Характеристика и особенности локальных компьютерных сетей (ЛКС)

Характеристика и особенности локальных компьютерных сетей (ЛКС)
Работа была написана лично мной и оценена преподавателем на "отлично".
Описывает состав и характеристики сетевого оборудования для локальных сетей, уровни и характеристики локальных сетей и так далее (см. "Содержание").
В продаже впервые. ...

Введение…………………………………………………………………………….3
1 Состав и основные характеристики локальной сети.....................................5
1.1 Понятие и состав локальной сети……………………………………………..5
1.2 Уровни и характеристики локальной сети ………………………………....8
2 Особенности сетевого оборудования локальной вычислительной сети….....12
2.1 Классификация сетевого оборудования ЛВС……………………………….12
2.2 Сетевые адаптеры и сетевые концентраторы……………………………….15
2.3 Универсальный асинхронный приёмопередатчик, модем и анализатор спектра…………………………………………………………………………………..19
3 Критерии оценки характеристики сетевого оборудования..............................24
Заключение...............................................................................................................29
Глоссарий.................................................................................................................31
Список используемых источников............................. .........................................32
Приложение А......................................... ...............................................................34.

Сегодня уже трудно представить себе, как люди жили когда-то без столь удобного и полезного инструмента, как локальные сети. Однако знало человечество и такие времена. Впервые идея связать несколько независимо работающих компьютеров в единую распределенную вычислительную систему посетила светлые головы инженеров еще в середине 60-х годов XX века. А если говорить более конкретно, то первый успешный эксперимент по передаче дискретных пакетов данных между двумя компьютерами провел в 1965 году молодой исследователь из лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института Лари Роберте. Алгоритмы передачи данных, предложенные Робертсом, во многом послужили основой для построенной в 1969 году по инициативе американского «Агентства перспективных научных исследований» глобальной вычислите льной сети ARPANet, а она впоследствии, объединившись с несколькими другими существовавшими на тот момент сетями, стала фундаментом, на котором вырос современный Интернет.
Однако и широко использовавшиеся в те времена многотерминальные системы, в которых пользователям предоставлялся доступ к одному головному многофункциональному компьютеру посредством нескольких конечных устройств удаленного подключения — терминалов — по принципу разделения процессорного времени, и глобальные сети, объединявшие между собой мейнфреймы крупных вычислительных центров и лабораторий, являлись лишь предтечей локальных сетей в их нынешнем понимании. Существенный толчок в направлении развития малых локальных сетей дало бурное развитие во второй половине 70-х годов настольных персональных компьютеров. В авангарде этого процесса стояла фирма Xerox.
С течением времени стандарты, позволявшие объединять компьютеры в локальные сети, постепенно оптимизировались, увеличивалась пропускная способность каналов связи, эволюционировало программное обеспечение, росла скорость передачи данных. Вскоре локальные сети стали использоваться не только для пересылки между несколькими компьютерами текста и различных документов, но также для передачи мультимедийной информации, такой как звук и изображение.
Для того чтобы сеть могла полноценно работать, кроме компьютеров в ней должны быть и некоторые устройства, обеспечивающие ее нормальное функционирование. Оборудование локальных сетей обеспечивает реальную связь между абонентами. Конкретный тип и вид оборудования выбирается в процессе организации, расширения или модернизации сети. Отсюда следует, что актуальность исследования данного вопроса значительно велика.
Целью данной работы является определение характеристики и особенностей локальных вычислительных сетей. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) определить понятие и состав локальной сети,
2) рассмотреть урони и характеристики локальной вычислительной сети,
3) проанализировать классификацию сетевого оборудования ЛВС,
4) рассмотреть сетевые адаптеры и сетевые концентраторы,
5) исследовать универсальный асинхронный приемопередатчик, модем и анализатор спектра,
6) определить критерии оценки характеристики сетевого оборудования.
Предметом исследования являются локальные вычислительные сети.
Для написания данной работы используется литература многих авторов

2.1 Классификация сетевого оборудования ЛВС
Для работы локальной сети на ваших компьютерах необходимо выполнить следующие действия. Во-первых, соединить компьютеры посредством какой-либо коммуникационной аппаратуры. Во-вторых, запустить на этих компьютерах специальное сетевое программное обеспечение, которое, собственно, и будет выполнять необходимые вам операции в локальной сети. В качестве коммуникационной аппаратуры обычно используют специализированные адаптеры сети, которые вставляются в свободный слот компьютера. Адаптеры соединяются между собой кабелем и различным дополнительным оборудованием. Следует подчеркнуть, что объединению подлежат лишь однотипные адаптеры (например, адаптеры Arcnet с Arcnet, Ethernet с Ethernet, но не Arcnet с Ethernet). Тип кабеля и набор дополнительного оборудования определяется специально для каждого конкретного случая. При установке любой коммуникационной аппаратуры необходимо убедиться в наличии драйвера к этой аппаратуре в запускаемом вами сетевом программном обеспечении. Иначе ваши программы просто не увидят ваше «железо».
