Александр Ватаманюк
Создание, обслуживание и администрирование сетей на 100%
Электропроводка
Идеи использования электропроводки в качестве канала связи для передачи данных существовали уже достаточно давно. Причина этого очень проста: электрическим кабелем буквально опутаны все места обитания человека, поэтому вполне логично было бы использовать его для решения еще одной задачи. Однако воплотить эту мечту в жизнь мешал недостаток знаний и соответствующих технологий.
Все изменилось с того момента, как десять лет назад появилась организация HomePlug Powerline Alliance. Ее стараниями на свет появился первый стандарт HomePlug, который позволил осуществить мечту. Конечно, он не может составить серьезную конкуренцию другим способам связи, но в случае, когда никакой другой способ создания локальной сети не подходит, это реальный выход из ситуации.
Из плюсов использования электрического кабеля в качестве среды передачи данных можно отметить то, что он не обязательно должен быть однородным! Именно так: передача данных будет возможна даже в случае, когда электрический кабель представляет собой скрутку кабелей из разных материалов различного сечения и разной длины.
Поскольку электропроводка для своих прямых целей применяет диапазон частот 50–60 Гц, то для передачи данных используется другая частота, которая не является помехой для работы электрических устройств, а именно диапазон частот 4–20 МГц.
Радиоволны
Пожалуй, самая интересная и перспективная среда передачи данных – это радиоволны. Возможности этой среды практически неограниченны, о чем свидетельствует множество разнообразнейших способов ее использования: спутниковое телевидение, радиовещание, мобильная связь и многое другое. Тяжело даже представить себе, сколько различных радиоволн окружают нашу планету!
Использование радиоволн в качестве среды передачи данных в локальных сетях практикуется уже очень давно и, что самое главное, очень успешно.
Существует достаточно много беспроводных технологий, которые позволяют это сделать, например Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth и т. д. Каждая из них имеет свои особенности и ограничения, но тем не менее отлично справляется с поставленной задачей.
Любая технология передачи данных использует определенный диапазон радиочастот, который принят в качестве стандарта. Существуют даже соответствующие государственные структуры по контролю над применением этих частот. Например, беспроводная сеть, построенная по стандарту IEEE 802.11 (Wi-Fi), использует в своей работе диапазон частот 2400–2483,5 МГц, а беспроводная сеть стандарта WiMAX – диапазон частот 2300–2400 МГц.
Популярность беспроводных сетей обусловлена одним очень серьезным преимуществом, а именно – мобильностью клиентов: никакая другая среда передачи данных не может похвастаться такими возможностями. С другой стороны, беспроводные сети более чувствительны к разного рода препятствиям и помехам распространению сигнала, что часто становится серьезным препятствием в их использовании.
Применение «радиоэфира» достаточно часто практикуется для подключения компьютеров к «домашней» локальной сети. Существуют даже такие «домашние» сети, которые подразумевают только такой способ подключения.
Однако есть и существенный недостаток использования беспроводного оборудования, особенно в условиях открытого пространства, то есть на улице. Как показала практика, беспроводное оборудование, а именно беспроводные точки доступа, очень чувствительны к грозам и молниям. Очень часто эти явления становятся причиной выхода из строя оборудования, даже несмотря на наличие грозозащиты. Именно поэтому зачастую все же выбирают проводное соединение компьютеров, пусть даже и более дорогое.
Инфракрасное излучение
Использование инфракрасного излучения в качестве среды передачи данных практикуется уже достаточно давно. Эту среду можно сравнить с радиоволнами, поскольку они обе используют невидимые глазу волны, только работают по-разному.
Данная технология развивалась достаточно быстро, поскольку ее перспективы были очевидны. Это же подтверждала и скорость передачи данных, теоретический показатель которой доходил до 100 Мбит/с. Однако зависимость распространения сигнала от наличия препятствий ограничивала широкое распространение этого способа связи. По этой причине свое основное применение технология передачи данных посредством инфракрасных волн нашла в устройствах удаленного управления объектами, например телевизионным приемником, магнитофоном, гаражными воротами и т. д. Тем не менее подобные технологии могут использоваться и в локальных сетях, например для соединения двух расположенных рядом компьютеров или компьютера с периферией.
