Базовые принципы функционирования сети Интернет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный областной университет
Кафедра основ производства и машиноведения
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
курса переподготовки
профиля ТТТ по дисциплине
«Современные информационные технологии
в технологическом образовании»
ТЕМА: « Базовые принципы функционирования сети Интернет»
Проверил: к.т.н., доцент Е.Л. Свистунова
Выполнил: слушатель И.П. Назаренко
Москва – 2015
Подготовка к подсоединению ПЭВМ к локальной компьютерной сети
Цель работы – приобретение практических знаний и навыков в выборе и установке сетевых адаптеров, монтажу и разделке сетевого кабеля, физическому присоединению ЭВМ к кабельной системе при создании локальной компьютерной сети по технологии Ethernet .
Общая часть. Сетевой стандарт Ethernet был разработан в 1975-х г. в исследовательском центре корпорации Xerox, после чего доработан совместно DEC, Intel и XEROX (отсюда сокращение DIX) и впервые опубликован как ‘Blue Book Standart’ для Ethernet I в 1980 г. Этот стандарт получил дальнейшее развитие и в 1985 г. вышел новый – Ethernet II (известный также как DIX). На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, одобренный в 1985 году для стандартизации комитетом по LAN IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). В зависимости от вида физической среды передачи данных стандарт IEEE 802.3 имеет модификации (число 10 в начале каждой обозначает скорость передачи данных 10 Мбит/сек):
•10Base-5 (применяется коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма – т.н. толстый коаксиал с волновым сопротивлением 50 ом; максимальная длина сегмента сети без повторителей 500 м, считается бесперспективным).
•10Base-2 (коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма – т.н. тонкий коаксиал, волновое сопротивление 50 ом; максимальная длина сегмента сети без повторителей 185 м, считается бесперспективным).
•10Base-T (кабель на основе неэкранированной витой пары – UTP, Unshielded Twisted Pair; топология – звезда с концентратором в центре, максимальное расстояние между концентратором и конечным узлом – до 100 м).
•10Base-F (двухволоконный волоконно-оптический кабель, топология сети аналогична 10Base-T; варианты: FOIRL допускает расстояние до 1000 м, 10Base-FL и 10Base-FB – до 2000 м).
В 1995 г. принят стандарт Fast Ethernet (IEEE 802.3u), в 1998 г. – Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z), в 2002 г. - 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae). Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet применяют один и тот же метод разделения среды передачи данных CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий).Кабель UTP является наиболее дешевым (при обеспечении достаточной скорости передачи данных и простоте монтажа). UTP-кабели категории 1 применяются в основном для телефонной разводки, UTP категории 3 служат для передачи как голоса так и данных при невысокой производительности (диапазон часто до 16 MHz). Для высокоскоростных протоколов при передаче на большие расстояния могут применяться (более дорогие) кабели UTP категорий 6 и 7 (последний обязательно экранируется, рабочие частоты до 300 и 600 MHz соответственно).
В настоящее время при создании локальных компьютерных сетей практически всегда (для технологий Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) применяют кабель UTP категории 5 (8 попарно скрученных медных жил, активное сопротивление не более 9,4 ом на 100 м, полное волновое сопротивление 100 ом на частоте 100 120 MHz, затухание сигнала 0,8 22 дБ на частотах от 64 kHz до 100 MHz). Каждый провод кабеля UTP маркирован цветом (синий и белый с синими полосками, оранжевый и белый с оранжевыми полосками, зеленый и белый с зелеными полосками, коричневый и белый с коричневыми полосками по скрученным парам соответственно), для UTP-кабеля применяются разъемы RJ-45 (рис.1.1).

Рис.1.1. Кабель UTP категории 5 (слева) и разъем RJ-45, показаны вилка (plug) и розетка (jack).
Отрезок UTP-кабеля (обычно не более 5 метров) со смонтированными на его концах вилками RJ-45 называют Patch cord’ом. Вилки RJ-45 являются неразборными, при необходимости кабель просто отрезают около вилки и монтируют новую.
Для технологии Ethernet используется топология ‘звезда’ с концентратором в центре, причем определены порты типа MDI (Medium Depended Interface, разъем сетевого адаптера) и MDIX (MDI crossing, разъем портов сетевого концентратора), см. рис.1.2. При соединении MDI-MDIX (подключение конечных узлов сети к портам активного оборудования) используется ‘прямой’ кабель (рис.1.3a), при соединении MDI-MDI (непосредственное соединение адаптеров компьютеров, рис.1.2б) или MDIX-MDIX (соединение двух коммуникационных устройств) используют ‘перекрестный’ (кроссовый) кабель (рис.1.3б, причем на рис.1.2 ‘перекрестный’ кабель обозначен символом x).
