Локальная сеть: основы функционирования компьютерных сетей

Локальная сеть (локальная вычислительная сеть или ЛВС) представляет собой среду взаимодействия нескольких компьютеров между собой. Цель взаимодействия — передача данных. Локальные сети, как правило, покрывают небольшие пространства (дом, офис, предприятие) — чем и оправдывают своё название. ЛВС может иметь как один, так и несколько уровней. Для построения многоуровневой локальной сети применяют специальное сетевое оборудование: маршрутизаторы, коммутаторы. Существует несколько способов объединения компьютеров и сетевого оборудования в единую компьютерную сеть: проводное (витая пара), оптическое (оптоволоконный кабель) и беспроводное (Wi-Fi, Bluetooth) соединения.

Топология локальной сети

Первое к чему нужно приступать при изучении основ функционирования компьютерных сетей, это топология (структура) локальной сети. Существует три основных вида топологии: шина, кольцо и звезда.

Линейная шина

Все компьютеры подключены к единому кабелю с заглушками по краям (терминаторами). Заглушки необходимы для предотвращения отражения сигнала. Принцип работы шины заключается в следующем: один из компьютеров посылает сигнал всем участникам локальной сети, а другие анализируют сигнал и если он предназначен им, то обрабатывают его. При таком взаимодействии, каждый из компьютеров проверяет наличие сигнала в шине перед отправкой данных, что исключает возникновения коллизий. Минус данной топологии — низкая производительность, к тому же, при повреждении шины нарушается нормальное функционирование локальной сети и часть компьютеров не в состоянии обрабатывать либо посылать сигналы.

Кольцо

В данной топологии каждый из компьютеров соединен только с двумя участниками сети. Принцип функционирования такой ЛВС заключается в том, что один из компьютеров принимает информацию от предыдущего и отправляет её следующему выступая в роли повторителя сигнала, либо обрабатывает данные если они предназначались ему. Локальная сеть, построенная по кольцевому принципу более производительна в сравнении с линейной шиной и может объединять до 1000 компьютеров, но, если где-то возникает обрыв сеть полностью перестает функционировать.

Звезда

Топология звезда, является оптимальной структурой для построения ЛВС. Принцип работы такой сети заключается во взаимодействии нескольких компьютеров между собой по средствам центрального коммутирующего устройства (коммутатор или свитч). Топология звезда позволяет создавать высоконагруженные масштабируемые сети, в которых центральное устройство может выступать, как отдельная единица в составе многоуровневой ЛВС. Единственный минус в том, что при выходе из строя центрального коммутирующего устройства рушится вся сеть или её часть. Плюсом является то, что, если один из компьютеров перестаёт функционировать это никак не сказывается на работоспособности всей локальной сети.

Беспроводной способ

Имеется в виду объединение по радиоволнам. Самый распространенный сейчас вариант — это Wi-Fi. Однако возможно подключение также через Bluetooth и GPRS. В любом случае скорость будет ниже, чем при соединении по проводам. В среднем, по вай-фаю она составляет 10 Мбит/с и выше.

Для создания сетки без участия проводов нужно, чтобы в компьютерах был специальный модуль. В современных ноутбуках он обычно встроен, а для ПК можно купить внешнее устройство. Также необходим единый сетевой шлюз (роутер), к которому будет подведен проводной интернет. А участники сети будут получать его по радиоволнам.

Что такое MAC-адрес, IP-адрес и Маска подсети?

Прежде чем познакомиться с основными принципами взаимодействия сетевых устройств, необходимо подробно разобрать, что такое IP-адрес, MAC-адрес и Маска подсети.

MAC-адрес — это уникальный идентификатор сетевого оборудования, который необходим для взаимодействия устройств в локальной сети на физическом уровне. MAC-адрес «вшивается» в сетевую карту заводом изготовителем и не подлежит изменению, хотя при необходимости это можно сделать на программном уровне. Пример записи MAC-адреса: 00:30:48:5a:58:65.