Глава 6
Методы доступа к передающей среде
□ Ethernet
□ Token Ring
Как вы уже знаете, для передачи данных по сети используется множество протоколов, работающих на разных уровнях модели ISO/OSI. Чтобы они могли сделать свою работу качественно, процесс передачи данных должен пройти гладко и без ошибок.
Поскольку используются разные технологии построения сетей, например различные сетевые топологии, принцип передачи данных между ними неодинаков. Однако это никак не должно волновать отправителя и получателя информации. Чтобы исключить разнообразные коллизии, когда сразу несколько компьютеров пытаются передавать данные, используются специальные протоколы канального уровня, которые организуют доступ к передающей среде, предварительно исследовав ее и захватив нужный ресурс.
Как мы уже говорили выше, за работу канального уровня отвечают два подуровня – LLC и MAC. Первый из них служит для управления логическим каналом, а второй – для управления доступом к общей среде передачи данных. Именно второй уровень, то есть MAC, представляет наибольший интерес, и именно на нем работают некоторые протоколы, которые предоставляют доступ к разделяемой среде, то есть каналу связи. А уже после того как доступ к передающей среде получен, за работу принимается более высокий уровень, то есть LLC, и начинается передача данных.
Наибольшую популярность в локальных сетях получили два метода доступа к разделяемой среде – Ethernet и Token Ring. Первый из них используется в сетях с применением топологий «шина» и «звезда», а второй – в сетях, построенных по топологии «кольцо».
Ethernet
Метод доступа Ethernet – получил свое распространение преимущественно в сетях стандартов IEEE 802.3. Этот метод имеет несколько модификаций, которые называются CSMA, CSMA/CD и CSMA/CA.
CSMA
Метод доступа к передающей среде CSMA (Carrier Sense Multiple Access) является первым из подобных методов. В данный момент используются его более совершенные модификации. Тем не менее подходы, применяемые в нем, используются и в последующих его модификациях.
Принцип работы метода CSMA достаточно простой и базируется на том, что, прежде чем начать передачу данных, в течение конкретного промежутка времени идет прослушивание канала. Если обнаружены шумы (синхронизирующий сигнал определенной частоты), то есть уже ведется передача данных другими объектами, процесс прослушивания повторяется по прошествии некоторого времени. Если никаких шумов не обнаружено, канал считается незанятым, и начинается передача пакетов с данными.
CSMA/CD
Метод доступа к передающей среде CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), или метод множественного доступа с контролем несущей частоты и обнаружения коллизий, является улучшенной модификацией протокола CSMA. Этот метод используется во всех существующих сетях Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, работа которых описана спецификацией IEEE 802.3.
При использовании метода CSMA часто происходит так, что, прослушав канал на наличие синхронизирующего сигнала и не обнаружив такового (то есть линия считается «чистой»), передачу данных могут произвести сразу несколько компьютеров, что, естественно, вызовет коллизии, и данные будут потеряны.
Согласно методу CSMA/CD, прослушивание линии происходит постоянно, при этом если передаваемые сигналы и наблюдаемые сигналы не совпадают, значит, кто-то еще делает попытку передачи данных. В этом случае, чтобы избежать коллизий и потери данных, передача данных временно прекращается, и отправитель отправляет в линию специальный сигнал jam (32-битная последовательность), который информирует все остальные компьютеры о том, что уже ведется передача данных и компьютерам запрещено осуществлять аналогичные действия. По истечении случайного промежутка времени происходит повторная попытка передачи данных. С каждой новой попыткой время ожидания увеличивается, но если после 16 последовательных попыток передача данных не будет возобновлена, фиксируется ошибка, говорящая о том, что канал передачи данных недоступен, и сообщение об этом поступает протоколу верхнего уровня.
