Основы сетевых технологий

Модульная единица 2. Основы сетевых технологий ВВЕДЕНИЕ Сегодня мы наблюдаем переломный момент в использовании технологий, расширяющих наши возможности общения. Скорость глобализации Интернета превзошла все ожидания. Способы социального, коммерческого, политического и личного взаимодействия очень быстро меняются, чтобы не отставать от темпов эволюции глобальной сети. На следующей стадии разработчики будут использовать Интернет в качестве основы для создания новых продуктов и услуг, использующих все преимущества сети. По мере воплощения в жизнь все новых и новых проектов, казавшихся ранее недостижимыми, возможности объединенных сетей, образующих Интернет, будут играть все возрастающую роль в реализации этих проектов. В этой модульной единице представлена платформа сетей передачи данных, от которой наши социальные и деловые отношения зависят все в большей степени. Этот материал закладывает основу для изучения услуг, технологий и проблем, с которыми имеют дело специалисты по сетям при проектировании, реализации и поддержке современных сетей. Роль сетей в нашей повседневной жизни Среди основных потребностей человека необходимость взаимодействия с другими людьми — одна из самых важных. Общение почти так же важно для нас, как воздух, вода, пища и кров. В современном мире за счет использования сетей мы связаны друг с другом, как никогда раньше. Люди с творческими идеями могут мгновенно связываться с другими людьми и воплощать свои идеи в реальность. Новости и открытия становятся известными во всем мире в считанные секунды. Мы можем выходить в сеть и играть в игры с другими людьми, находящимися на других континентах. Представьте себе мир без Интернета. Больше нет Google, YouTube, обмена мгновенными сообщениями, Facebook, Википедии, онлайн-игр, Netflix, iTunes и легкого доступа к текущей информации. Нет сайтов сравнения цен, нельзя покупать товары через Интернет и не стоять за ними в очереди, невозможно быстро найти телефонные номера и посмотреть маршрут одним щелчком мыши. Как бы мы жили без всего этого? А ведь так было всего лишь 15–20 лет назад. Но за эти годы сети передачи данных постепенно расширялись и меняли свое назначение, улучшая качество жизни людей всего мира. Сети без границ Достижения в сетевых технологиях, пожалуй, являются одними из самых значительных изменений в мире. Сети создают мир, в котором границы стран, расстояния и физические границы перестают иметь значение и составляют все меньше препятствий. Интернет изменил характер социального, коммерческого, политического и личного взаимодействия. Возможность мгновенных коммуникаций через Интернет способствует созданию глобальных сообществ. Глобальные сообщества обеспечивают социальное взаимодействие независимо от местоположения или часового пояса. Интернет-сообщества для обмена идеями и информацией могут повысить эффективность взаимодействия по всему миру. Компания Cisco называет это «человеческой сетью». В основе этой сети — взаимосвязь Интернета и сетей с людьми и предприятиями. Что значит «человеческая сеть» для вас? Сеть помогает в обучении Сети изменили наш способ обучения. Получить услуги высококвалифицированных преподавателей теперь могут не только студенты, проживающие в непосредственной близости от образовательного учреждения. Нажмите кнопку «Воспроизведение» на видео, чтобы посмотреть видеоролик об изменениях, произошедших в учебных классах. Дистанционное обучение не знает географических препятствий и позволяет предоставить учащимся больше возможностей. Надежные и устойчиво работающие сети делают процесс обучения эффективнее. С их помощью можно предоставлять учебные материалы в самых разных форматах, включая интерактивные занятия, контрольные работы и обратную связь. Сети помогают в общении Глобализация Интернета привела к возникновению новых форм общения, которые дают людям возможность создавать информацию, доступную глобальной аудитории. Некоторые формы общения: • Мгновенный обмен сообщениямиобеспечивает непосредственную связь в режиме реального времени между двумя или более участниками. • Социальные сети — интерактивные веб-сайты, где люди и сообщества создают свой контент и делятся им с друзьями, близкими, коллегами и всем миром. • Инструменты совместной работы — в отсутствии ограничений, связанных с местоположением или часовым поясом, инструменты совместной работы позволяют сотрудникам общаться друг с другом (часто через интерактивное видео в режиме реального времени). Широкое распространение сетей передачи данных означает, что пользователи в удаленных регионах могут участвовать в общественной, научной, социальной жизни также, как и пользователи в крупных населенных пунктах. • Блоги (сокращение от «веб-логи») — веб-страницы, которые можно легко обновлять и редактировать. В отличие от коммерческих веб-сайтов блоги дают возможность донести свои мысли до глобальной аудитории любому человеку без особых технических знаний в области создания сайтов. • Вики-ресурсы, вики — это веб-страницы, которые группы людей могут изменять и просматривать вместе. При этом блог — это, скорее, персональный дневник, тогда как вики-страницу создают вместе. Таким образом появляются больше возможностей для проверки и редактирования. Многие компании используют вики в качестве инструмента организации внутренней совместной работы. • Подкасты — записи, которыми люди делятся с широкой аудиторией. Аудиофайл размещают на веб-сайте (или в блоге или в разделе вики), откуда другие пользователи могут его загрузить и воспроизводить на компьютере, ноутбуке и других мобильных устройствах. • Обмен файлами через одноранговые сети (Peer-to-peer, P2P) позволяет обмениваться файлами друг с другом, не храня их на центральном сервере. Пользователи подключаются к сети P2P путем установки программного обеспечения P2P. Совместный доступ к файлам P2P был принят не всеми. Многие обеспокоены тем, что таким образом нарушаются законы о защите авторских прав. Какие еще сайты или инструменты вы используете, чтобы поделиться своими мыслями? Сети помогают в работе В деловом мире сети передачи данных первоначально использовались для управления финансовой информацией, информацией о заказчике и системой начисления заработной платы. Эти коммерческие сети развивались и делали возможным предоставление различных типов информационных услуг, таких как электронная почта, видео, обмен сообщениями и телефония. Все шире распространяется использование сетей для эффективного и экономически выгодного обучения сотрудников. Возможности онлайн-обучения позволяют сократить длительные и дорогостоящие командировки, при этом обеспечивается гарантия того, что все сотрудники будут безопасно и эффективно подготовлены к выполнению своей работы. Существует множество историй успеха, которые демонстрируют инновационные способы использования сети для достижения нами успеха на рабочем месте. Сети