IP-адрес – это уникальный сетевой адрес узла (хоста, компьютера) в локальной сети, к примеру: 192.168.1.16. Первые три группы цифр IP-адреса используется для идентификации сети, а последняя группа для определения «порядкового номера» компьютера в этой сети. Если провести аналогию, то IP-адрес можно сравнить с почтовым адресом, тогда запись будет выглядеть так: регион.город.улица.дом. Изначально, использовались IP-адреса 4-ой версии (IPv4), но когда количество устройств глобальной сети возросло до максимума, то данного диапазона стало не хватать, в следствии чего был разработан протокол TCP/IP 6-ой версии — IPv6. Для локальных сетей достаточно 4-ой версии TCP/IP протокола.

Маска подсети – специальная запись, которая позволяет по IP-адресу вычислять адрес подсети и IP-адрес компьютера в данной сети. Пример записи маски подсети: 255.255.255.0. О том, как происходит вычисление IP-адресов мы рассмотрим чуть позже.

Теоретическая страничка

Итак, LAN расшифровывается как Local Area Network. Это действительно переводится как локальная сеть.

Если сказать проще, то LAN – это несколько объединенных между собой компьютеров, роутеров и других устройств, которые могут подключаться к сети.

А объединены они между собой либо с помощью кабелей, либо с помощью Wi-Fi. На рисунке 1 Вы можете видеть довольно яркий пример локальной сети.

Рис. 1. Пример LAN

Как видим, здесь основным элементом сети является роутер, который подключен к интернету (WAN). Запомните эту аббревиатуру, о ней мы еще поговорим.

А пока что разберем показанную выше схему. На ней цифрами обозначены сегменты сети, а конкретно:

1. Коммутатор, через который подключаются другие устройства.

Как известно, коммутатор является тем устройством, которое получает сигнал по кабелю и таким же образом, по кабелю передает его другим подключенным к нему устройствам.

Фактически, коммутатор можно сравнить с советским тройником, который включался в розетку, и в него можно было включить еще 3 устройства, к примеру, утюг, телевизор и телефон.

Здесь принцип тот же, только передается не электричество, а информация. Это, опять же, если говорить рабоче-крестьянским языком.

Рис. 2. Советский тройник

2. Ноутбук, который подключается к роутеру через Wi-Fi.

3. DVD-плеер, подключенный к роутеру при помощи кабеля. Для этого на роутере есть специальные разъемы LAN, которые обычно обозначены желтым цветом. В большинстве случаев таких разъема 4.

4. Планшет, подключенный также при помощи сигнала Wi-Fi.

5. Персональный компьютер, который подключен точно так же, как DVD-плеер, при помощи кабеля.

6. Еще один ноутбук, который также подключается с помощью провода.

7. Смартфон – использует Wi-Fi сигнал.

Как мы говорили выше, для подключения к роутеру через кабель используется LAN разъем. Мы можем видеть это на рисунке 3.

Рис. 3. Роутер – вид сзади

Как видим, в этой модели все стандартно – 4 разъема LAN, но есть еще один и он уже отличается синим цветом.

Собственно, это и есть WAN (помните, мы говорили о том, что это понятие нужно запомнить?). Чтобы более точно понять, что же такое LAN, можно сравнить его с этим самым WAN.

К слову: И LAN, и WAN подключаются через самый обычный кабель с наконечником RJ45, показанным на рисунке 4. Выше мы говорили о том, что, к примеру, сегмент №3 на рисунке 1, то есть DVD-плеер, подключается к роутеру с помощью кабеля. Этот кабель представляет собой обычная витая пара с наконечниками RJ45 с обеих сторон. Вот так все просто!

Рис. 4. Наконечник RJ45

Что такое ARP протокол или как происходит взаимодействие устройств ЛВС?

ARP — это протокол по которому определяется MAC-адрес узла по его IP-адресу. Например, в нашей локальной сети есть несколько компьютеров. Один должен отправить информацию другому, но при этом знает только его IP-адрес, а для взаимодействия на физическом уровне нужен MAC-адрес. Что происходит? Один из компьютеров отправляет широковещательный запрос всем участникам локальной сети. Сам запрос, содержит IP-адрес требуемого компьютера и собственный MAC-адрес. Другой компьютер с данным IP-адресом, понимает, что запрос пришел к нему и в ответ высылает свой MAC-адрес на тот, который пришел в запросе. После чего собственно и инициализируется процесс передачи информационных пакетов.