Благодаря такому подходу передача данных происходит не только быстрее (не нужно повторно передавать весь объем), но и с большей гарантией того, что они будут доставлены, даже несмотря на то, что за качество доставки отвечает уровень LLC.
CSMA/CA
Метод доступа к передающей среде CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), или метод множественного доступа с контролем несущей частоты и избеганием коллизий, также является модификацией протокола CSMA. Данный метод доступа к среде чаще всего используется в беспроводных сетях, работа которых описана спецификацией IEEE 802.11.
В отличие от метода доступа к среде CSMA/CD, в которой jam-сигнал высылается только при обнаружении коллизии, метод CSMA/CA сначала отправляет jam-сигнал, информирующий о том, что станция хочет передавать данные, и только потом передает сигнал. После того как выслан jam-сигнал, станция еще некоторое время ожидает и проверяет канал на наличие аналогичных jam-пакетов. Если таковой обнаружен, то есть кто-то уже ведет вещание, станция ждет случайный промежуток времени, и затем процесс повторяется. Если никаких чужих передач не обнаружено, станция начинает передавать данные до тех пор, пока все они не будут переданы. При таком подходе, даже если будет обнаружен чужой jam-пакет, это приведет не к коллизии при передаче данных, а лишь к коллизии jam-пакетов.
Token Ring
Данный метод доступа к общей передающей среде характерен только для сетей, построенных с применением сетевой топологии «кольцо», представителями которых и являются Token Ring и FDDI.
В данном методе используется понятие маркера (Token) – метки специального типа, которая является одним из типов кадра, применяемых для обмена информацией в сетях подобного рода. При наличии маркера любой компьютер сети может передавать данные столько, сколько это будет необходимо, и при этом ему никто не помешает.
Организация сети по топологии «кольцо» подразумевает, что данные передаются по кругу всем участникам сети. При этом блок данных снабжается адресом отправителя, адресом получателя и маркером. Когда получатель, предварительно сверив адрес из блока данных со своим физическим адресом, понимает, что данный пакет адресован ему, он изменяет блок данных, убрав из него маркер. Этот факт и является свидетельством того, что передача данных уже ведется, и другие участники сети просто передают данные далее. После того как данные попали к отправителю, он начинает передачу данных по сформировавшемуся маршруту и ведет ее до тех пор, пока весь объем данных не будет передан. Затем получатель освобождает маркер, добавив его в последний пакет подтверждения доставки, и после этого любой участник сети может захватить его для своих нужд.
Глава 7
Понятие сетевого стандарта
Функционирование локальной сети обусловлено разнообразными стандартами, в частности моделью взаимодействия открытых систем. Кроме того, на основе модели ISO/OSI создано множество стандартов, которые ориентированы на передачу данных в локальной сети с достаточными по современным меркам скоростью и безопасностью.
На сегодня существует уже достаточно много технологий построения локальной сети. Однако независимо от того, какие топологии, каналы связи и методы передачи данных используются, все они реализованы и описаны в так называемых сетевых стандартах. Таким образом, стандарт – это набор правил и соглашений, используемых при создании локальной сети и организации передачи данных с применением определенной топологии, оборудования, протоколов и т. д.
Логично, что сами по себе эти стандарты не появляются: они – результат слаженной работы множества организаций. Принимая во внимание современные требования и возможности, организации разрабатывают все необходимые правила, использование которых позволяет создать сеть с необходимыми возможностями. К числу таких организаций относятся уже упомянутая международная организация по стандартизации, международная комиссия по электротехнике (International Electrotechnical Commision, IEC), международный союз электросвязи (International Telecommunications Union, ITU), институт инженеров электротехники и радиоэлектроники (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), ассоциация производителей компьютеров и оргтехники (Computer and Business Equipment Manufacturers Association, CBEMA), американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute, ANSI) и др. Каждая из этих организаций проводит практические исследования и вносит в создаваемые стандарты коррективы.