помогают нам хорошо проводить время Интернет используется для традиционных форм развлечений. Мы слушаем записи исполнителей, смотрим кинофильмы, читаем книги и загружаем материалы, чтобы в дальнейшем воспользоваться ими в оффлайн режиме. Спортивные мероприятия и концерты можно смотреть в реальном времени, а также записывать и просматривать по запросу. Сети помогают создавать новые формы развлечений, например онлайн-игры. Пользователи соревнуются во всех играх, какие только могут придумать разработчики. Онлайн-игры настолько реальны, что нам кажется, будто мы находимся с другими игроками в одном помещении. Благодаря совместной работе в сети растет и наша активность в реальной жизни. Значительно выросло число глобальных сообществ по интересам. Мы делимся впечатлениями и увлечениями с людьми, которые находятся далеко от нас. Спортивные болельщики обмениваются мнениями и новостями, связанными с их любимыми командами. Коллекционеры размещают ценные коллекции в Интернете и получают о них отзывы от специалистов. Какой бы способ для отдыха и развлечений мы не выбрали, сети помогут нам получить еще больше удовольствия! А как вы отдыхаете в Интернете? Сети различного размера Существуют сети любого размера, начиная от простых сетей из двух компьютеров и до систем, соединяющих миллионы устройств. Нажмите на изображения на рисунке, чтобы прочесть о сетях разных размеров. В небольших домашних сетях возможно организовать общий доступ к ресурсам, таким как принтеры, документы, изображения, музыка. Сети малых и домашних офисов часто настраивают люди, которые работают из дома или удаленного офиса и которым необходимо подключение к корпоративной сети или другим централизованным ресурсам. Кроме того, индивидуальные предприниматели используют сети малого и домашнего офиса в рекламных целях и для продажи продукции, заказа расходных материалов и взаимодействия с клиентами. На предприятиях и в крупных организациях сети могут использоваться в еще более широком масштабе, чтобы сотрудники могли собирать, хранить и получать информацию на сетевых серверах. Кроме того, сети позволяют наладить быструю связь между сотрудниками через электронную почту, обмен мгновенными сообщениями, а также с помощью инструментов совместной работы. Помимо обеспечения преимуществ внутри организации большинство компаний также использует сети для предоставления продуктов и услуг заказчикам через Интернет. На сегодняшний день Интернет является крупнейшей сетью мира. На самом деле понятие «Интернет» означает «сеть всех сетей». Интернет буквально представляет собой объединение подключенных друг к другу частных и общедоступных сетей  1. Небольшие домашние сети обеспечивают связь нескольких компьютеров между собой и выход в Интернет. 2. Небольшие домашние или офисные сети (SOHO) позволяют подключаться к корпоративной сети или получать доступ к централизованным и совместно используемым ресурсам из дома или удаленного офиса. 3. Средние и крупные сети, например, используемые корпорациями или образовательными учреждениями, могут связывать множество местоположений с сотнями или тысячами компьютеров. 4. Глобальная электронная сеть Интернет является сетью сетей, связывающей миллионы компьютеров по всему миру. Компьютерная сеть (сеть передачи данных) представляет собой совокупность узлов (компьютеров, сетевых принтеров, IP-камер, IP-телефонов, дисковых массивов), объединенных с помощью каналов связи (кабельных или беспроводных) и сетеобразующего телекоммуникационного оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов, модемов, точек доступа и т.д.) в единую систему для обмена сообщениями и доступа пользователей к программным, техническим, информационным и организационным ресурсам сети. Клиенты и серверы Все компьютеры, подключенные к сети и непосредственно участвующие в обмене данными, считаются узлами. Узлы также называют оконечными устройствами. Серверы — это компьютеры с установленным программным обеспечением, позволяющим предоставлять данные (например, доступ к электронной почте или веб-страницам) другим оконечным устройствам в сети. Для работы каждой службы необходимо отдельное серверное программное обеспечение. Например, для работы веб-служб в сети на узле должно быть установлено ПО веб-сервера. Компьютер с серверным программным обеспечением может одновременно обслуживать один или несколько клиентов. Кроме того, на одном компьютере можно параллельно установить несколько типов серверного ПО. В домашних или небольших корпоративных сетях одному компьютеру приходится выступать в качестве файлового сервера, веб-сервера и сервера электронной почты. Клиенты — это компьютеры с установленным программным обеспечением, которое позволяет им запрашивать и отображать информацию, полученную с сервера. Примером клиентского программного обеспечения является веб-браузер, например Chrome или FireFox. Кроме того, на одном компьютере можно запускать несколько типов клиентского программного обеспечения. Например, у пользователя есть возможность проверять электронную почту, просматривать веб-страницы, обмениваться мгновенными сообщениями и слушать интернет-радио. На файловом сервере в центральном пункте хранятся корпоративные и пользовательские файлы. Клиентские устройства получают доступ к этим файлам с помощью клиентского ПО, такого как Windows Explorer. Одноранговые сети Обычно клиентское и серверное программное обеспечение запускается на разных компьютерах, но эти роли может играть и один компьютер. В небольших корпоративных и домашних сетях многие компьютеры работают и как серверы, и как клиенты. Такие сети называются одноранговыми. Преимущества и недостатки одноранговых сетей: Обзор компонентов сети Маршрут, по которому сообщение идет от источника к месту назначения, может быть простым (например, один кабель, соединяющий один компьютер с другим), или сложным (например, сети, буквально охватывающие весь мир). Такая сетевая инфраструктура обеспечивает стабильный и надежный канал для передачи данных. Сетевая инфраструктура включает в себя три категории компонентов сети. • Устройства • Средcтва подключения • Сервисы Устройства и средства подключения - это физические элементы или аппаратное обеспечение сети. Аппаратное обеспечение зачастую является видимой частью сетевой платформы: ноутбук, ПК, коммутатор, маршрутизатор, беспроводная точка доступа или кабели, используемые для соединения устройств. Сервисы включают в себя множество сетевых приложений, которые люди используют ежедневно, например сервисы электронной почты и веб-хостинга. Процессы обеспечивают функциональность, посредством которой сообщения направляются и перемещаются в пределах сети. Процессы менее очевидны для нас, но критически важны для работы сетей. Оконечные устройства Сетевые устройства, с которыми пользователи знакомы лучше всего, называются оконечными устройствами. Примеры оконечных устройств представлены на