Информатика. Основные понятия и определения

Содержание

Слайд 2

Основные понятия и определения Компьютерная сеть (КС) (Computer Network) возникает при

Основные понятия и определения

Компьютерная сеть (КС) (Computer Network) возникает при одновременном

выполнении двух условий:
Имеются, как минимум, два компьютера (вычислительные системы); они именуются узлами (node(s)) сети.
Существует среда передачи данных (СПД), объединяющая все узлы данной сети.
Слайд 3

Основные понятия и определения КС – не цель, а средство! Целью

Основные понятия и определения

КС – не цель, а средство!
Целью КС является,

как и во остальных всех областях вычислительной техники, повышение эффективности работы пользователей (экономия времени, денежных средств и т.п.)
КС – средство доступа к вычислительным ресурсам (computer resource)
Ресурс – все то, что необходимо для решения поставленной задачи
Вычислительные ресурсы: процессорное время, необходимое для проведения расчетов, место на диске, занимаемое пользовательскими данными и т.п.
Слайд 4

Основные понятия и определения Локальный ресурс (ЛР) (local resource) - ресурс

Основные понятия и определения

Локальный ресурс (ЛР) (local resource) - ресурс той

вычислительной системы, которая доступна нам непосредственно
Удаленный ресурс (УР) (remote resource) – ресурс другой, не нашей, вычислительной системы.
Для доступа к удаленным ресурсам и строится компьютерная сеть! Именно в этом смысл КС!
Слайд 5

Основные понятия и определения Клиент (client) – узел КС (в широком

Основные понятия и определения

Клиент (client) – узел КС (в широком смысле,

включая программы, работающие на данном узле), которому необходим доступ к УР другой вычислительной системы.
Сервер (server) – узел КС (также в широком смысле), который предоставляет свои ЛР для доступа клиентам.
Как правило, количество клиентов в КС превышает количество серверов (иногда – намного).
Клиент формирует запрос (request) к серверу на доступ к ресурсу, сервер обслуживает клиентские запросы и формирует ответ или реакцию (response), в котором содержатся данные, относящиеся к ресурсу.
Слайд 6

Основные понятия и определения Протокол (protocol) – набор правил, в соответствие

Основные понятия и определения

Протокол (protocol) – набор правил, в соответствие с

которыми происходит обмен данными по сети
Универсальные протоколы, такие как IP и TCP предназначены для обмена любыми данными, без привязки к конкретным ресурсам. Для таких протоколов нет понятий «клиент» и «сервер», а только «отправитель» и «получатель»
Специализированные протоколы, такие как HTTP и SMTP и др. необходимы для доступа к определенным ресурсам: веб-страницам и электронным письмам. Эти протоколы ведут обмен между соответствующими клиентами и серверами
Сетевая служба (network service) – совокупность клиентов, серверов и протоколов, предназначенная для работы с определенными ресурсами.
Примеры: WWW, DNS, E-Mail …
Слайд 7

Архитектура сети Архитектура (architecture) – совокупность принципов функционирования системы Архитектура сети

Архитектура сети

Архитектура (architecture) – совокупность принципов функционирования системы
Архитектура сети – задается

аппаратурой и сетевой операционной системой (ОС), т.е. той ОС, которая устанавливается на узлах сети.
Одноранговые (peer-to-peer, p2p) сети – в них каждый узел может быть как клиентом, так и сервером. Например, узлы представляют собой обычные компьютеры (настольные или ноутбуки), на которых установлены ОС Windows 7 (или 8) либо ОС Linux в конфигурации «рабочая станция».
Сети с архитектурой «клиент-сервер» – в таких сетях есть узлы-клиенты и узлы-сервер. Например, клиенты – бездисковые рабочие станции или микрокомпьютеры, а серверы – обычные или специализированные компьютеры под управлением ОС Windows Server или Linux в конфигурации «сервер сети»
Слайд 8

Архитектура сети Сети с гибридной (hybrid) или смешанной архитектурой. В таких

Архитектура сети

Сети с гибридной (hybrid) или смешанной архитектурой. В таких сетях

узлы-клиенты могут выполнять некоторые функции серверов (например, общее хранилище файлов, файл-сервер), а узлы-серверы – выполнять отдельные функции клиентов, например, отправлять документы на принт-сервер, расположенный на другом узле. Пример: клиенты и серверы – обычные компьютеры, ОС для клиентов Windows 7 или 8, для серверов – Windows Server 2008 или 2012
Большинство компьютерных сетей на предприятиях строятся по смешанной архитектуре
Стоимость серверных ОС существенно дороже, чем клиентских
Оптимизация обработки клиентских запросов
Слайд 9