Существует достаточно большое количество сетевых стандартов, касающихся абсолютно всех аспектов работы сети. Однако если разработка стандартов относится к определенному типу сети, то имеется четкое разделение на уровне комитетов. При этом в состав комитета входят организации, непосредственно связанные с разрабатываемыми стандартами, то есть те, которые действительно понимают, что они делают и что от них зависит.
Что касается локальных компьютерных сетей, то за разработку сетевых стандартов отвечает комитет 802 по стандартизации локальных сетей, который в 1980 году был сформирован под эгидой IEEE (Институт инженеров электротехники и радиоэлектроники). Именно поэтому все стандарты, разрабатываемые этим комитетом, в своем названии содержат IEEE 802.
В составе комитета 802 находится большое количество подкомитетов, каждый из которых работает по своему направлению и отвечает за стандартизацию разных типов сети и создание отчетов, описывающих процессы, которые возникают при передаче разного рода данных. Например, за разработку стандартов для сети с кабельной системой отвечает комитет IEEE 802.3, с использованием радиоэфира – комитет IEEE 802.11 и т. д.
Наиболее известными подкомитетами являются следующие.
□ IEEE 802.1. Данный подкомитет занимается разработкой стандартов межсетевого взаимодействия и управления сетевыми устройствами. Он разрабатывает стандарты по управлению локальной сетью, принципам и логике работы активного сетевого оборудования, безопасности протоколов MAC-уровня и т. д.
□ IEEE 802.2. Этот подкомитет занимается разработкой стандартов для протоколов канального уровня, осуществляющих логическое управление средой передачи данных.
□ IEEE 802.3. Работа данного подкомитета представляет особый интерес в рамках данной книги, поскольку именно он занимается разработкой стандартов для проводных сетей стандарта Ethernet, которые для доступа к среде передачи данных используют метод множественного доступа с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий CSMA/CD. Данный комитет разработал более 30 стандартов, большая часть которых находит свое применение в современных локальных сетях.
□ IEEE 802.4. Этот комитет разрабатывает стандарты для локальных сетей, которые используют маркерный метод доступа к передающей сети и топологию «шина».
□ IEEE 802.5. Данный комитет разрабатывает правила и спецификации для локальных сетей, которые в качестве метода доступа к среде передачи данных используют метод маркера, а в основе сети лежит топология «кольцо».
□ IEEE 802.6. Стандарты данного комитета описывают принципы и правила функционирования сетей городского масштаба (MAN).
□ IEEE 802.11. Этот комитет разрабатывает стандарты и правила функционирования устройств в беспроводных локальных сетях, которые работают с частотами 2,4; 3,6 и 5 ГГц.
□ IEEE 802.15. Данный комитет разрабатывает стандарты для персональных беспроводных сетей, использующих такие технологии передачи данных, как ZigBee, Bluetooth и т. д.
□ IEEE 802.16. Внимание этого комитета занято стандартизацией функционирования локальных сетей (WiMAX) с использованием беспроводной связи в широком диапазоне частот (2-66 ГГц).
Глава 8
Особенности функционирования беспроводных сетей
□ Режимы функционирования беспроводных сетей
□ Методы и технологии обработки сигнала
□ Шифрование и аутентификация
Использование радиоволн в качестве среды передачи данных имеет целый ряд особенностей, не позволяющих применять методы и режимы работы, которые с успехом используются в проводных сетях. В связи с этим для существующих сетевых стандартов предусмотрены собственные средства доступа к передающей среде, обработки сигнала, шифрования данных и аутентификации и т. д. Далее рассмотрим особенности использования этих механизмов в беспроводных сетях, основанных на принципах Ethernet.
Режимы функционирования беспроводных сетей
Существует два режима или, как их еще называют, конфигурации работы беспроводного оборудования, которые были описаны беспроводным стандартом IEEE 802.11:
□ IBBS (Independent Basic Service Set), независимый базовый набор служб;
□ BBS (Basic Service Set), базовый набор служб.