рис. 1. Оконечное устройство является либо отправителем (источником), либо получателем (адресатом) сообщения, передаваемого по сети. Каждому оконечному устройству в сети назначается адрес, чтобы устройства можно было отличить. Если оконечное устройство инициирует обмен данными, то в качестве получателя сообщения оно использует адрес оконечного устройства назначения. Промежуточные сетевые устройства Промежуточные устройства соединяют отдельные оконечные устройства с сетью и могут соединять несколько отдельных сетей для создания объединенной сети. Такие устройства обеспечивают подключение и прохождение потоков данных по сети. Для определения пути передачи сообщения промежуточные устройства используют адрес оконечного устройства назначения в сочетании с информацией о связях в сети. Примеры распространенных промежуточных устройств и перечень их функций показаны на рисунке. Средства сетевого подключения Связь в сети осуществляется через среды передачи данных Средство подключение предоставляет собой канал, по которому сообщение передается от источника к адресату. В современных сетях в основном используются три типа средств подключения, связывающих устройства и обеспечивающих маршрут передачи данных. Как показано на рис. 1, это следующие средства подключения. • Металлические провода в кабелях — данные кодируются в электрические импульсы. • Стеклянные или пластиковые волокна (оптоволоконный кабель) — данные кодируются в световые импульсы. • Беспроводная передача — данные кодируются при помощи электромагнитных волн радиочастотного диапазона. Типы средств подключения различаются возможностями и преимуществами. Средства сетевого подключения данных имеют разные характеристики и выполняют разные задачи. На рис. 2 показаны критерии выбора средства подключения. Представления сети Для представления различных устройств и каналов, из которых состоит сеть, на схемах сетей часто используются символы, такие как на рис. 1. Схема обеспечивает наглядный способ понимания, каким образом устройства в большой сети связаны между собой. Этот тип изображения сети называется схемой топологии. Способность понимать логические представления физических сетевых компонентов имеет критическое значение в визуализации организации и функционирования сети. Помимо этого при обсуждении способов подключения устройств и средств подключения друг к другу используется специализированная терминология. Важные термины, которые следует запомнить. • Сетевая интерфейсная плата (Network Interface Card, NIC) — интерфейсная плата или адаптер сети LAN, который обеспечивает физическое подключение к сети на настольном компьютере или другом устройстве. Средство подключения, соединяющее компьютер с сетевым устройством, подключается непосредственно к сетевой плате (рис. 2). • Физический порт — разъем на сетевом устройстве, через который кабели подключены к компьютеру или другому сетевому устройству. • Интерфейс — специализированные порты в сетевом устройстве, которые подключаются к отдельным сетям. Поскольку маршрутизаторы используются для связывания сетей, порты маршрутизатора называются сетевыми интерфейсами. Примечание. Термины «порт» и «интерфейс» часто взаимозаменяемы. Топологические схемы Топологические схемы необходимы каждому, кто работает с сетью. Они представляют визуальную карту соединений в сети. Существует два типа топологических схем. • Схемы физической топологии — физическое расположение промежуточных устройств и кабельных линий. (Рис. 1) • Схемы логической топологии — определение устройств, портов и схемы адресации. (Рис. 2) Типы сетей Сетевые инфраструктуры могут значительно отличаться по следующим критериям. • Размер площади покрытия • Количество подключенных пользователей • Количество и типы доступных служб • Область ответственности На рисунке представлены два наиболее распространенных типа сетевой инфраструктуры. • Локальная сеть (LAN) — сетевая инфраструктура, предоставляющая доступ пользователям и оконечным устройствам на небольшой территории; обычно является домашней сетью, сетью малого или крупного предприятия, управляется одним лицом или ИТ-отделом и принадлежит им. • Глобальная сеть (WAN) -— сетевая инфраструктура, предоставляющая доступ к другим сетям на большой территории; обычно принадлежит провайдерам телекоммуникационных услуг и находится под их управлением. Другие типы сетей • Городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) — сетевая инфраструктура, которая охватывает территорию больше, чем локальная сеть, но меньше глобальной сети (например, город). Как правило, управляет городскими сетями одна организация, например крупный сетевой оператор. • Беспроводные локальные сети (WLAN) — аналогичны локальным сетям, но соединяют пользователей и оконечные устройства на небольшой территории с помощью беспроводной связи. • Сеть хранения данных (SAN) — сетевая инфраструктура, разработанная для поддержки файловых серверов, хранения данных, их получения из хранилища и репликации. Локальные сети Сети LAN — сетевая инфраструктура, которая охватывает небольшую территорию. Особенности сетей LAN. • Сети LAN связывают оконечные устройства в ограниченной области, например в доме, школе, офисном здании или комплексе зданий. • Сети LAN обычно администрирует одна организация или частное лицо. Администратор управляет политикой безопасности и контролем доступа на сетевом уровне. • Сети LAN предоставляют высокоскоростной доступ к внутренним оконечным и промежуточным устройствам. Глобальные сети Глобальные сети — сетевая инфраструктура, которая охватывает обширную территорию. Глобальными сетями обычно управляют операторы связи (SP) или Интернет-провайдеры (ISP). Особенности глобальных сетей. • Сети WAN связывают локальные сети в обширных географических областях, таких как города, штаты, регионы, страны или континенты. • Управляют глобальными сетями обычно различные операторы связи. • Сети WAN обычно обеспечивают менее скоростные соединения между локальными сетями. Интернет Интернет — это объединение взаимосвязанных сетей в мировом масштабе. На данном рисунке Интернет показан как объединение подключенных друг к другу сетей LAN и WAN. Некоторые сети LAN в примере подключены друг к другу через сеть WAN. Затем глобальные сети соединяются между собой. Красные линии соединения глобальных сетей отображают все многообразие способов подключения сетей. Глобальные сети могут соединяться друг с другом посредством медных проводов, оптоволоконного кабеля и беспроводной передачи данных (на рисунке не показана). Интернет не принадлежит какому-либо лицу или группе людей. Обеспечение эффективного общения с помощью такой разнообразной инфраструктуры требует применения последовательных и общепризнанных технологий и стандартов, а также совместной работы многих учреждений, администрирующих сети. Вопросами регулирования структуры и стандартизации протоколов и процессов Интернета