Архитектура сетевой службы Сетевая служба формируется посредством установки на узлах соответствующих

Архитектура сетевой службы

Сетевая служба формируется посредством установки на узлах соответствующих прикладных

программ
Служба WWW (World Wide Web – всемирная паутина):
Веб-сервер – Apache HTTP Server, Microsoft IIS, …
Клиент – браузер (browse – просматривать) Microsoft Internet Explorer, Google Chrome, …
Протокол HTTP – стандартный, понимается всеми веб-серверами и браузерами
Архитектура сетевых служб: одноранговая или клиент-сервер (чаще всего)
Архитектура сетевой службы может не соответствовать архитектуре сети
Службу WWW можно «поднять» и в одноранговой сети
Наилучший вариант, когда архитектура сетевой службы соответствует архитектуре сети, т.е. серверная часть службы располагается на узлах-серверах, а клиентская – на узлах-клиентах
Слайд 10

Виды компьютерных сетей Переносные, BAN (Body Area Network) – сети, узлы

Виды компьютерных сетей

Переносные, BAN (Body Area Network) – сети, узлы которых

человек носит с собой: смартфоны, планшеты. СПД, как правило, беспроводная.
Количество узлов – единицы
Протяженность (периметр) СПД = от сантиметров до десятков сантиметров
Персональные, PAN (Personal Area Network) – сети, принадлежащие некоторому человеку: настольные компьютеры, ноутбуки.
Количество узлов – единицы
Протяженность (периметр) СПД = от метров до десятков метров
Слайд 11

Виды компьютерных сетей Локальные, LAN (Local Area Network) – сети, расположенные

Виды компьютерных сетей

Локальные, LAN (Local Area Network) – сети, расположенные в

одном или нескольких помещениях
Количество узлов – от единиц до десятков
Протяженность (периметр) СПД = от метров до десятков метров
Жилые, CAN (Campus Area Network) – сети, охватывающие ряд помещений и даже зданий, например, сети, прокладываемые в жилых домах.
Количество узлов – от сотен до тысяч
Протяженность (периметр) СПД = от сотен метров до километров
Слайд 12

Виды компьютерных сетей Региональные или городские, MAN (Metropolitan Area Network) –

Виды компьютерных сетей

Региональные или городские, MAN (Metropolitan Area Network) – сети

масштаба города и региона
Количество узлов – от десятков тысяч до миллионов
Протяженность (периметр) СПД = от десятков до сотен и тысяч километров (смотря какой город или регион)
Глобальные, GAN (Global Area Network) – сети глобального масштаба, вплоть до всего мира (Интернет)
Количество узлов – вплоть до миллиардов
Протяженность (периметр) СПД = сотни тысяч километров
Слайд 13

Локальные (LAN) и распределенные (WAN) сети BAN, PAN, LAN состоят из

Локальные (LAN) и распределенные (WAN) сети

BAN, PAN, LAN состоят из отдельных

узлов и все относятся к семейству LAN
CAN, MAN, GAN уже состоят не из узлов, а из сетей меньшего масштаба и относятся к семейству распределенных сетей WAN (Wide Area Network)
В WAN появляется новый вид узла, которого нет в LAN – маршрутизатор (router), который одновременно является узлом нескольких LAN, соединяя их в общую, распределенную сеть.
Задание: изучите внешний вид домашнего маршрутизатора, найдите места для подключения (порты) линий LAN и линии WAN
Слайд 14

Виды СПД Проводные Электрические: витая пара, коаксиальный кабель Оптические: одно- и

Виды СПД

Проводные
Электрические: витая пара, коаксиальный кабель
Оптические: одно- и многомодовый волоконно-оптический кабель
Беспроводные
Радио:

WiFi, Bluetooth, сотовая связь (GSM, LTE и т.д.), спутниковая связь.
Оптические: ИК-связь
Неэлектромагнитные: сонары
Слайд 15

Коаксиальный кабель Co-axis – соосный 1 – внешняя оболочка из ПВХ

Коаксиальный кабель

Co-axis – соосный
1 – внешняя оболочка из ПВХ
2 – проволочная

оплетка
3 – слой гибкого диэлектрика
4 – центральная жила
Волновое сопротивление 50 Ом
У ТВ-антенны 75 Ом
Слайд 16

Витая пара Twisted pair Кабель включает несколько пар-«косичек» Обязательное условие: в

Витая пара

Twisted pair
Кабель включает несколько пар-«косичек»
Обязательное условие: в любой момент времени

