Разработка программного обеспечения для сканирования локальной компьютерной сети

С ростом числа подключённых устройств и масштабов сети возрастает необходимость в инструментах, способных эффективно и точно сканировать сеть, идентифицируя активные узлы и предоставляя информацию о каждом подключённом устройстве. Анализ текущего состояния исследований показывает, что разработка и использование программ для сетевого сканирования является одним из ключевых направлений, которое помогает решать задачи обеспечения безопасности, мониторинга и диагностики сети, а также контроля её конфигурации. Научные работы, направленные на совершенствование методов сетевого сканирования, акцентируют внимание на необходимости повышения производительности, точности и безопасности программного обеспечения.
Актуальность темы обусловлена значительным расширением использования локальных сетей и ростом угроз, связанных с несанкционированным доступом и кибератаками. Современные требования к безопасности и эффективности сетевой инфраструктуры требуют быстрого и точного обнаружения всех активных узлов, особенно в корпоративных сетях, где от доступности и защищённости ресурсов зависит непрерывность и надёжность бизнес-процессов. В связи с этим программное обеспечение для сканирования сети приобретает стратегическую значимость, становясь важным элементом инфраструктуры информационной безопасности.
Практическая значимость исследования определяется широкими возможностями использования результатов работы в реальных условиях для решения практических задач, таких как мониторинг сетевой активности, анализ подключённых устройств, диагностика неполадок и оценка уязвимостей. Программа, разработанная в рамках данного исследования, может быть использована администраторами для поддержания безопасности и контроля конфигурации сети. Программное обеспечение для сканирования сети не только оптимизирует процесс администрирования, но и предоставляет важные данные для принятия решений по защите и модернизации сетевой инфраструктуры.
Выявленная проблема заключается в отсутствии единого решения, которое бы одновременно удовлетворяло требованиям высокой точности, быстродействия и безопасности при сканировании локальных сетей. Большинство существующих решений либо фокусируются на одном аспекте, игнорируя другие, либо требуют значительных вычислительных ресурсов, что снижает их эффективность в условиях реальной сети. Данное исследование направлено на разработку и тестирование программы для сетевого сканирования, которая способна справляться с этими вызовами, обеспечивая точное обнаружение и идентификацию активных узлов при минимальной нагрузке на сеть.
Целью данного исследования является разработка и реализация эффективной программы для сканирования локальной сети на языке Python, способной быстро и точно определять активные IP- и MAC-адреса устройств в заданном диапазоне сети и сохранять результаты сканирования в удобном для анализа формате. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: исследовать существующие алгоритмы и подходы к сканированию сети, проанализировать и выбрать наиболее подходящие для данной задачи инструменты и библиотеки Python, разработать архитектуру и алгоритм программы, провести её реализацию, протестировать работу программы на различных сетевых конфигурациях и оценить её производительность, устойчивость и безопасность.
Выдвинутая гипотеза состоит в предположении, что использование Python и библиотеки Scapy позволит создать эффективное решение для сканирования локальной сети, обладающее высокой точностью и производительностью. Предполагается, что оптимизация алгоритмов и структуры программы будет способствовать снижению нагрузки на сеть и обеспечит стабильную работу в условиях разных сетевых конфигураций.
Предметом исследования является методология и процесс разработки программного обеспечения для сканирования локальной сети, ориентированного на использование Python и библиотек для работы с сетевыми пакетами. Объектом исследования выступает локальная сеть с её основными компонентами – IP- и MAC-адресами подключённых устройств, а также методы их идентификации.
Структура работы включает теоретическую и практическую части. В первой главе излагаются ключевые аспекты, касающиеся локальных сетей, их структуры, протоколов взаимодействия, используемых инструментов и алгоритмов сканирования. Вторая глава посвящена практическому проектированию, реализации и тестированию программы, включая анализ требований к программному обеспечению, описание этапов разработки и проведённое тестирование программы на различных сетевых конфигурациях для подтверждения её эффективности. В заключение приводятся результаты исследования и рекомендации для дальнейшего развития программы и возможных улучшений её функциональности.
Компьютерные сети, появившиеся в конце 1960-х годов, стали результатом слияния вычислительных и телекоммуникационных технологий. Они образуются через физическое соединение нескольких устройств для передачи данных. Главная цель такой сети — обеспечить удалённый доступ к ресурсам: пользователи компьютеров, объединённых в сеть, и приложения могут обращаться к ресурсам других подключённых устройств, что расширяет возможности взаимодействия и обмена данными. К числу доступных ресурсов относятся периферийные устройства, данные на дисках и в оперативной памяти, а также вычислительные мощности, используемые для запуска программ.
Для предоставления ресурсов компьютеры оснащаются программными модулями, ожидающими запросы от других устройств. Такие модули, называемые серверами, управляют доступом к ресурсам. На компьютеры, пользователи которых обращаются к удалённым ресурсам, устанавливаются модули, формирующие запросы и передающие их по сети на соответствующее устройство. Эти модули носят название клиентов.