занимаются специальные организации. Эти организации включают в себя Инженерную группу по развитию Интернета (Internet Engineering Task Force, IETF), Ассоциацию по присвоению имен и номеров портов (International Corporation for Assigned Names and Numbers, ICANN) и Совет по архитектуре сети Интернет (Internet Architecture Board, IAB), а также многие другие. Примечание. Термин internet (со строчной буквы i) используется в английском языке для описания нескольких подключенных друг к другу сетей. Глобальную систему взаимосвязанных компьютерных сетей и доступа обозначают термином Internet (с прописной буквы). Сети Интранет и Экстранет Два других термина, схожих с термином «Интернет» • Интранет • Экстранет Термин «Интранет» часто используется для обозначения частных сетей LAN и WAN, которые принадлежат организации и доступны только ее членам, сотрудникам и прочим авторизованным лицам. Организация может использовать Экстранет для защищенного и безопасного доступа сотрудников, которые работают в других организациях, но которым необходим доступ к данным компании. Примеры сетей Экстранет. • Компания, предоставляющая доступ внешним поставщикам или подрядчикам. • Больница, где используется система записи к врачам, которые имеют возможность назначать дату приема пациентов. • Местное управление образования, предоставляющее школам своего района данные о размере бюджета и кадрах. Технологии доступа в Интернет Существует множество способов подключения пользователей и организаций к Интернету. Домашние пользователи, удаленные сотрудники компаний и малые офисы, как правило, для доступа в Интернет нуждаются в подключении к поставщикам услуг Интернета. Варианты подключения существенно меняются в зависимости от интернет-провайдера и географического местоположения. Однако популярные варианты включают в себя широкополосную кабельную сеть, широкополосную цифровую абонентскую линию (DSL), беспроводные глобальные сети и мобильные сервисы. Организациям обычно нужен доступ к другим корпоративным узлам и Интернету. Для бизнес-сервисов, в том числе веб-конференций, IP-телефонов, центров обработки и хранения данных требуются быстрые соединения. Каналы для бизнеса обычно предоставляются операторами связи. Популярные услуги бизнес-класса включают DSL, арендуемые линии и сеть Metro Ethernet. Интернет-подключение для дома и небольшого офиса На рисунке показаны стандартные варианты подключения малых и домашних офисов. • Кабельное подключение — обычно предлагают поставщики услуг кабельного телевидения. Данные передаются по тому же кабелю, который используется для передачи сигналов кабельного телевидения. Этот способ обеспечивает подключения к Интернету с высокой пропускной способностью и постоянным доступом к сети. • DSL — цифровая абонентская линия обеспечивает подключение к Интернету с высокой пропускной способностью и постоянным доступом к сети. DSL использует телефонные линии связи. Обычно небольшие и домашние офисы используют асимметричные линии DSL (ADSL), в которых данные пользователю передаются с большей скоростью, чем от пользователя. • Сотовая связь — для доступа в Интернет используется мобильная телефонная сеть. В любой точке, где доступен сигнал сотовой сети, можно получить доступ в Интернет. Производительность будет ограничена возможностями телефона и базовой станции, к которой он подключен. • Спутниковая связь — спутниковые интернет-каналы можно использовать в районах, где нет других способов подключения. Для использования спутниковых антенн необходимо, чтобы спутник находился в зоне прямой видимости. • Телефонный коммутируемый доступ — это экономичный вариант подключения с использованием любой телефонной линии и модема. Низкая пропускная способность коммутируемой линии обычно недостаточна для передачи большого объема данных. Однако такая линия может быть полезна для мобильного доступа в пути. Для подключения домов и небольших офисов все чаще используются оптоволоконные кабели. Это позволяет интернет-провайдерам обеспечивать более высокие скорости передачи данных, а также предоставлять больше услуг, например Интернет, телефон и телевидение. Способ подключения зависит от географического местоположения пользователей и наличия в регионе оператора связи. Интернет-подключение для предприятий Корпоративные варианты подключения отличаются от вариантов для домашнего пользователя. Компании может требоваться более высокая пропускная способность, выделенная линия и управляемые услуги. Доступные варианты подключения зависят от технологий, которые используют операторы связи, находящиеся рядом. На рисунке показаны стандартные варианты подключения для предприятий. • Выделенная арендованная линия — арендованные линии представляют собой зарезервированные каналы в сети оператора связи, обеспечивающие связь между географически удаленными офисами для передачи голоса и данных в частной сети. Плата за аренду таких каналов связи обычно взимается ежемесячно или ежегодно. Они могут быть дорогими. • Глобальная сеть Ethernet — глобальные сети Ethernet позволяют расширить сети LAN до WAN. О технологии локальных сетей Ethernet вы узнаете из следующих глав. Преимущества технологии Ethernet теперь доступны и в глобальных сетях. • DSL — корпоративное DSL-подключение доступно в различных форматах. Популярностью пользуются симметричные цифровые абонентские линии (Symmetric Digital Subscriber Lines, SDSL), аналогичные абонентской версии DSL, но обеспечивающие одинаковую скорость при получении и отправке данных. • Спутниковая связь — как и в случае небольших и домашних офисов, спутниковые услуги обеспечивают подключение там, где проводная связь недоступна. Способ подключения зависит от географического местоположения пользователей и наличия в регионе оператора связи. Традиционные отдельные сети В качестве примера рассмотрим учебное здание, построенное 30 лет назад. В некоторых аудиториях были проложены кабели передачи данных, телефонной сети и телевидения. Эти сети были разрознены, а значит, не могли взаимодействовать друг с другом, как показано на рисунке. Все сети использовали разные технологии для передачи сигнала. В каждой сети для обеспечения успешной связи использовался свой собственный набор правил и стандартов. Конвергентная сеть Сегодня разрозненные сети данных, телефонные и видео сети объединяются. В отличие от выделенных сетей конвергентные сети позволяют передавать данные, голос и видео между различными типами устройств при использовании одной и той же сетевой инфраструктуры, как показано на рисунке. Сетевая инфраструктура использует одни и те же правила, соглашения и стандарты реализации. Сетевая архитектура Сети должны поддерживать широкий набор приложений и сервисов, а также множество типов кабелей и устройств, из которых состоит физическая инфраструктура. Термин «сетевая архитектура» в этом контексте относится к технологиям, которые поддерживают