сигналы в пределах одной пары должны быть в противофазе, т.е. U1(t) = - U2(t)
Обозначение: xTP-y (шаблон)
x= U (unshielded, неэкранированная)
x= S (shielded, экранированная, экран в виде проволочной оплетки)
x=F (foiled, экранированная фольгой)
В помещениях (indoor) применяют UTP, вне помещений (outdoor) – STP и FTP
у = категория кабеля. Определяет число пар в кабеле и число витков на единицу длины.
UTP-5e – наиболее популярный вид кабеля, 4 пары, скорость передачи данных до 1 гигабита в секунду
Слайд 17

Волоконно-оптические (fiber-optic) кабели В основе – явление фотоэффекта Мода – излучение

Волоконно-оптические (fiber-optic) кабели

В основе – явление фотоэффекта
Мода – излучение на одной

частоте. Многомодовый кабель сверху, одномодовый – снизу
1 – источник света, 2 – фотоприемник, 3 – внешняя оболочка, 4 – отражатель, 5 – световод
В многомодовом кабеле источник неточный, порождает несколько волн с разной частотой. Используется на небольших расстояниях, сотни метров
Одномодовый кабель – высокие требования к источнику и световоду. Используется на больших расстояниях, километры и более
Скорость передачи – десятки гигабит в секунду
Слайд 18

Топологии LAN (конфигурация СПД) Шина (bus). Сигнал распространяется во все стороны

Топологии LAN (конфигурация СПД)

Шина (bus). Сигнал распространяется во все стороны по

общей магистрали. Устарела, но изредка встречается и сейчас
Кольцо (ring). Сигнал распространяется от соседа к соседу, в строго определенном порядке. Применяется редко
Звезда (star). Узлы сети индивидуально подключаются к общему центральному устройству (ЦУ). Применяется очень часто.
Иерархическая звезда – звезда, в которой существуют соединения ЦУ между собой. Применяется очень часто.
Полносвязная (full-linked). Каждый узел сети соединен со всеми остальными отдельной линией. Применяется в суперкомпьютерах и системах спец. назначения.
Слайд 19

Шина Одна из первых сетей Ethernet Все узлы подключены к общему

Шина

Одна из первых сетей Ethernet
Все узлы подключены к общему каналу данных
На

концах шины располагаются терминаторы для подавления сигнала
СПД – коаксиальный кабель
Простота подключения
Максимальная длина сегмента (расстояние между крайними точками шины) 185 (тонкий кабель) и 500 (толстый кабель) метров
Скорость передачи данных до 10 Мбит/с
Слайд 20

Кольцо Информация передается от соседа к соседу в строго определенном порядке

Кольцо

Информация передается от соседа к соседу в строго определенном порядке
СПД –

витая пара или оптоволокно
Отсутствие коллизий, т.е. невозможность одновременной передачи от двух и более узлов
Token Ring (16 Мбит/с), FDDI (622 Мбит/с)
Слайд 21

Звезда Узлы подключаются к портам центрального устройства с помощью кабелей типа

Звезда

Узлы подключаются к портам центрального устройства с помощью кабелей типа витая

пара
Длина кабеля лежит в пределах от 1 до 100 метров
Fast Ethernet - 100 Мбит/с
Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с
Слайд 22

Сетевые модели

Сетевые модели

Слайд 23

Уровни (слои) в модели DoD 1. Канала связи (link) или сетевого

Уровни (слои) в модели DoD

1. Канала связи (link) или сетевого доступа

(network access)
Отвечает за прием/передачу данных между узлами локальной сети
Сюда относится все, что связано с LAN – и аппаратура, и драйвер сетевой платы и протоколы LAN
2. Межсетевой (internet)
Отвечает за прием/передачу между узлами распределенной сети WAN – хостами (host)
Здесь возникает проблема маршрутизации
Протоколы: IPv4, IPv6
Слайд 24

Уровни (слои) в модели DoD 3. Транспортный (transport) Обеспечивает универсальную инфраструктуру

Уровни (слои) в модели DoD

3. Транспортный (transport)
Обеспечивает универсальную инфраструктуру передачи данных

между программами, работающими на хостах
Протоколы: UDP (ненадежная доставка), TCP (надежная доставка)
4. Прикладного процесса (process application)
Взаимодействие между конкретными программами, например, клиентом и сервером сетевых служб
Протоколы: HTTP (служба WWW), FTP (служба FTP), SMTP, POP, IMAP (служба E-Mail) – и т.д., очень много!
Слайд 25

