Опубликовано учебное пособие «Компьютерные сети: практический курс»

На днях в издательстве Красноярского государственного педагогического университета им. В.П. Астафьева вышла мое учебное пособие «Компьютерные сети: практический курс».

Пособие подготовлено с учетом программы дисциплины «Компьютерные сети» для специальностей 230201 – «Информационные системы и технологии, 050202 – «Информатика» и др. Оно обладает яркой практической и проблемно-ориентированной направленностью. В нем собрано более 30 практических работ по всем основным темам, охватывающих установку, первичную настройку, обслуживание локальных сетей и прикладных служб. Материалы практических работ имеют кросс-платформенную составляющую, так как все они подготовлены для платформ — Windows и Linux. Вместе с практическими работами в пособии присутствует важная теоретическая информация, которая представлена в максимально эффективной и наглядной форме, понятной специалистам различных профилей. Учебное пособие предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей, занимающихся изучением и преподаванием дисциплин, связанных с компьютерными сетями и сетевыми технологиями.

Раздел с теоретическим материалом представлен в сжатой форме, с помощью схем и диаграмм, максимально наглядно демонстрирующих принципы работы протоколов и технологий. Цель подобного представления материала состоит в том, чтобы более интенсивно погрузить обучаемых в сущность сетевых протоколов и принципов их работы. Существует достаточное число учебников описывающих аналогичный материал более подробно, однако, представляющих в лаконичной и высоко визуализированной форме практически нет. Материал каждого раздела организован отдельной страницей, что позволяет одним взглядом охватывать смысл и сущность размещенной информации. Благодаря этому теоретический раздел можно использовать как в качестве учебного пособия, так и в виде конспекта лекции и справочника.

При изложении теоретического материала используется диалектический и проблемно-ориентированный подход. Это означает, что поводом для изучения каждой следующей темы (протокола, технологии) служит некоторое противоречие в текущей ситуации, которое разрешается в новом разделе.

Учебное пособие содержит более 30 практических работ. Все они являются пошаговым руководством по выполнению практикума, для закрепления теоретического материала, развития навыков и компетенций будущих специалистов. Практическая часть имеет кросс-платформенную ориентацию, что означает опору на несколько различных программных платформ, в данном случае Windows и Linux. Это удобно как с точки зрения преподавателя при организации практикумов с выбором той или иной платформы, так и особенно со стороны обучающегося. Благодаря достижению в ходе работ похожих целей в различных операционных системах и программных платформах лучше закрепляются знания, развиваются профессиональные навыки и компетенции.

Особенности практических работ

Практические работы имеют яркую прикладную направленность. Каждая работа сопровождается описанием цели, указанием общего времени выполнения, списка необходимых инструментов, программного и аппаратного обеспечения, схемы сети и порядка действий. Указанный временной объем следует оценивать как средний расчетный, определенный автором опытным путем в ходе преподавания дисциплины «Компьютерные сети» в течение 6-ти лет. При этом один час представляет собой академический час.

В инструкциях к работам подробно представлены все манипуляции в сети, за исключением простейших, входящих в набор базовых информационно-коммуникационных компетенций. При этом во многих работах действия выстроены так, чтобы образовывались проблемные ситуации, которые заставляли бы активизировать познавательную и поисковую деятельность обучаемых. Инструкции, в данном случае, это не руководство по эксплуатации, они организованы так, чтобы обучаемый, выполняя работу, осознавал и понимал смысл выполняемых действий и лучше чувствовал их значимость. Однако все промежуточные рассуждения опущены, и оставлены на рассмотрение в обстановке лабораторной работы.

Практические работы основаны на использовании виртуальных машин, для этого потребуется установка приложения для виртуализации десктопа VirtualBox. Можно использовать и другие программные средства для создания виртуальных машин, такие как VirtualPC и VMWare. Благодаря такому подходу каждый обучаемый воссоздает учебную сеть с набором прикладных служб для тренировки и обучения сетевым технологиям на персональном рабочем месте.