инфраструктуру, а также к запрограммированным услугам и правилам или протоколам, которые служат для передачи данных в сети. По мере развития сетей становится очевидным, что для удовлетворения потребностей пользователей архитектура должна соответствовать четырем основным требованиям. • Отказоустойчивость • Масштабируемость • Качество обслуживания (QoS) • Безопасность Отказоустойчивость Интернет должен быть всегда доступен миллионам пользователей, которые рассчитывают на его бесперебойную работу. Для этого требуется отказоустойчивая сетевая архитектура. Отказоустойчивая сеть — это сеть, обеспечивающая наименьшее влияние сбоев на наименьшее количество устройств. Она также построена так, чтобы быстро восстанавливаться при возникновении отказа. Эти сети используют несколько путей передачи данных от источника к месту назначения. Если один путь недоступен, сообщения можно немедленно отправить по другой линии связи. Наличие нескольких путей к месту назначения называется резервированием. Один из способов резервирования в надежных сетях — внедрение сетей с пакетной коммутацией. При коммутации пакетов трафик делится на пакеты, которые направляются по сети общего доступа. Такое единое сообщение, как электронное письмо или видеопоток, делится на множество блоков данных, называемых пакетами. Каждый пакет содержит информацию об адресе источника и месте назначения сообщения. Маршрутизаторы в сети коммутируют пакеты в зависимости от текущего состояния сети. Это значит, что пакеты данных одного сообщения могут идти к месту назначения различными путями. Как показано на рисунке, динамическое изменение маршрута в случае недоступности канала связи не влияет на пользователя, пользователь этого не замечает. Иначе устроены сети с коммутацией каналов, традиционно используемые для голосовой связи. В сети с коммутацией каналов, прежде чем пользователи смогут обмениваться данными, устанавливается выделенное соединение между источником и местом назначения. В случае обрыва соединения пользователю приходится устанавливать соединение заново. Масштабируемость Масштабируемую сеть можно быстро расширить, обеспечив поддержку новых пользователей и приложений без снижения эффективности обслуживания существующих. На рисунке показано, как можно легко добавить новую сеть к существующей. Помимо этого, масштабируемость сетей возможна благодаря тому, что проектировщики следуют принятым стандартам и протоколам. Это позволяет производителям программного и аппаратного обеспечения приложить все силы к улучшению продуктов и услуг и не думать о разработке нового набора правил для работы в сети. Качество обслуживания Качество обслуживания (QoS) сегодня является одним из постоянно растущих требований к сети. Новые веб-приложения, например передача голоса и видео в режиме реального времени, задают более высокие требования к качеству предоставляемых услуг. Приходилось ли вам когда-нибудь смотреть видео с постоянными разрывами и паузами? За счет объединения функций передачи данных, голоса и видео в одной сети QoS становится основным механизмом предотвращения перегрузок сети и надежной доставки контента всем пользователям. Перегрузка сети возникает, когда спрос на каналы связи превышает возможности сети. Пропускная способность сети измеряется в количестве бит, передаваемых за одну секунду, то есть в битах в секунду (бит/с). При параллельных попытках передачи информации спрос на каналы связи может превышать возможности сети. Это создает перегрузки сети. Когда объем трафика превышает возможности доставки по сети, устройства помещают пакеты в очередь в памяти и удерживают их до тех пор, пока не будут доступны ресурсы передачи. На рисунке один пользователь запрашивает веб-страницу, а другой совершает телефонный звонок. Благодаря политике QoS маршрутизатор обрабатывает поток данных и голосовой трафик, отдавая приоритет голосовой связи в случае перегрузки сети. Безопасность Сетевая инфраструктура, сервисы и данные, которые содержатся в устройствах, подключенных к сетям, представляют собой важные личные и корпоративные активы. Существует два типа проблем безопасности сети, которые необходимо учесть: безопасность сетевой инфраструктуры и безопасность информации. Обеспечение безопасности инфраструктуры сети включает в себя физическую защиту всех устройств, которые необходимы для сетевых подключений, и предотвращение несанкционированного доступа к установленному на них ПО управления, как показано на рис. 1. Безопасность информации означает защиту пакетов данных, передаваемых по сети, а также информации, хранящейся на подключенных к сети устройствах. Существует три основных требования для достижения безопасности сети, как показано на рис. 2. • Конфиденциальность — только указанные и авторизованные получатели могут иметь доступ к данным. • Целостность — гарантия того, что информация не была изменена в процессе передачи от исходного пункта к месту назначения. • Доступность — своевременный и надежный доступ к данным для авторизованных пользователей. Новые тенденции По мере развития новых технологий и появления на рынке новых оконечных устройств предприятия и потребители должны постоянно приспосабливаться к современным изменяющимся условиям. Роль сети изменяется, чтобы обеспечить связи между пользователями, устройствами и информацией. Существует несколько новых тенденций в развитии сетевых технологий, которые повлияют на организации и потребителей. Среди некоторых основных тенденций можно выделить следующие. • «Принеси на работу свое устройство» (Bring Your Own Device, BYOD) • Совместная работа через Интернет • Видеосвязь • Облачные вычисления Концепция «Принеси на работу свое устройство» Концепция доступа с любого устройства к любому контенту любым способом — основная глобальная тенденция, которая требует пересмотра способов использования устройств. Эта популярная тенденция называется «принеси на работу свое устройство» (Bring Your Own Device, BYOD). Согласно концепции BYOD конечные пользователи могут применять личные устройства для доступа к информации в корпоративной сети или сети комплекса зданий. По мере увеличения популярности потребительских устройств и соответствующего падения цен ожидается, что каждый из сотрудников и учащихся может иметь в личном пользовании самые совершенные вычислительные и сетевые инструменты. Эти персональные средства включают в себя ноутбуки, нетбуки, планшеты, смартфоны и электронные книги. Это могут быть устройства, купленные компанией, учебным заведением или самим пользователем. BYOD означает возможность использования любого устройства в любом месте любым пользователем. Например, в прошлом для доступа к кампусной сети или Интернету учащиеся должны были использовать один из компьютеров учебного заведения. Эти устройства рассматривались, как правило, только как средства для работы в классе или библиотеке. Мобильный или удаленный доступ к кампусной