Особенности модели DoD Появилась раньше (работы начались в конце 60-х годов

Особенности модели DoD

Появилась раньше (работы начались в конце 60-х годов в

Министерстве обороны США)
Самодостаточная, т.е. не является открытой, пополняется новыми функциями только изнутри
Нижний и верхний уровни слишком «толстые», в них много функций
Нижний охватывает и аппаратуру и программы-драйверы
Верхний содержит все, что связано с прикладными программами
Слайд 26

Уровни модели OSI/ISO L1. Физический (physical) Включает все, что связано с

Уровни модели OSI/ISO

L1. Физический (physical)
Включает все, что связано с физическими процессами

распространения сигнала в СПД
L2. Канальный (data link)
Отвечает за передачу/прием пакетов данных (кадров, frames) между узлами локальной сети
L3 и L4 аналогичны межсетевому и транспортному уровню соответственно в модели DoD
Слайд 27

Уровни модели OSI/ISO L5. Сеансовый (session) Отвечает за сеанс (логический канал)

Уровни модели OSI/ISO

L5. Сеансовый (session)
Отвечает за сеанс (логический канал) между программой-отправителем

и программой получателем
Позволяет контролировать каждый передаваемый байт, обеспечивая надежную доставку
L6. Представления (presentation)
Отвечает за преобразование данных по форме, например, преобразование кодировки символов, шифрование/расшифрование и т.п.
L7. Прикладной (application)
Отвечает за взаимодействие прикладных программ с сетью
Слайд 28

Особенности модели OSI/ISO Появилась позже (70-е годы) в Международной организации по

Особенности модели OSI/ISO

Появилась позже (70-е годы) в Международной организации по стандартизации

(ISO)
Создана рабочей группой OSI - Open Systems Interconnection
Открытая модель: любая программа «видит» сетевые ресурсы точно так же, как и локальные
Обеспечивает универсальность в рамках отдельно взятой ОС
Интерфейс прикладного программирования (API) у каждой ОС свой
Не дает универсальности при работе с сетевыми службами в отрыве от ОС
Вывод: обе модели сосуществуют
Слайд 29

Межуровневая инкапсуляция данных Данные с верхних уровней, переходя вниз по модели

Межуровневая инкапсуляция данных

Данные с верхних уровней, переходя вниз по модели при

передаче, как бы «запаковываются в конверты» на нижележащих уровнях
Эти «конверты» – заголовки протоколов нижележащих уровней
Содержат адресную информацию об отправителе и получателе
На физическом уровне происходит передача двоичных цифр с посредством физических процессов через СПД
Получатель извлекает из СПД двоичные числа, формирует из них кадр (как бы «сообщение во внешнем конверте»)
Затем получатель как бы распаковывает очередной конверт и передает его содержимое на вышележащий уровень
В конце концов, исходные данные достигают свою программу-получатель
Слайд 30

Иллюстрация Проанализируем, что происходит при обращении веб-браузера по адресу http://ya.ru Воспользуемся

Иллюстрация

Проанализируем, что происходит при обращении веб-браузера по адресу http://ya.ru
Воспользуемся программой-сетевым

анализатором (сниффером, sniffer – тот, кто разнюхивает) Wireshark
Бесплатно доступна с официального сайта http://www.wireshark.org
После запуска программы следует выбрать сетевой интерфейс для прослушивания и установим фильтр для http – иначе будет виден весь трафик (traffic – данные, передаваемые по сети)
Задание: впоследствии самостоятельно проанализируйте трафик между Вашим браузером и каким-нибудь веб-сервером
Слайд 31

Сообщение протокола HTTP

Сообщение протокола HTTP

Слайд 32

Сообщение протокола TCP (segment)

Сообщение протокола TCP (segment)

Слайд 33

Сообщение протокола IP (datagram)

Сообщение протокола IP (datagram)

Слайд 34

Сообщение канального уровня (кадр, frame)

Сообщение канального уровня (кадр, frame)

Слайд 35

Сетевое оборудование Коннекторы RJ-45 устанавливаются с помощью специального инструмента на кабель-витую

Сетевое оборудование

Коннекторы RJ-45 устанавливаются с помощью специального инструмента на кабель-витую пару

категории 5 или 5e
Получаем т.н. Patch-cord, которым можно соединять компьютеры с сетевым оборудованием
Концентратор (hub) – устройство физического уровня
Неустойчив в коллизиям, применяется редко
Коммутатор (switch, L2-switch) – устройство, охватывающее уровни L1 и L2
Внутри себя может переключить свой произвольный порт на любой другой – за счет предварительного анализа MAC-адреса в передаваемых кадрах
Слайд 36

