Локальная сеть: основы построения для начинающих специалистов

Локальная сеть часто встречается в домах и офисах. Она позволяет создать удобную форму взаимодействия для устройств, включенных в нее. Локальную сеть связывают с глобальной при помощи роутера или сетевой шлюз. Оборудование и программное обеспечение позволяют выходить в интернет или обмениваться данными между собой приборам разного типа.

Что такое локальная сеть

Локальная сеть – это система, образованная компьютерами, смартфонами и другими устройствами, которая позволяет обмениваться данными. Приборы расположенные в одном месте, включают в одну частную подсеть. Благодаря специальному оборудованию они могут передавать пакеты друг другу.

Для построения локальной сети используют различные кабели или беспроводные технологии для передачи данных. Смартфон использующий Wi-Fi и компьютер подключенный к порту LAN могут принадлежать к одной локальной сети. Это позволит им обмениваться данными.

Роутер является связующим звеном между локальной сетью и интернетом. Для этого к порту WAN подключают кабель от провайдера. Сам роутер является частью локальной сети и подсети провайдера.

Для чего необходима?

В первую очередь для дома или офиса полезно то, что к интернету можно подключить множество устройств. Роутер способен распределять трафик и обеспечить связью все смартфоны, компьютеры, принтеры и умные приборы.

Участники могут выходить в глобальный интернет или обмениваться данными внутри локальной сети. Например, принтер будет получать файлы от всех сотрудников и распечатывать в порядке очереди.

Умная камера сможет передавать данные на облако, чтобы пользователь следил за домом даже в поездках, или подключаться к смартфону по Wi-Fi.

Топология локальной сети

Способ размещения узлов и необходимое сетевое оборудование зависит от выбранной топологии. Самые распространенные варианты соединения устройств в локальной сети описаны ниже. Их можно комбинировать, создавая оптимальную связь для конкретной сети.

Линейная шина

Устройства подключены к общему кабелю. Концы провода закрыты специальными заглушками, которые не дают отраженному сигналу создавать помехи. Сигнал посылается всем компьютерам, подключенным к шине.

Чтобы не прерывать коммуникацию каких-либо устройств в сети, каждое из них перед отправкой сообщения должно проверить занятость канала связи. Линейная шина обладает низкой производительностью, может быть выведена из строя повреждением кабеля.

Кольцо

Топология, в которой любое устройство соединено с двумя другими, используя отдельные провода, называют кольцом. Сигнал последовательно передается участниками сети, пока не достигнет адресата, все компьютеры выполняют функции репитеров.

Локальная сеть построенная подобным образом может включать в себя множество устройств, но также не переносит физического обрыва кабеля.

Петлевая

Усовершенствованием топологии “кольцо” стала петлевая сеть. В ней несколько замкнутых контуров связаны меду собой. Соответственно у некоторых компьютеров, включенных в оба кольца, будет четыре соседа, которым можно передавать данные.

Звезда

Популярная схема соединения, при которой все устройства локальной сети связаны с коммутатором. Он подбирает адресата для сообщения основываясь на таблице связывающей порты и подключенные к ним компьютеры.

Этот вариант просто масштабировать, он подходит для высоконагруженных сетей. Слабым местом является возможный выход из строя коммутатора, в этом случае часть устройств будут отрезаны от коммуникаций.

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

IP-адрес – это уникальный идентификатор устройства в конкретной сети. Указывая его остальные компьютеры могут посылать данные для обработки.

Стандартов IP-адресов два: IPv4 и IPv6. У них много отличий, но пользователь может отметить длину адреса (в IPv4 – 4 байта, в IPv6 – 16 байт) и форму записи (в IPv4 адрес выводится в формате четырех чисел от 0 до 255 разделенных точкой, а в IPv6 – шестнадцатеричные числа разделенные двоеточиями).

Маска сети важна для маршрутизатора, поскольку влияет на вычисление IP-адреса для нового устройства. Выглядит в формате 255.255.255.0 для IPv4. Ее можно расшифровать следующим образом: единицы указываются на неизменных битах всех IP-адресов в локальной сети, а вместо нулей роутер может предложить подходящее свободное двоичное число.

MAC-адрес связан с сетевой картой установленной в устройстве пользователя. Он важен для идентификации оборудования на физическом уровне. MAC сетевая карта получает в процессе изготовления. Его можно подменять программными средствами, но переписать физически не выйдет.

Что такое ARP протокол или как происходит взаимодействие устройств ЛВС?

ARP – это вспомогательный протокол для IPv4, который позволяет узнать физический адрес (MAC) устройства в сети. Если требуется передавать данные задействуя сеть не поддерживающую стандарт IP, то компьютер может использовать специальный запрос.

Его увидят все устройства подключенные к локальной сети. Запрос содержит IP-адрес адресата и MAC-адрес отправителя. Получив такое сообщение нужный компьютер отправит сообщение, в котором указан его MAC-адрес, запросившему эту информацию устройству. В IPv6 функции ARP берет на себя ICMPv6.

Сетевой коммутатор и маршрутизатор (роутер)

Распределять ip-адреса и согласовывать работу всех подключенных компьютеров помогает сетевое оборудование. Можно выделить два типа устройств – маршрутизаторы и коммутаторы. Разберем подробней роль этих приборов в работе локальной сети.