сети открывает учащимся новые возможности, обеспечивая широкий выбор вариантов обучения. Совместная работа через Интернет Пользователи подключаются к сети не только для доступа к приложениям для работы с данными, но и для совместной работы друг с другом. Совместная работа — это «работа с другими исполнителями на совместном проекте». Такие инструменты совместной работы, как Cisco WebEx (см. рисунок), дают работникам, студентам, учителям, заказчикам и партнерам возможность мгновенного подключения, взаимодействия и достижения целей. Для компаний совместная работа становится критически важным аспектом конкурентоспособности. Совместная работа является приоритетом также в сфере образования. Совместная работа помогает в учебе, развивает навыки взаимодействия в команде, которые необходимы для групповых проектов. Видеосвязь Другая тенденция в сфере сетевых технологий, которая важна для общения и совместной работы, — использование видео. Видео используется для обмена информацией, совместной работы, а также для развлечения. Видеовызовы можно совершать из любого места, где есть подключение к Интернету. Видеоконференции — это эффективное средство общения как на локальном, так и на глобальном уровне. Использование видео становится ключевым требованием для эффективной совместной работы по мере того, как компании расширяют географические и культурные границы. Облачные вычисления Облачные вычисления — другая глобальная тенденция, которая изменяет способ доступа и хранения данных. Облачные вычисления позволяют хранить личные файлы или резервную копию целого жесткого диска на серверах в Интернете. Например, приложениями для работы с текстом и для редактирования фотографий можно пользоваться из облака. Для предприятий облако расширяет возможности, не требуя при этом больших капиталовложений в создание новой инфраструктуры, обучение нового персонала или лицензирование нового программного обеспечения. Эти экономичные сервисы доступны по запросу на любом устройстве в любой точке мира и обеспечивают должный уровень безопасности и функциональности. Как показано на рисунке, существует четыре основных типа облаков: общедоступные, частные, гибридные и пользовательские. – общедоступные - Облачные приложения и услуги, предлагаемые в общедоступном облаке, доступны неограниченному кругу лиц. Услуги могут быть бесплатными или могут предлагаться по схеме «оплата по факту использования», например, в случае оплаты интернет-хранилища. Общедоступное облако использует Интернет для предоставления услуг. – частные - Облачные приложения и сервисы, предлагаемые в общедоступном облаке, доступны неограниченному кругу лиц. Услуги могут быть бесплатными или могут предлагаться по схеме «оплата по факту использования», например, в случае оплаты интернет-хранилища. Общедоступное облако использует Интернет для предоставления услуг. – Гибридное облако состоит из двух или более облаков (например, одна часть — это пользовательское облако, а другая — общедоступное), где каждая часть сохраняет свои отличительные свойства, но обе подключены через единую архитектуру. Пользователи, подключенные к гибридному облаку, могут иметь разные уровни доступа к сервисам в зависимости от своих прав доступа. – Пользовательские - Самые распространенные переносчики вирусов, приводящих к потере данных, — программное обеспечение мгновенного обмена сообщениями и узлы социальных сетей. Например, из перехваченных сообщений электронной почты или мгновенных сообщений может быть извлечена конфиденциальная информация. Облачные вычисления возможны благодаря центрам обработки данных. Центр обработки данных (ЦОД) — это помещение, в котором располагаются компьютерные системы и соответствующие компоненты. ЦОД может занимать одно помещение в здании, один или несколько этажей или все здание. ЦОД обычно дорого создавать и обслуживать. По этой причине только крупные организации используют собственные ЦОД, чтобы размещать корпоративные данные и предоставлять услуги пользователям. Небольшие организации, которые не имеют собственного ЦОД, могут снизить общую стоимость владения, арендуя серверы и системы хранения в облачном ЦОД поставщика услуг. Технологические тенденции в домашних сетях Тенденции в развитии сетевых технологий не только оказывают влияние на способ общения на работе и в школе, они также меняют наш образ жизни дома. К новейшим тенденциям домашних сетей относятся «технологии интеллектуального дома». Технология интеллектуального дома интегрирована в бытовые устройства и позволяет им подключаться к другим устройствам и, таким образом, быть более интеллектуальными или более автоматизированными. Например, предположим, что вы приготовили блюдо, и перед тем, как уйти из дома на весь день, поставили его в духовку. Представьте, что духовка «знает» о том, что ей надо приготовить, и подключена к вашему «календарю событий», поэтому она знает, когда вы придете домой и начнет готовить еду точно к вашему приходу. Она даже может изменить продолжительность и температуру приготовления, в случае, если ваши планы изменятся. Кроме того, с помощью смартфонов или планшетов пользователи могут напрямую подключиться к духовке и внести необходимые изменения. Когда блюдо готово, духовка отправляет на указанное пользовательское устройство сообщение о том, что блюдо готово и подогревается. Это уже почти реальность. В настоящее время на стадии разработки находятся технологии интеллектуального дома для всех помещений дома. Технология интеллектуального дома станет более реальной, когда домашние сети и технология высокоскоростного Интернета получат более широкое распространение. Новые технологии домашних сетей постоянно разрабатываются, чтобы удовлетворить растущие технологические потребности. Организация сети по линиям электропитания Организация сети по линиям электропитания — тенденция домашней сети, использующей существующие электрические кабели для соединения устройств, как показано на рисунке. Концепция «отсутствия новых проводов» означает возможность подключения устройства к сети из любого места, где есть электрические розетки. Это позволяет экономить затраты на прокладку кабелей для передачи данных, в то время как в счетах за электричество сумма не меняется. С использованием той же проводки, по которой поступает электричество, сети передачи данных по линиям электропитания отправляют информацию на определенных частотах. При помощи стандартного адаптера сети электропитания устройства могут подключаться к сети LAN везде, где есть электрические розетки. Организация сети по линиям электропитания особенно полезна там, где невозможно использовать точки беспроводного доступа или они не обеспечивают доступ для всех устройств в доме. Организация сети по линиям электропитания не служит заменой для выделенных кабельных сетей передачи данных. Однако этот вариант можно использовать в качестве альтернативного в том случае, когда