Сетевой коммутатор и маршрутизатор (роутер)

Для согласования работы сетевых устройств используется специальное сетевое оборудование — коммутаторы и маршрутизаторы. Исходя из рассмотренного выше, важно понять простую истину — коммутаторы работают с MAC-адресами, а маршрутизаторы (или роутеры) с IP-адресами.

Коммутатор содержит таблицу MAC-адресов устройств локальной сети непосредственно подключенных к его портам. Изначально таблица пуста и начинает заполняться при старте работы коммутатора, происходит сопоставление MAC-адресов устройств и портов, к которым они подключены. Это необходимо для того, чтобы коммутатор напрямую пересылал информационные пакеты тем участникам локальной сени, которым они предназначены, а не опрашивал все устройства ЛВС.

Маршрутизатор также имеет таблицу, в которую заносит IP-адреса устройств на основе анализа локальной сети. Роутер может самостоятельно раздавать IP-адреса устройствам ЛВС благодаря протоколу динамического конфигурирования узла сети (DHCP). Таблица маршрутизации позволяет роутеру вычислять наикратчайшие маршруты для отправки информационных пакетов между различными узлами ЛВС. Данные узлы (компьютеры) могут находиться в любом сегменте многоуровневой сети невзирая на архитектуру той или иной подсети. К примеру, маршрутизатор связывает локальную сеть с глобальной (интернет) через сеть провайдера.

Основные характеристики

Локальный канал связан с объединением устройств в одно целое для работы в офисе или дома. В ЛВС бывает сразу несколько отделов. Благодаря одной паутине можно контролировать все компьютеры с одного устройства, повышая продуктивность работы сотрудников компании. В паутину входит следующее оборудование:

коммутаторы, маршрутизаторы, которые относятся к основному оборудованию;
коммуникационные панели, кабели и другие дополнения, относящиеся к пассивному оборудованию;
принтеры, серверы и сканеры – относятся к периферийному оборудованию.

Независимо от типа ЛВК, к ним есть следующие требования:

высокая скорость – характеристики паутины;
адаптация – возможность ЛВК внедрять новые рабочие станции;
надежность – должна работать независимо от вышедших из строя элементов оборудования.

Пример маршрутизации

Допустим, в таблице маршрутизации есть такая запись:

Сеть	Маска	Интерфейс
192.168.1.0	255.255.255.0	192.168.1.96

Роутер получает пакет, предназначенный для хоста с IP-адресом 192.168.1.96, после чего начинает обход таблицы маршрутизации и обнаруживает, что при наложении маски подсети 255.255.255.0 на IP-адрес 192.168.1.96 вычисляется сеть с IP-адресом 192.168.1.0. Пройдя строку до конца роутер находит IP-адрес интерфейса 192.168.1.96, на который и отправляет полученный пакет.

Как происходит вычисление IP-адреса сети и компьютера?

Для вычисления IP-адреса сети используется маска подсети. Начнем с того, что привычная для наших глаз запись IP-адреса представлена в десятеричном формате (192.168.1.96). На самом деле, сетевое устройство данный IP-адрес видит, как набор нолей и единиц, то есть в двоичной системе исчисления (11000000.10101000.00000001.01100000). Так же выглядит и маска подсети (255.255.255.0 -> 11111111.11111111.11111111.00000000).

IP-адрес назначения	192.168.1.96	11000000 10101000 00000001 01100000
Маска подсети	255.255.255.0	11111111 11111111 11111111 00000000
IP-адрес сети	192.168.1.0	11000000 10101000 00000001 00000000

Что получается? Какой бы у нас не был IP-адрес назначения (к примеру 192.168.1.96 или 192.168.1.54) при наложении на него маски подсети (255.255.255.0) будет получаться один и тот же результат (192.168.1.0). Происходит это из-за поразрядного (побитного) сравнения записей (1х1 = 1, 1х0 = 0, 0х1 = 0). При этом IP-адрес компьютера берётся из последней группы цифр IP-адреса назначения. Также стоит учитывать, что из общего диапазона адресов, в рамках одной подсети, доступно будет на два адреса меньше, потому что 192.168.1.0 – является IP-адресом самой сети, а 192.168.1.255 – служебным широковещательным адресом для передачи общих пакетов запросов.