Сетевое оборудование Маршрутизатор (router) – устройство, охватывающее L1, L2, L3 Передает

Сетевое оборудование

Маршрутизатор (router) – устройство, охватывающее L1, L2, L3
Передает данные между

разными LAN
К каждому порту маршрутизатора подключается отдельная LAN
WiFi-маршрутизатор (WiFi-router) (L1,L2,L3)
Имеет один порт для подключения WAN и несколько – для одной LAN. К этой же LAN будут относиться узлы, подключенные по беспроводной сети
WiFi-точка доступа (access point) – дополнение к WiFi-маршрутизатору
Расширяет площадь покрытия
Слайд 37

Сетевое оборудование Маршрутизирующий коммутатор (L3-switch) (L1,L2,L3) Помесь коммутатора и маршрутизатора Позволяет

Сетевое оборудование

Маршрутизирующий коммутатор (L3-switch) (L1,L2,L3)
Помесь коммутатора и маршрутизатора
Позволяет несколько подключений по

портам рассматривать как одну LAN и передавать данные между полученными LAN
Шлюз (gateway) – работают на уровнях, выше L3
Брандмауэры – на основании набора правил разрешают или запрещают доступ к сетевым ресурсам
Балансировщики нагрузки – перенаправляют трафик при перегруженности отдельных участков сети
Внимание – в терминах ОС часто шлюзом именуют маршрутизатор
Слайд 38

Литература Основная литература: L. Hughes. The Second Internet. – InfoWeapons, 2010

Литература

Основная литература:
L. Hughes. The Second Internet. – InfoWeapons, 2010 (книга доступна

к загрузке из Интернет по бесплатной лицензии)
К.Андерсон, М.Минасси. Локальные сети. Полное руководство: Пер. с англ. – К: ВЕК+, М.:ЭНТРОП, СПб.:КОРОНА, 1999. – 624 с., ил.
Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия - СПб: Питер, 2000. - 704 с.: ил.
4. Ногл М. TCP/IP. Иллюстрированный учебник – М.:ДМК Пресс, 2001. – 480 с.: ил.
Интернет-ресурсы:
1. Материалы сайта главного координируещего органа Интернет IANA - http://www.iana.org
2. Материалы сайта рабочей группы по развитию Интернет IETF - http://www.ietf.org
3. Материалы сайта координируего органа Интернет в России РУ-Центр - http://www.nic.ru
Слайд 39

Задание 1 Какие протоколы относятся к транспортному уровню (transport layer) четырехуровневой

Задание 1

Какие протоколы относятся к транспортному уровню (transport layer) четырехуровневой модели

стека протоколов TCP/IP?
ARP
TCP
UDP
IP
ICMP
Слайд 40

Задание 2 На каком из четырех уровней модели стека протоколов TCP/IP

Задание 2

На каком из четырех уровней модели стека протоколов TCP/IP к

передаваемой информации добавляется заголовок, содержащий поле TTL (time-to-live)?
A. На Уровне приложений (application layer)
B. На Транспортном уровне (transport layer)
C. На Межсетевом уровне (internet layer)
D. На Канальном уровне (link layer)
Слайд 41

Задание 3 На каком уровне четырехуровневой модели стека протоколов TCP/IP работает

Задание 3

На каком уровне четырехуровневой модели стека протоколов TCP/IP работает служба

DNS?
A. На Уровне приложений (application layer)
B. На Транспортном уровне (transport layer)
C. На Межсетевом уровне (internet layer)
D. На Канальном уровне (link layer)
Слайд 42

Задание 4 Назовите отличия концентраторов от коммутаторов 2-го уровня. A. Коммутаторы

Задание 4

Назовите отличия концентраторов от коммутаторов 2-го уровня.
A. Коммутаторы работают

на более высоком уровне модели OSI, чем концентраторы
B. Коммутаторы не могут усиливать сигнал, в отличие от концентраторов
C. Коммутаторы анализируют IP-адреса во входящем пакете, а концентраторы анализируют MAC-адреса
Слайд 43

Задание 5 В чем отличия маршрутизаторов от коммутаторов 2-го уровня? A.

Задание 5

В чем отличия маршрутизаторов от коммутаторов 2-го уровня?
A. Коммутаторы

оперируют с MAC-адресами, маршрутизаторы оперируют с адресами протоколов высокого уровня, таких как TCP/IP
B. Маршрутизаторы оперируют с MAC-адресами, коммутаторы оперируют с адресами протоколов высокого уровня, такими как TCP/IP
C. Коммутаторы «обучаются» динамически, маршрутизаторы требуют занесения маршрутов в таблицу маршрутизации вручную