кабельные и беспроводные сети передачи данных неприменимы. Беспроводной широкополосный доступ Для технологий интеллектуального дома подключение к Интернету абсолютно необходимо. Для подключения к сети Интернет домов и небольших компаний обычно используется кабельное или DSL-подключение. Однако во многих случаях можно использовать и беспроводную сеть. Поставщик беспроводных интернет-услуг (Wireless Internet Service Provider, WISP) Поставщик беспроводных интернет-услуг (WISP) подключает абонентов к определенным беспроводным точкам доступа с помощью беспроводных технологий, аналогичных домашним беспроводным локальным сетям (WLAN). Чаще всего WISP встречаются в сельской местности, где линии DSL или кабельные сети недоступны. Иногда антенну устанавливают на отдельную вышку, но чаще ее размещают на существующих конструкциях, таких как водонапорная башня или радиовышка. Небольшая антенна на крыше у абонента находится в зоне приема передатчика WISP. Блок доступа подключается к проводной сети в доме. С точки зрения домашнего пользователя, настройка практически не отличается от настройки DSL или кабельных линий связи. Главное отличие состоит в том, что подключение от дома к оператору связи — это беспроводное подключение, а не через физический кабель. Услуга беспроводного широкополосного доступа Другое беспроводное решение для дома и малых предприятий — беспроводной широкополосный доступ. Для него применяется та же сотовая технология, что и для доступа в Интернет с помощью планшета или смартфона. Антенна устанавливается снаружи дома, обеспечивая беспроводное или проводное подключение устройств в любой точке дома. В большинстве случаев домашний беспроводной широкополосный доступ напрямую конкурирует с решениями DSL и кабельными услугами. Угрозы безопасности Обеспечение сетевой безопасности является неотъемлемой частью вычислительных сетей, независимо от их масштабов: от домашней сети, в которой к Интернету подключен только один компьютер, до корпоративной сети, насчитывающей тысячи пользователей. Обеспечивая сетевую безопасность, вы должны учитывать существующие среды, а также инструменты и требования сети. Необходимо защищать данные, поддерживая качество обслуживания на заявленном уровне. Сфера сетевой безопасности охватывает протоколы, технологии, устройства, инструменты, методы защиты данных и отражения угроз. Угрозы безопасности могут быть как внешними, так и внутренними. Многие внешние угрозы сегодня распространяются через Интернет. К наиболее распространенным внешним угрозам относятся: • Вирусы, черви и «троянские кони» — вредоносное программное обеспечение и произвольный код, исполняемые на пользовательских устройствах • Шпионское и рекламное ПО — программное обеспечение, устанавливаемое на пользовательское устройство и тайно собирающее сведения о пользователе • Атаки нулевого дня, также называемые атаками нулевого часа, осуществляются в первый день, когда об уязвимости становится известно • Хакерские атаки — атаки компетентного злоумышленника на пользовательские устройства или сетевые ресурсы • Атаки типа «отказ в обслуживании» — атаки, разработанные для снижения производительности или аварийного завершения процессов на сетевом устройстве • Перехват и хищение данных — атака с целью сбора частной информации из корпоративной сети • Кража личной информации — атака для хищения учетных данных пользователя, чтобы получить доступ к данным частного характера Не менее важно учитывать внутренние угрозы. Многие исследования показывают, что наиболее распространенные нарушения информационной безопасности связаны с внутренними пользователями сети. Это могут быть случаи потери или кражи устройств, ошибки сотрудников и даже их злонамеренные действия. При использовании концепции «Принеси на работу свое собственное устройство» корпоративные данные еще намного более уязвимы. Таким образом, при создании политики обеспечения безопасности важно учитывать и внешние, и внутренние угрозы безопасности. Решения обеспечения безопасности Ни одно отдельное решение не может полностью обезопасить сеть от многочисленных современных угроз. Именно поэтому меры по обеспечению сетевой безопасности необходимо внедрять сразу на нескольких уровнях, задействовав одновременно несколько решений. Если какой-либо один компонент системы безопасности не может определить угрозы и защитить сеть, то ему на помощью придут другие компоненты. Реализовать политики безопасности в домашней сети, как правило, достаточно просто. Такие политики обычно внедряются на подключающихся оконечных устройствах, а также в точке подключения к Интернету, и даже могут быть реализованы как сервисы, предоставляемые по договору Интернет-провайдером. Реализация политик сетевой безопасности для корпоративной сети, напротив, обычно включает в себя множество компонентов, встроенных в сети для контроля и фильтрации трафика. В идеале предполагается, что все компоненты работают вместе, что снижает объем обслуживания и повышает безопасность. Для обеспечения безопасности домашних или небольших офисных сетей должны использоваться как минимум следующие компоненты. • Антивирусное и антишпионское ПОпозволяет предотвратить заражение оконечных устройств вредоносными программами. • Фильтрация на межсетевом экране — блокирование попыток несанкционированного доступа к сети. Сюда может входить система реализованных на узле межсетевых экранов, которая используется для предотвращения несанкционированного доступа к оконечному устройству, или базовый сервис фильтрации на домашнем маршрутизаторе для предотвращения несанкционированного доступа в сеть извне. Кроме вышеперечисленного, в более крупных сетях и корпоративных сетях часто имеются другие требования безопасности. • Выделенные межсетевые экраны — более широкие возможности межсетевого экрана, который может фильтровать большой объем трафика с повышенной детализацией. • Списки контроля доступа (Access Control List, ACL) — дальнейшая фильтрация доступа, а также пересылка трафика. • Системы предотвращения вторжений (Intrusion prevention system, IPS) — определение быстро распространяющихся угроз, таких как атаки нулевого дня или нулевого часа. • Виртуальные частные сети (Virtual Private Network, VPN) — обеспечение безопасного доступа для удаленных сотрудников. Требования безопасности должны учитывать сетевую среду, а также различные приложения и требования к вычислительным устройствам. И в домашних, и в корпоративных сетях необходимо обеспечивать безопасность данных, предлагая то качество обслуживания, которое ожидают пользователи любой технологии. Кроме того, внедренные решения для обеспечения безопасности должны легко адаптироваться к росту сетей и меняющимся требованиям. Изучение угроз сетевой безопасности и методов их отражения начинается с четкого понимания инфраструктуры коммутации и маршрутизации, используемой для организации сетевых сервисов. Сетевая