Набор практических работ покрывает большинство тем теоретического раздела. Работы выстроены в последовательности, соответствующей традиционному подходу к настройке сетевых устройств и служб, а также с учетом порядка следования теоретического материала. Они начинаются с темы подключения сетевых интерфейсов, создания локальной сети, затем продолжаются настройкой маршрутизации, добавления различных прикладных служб, таких как HTTP, FTP и т.д.

Предполагается, что все практические работы выполняются каждым обучаемым индивидуально на собственном наборе виртуальных машин. Поэтому следует учитывать доступный объем дискового пространства и оперативной памяти. Для каждой работы указан набор виртуальных машин и требуемых ресурсы. Многие работы связаны друг с другом и рассчитывается, что они выполняются последовательно. Вместе с тем, выполнять работы можно и в произвольном порядке, так как в инструкциях присутствуют необходимые ссылки на другие работы или имеются иные компенсирующие действия.

Все практические работы реализованы под платформы Windows и Linux. Такая особенность является сильным преимуществом данного учебного пособия, поскольку позволяет более глубоко изучить технологии, получить навыки работы в различных операционных системах и реализациях прикладных службы, а также прочувствовать общую концепцию, обобщить знания и провести параллели между выполняемыми операциями.

В пособии в качестве пользовательских платформ используются Windows XP и SLAX Linux (Live CD), а в качестве серверных — Windows Server 2003 и openSuSE. Данный выбор обосновывается широкой популярностью систем и относительно небольшими требованиями к системным ресурсам, по сравнению с более новыми версиями систем. В практических работах собраны наиболее часто используемые в реальной сети задачи, расположенные в удобной последовательности для изучения.

Темы в учебном пособии никогда не смогут считаться полностью и окончательно рассмотренными, поскольку информационные технологии быстро меняются, изменяется взгляды на те или иные подходы. Для получения большей информации и специальных сведений следует обращаться к дополнительной литературе. Однако, осознано выполнив весь объем практических работ обучаемый закрепит теоретические знания, приобретёт начальный опыт, выработает необходимые базовые навыки и компетенции будущего специалиста по сетевым технологиям.

Предлагаемые работы будут востребованы будущими специалистами по информационно-технологическому профилю для расширения опыта в сетевых технологиях, преподавателями соответствующих дисциплин в качестве методического пособия по организации лабораторных работ, а также практикующими администраторами в качестве базового справочника.