К коммутатору можно подключить несколько компьютеров. Таким образом он становится одним из узлов сети. Это устройство сопоставляет номера портов и MAC-адреса подключенных компьютеров.

Он способен перенаправлять пакеты, учитывая данные указанные в их заголовках и записанные в его память адреса. Таблица составляется заново при каждом включении коммутатора. В модели OSI коммутатор относится к устройствам второго уровня.

Маршрутизатор относится к устройствам третьего уровня в OSI. Его функции заключается в раздаче ip-адресов и вычислении оптимальных маршрутов для передачи данных между узлами. Также роутер используется для передачи данных от устройств подключенных к локальной сети в интернет.

Он же получает пакеты из глобальной и распределяет между узлами локальной сети. Для работы роутер использует DHCP-сервер. Эта утилита позволяет динамически создавать и менять конфигурацию узлов в процессе работы. Также на некоторые модели можно устанавливать дополнительную защиту, например брандмауэры.

Пример маршрутизации

При получении пакета роутер анализирует адрес получателя. Устройство способно определить в какую подсеть отправить данные далее. Например, пакет для получателя с адресом 192.168.1.110 после наложения маски 255.255.255.0 будет отнесен к сети 192.168.1.0 (если в таблице имеется подобная запись). Там маршрутизатор будет искать обозначенное устройство.

Посмотреть адрес и другие данные о сети можно в разделе “Сеть и интернет” панели управления компьютером. Трогать системные настройки без особой необходимости не рекомендуется. Таблица существует не только в памяти роутера, но и в любом ПК. Например, файл “hosts” содержит информацию о сети, к которой подключен компьютер.

Администратор или неосторожный пользователь с правами администратора может заблокировать какой-то адрес связав его в таблице с неправильным сервером.

Как происходит вычисление IP-адреса сети и компьютера?

Чтобы вычислить ip-адрес сети, достаточно взять адрес любого устройства в ней и маску. Следует записать все числа в двоичном формате, поскольку потребуется провести побитовые операции.

Например, для ip-адреса 192.168.1.201 и маски 255.255.255.0 двоичные представления будут выглядеть следующим образом: 192.168.1.201 станет 11000000.10101000.00000001.11001001, а 255.255.255.0 – 11111111.11111111.11111111.00000000.

Далее следует применить побитовый AND. Эта операция оставляет 1, если на вход были поданы две единицы, в противном случае она возвращает ноль. В рассмотренном примере ip-адрес сети будет следующим: 11000000.10101000.00000001.00000000 в двоичном представлении или 192.168.1.0 в более удобном для человеческого восприятия виде.

Для конкретного устройства в сети ip-адрес можно сделать динамическим или фиксированным. Маска определяет максимально возможное число устройств в подсети. В рассмотренном случае не выйдет подключить более 254 пользовательских девайсов (важно помнить, что существуют широковещательные адреса, которые не следует занимать).

Если адреса раздаются динамически, то при подключении запускается DHCP. Это протокол, который разработан для динамической конфигурации сети. Когда требуется зарезервировать какой-то ip-адрес для конкретных целей, например выделить его для сетевого принтера, пользователь может зайти в настройки маршрутизатора и отметить это в таблице.

Если убрать одну единицу из маски подсети, приведя ее к виду 255.255.254.0, то число хостов возрастает до 510.

Особенность использования подсетей заключается в том, что из сети более высокого уровня отдельных компьютеров не видно. Там адрес получает только роутер. Понять, как взаимодействуют частные сети с глобальной, помогает NAT.

Что такое NAT?

NAT – это способ преобразовать ip-адреса, чтобы устройства из разных сетей могли взаимодействовать друг с другом.

Несколько диапазонов отданы под “серые” ip-адреса. К ним относят: 192.168.0.0 – 192.168.255.255 (маска 255.255.0.0), 10.0.0.0 – 10.255.255.255 (маска 255.0.0.0) и другие.

Подробное описание есть в стандарте RFC 1918. Всего таких диапазонов выделяют 4, конкретная подсеть может использовать только часть адресов. В глобальной сети эти IP не занимают никакими сайтами, чтобы пользователям частных сетей не испытывали проблем с доступом к каким-либо ресурсам.

Если пользователь попытается узнать средствами системы собственный адрес, а после обратится на специальный сайт для проверки IP, то результат, в большинстве случаев, будет отличаться. Дело в том, что компьютер работает с “серым” адресом полученным от роутера, а сайт видит конечный IP (публичный “белый” адрес принадлежащий провайдеру) с которым пакет выходит из всех подсетей.

Противоположность “серым” ip-адресам существуют “белые”. Первые распределяются маршрутизаторами между устройствами локальной сети и не видны из сетей более высокого уровня. Если требуется установить связь с компьютером из вне, то без “белого” ip не обойтись.

Механизм NAT позволяет исключить проблему нехватки IP-адресов. Поскольку позволяет создавать множество подсетей с собственной топологией. В мире существует бессчетное множество частных сетей с IP 192.168.1.0, но благодаря преобразованию NAT они не мешают друг другу. При том одна подсеть может быть частью другой. Многоуровневая вложенность допустима при создании связей между устройствами.

Видеоинструкция по созданию домашней локальной сети