архитектура Cisco Роль сети изменилось. Сеть, используемая только для передачи данных, превратилась в систему, которая соединяет пользователей и устройства, а также передает информацию в конвергентной сетевой среде. Чтобы сеть могла эффективно работать и развиваться в такой среде, необходимо использовать стандартную сетевую архитектуру. Говоря о сетевой архитектуре, мы подразумеваем устройства, соединения и решения, которые интегрированы в сеть для поддержки необходимых технологий и приложений. Хорошо спланированная архитектура сетевых технологий обеспечивает подключение любых устройств в любой комбинации сетей. Такая архитектура не только гарантирует надежное подключение, но и повышает эффективность капиталовложений благодаря интеграции систем сетевой безопасности и управления, а также оптимизирует бизнес-процессы. Вся сетевая архитектура и фактически сам Интернет построены на маршрутизаторах и коммутаторах. Маршрутизаторы и коммутаторы передают данные, голосовые и видеосигналы, а также обеспечивают беспроводной доступ и безопасность. Построение сетей, которые способны удовлетворить наши текущие и будущие потребности, начинается с четкого понимания инфраструктуры коммутации и маршрутизации. После того как базовая инфраструктура маршрутизации и коммутации построена, пользователи, небольшие компании и организации могут развивать сети с течением времени, добавляя в них новые функции, заложенные в интегрированном решении. Эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ISO model) Перемещение информации между компьютерами различных схем является чрезвычайно сложной задачей. В начале 1980 гг. Международная Организация по Стандартизации (ISO) и Международный Консультативный Комитет по Телеграфии и Телефонии (МККТТ)  признали необходимость создания модели сети, которая могла бы помочь поставщикам создавать реализации взаимодействующих сетей. В тесном сотрудничестве была разработана  эталонная модель «Взаимодействие Открытых Систем» (ЭМВОС). Эта модель была описана в рекомендациях Х.200 (МККТТ) и ISO 7498  (ISO). Соответствие ЭМВОС МККТТ и ИСО. ЭМВОС быстро стала основной архитектурной моделью для передачи межкомпьютерных сообщений. Несмотря на то, что были разработаны другие архитектурные модели (в основном патентованные), большинство поставщиков сетей, когда им необходимо предоставить обучающую информацию пользователям поставляемых ими изделий, ссылаются на них как на изделия для сети, соответствующей эталонной модели. И действительно, эта модель является самым лучшим средством, имеющемся в распоряжении тех, кто надеется изучить технологию сетей. Дальнейшее описание ЭМВОС будет базироваться на модели ISO. Любая многоуровневая организация специализированных систем является заведомо избыточной и не эффективной для конкретных условий применения, но она значительно упрощает построение открытых систем (общего пользования), предназначенных для работы в многообразных условиях и состоящих из множества элементов, согласованно выполняющих функции отдельных уровней, будучи разработанными различными независимыми производителями. При решении вопроса о том, где должны быть проведены границы между уровнями и сколько должно быть уровней, разработчики ЭМВОС опирались на определенные принципы разбиения на уровни, основными из которых являются следующие: – число уровней не должно быть слишком большим; проводить границу между уровнями следует в том месте, где описание услуг является наиболее простым, количество операций через границу минимально и уже существует подходящий стандартный интерфейс; – создавать отдельные уровни следует для выполнения специфических функций, отличающихся по реализующим их процессам или техническим решениям; – следует формировать уровни из легко локализуемых функций с обеспечением возможности их обновления независимо от функций соседних уровней; – для каждого уровня следует создавать интерфейсы только с вышележащим и нижележащим уровнями; возможно образование подуровней в рамках одного уровня в том случае, когда этого требуют специфические виды услуг (должна быть предусмотрена возможность обхода подуровней). Руководствуясь указанными принципами, в ЭМВОС были выделены семь уровней, перечисляемых обычно сверху вниз: 7 уровень – прикладной (application layer); 6 уровень – представления данных или представительный (presentation layer); 5 уровень – сеансовый (session layer); 4 уровень – транспортный (transport layer); 3 уровень – сетевой (network layer); 2 уровень – звена данных или канальный (data link layer); 1 уровень – физический (physical layer). Основными функциями всех уровней являются: – выбор протокола; установление и разрыв соединения; – мультиплексирование и расщепление соединений; – передача нормальных (обычных) данных; – передача срочных (внеочередных) данных (с приоритетом); –управление потоком данных (задержками, скоростью и размером ПБД); –сегментирование (сборка) или блокирование (деблокирование) данных; – организация последовательности данных (нумерация); – защита от ошибок (исправление, обнаружение и сброс и/или повторение); –маршрутизация (адресование и распределение потоков данных). Пятиуровневая концептуальная модель иерархии протоколов семейства TCP/IP Семейство протоколов TCP/IP, название которого в действительности является комбинацией названий двух отдельных протоколов – протокола управления передачей данных (TCP) и протокола Интернета (IP), делится на уровни, каждый из которых выполняет определенные функции в процессе обмена данными. Модель OSI и стек протоколов TCP/IP были разработаны разными организациями примерно в одно и то же время в качестве методов организации и соединения компонентов, участвующих в передаче данных. Уровень сетевого доступа стека TCP/IP примерно соответствует физическому и канальному уровням модели OSI и в основном отвечает за взаимодействие с сетевым оборудованием и доступ к средам передачи данных. Рисунок 1.17 – Сравнение стека протоколов TCP/IP и эталонной модели OSI Поскольку уровень сетевого доступа стека TCP/IP включает как канальный, так и физический уровни модели OSI, классическая четырехуровневая структура TCP/IP часто заменяется пятиуровневой структурой. Уровень Интернета в стеке TCP/IP почти в точности соответствует сетевому уровню модели OSI и отвечает за адресацию и маршрутизацию между сетевыми устройствами. Транспортный уровень TCP/IP, подобно транспортному уровню модели OSI, позволяет приложениям хоста получать доступ к сетевому уровню либо в режиме негарантированной доставки, либо в режиме надежной доставки. Прикладной уровень стека протоколов TCP/IP работает с приложениями, которые обмениваются данными с более низкими уровнями, и соответствует отдельным прикладному, сессионному уровню и представительскому уровню в модели OSI. Дополнительные уровни модели OSI обеспечивают дополнительную организацию функций, связанных с приложениями.