Содержание

Введение. 10

Особенности практических работ. 11

Предисловие. 13

Условные обозначения. 15

0 Введение в компьютерные сети. 16

0.1 История телекоммуникации и компьютерных сетей в событиях и лицах 16

0.2 Развитие телекоммуникаций и сетей. 25

1 Основы построения сетей. 26

1.1 Проблемы построения сетей. 26

1.1.1 Проблема физической передачи данных. 26

1.1.2 Проблемы выбора топологии. 27

1.1.3 Проблема совместного использования линий связи. 28

1.1.4 Проблема адресации узлов. 29

1.2 Классификация компьютерных сетей. 30

1.3 Основы передачи дискретных данных. 31

1.4 Стандарты кабелей. 32

1.5 Методы передачи данных на физическом уровне. 33

1.5.1 Методы аналоговой модуляции. 34

1.5.2 Методы цифрового кодирования. 35

1.6 Методы коммутации. 38

1.6.1 Коммутация каналов. 39

1.6.2 Коммутация пакетов. 40

1.7 Модель открытых систем. 41

1.7.1 Модель OSI ISO.. 42

2 Сетевые протоколы и технологии. 43

2.1 Физический уровень модели OSI 43

2.1.1 Свойства физического уровня. 43

2.1.2 Оборудование физического уровня. 44

2.1.3 Проблемы масштабирования на физическом уровне. 45

2.2 Канальный уровень модели OSI 46

2.2.1 Протокол Ethernet (IEEE 802.3) 47

2.2.2 Протокол TokenRing (IEEE 802.5) 48

2.2.3 Протокол FDDI 49

2.2.4 Оборудования канального уровня. Мост и коммутатор. 50

2.2.5 Режимы коммутации и алгоритмы работы.. 51

2.2.6 Алгоритм прозрачного моста. 52

2.2.7 Алгоритм моста с маршрутизацией от источника. 53

2.2.8 Оборудование канального уровня и его место в стеке OSI 54

2.2.9 Передача данных на канальном уровне. 55

2.2.10 Типы коммутаторов. 56

2.2.11 Характеристики коммутаторов. 57

2.2.12 Технология VLAN (IEEE 802.1q) 58

3 Беспроводные сети (IEEE 802.11) 59

3.1 Общие понятия. 59

3.1.1 Типы беспроводных сетей. 60

3.1.2 Технологии физического и канального уровня. 61

3.2 Кодирование на физическом уровне. 61

3.2.1 Метод широкополосной модуляции со скачкообразным изменением частоты FHSS 61