Те, кто не может позволить себе приобрести специальные адаптеры, могут попробовать соединить свои компьютеры через стандартные разъемы СОМ и LРТ [6, С. 62].
Типичная компьютерная сеть включает в себя пять основных компонентов.
1. Основным составляющим элементом сети является настольный ПК, такой, как IBM-совместимый компьютер или Macintosh. Его называют «клиентом» или «рабочей станцией» (реже — автоматизированными рабочими местами или сетевыми станциями).
2. Сервером обычно является высокопроизводительный ПК с жестким диском большой емкости. Он играет роль центрального узла, на котором пользователи ПК могут хранить свою информацию, печатать файлы и обращаться к его сетевым средствам. В одноранговых сетях выделенный сервер отсутствует.
3. Каждый компьютер сети, включая сервер, оснащен платой сетевого адаптера (сетевым интерфейсом, модулем, картой). Адаптер вставляется в свободное гнездо (слот) материнской платы. Эти адаптеры связывают компьютер с сетевым кабелем. Многие ПК поставляются уже готовыми к работе в сети и включают в себя сетевой адаптер. Для построения сетей применяют 8-, 16- и 32-битовые сетевые платы. Сервер обычно оснащают 32-битовой картой. Для обычных рабочих станций используют недорогие 16-битовые.
4. Сетевые кабели связывают друг с другом сетевые компьютеры и серверы. В качестве сетевого кабеля могут применяться и телефонные линии. Основные типы сетевого кабеля:
- Витая пара (twisted pair) — позволяет передавать информацию со скоростью 10 Мбит/с (либо 100 Мбит/с), легко наращивается. Длина кабеля не может превышать 1000 м при скорости передачи 10 Мбит/с. Иногда используют экранированную витую пару, т. е. витую пару, помещенную в экранирующую оболочку.
- Толстый Ethernet — коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Его называют также желтый кабель (yellow cable). Обладает высокой помехозащищенностью. Максимально доступное расстояние без повторителя не превышает 500 м, а общее расстояние сети Ethernet — около 3000 м.
- Тонкий Ethernet — это также 50-омный коаксиальный кабель со скоростью передачи информации в 10 Мбит/с. Соединения с сетевыми платами производятся при помощи специальных (байонетных) разъемов и тройниковых соединений. Расстояние между двумя рабочими станциями без повторителей может составлять максимум 185 м, а общее расстояние по сети — 1000 м.
- Оптоволоконные линии — наиболее дорогой тип кабеля. Скорость передачи по ним информации достигает нескольких гигабит в секунду. Допустимое удаление более 50 км. Внешнее воздействие помех практически отсутствует.
5. Совместно используемые периферийные устройства — жесткие диски большой емкости, принтеры, цветные и слайд-принтеры, дисководы CD-ROM и накопители на магнитной ленте для резервного копирования.
Поскольку сети ПК состоят в основном из «клиентов» и «серверов», их часто называют сетями клиент/сервер.
Сеть включает в себя три основных программных компонента:
1. Сетевую операционную систему, которая управляет функционированием сети. Например, она обеспечивает совместное использование ресурсов и включает в себя программное обеспечение для управления сетью. Операционная система состоит из серверного ПО, которое функционирует на сервере, и клиентского программного обеспечения, работающего на каждом настольном ПК.
Сетевая операционная система (network operating system) выполняется на сервере и обеспечивает его функционирование. Среди сетевых операционных систем преобладают Novell NetWare, Windows NT, Unix.
2. Сетевые приложения и утилиты — это программы, инсталлируемые и выполняемые на сервере. Они включают в себя ПО коллективного пользования и поддержки рабочих групп, такие как электронная почта, средства ведения календаря и планирования. Кроме того, в число таких программных средств могут входить сетевые версии персональных приложений, например, текстовых процессоров, электронных таблиц, программ презентационной графики и приложений баз данных. Наконец, к данному ПО относятся такие утилиты, как программы резервного копирования, позволяющие архивировать хранимые на сервере файлы и приложения [4, С. 187].
3. Бизнес-приложения — это программы, реализующие в компании конкретные бизнес-функции. По своей природе они могут быть «горизонтальными» и применяться в компаниях самого разного типа для общих деловых операций (таких как бухгалтерский учет и ввод заказов) либо «вертикальными» и поддерживать осуществление конкретных коммерческих операций, например, оценку недвижимости, страхование либо использоваться в области здравоохранения или фирмах, оказывающих юридические услуги.