Рис.1.2. Сеть 10BaseT/100BaseTX: a) – звезда, б) – непосредственное соединение двух компьютеров (двухточечное соединение)
В Gigabit Ethernet 1000BaseTХ применяют только 'прямые' кабели (в случае использования ‘перекрестного’ кабеля скорость связи установится 100 Mbit/сек). Впрочем, большинство современных коммутаторов используют функцию автоопределения типа кабеля (MDI или MDIX), что почти исключает вероятность ошибочного подсоединения.

Рис.1.3. Интерфейсные кабели Ethernet: a) – ‘прямой’, б) – ‘перекрестный’ (кроссовый)
В 10- и 100-мегабитном Ethernet’е (10BaseT/100BaseTX) названия контактов содержат символы TX (transmitter, передатчик), RX (receiver, приемник) со знаками ‘+’ и ‘–‘ и из 8 жил используется только половина (рис.1.3); для Gigabit Ethernet (1000BaseTX) используются все 8 медных жил (обмен данными по 4 парам жил в обоих направлениях одновременно), подсоединение соответствует табл.1.1.
Контакт 10BaseT/100BaseTX 1000BaseTX
1 TX+BI_D1+
2 TX-BI_D1-
3 RX+ BI_D2+
4 не подсоединен BI_D3+
5 не подсоединен BI_D3-
6 RX- BI_D2-
7 не подсоединен BI_D4+
8 не подсоединен BI_D4-
Таблица 1.1. - Разъем RJ-45 адаптера Ethernet.
Сигналы по каждой двухпроводной линии передаются дифференциальным способом (с противоположной полярностью по линиям ‘+’ и ‘–‘), причем входные и выходные цепи сетевых адаптеров имеют гальваническую развязку (рис. справа) 408876570548500
Кабель UTP соединяется с вилкой RJ-45 без применения пайки. При монтаже вилки RJ-45 на кабель UTP-5 удаляют внешнюю оболочку кабеля на длину полудюйма (12,5 мм, см. рис.1.4б); для удаления оболочки на специальном инструменте (рис.4a) имеется специальный нож и ограничитель длины удаляемой оболочки. Снимать изоляцию с жил не нужно, однако жилы следует расположить на плоскости в соответствие со схемой заделки (правое изображение из рис.1.4б и нижеследующие схемы).

Рис.1.4. Обжимной инструмент для разделки UTP-кабеля (a) и последовательность снятия внешней оболочки с сетевого кабеля (б).
Варианты заделки проводов (разводка проводов витой пары) показаны ниже (‘прямой’ кабель). В качестве схем заделки для 8-ми жильного кабеля равноценно можно использовать схему 568A или 568B (но одинаковую для данной сети, рекомендуется первая), для 4-х жильного кабеля используется схема согласно последнему из рисунков.
Стандарт EIA/TIA-568A (8-ми жильный ‘прямой’ кабель, схема 568A)
Номера контактов Цвет оболочки провода
1 белый c зелеными полосками 2 зеленый 3 белый с оранжевыми полосками 4 синий 5 белый с синими полосками 6 оранжевый 7 белый с коричневыми полосками 8 коричневый Стандарт EIA/TIA-568B, AT&T 258A (8-ми жильный ‘прямой’ кабель, схема 568B)
Номер
контактов Цвет оболочки
провода
1 белый c оранжевыми полосками 2 оранжевый 3 белый с зелеными полосками 4 синий 5 белый с синими полосками 6 зеленый 7 белый с коричневыми полосками 8 коричневый Стандарт 10Base-T/100Base-TX (4-x жильный ‘прямой’ кабель)
Номер
контактов Цвет оболочки провода
1 белый c оранжевыми полосками 2 оранжевый 3 белый с зелеными полосками 6 синий -635000После описанного расположения жил на плоскости следует повернуть вилку контактами к себе (как на рис.1.5) и аккуратно надвинуть на кабель до упора, чтобы провода прошли под контактами. Вид вилки с кабелем внутри показан на рис.1.5в.418401593980000
Последним действием является обжим вилки. На обжимном инструменте имеется специальное гнездо, в которое вставляется вилка с проводами, после чего нажатием на ручки инструмента вилка обжимается (рис. a) справа). При этом контакты (на рис. показаны желтым цветом) будут утоплены внутрь корпуса, прорежут изоляцию проводов и обеспечат надежный контакт c жил кабеля с контактами вилки. Фиксатор провода также должен быть утоплен в корпус (нажатие по стрелке 1 на рис. справа).