Выбор режима определяет принцип функционирования сети, используемое для этого оборудование, характеристики сети, сложность администрирования и многое другое.
IBBS
Независимый базовый набор служб (его называют также ad-hoc, режим независимой конфигурации, «точка – точка») – один из режимов работы беспроводной локальной сети, причем самый простой из них. Это выражается в том, что для организации беспроводной сети не нужно никакого дополнительного оборудования, кроме беспроводных адаптеров, установленных на рабочих станциях. При этом каждый беспроводный адаптер сотрудничает сразу со всеми беспроводными адаптерами в сети (рис. 8.1).
Если провести аналогию с проводными сетями, то можно сказать, что данный режим очень похож на топологию «шина», когда данные от одного устройства отправляются сразу всем устройствам и сами устройства определяют, кому эти данные адресованы.
Хотя при этом не используется отдельно стоящее центральное управляющее устройство, тем не менее, чтобы объединить все рабочие станции в локальную сеть, один из беспроводных адаптеров нужно настроить в качестве «ведущего»: необходимо настроить идентификатор сети, метод аутентификации и шифрования, ключ сети и т. д.
Рис. 8.1. Беспроводная сеть в режиме IBBS
Данный режим конфигурации сетевого оборудования имеет свои плюсы и минусы.
Из плюсов можно отметить быстрое развертывание сети в любых условиях, поддержку до 256 подключений, возможность соединения двух рабочих станций на значительном удалении друг от друга (10 и более километров).
Главные минусы – низкая скорость передачи данных (не более 11 Мбит/с), которая к тому же делится между всеми участниками локальной сети, и малый диаметр действия сети.
Данная конфигурация сети идеально подходит, когда нужно быстро соединить между собой два компьютера, чтобы передать между ними небольшой объем данных. Если же требуется выполнение более серьезных задач, то стоит использовать режим BBS.
BBS
Базовый набор служб, или режим инфраструктуры, – еще один режим работы беспроводной сети, который подразумевает использование центрального управляющего узла, называемого точкой доступа (Access Point). Все беспроводные станции подключаются к этой точке доступа (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Беспроводная сеть в режиме BBS
При этом вся необходимая для функционирования сети информация находится в точке доступа. Чтобы подключиться к ней, каждый беспроводной адаптер должен быть настроен соответствующим образом: необходимо указать идентификатор сети, выбрать метод шифрования и т. д.
Такой принцип организации работы является очень гибким и эффективным, он позволяет не только легко менять методы шифрования и аутентификации и расширять сеть, но и создавать комбинированные сети с большим количеством сегментов.
Если, опять же, проводить аналогию с проводным вариантом сети, то режим инфраструктуры практически повторяет топологию «звезда». При этом очень многие технические показатели локальной сети зависят от возможностей точки доступа.
Интересным моментом является возможность увеличения радиуса действия сети. Так, наиболее простой вариант сети подразумевает использование одной точки доступа, но их количество может быть и большим. В этом случае получается некая модификация конфигурации сети, которая получила название расширенного набора служб (Extended Service Set, ESS) (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Беспроводная сеть в режиме ESS
Если в беспроводной сети используется несколько точек доступа, они все представляют собой одно целое, то есть умеют обмениваться между собой всей необходимой информацией. Кроме того, беспроводные адаптеры сами могут выбирать, к какой точке доступа им подключаться. Это позволяет получить более устойчивую связь или переключаться с одной точки доступа на другую, если рабочая станция перемещается.
Возможности точки доступа на этом не заканчиваются. Так, точка доступа может использоваться не только для обслуживания беспроводных устройств: зачастую точка доступа представляет собой коммутатор стандарта 100Base-TX или ему подобного, что позволяет соединять беспроводной и проводной сегменты сети в одно целое с возможностью маршрутизации пакетов между сегментами. Такая организация сети встречается на практике очень часто.