3.2.2 Технология уширения спектра DSSS. 62

3.2.3 Двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC.. 63

3.2.4 Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием OFDM 64

3.3 Координация на канальном уровне. 65

3.3.1 Распределенная координация DCF. 66

3.3.2 Централизованная координация PCF. 67

3.3.3 Характеристики стандартов беспроводных сетей. 68

4 Организация взаимодействия между сетями. 69

4.1 Сетевой уровень модели OSI 71

4.1.1 Протокол IP. 72

4.1.2 IP-адрес и классы сетей. 73

4.1.3 Маска сети. 74

4.1.4 Распределение IP-адресов в мире. 75

4.1.5 Локальное распределение IP-адресов. 76

4.1.6 Соглашения об IP-адресах. 76

4.1.7 Разрешение адресов. 77

4.1.8 Протокол ARP. 78

4.1.9 Безопасность на канальном уровне. 79

4.1.10 ARP-спуфинг (ARP-spoofing) 80

4.1.11 Абстрагирование на сетевом уровне. 81

4.1.12 Взаимодействие на сетевом уровне в одной подсети. 82

4.1.13 Оборудование сетевого уровня. Маршрутизатор. 83

4.1.14 Маршрутизация. 84

4.1.15 Таблица маршрутизации. 86

4.1.16 Межсетевое взаимодействие. Маршрутизация. 87

4.1.17 Шлюз по умолчанию (gateway) 88

4.1.18 Протокол сообщений ICMP. 89

4.1.19 Протоколы и уровни OSI (канальный, сетевой) 90

4.1.20 Маршрутизатор и его место в стеке OSI 91

4.1.21 Протоколы обмена маршрутной информацией. 92

4.1.22 Проблемы маршрутизации и передачи данных на сетевом уровне 93

4.2 Транспортный уровень модели OSI 94

4.2.1 Порты.. 95

4.2.2 Протокол TCP. 96

4.2.3 Протокол UDP. 97

4.2.4 Установка TCP-соединения. 98

4.2.5 Разрыв TCP-соединения. 99

4.2.6 Скользящее окно (Sliding window) 100

4.2.7 Механизм квитирования. 101

4.2.8 Межсетевой экран (firewall) 102

4.2.9 Сетевая трансляция адресов (NAT) 103

4.2.10 SNAT и DNAT. 104

4.2.11 IP-спуфинг (IP-spoofing) 105

5 Прикладные протоколы и службы.. 106

5.1 Сеансовый уровень. 106

5.2 Представительный уровень. 106

5.3 Прикладной уровень. 107

5.3.1 Символьная адресация. 108

5.3.2 Служба доменных имен DNS. 109

5.3.3 Протокол системы DNS. 110

5.3.4 DNS-серверы, DNS-записи, DNS-алгоритмы.. 111

5.3.5 Типы DNS-записей. 112

5.3.6 Алгоритмы разрешения DNS-имен. 113

5.3.7 Internationalised Domain Names. 114

5.3.8 Безопасный DNS (DNSSEC) 114

5.3.9 Протокол динамического конфигурирования хостов DHCP. 115

5.3.10 Алгоритм работы DHCP. 116

5.3.11 Протокол передачи гипертекста HTTP. 117

5.3.12 Структура URI 118

5.3.13 Протокол FTP. 119

5.3.14 Протоколы электронной почты e-mail (SMTP, POP3) 121

5.3.15 Проксирование запросов. Прокси-сервер (proxy) 122

5.3.16 Межсетевое взаимодействие в TCP/IP: схема и протоколы.. 123

5.3.17 Стандартные протоколы коммуникационных стеков. 124

6 Глобальные сети и абонентский доступ. 125

6.1 Типы глобальных сетей. 126

6.1.1 Сети на выделенных каналах. 127

6.1.2 Стек и протоколы канального уровня SDH/SONET. 128

6.1.3 Глобальные сети на основе коммутации каналов. 129

6.1.4 Глобальные сети на основе коммутации пакетов. 129

6.1.5 Технология ATM.. 130

6.1.6 Установление виртуального канала. 131

6.1.7 Протокол PPP (Point-to-point protocol) 132

6.1.8 Протокол PPPoE (Point-to-point protocol over Ethernet) 133

6.1.9 Протокол PPTP. 134

6.2 Технологии абонентского доступа. 135

6.2.1 Цифровые абонентские линии xDSL. 136

6.2.2 Межсетевое взаимодействие через xDSL. 137

6.2.3 Типы модуляции CAP. 137

6.2.4 Типы модуляции DMT. 138

6.2.5 Стандарты xDSL (ITU G.992.x) 139

6.2.6 Спутниковый доступ к Интернет. 140

6.2.7 Технология ETTH.. 141

6.2.8 Технология xPON.. 142

7 Элементы безопасности. 143

7.1 Передача секретной информации. 144

7.2 Элементы криптографии. 145

7.2.1 Симметричные шифры.. 146

7.2.2 Ассиметричные шифры.. 147

7.2.3 Ассиметричный шифр RSA.. 148

7.2.4 Цифровая подпись. 149

Практические работы.. 150

Практическая работа 1. Обжатие витой пары.. 151

Практическая работа 2. Подключение узлов, использование коммутаторов 152

Практическая работа 3. Настройка сетевых адаптеров (Windows) 154

Практическая работа 4. Настройка сетевых адаптеров (Linux) 156

Практическая работа 5. Подключение узлов по протоколу Wi-Fi в режиме Ad-Hoc 159

Практическая работа 6. Подключение Wi-Fi через точку доступа. 160

Практическая работа 7. Исследование работы ARP (Windows или Linux) 161

Практическая работа 8. Изучение работы протокола TCP. 163

Практическая работа 9. Изучение функционирования сетевого экрана (Linux) 166

Практическая работа 10. Настройка DHCP-сервера (Windows) 176

Практическая работа 11. Настройка DHCP-сервера (Linux) 181

Практическая работа 12. Маршрутизация пакетов (Windows) 183

Практическая работа 13. Маршрутизация пакетов (Linux) 186

Практическая работа 14. Организация сетей Microsoft Network на основе рабочих групп (Windows) 190

Практическая работа 15. Настройка службы Samba (Linux) 192

Практическая работа 16. Установка и настройка web-сервера (IIS в Windows) 194

Практическая работа 17. Установка и настройка web-сервера (Apache в Linux) 200

Практическая работа 18. Настройка DNS сервера (Windows) 203

Практическая работа 19. Настройка DNS сервера (Linux) 206

Практическая работа 20. Настройка почтового сервера (Windows) 209

Практическая работа 21. Настройка почтового сервера (Linux) 211

Практическая работа 22. Настройка FTP-сервера (Windows) 213

Практическая работа 23. Настройка FTP-сервера (Linux) 214

Практическая работа 24. Настройка NAT (Windows) 216

Практическая работа 25. Настройка NAT (Linux) 220

Практическая работа 26. Перенаправление портов и публикация локальных служб (Windows) 222

Практическая работа 27. Перенаправление портов и публикация локальных служб (Linux) 226

Практическая работа 28. Проброс TCP-порта через SSH.. 227

Практическая работа 29. Настройка контроллера домена и Active Directory 229

Практическая работа 30. Настройка proxy-сервера (Windows) 234

Практическая работа 31. Настройка proxy-сервера (Linux) 236

Библиографический список. 238