В крайнем случае (если нет обжимного инструмента) можно обжать разъем RJ-45 тонкой отверткой (рис. слева). При этом следует утопить все 8 шт. контактов (1) в корпус, а затем утопить и фиксатор провода (3). Полезно подложите что-либо под разъем, чтобы не сломать его фиксатор (2). Это не есть самый надежный способ монтажа, но приемлемый.
Для непосредственного соединения двух компьютеров можно рекомендовать показанное ниже соединение (‘перекрестный’ кабель), приведен вариант 4-х жильного т.н. ‘нуль-хабного кабеля’.
‘Cross-over’ (‘нуль-хабный’) кабель (4-х жильный UTP-кабель)
Одна сторона Цвет
провода Вторая сторона
1 белый с оранж. полосками 3 2 оранжевый 6 3 белый c синими полосками 1 6 синий 2 В случае использования 8-ми жильного кабеля соединение такое:
‘Нуль-хабный кабель (8-ми жильный UTP-кабель)

Одна сторона Цвет
провода Вторая сторона
1 белый с зелеными полосками 3 2 зеленый 6 3 белый с оранж. полосками 1 4 синий 4 5 белый с синими полосками 5 6 оранжевый 2 7 белый с коричн. полосками 7 8 коричневый 8 Второй вариант монтажа 8-ми жильного кабеля:
Рис.1.5. Расположение вилки RJ-45 контактами к себе(a), разделанного кабеля UTP (б) и вид вилки с кабелем внутри (слева – 8-ми жильный кабель, справа – 4-х жильный).
‘Нуль-хабный кабель по варианту 2 (8-ми жильный UTP-кабель)
Одна сторона Цвет
провода Вторая сторона
1 белый с зелеными полосками 3 2 зеленый 6 3 белый с оранж. полосками 1 4 синий 7 5 белый с синими полосками 8 6 оранжевый 2 7 белый с коричн. полосками 4 8 коричневый 5 При тщательном выполнении монтажа вилок RJ-45 достигается устойчивый контакт между жилами кабеля и контактами вилки. В редких случаях (выявляемых обычно уже на этапе настройки программного обеспечения поддержки сети) требуется проверка физического соединения портов (выполняется с помощью кабельных тестеров или просто омметром). В состав ПО сетевых карт некоторых производителей включены утилиты (напр., Virtual Cable Tester фирмы 3Com), позволяющие определить место неуверенного контакта в кабеле или разъеме (используется явление отражения сигнала в кабеле).
Сетевые кабели обычно соединяют сетевые карты или карты с сетевыми устройствами. На сетевых картах располагается ответная часть вилки RJ-45 – гнездо разъема RJ-45. Гнезда устанавливаются в сетевые карты, концентраторы, коммутаторы, трансиверы и другие устройства. Сам разъем представляет собой ряд из 8 пружинящих контактов и выемку для фиксатора вилки. Если смотреть на гнездо со стороны контактов (причем они располагаются сверху), то отсчет идет слева направо (рис.1.1, справа, б).
Розетка представляет собой гнездо (разъем) соединителя с каким-либо приспособлением для крепления кабеля и корпусом для удобства монтажа, обычно в комплекте поставляется и вилка. Внешняя розетка представляет собой небольшую пластмассовую коробочку, к которой прилагается шуруп и двухсторонняя наклейка для монтажа на стену. Такая розетка служит окончанием сетевого кабеля, обычно разводимого по стене помещения и помещенного в коробах. В т.н. розетках типа KRONE для монтажа кабеля UTP-5 используется специальная пластина с щелью, в которую заталкивается провод, при этом прорезается изоляция и жила кабеля входит в надежный контакт с пластиной (пайка не применяется). Для монтажа проводов имеется специальный инструмент, который помимо заталкивания проводов в щель обрезает лишние его куски. В любом случае настоятельно рекомендуется после тщательного замера длины кабеля оставить по 1 1,5 м с каждой стороны для монтажа и укладки части кабеля в непосредственной близи от компьютера (или иного сетевого устройства).