К сетевому оборудованию ЛВС относятся:
- сетевые адаптеры;
- концентраторы;
- приемопередатчики;
- маршрутизаторы;
- коммутаторы;
- модемы и факс-модемы;
- анализаторы;
- сетевые тестеры.
Рассмотрим каждый из этих составляющих более подробно.
2.2 Сетевые адаптеры и сетевые концентраторы
Сетевые адаптеры (СА) предназначены для непосредственного подключения ИБП к информационному кабелю компьютерной сети, делая его в этом случае сетевым устройством с определенным логическим именем. С помощью СА реализуются следующие функции:
- Анализ качества сетевого электропитания в реальном масштабе времени.
- Процедуры тестирования электропитания и их анализ.
- Дистанционное управление включением и отключением нагрузки ИБП.
- Диагностическое тестирование аккумуляторных батарей; анализ и накопление результатов тестирования.
Все типы ПК и СА подключаются через коммуникационный порт RS-232 (кабель входит в комплект) по схеме: ИБП : СА : порт RS-232 :СА : КС (ПК)
Коммуникационный порт RS-232 обеспечивает передачу данных со скоростью до 19200 Бод (в зависимости от выбранного режима). При этом отпадает необходимость в дополнительных интерфейсных платах, устанавливаемых в компьютер.
Программное обеспечение OnliNet выполняет такие вспомогательные функции, как сохранение и последующий анализ основных параметров (несколько десятков) питающей электросети и критичной нагрузки, а также происходящих в АУЭП системных событий для анализа текущего состояния источников бесперебойного питания, идентификация типа неполадок в электроснабжении и определение места их возникновения.
Программное обеспечение легко в инсталляции и использовании. Оно обладает удобным графическим интерфейсом, адаптированным под конкретную операционную среду (OS2, DOS, Novell, Windows, ...). OnliNet содержит систему вложенных меню и хелперов, работающих в "горячем" режиме, информационных окон и графических изображений, а также многое другое. Имеется возможность программируемого отключения сегментов КС с последующим автоматическим включением и перезагрузкой. По соображениям безопасности все операции, связанные с отключением питания, защищены паролем [8, С. 72].
Мониторинг и управление реализуются из любой точки компьютерной сети через порт RS-232 или удаленный терминал и поддерживаются версиями Windows. Их (мониторинг и управление) отличает:
- дружелюбный интерфейс пользователя, стандартная цифровая панель на мониторе, непрерывное (по запросу) информирование о состоянии электропитания, КС, ИБП и его батареи, нагрузки;
- простое в управлении меню обеспечивает просмотр последних отклонений в подаче электроэнергии и контроль десятков параметров работы ИБП в режиме реального времени;
- тестирование компьютерной сети;
- анализ результатов и хранение в памяти до 200 нарушений в работе системы бесперебойного питания.
Для систем, не требующих управления и мониторинга параметров электросети, разработан программный пакет OnliSafe. Он обеспечивает автоматическую свертку (закрытие) работы в случае аварии в электросети.
Программный пакет LanSafe III позволяет реализовать комплексное решение по обеспечению оперативной защиты компьютерной сети, производя полное закрытие компьютерной сети с гарантированной сохранностью данных. При этом может быть реализован ряд преимуществ:"холодный" старт, широкий диапазон входных напряжений при работе как от сети, так и от аккумуляторов, предупреждение (если величина нагрузки превысит возможности поддержки от аккумуляторов), автодиагностика и индикация параметров, встроенный проходной фильтр перенапряжений для защиты модемов, факсов при передаче данных. Связь с компьютером обеспечивается через интерфейс для всех основных операционных систем. Сам ИБП автоматически опознается операционной системой Windows95.
Сетевой концентратор или Хаб (жарг. от англ. hub — центр деятельности) — сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна.
В настоящее время почти не выпускаются — им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключенное устройство в отдельный сегмент. Сетевые коммутаторы ошибочно называют «интеллектуальными концентраторами».
Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Таким образом, все подключенные к концентратору устройства находятся в одном домене коллизий. Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса, все подключенные устройства Ethernet разделяют между собой предоставляемую полосу доступа.
Многие модели концентраторов имеют простейшую защиту от излишнего количества коллизий, возникающих по причине одного из подключенных устройств. В этом случае они могут изолировать порт от общей среды передачи. По этой причине, сетевые сегменты, основанные на витой паре гораздо стабильнее в работе сегментов на коаксиальном кабеле, поскольку в первом случае каждое устройство может быть изолировано концентратором от общей среды, а во втором случае несколько устройств подключаются при помощи одного сегмента кабеля, и, в случае большого количества коллизий, концентратор может изолировать лишь весь сегмент.