Проводное соединение

Используется витая пара либо оптический кабель, который подключаются к сетевым картам на ПК. Такие устройства есть в любом железе, которому не больше 10-15 лет, — они интегрируются в материнскую плату.

Проводное объединение обеспечивает наиболее стабильную и быструю передачу данных. В современных вариантах пропускная способность составляет 100 Мбит/с и выше через витую пару . От 10 Гбит/с по оптоволокну. Для такого подключения чаще всего применяется технология Ethernet.

Когда совокупность компьютеров большая или необходимо с одного сервера раздавать интернет, могут быть использованы хабы (коммутаторы). Они имеют несколько разъемов для подключения проводов. В их функции входит ретрансляция входящего в один порт сигнала по другим интерфейсам.

Что такое NAT?

В последнем пункте данной статьи, рассмотрим, что такое NAT. Как уже упоминалось ранее, маршрутизатор связывает между собой сети не только на локальном уровне, но и взаимодействует с сетью провайдера с целью получения доступа к сети интернет. Для пересылки пакетов во внешнюю сеть, роутер не может использовать IP-адреса компьютеров из локальной сети, так как данные IP-адреса являются «частными» и предназначены только для организации взаимодействия устройств внутри ЛВС. Маршрутизатор имеет два IP-адреса (внутренний и внешний), один в локальной сети (192.168.1.0), другой (к примеру 95.153.133.97) ему присваивает сеть провайдера при динамическом распределении IP-адресов. Именно второй IP-адрес роутер будет использовать для отправки и получения пакетов по сети интернет. Для реализации такой подмены и был разработан NAT.

NAT (Network Address Translation) — механизм преобразование сетевых адресов, является частью TCP/IP-протокола.

Принцип NAT заключается в следующем: при отправке пакета из ЛВС маршрутизатор подменяет IP-адрес локальной машины на свой собственный, а при получении производит обратную замену и отправляет данные на тот компьютер, которому они и предназначались.

Кратко о компьютерных сетях

Компьютерная (или же вычислительная) сеть позволяет соединить несколько различных устройств в одну систему, внутри которой может происходить обмен данными. Главными элементами таких сетей являются компьютеры, но в них также могут участвовать и принтеры, сетевое оборудование, серверы, хранилища, телевизоры, телефоны и другие устройства. Все эти устройства называются оконечными узлами. Но в сети также присутствуют и промежуточные элементы — это различные маршрутизаторы, роутеры, модемы, точки беспроводного доступа, коммутаторы. Всё это соединяется между собой с помощью так называемой сетевой среды. Сетевая среда — это оптоволоконные кабели, радиоволны Wi-Fi, витые пары, с помощью которых все устройства подключаются к сети и взаимодействуют между собой.

Из этих трёх типов элементов состоит любая компьютерная сеть

Компьютерные сети бывают локальными (LAN) и глобальными (WAN). В чём между ними ключевая разница? Первые располагаются на ограниченной территории (обычно не выходя за пределы одного здания), а вторые могут распространяться на куда большую площадь — расстояние между узлами может составлять сотни и тысячи километров. Нас как пользователей сейчас больше интересуют локальные компьютерные сети — именно их мы разворачиваем дома, ими пользуемся на работе или на учёбе.

Стоит отметить, что различия между локальными и глобальными компьютерными сетями потихоньку стираются. Это связано с улучшением и тех, и других. Возможно, в ближайшем будущем между ними уже не будет значительной разницы.

Дополнительно можно выделить городские компьютерные сети — MAN (Metropolitan Area Network). Они отличаются от WAN, прежде всего, площадью покрытия и занимают, как нетрудно догадаться, один город. MAN предоставляет услуги кабельного телевещания, телефонии, а также является точкой опоры для провайдеров.