Сетевая карта или сетевой адаптер (NIC, Network Interface Сard) --63523368000 плата расширения, обычно вставляемая в разъем системной (материнской) платы (main board) компьютера; современные системные платы обычно имеют встроенную сетевую карту [2,4]. На рис. справа показана сетевая карта шины данных PCI: 1 - разъем под витую пару (RJ-45), 2 – светодиодный индикатор активности сети, 3 - шина данных PCI, 4 - панелька под микросхему BootROM (для загрузки операционной системы компьютера не с локального диска, а с сервера сети), 5 - микросхема контроллера платы, 6 – коннектор подключения 3-х проводного кабеля к системной плате для ‘пробуждения’ по сети (Remote Wake Up; для этого передается специальный кадр Magic Packet, при приеме которого ПЭВМ ‘просыпается’).Для определения точки назначения пакетов в сети Ethernet используется т.н. MAC (Media Control Access)-адрес. Это уникальный серийный номер, присваиваемый каждому сетевому устройству Ethernet для идентификации его в сети. MAC-адрес присваивается адаптеру его производителем, но может быть программно изменен. В обычном режиме работы сетевые адаптеры просматривают весь проходящий сетевой трафик и ищут в каждом пакете свой MAC-адрес. Если такой находится, то устройство (адаптер) обрабатывает этот пакет. MAC-адрес имеет длину 6 байт (48 бит) и обычно записывается в шестнадцатиричном виде, например, 12:34:56:78:90:AB (двоеточия между байтами делают число более читабельным).
Каждый производитель присваивает адреса из принадлежащего ему диапазона адресов. Первые три байта адреса определяют производителя, напр.:
•00000C Cisco
•00000E Fujitsu
•00001D Cabletron•00004C NEC Corporation
•000061 Gateway Communications
•000062 Honeywell
•0080C8 D-Link
•00A024 3Com•00C049 US RoboticsОбычно все поддерживающие высшие скорости обмена данными сетевые адаптеры работают и на меньших скоростях (если комплементарное устройство не поддерживает данной скорости, но совместимо по стандарту Ethernet). Позволяет это протокол согласования режимов (autonegotiation, процесс основан на обмене специальными служебными импульсами), выполняемый каждый раз при установлении соединения после физического подключения (при инициализации портов) и позволяющий выбрать наиболее эффективный из режимов, доступных обоим портам.
Для обеспечения корректной работы каждой сетевой платы необходимо определить для нее адрес ввода-вывода (In/Out port) и номер прерывания (IRQ). Конфигурирование сетевой платы заключается в настройке ее на свободные адрес и прерывание, которые затем будут использоваться операционной системой. Адрес (In/Out port) и прерывание (IRQ) для каждой сетевой платы должно быть отличным от других устройств компьютера. Современные сетевые карты поддерживают технологию Plug-end-Play и автоматически выполняют эту операцию, при ручной установке полезной оказывается входящая в состав NT-совместимых версий Windows утилита WINMSD.EXE (‘Сведения о системе’). Программная поддержка сетевых карт обеспечивается драйверами, для Windows возникновение проблем с драйверами маловероятно.
Необходимое оборудование – IBM PC-совместимая ЭВМ, сетевая карта (для шины данных PCI) производительностью 10 100 Mbit/сек с разъемом RJ-45, кабель UTP категории 5, вилки RJ-45, обжимной инструмент.
Порядок проведения работы.
•Смонтировать UTP-кабель для соединения ПЭВМ с сетевым устройством (концентратором, коммутатором).
•Смонтировать UTP-кабель для непосредственного соединения двух ПЭВМ.
Монтаж предполагает разделку концов кабеля в соответствие с постулируемой целью (причем преподавателем может быть предложен как 4-х, так и 8-ми жильный UTP-кабель), обжим вилки RJ-45, проверка контакта осуществляется кабельным тестером или омметром и проверяется преподавателем.
Сетевая карта устанавливается в свободный разъем на системной плате ПЭВМ (если на последней не имеется встроенного сетевого адаптера), при включении ПЭВМ конфигурируется технологией Plug-end-Play. Используемые адреса ввода-вывода (In/Out port) и номер прерывания (IRQ) фиксируются. Сетевой кабель подсоединяется к заданным устройствам, комплексная проверка сетевого соединения проводится с использованием специализированного программного обеспечения (см. описание работы 2 данного пособия).

Литература:
Баканов В.М. Сети ЭВМ и телекоммуникации: учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ. —M.: МГУПИ, 2008. –49 c.
Олифер В.Г., Олифер Н.А.. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. –СПб.: Питер, 2006. -674 с.
Бройдо В. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. –СПб.: Питер, 2006. -474 с.
Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Основы локальных сетей. –M.: Интер- нет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2005. – 360 c.
Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. –СПб.: Питер, 2007. -576 с.
Столлингс В. Компьютерные сети, протоколы и технологии Интернета. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. -832 c.