В последнее время концентраторы используются достаточно редко, вместо них получили распространение коммутаторы — устройства, работающие на канальном уровне модели OSI и повышающие производительность сети путём логического выделения каждого подключенного устройства в отдельный сегмент, домен коллизии.
Характеристики сетевых концентраторов
- Количество портов — разъёмов для подключения сетевых линий, обычно выпускаются концентраторы с 4, 5, 6, 8, 16, 24 и 48-ми портами (наиболее популярны с 4, 8 и 16). Концентраторы с большим количеством портов значительно дороже. Однако концентраторы можно соединять каскадно друг к другу, наращивая количество портов сегмента сети. В некоторых для этого предусмотрены специальные порты.
- Скорость передачи данных — измеряется в Мбит/с, выпускаются концентраторы со скоростью 10, 100 и 1000. Кроме того, в основном распространены концентраторы с возможностью изменения скорости, обозначаются как 10/100/1000 Мбит/с. Скорость может переключаться как автоматически, так и с помощью перемычек или переключателей. Обычно, если хотя бы одно устройство присоединено к концентратору на скорости нижнего диапазона, он будет передавать данные на все порты с этой скоростью.
- Тип сетевого носителя — обычно это витая пара или оптоволокно, но существуют концентраторы и для других носителей, а также смешанные, например для витой пары и коаксиального кабеля.
2.3 Универсальный асинхронный приёмопередатчик, модем и анализатор спектра
Универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП, UART, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) — вид приёмопередатчика, устройства, которое переводит данные из последовательной в параллельную форму (и обратно). Обычно используется вместе со стандартами связи такими как EIA RS-232.
UART представляет собой отдельное устройство или является частью интегральной схемы, используется для передачи данных через последовательный порт компьютера или периферийного устройства. UART часто встраивают в микроконтроллеры.
Маршрутизатор или роутер — сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил, принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.
Работает на более высоком уровне, нежели коммутатор и сетевой мост.
Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается [9, С. 83].
Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т. д.
Маршрутизаторы помогают уменьшить загрузку сети, благодаря её разделению на домены коллизий и широковещательные домены, а также благодаря фильтрации пакетов. В основном их применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам, например для объединения локальных сетей Ethernet и WAN-соединений, использующих протоколы xDSL, PPP, ATM, Frame relay и т. д. Нередко маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Интернет, осуществляя функции трансляции адресов и межсетевого экрана.
В качестве маршрутизатора может выступать как специализированное (аппаратное) устройство (характерный представитель Juniper), так и обычный компьютер, выполняющий функции маршрутизатора. Существует несколько пакетов программного обеспечения (в основном на основе ядра Linux) с помощью которого можно превратить ПК в высокопроизводительный и многофункциональный маршрутизатор, например GNU Zebra.
Сетевой коммутатор или свитч (жарг. от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.
Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.
Коммутатор хранит в памяти таблицу, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя еще не известен, то кадр будет продублирован на все интерфейсы. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется [9, С. 67].
Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надежность передачи.
- С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию во фрейме, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него фрейм.
- Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает во фрейме только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нем нет метода обнаружения ошибок.
- Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (фреймы размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).
Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые). Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на канальном (втором) и сетевом (третьем) уровне модели OSI. Обычно их именуют соответственно, например Layer 2 Switch или просто, сокращенно L2. Управление коммутатором может осуществляться посредством протокола Web-интерфейса, SNMP, RMON (протокол, разработанный Cisco) и т. п. Многие управляемые коммутаторы позволяют выполнять дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование. Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство — стек, с целью увеличения числа портов (например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор с 96 портами).
Модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Модулятор осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс. Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем).
Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. При этом формирование данных для передачи и обработку принимаемых данных осуществляет терминальное оборудование, в простейшем случае - персональный компьютер.
На рисунке 1 показана общая схема соединения компьютеров при помощи модемов.
Рисунок 1 - Передача данных по телефонной линии с помощью модема
По мере развития вычислительной техники многие фирмы выпустили на рынок платы расширения к персональным компьютерам, позволяющие компьютеру обмениваться факсимильными сообщениями с факсимильными аппаратами группы. Такая плата получила название "факс-платы". Выпускались две их разновидности - позволяющие только передавать факсы или передавать и принимать их.
Так как факс-платы основывались на тех же принципах передачи информации, что и обыкновенные модемы, то эти два устройства были объединены вместе и названы факс-модемом.
Анализатор спектра — прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот [10, С. 82].
Анализаторы оптического спектра строятся на основе дифракционной решетки, интерферометров Майкельсона, Фабри-Перо и других интерференционных схем. В настоящее время, благодаря высокой технологичности, наибольшее распространение получили анализаторы использующие дифракционную решётку и только тогда, когда их разрешающая способность оказывается недостаточной, используются более дорогостоящие интерферометрические методы измерений спектра.