca sieci. Tablica routingu może być statyczna lub dynamiczna,
zależy to od postawionych wymagań. Statyczna musi być aktualizowana ręcznie przez administratora sieci, dynamiczna natomiast jest aktualizowana automatycznie przez oprogramowanie sieciowe. Zaletą dynamicznej tablicy routingu jest to, że w wypadku zablokowania sieci z powodu ruchu
o dużym natężeniu oprogramowanie sieciowe może zaktualizować tablicę, tak aby poprowadzić pakiety drogą omijającą zator.
14