Термины клиент и сервер применяются не только к программным модулям, но и к самим устройствам в сети. Компьютер, предоставляющий ресурсы другим, называется сервером, а использующий чужие ресурсы — клиентом. Одно устройство может одновременно функционировать как сервер и как клиент в зависимости от ситуации.
В области интернет-технологий компьютеры, такие как клиенты и серверы, подключенные к глобальной сети, принято называть конечными узлами или хостами. Эти узлы могут представлять собой широкий спектр вычислительных устройств, значительно отличающихся по размеру, вычислительным возможностям и функциональному назначению. Подобные устройства включают персональные компьютеры, ноутбуки, мэйнфреймы, мобильные телефоны, смартфоны и другие виды техники, используемой для обработки, передачи и хранения данных.
Компьютерные сети подразделяются по множеству характеристик. В зависимости от среды передачи данных сети делятся на проводные и беспроводные, с техническими особенностями, описанными в разделе «Линии связи». По скорости обмена данными сети можно классифицировать на низкоскоростные, среднескоростные и высокоскоростные. В зависимости от охвата территории различают локальные, региональные и глобальные сети. Иерархическая структура локальных сетей предполагает два основных типа: одноранговые сети и сети с выделенным сервером. Основные аспекты этих видов сетей рассматриваются в контексте территориальной протяженности и иерархии.
Глобальные сети, или Wide Area Networks (WAN), представляют собой объединение компьютеров, расположенных на значительном удалении друг от друга, охватывая различные города, страны и даже континенты. В состав глобальных сетей могут входить как отдельные компьютеры, так и объединения локальных или региональных сетей. Одной из наиболее обширных и востребованных глобальных сетей является Интернет, который в 2015 году, по данным Международного союза электросвязи (ITU), использовали около 3,2 миллиарда человек. В июне 2015 года компания Netcraft зафиксировала работу 863 миллионов веб-сайтов, подключенных к Интернету.

Локальные сети (Local Area Networks, LAN) охватывают ограниченные географические пространства, обычно не превышающие радиус в 1-2 километра, и служат для объединения компьютеров и устройств внутри одной организации. Это коммуникационные системы, предоставляющие участникам сети доступ к общим ресурсам и позволяющие обмениваться данными с высокой скоростью в пределах одной инфраструктуры. Важной особенностью локальных сетей является их принадлежность одной организации, что позволяет централизованно управлять всеми компонентами и обеспечивать высокий уровень безопасности и конфиденциальности передаваемой информации.
Прежде чем появились локальные сети, были разработаны глобальные сети, что обусловлено необходимостью создания более масштабных систем связи между удаленными территориями. Позднее, с ростом численности компьютеров и потребности в их взаимодействии на местном уровне, локальные сети стали ключевым элементом инфраструктуры организаций. Помимо локальных сетей существуют сети более широкого радиуса действия, например, сети мегаполисов (Metropolitan Area Networks, MAN), которые обслуживают городские и региональные территории.
Особым типом связи локальных и глобальных сетей является виртуальная частная сеть (VPN, Virtual Private Network). VPN создается с использованием глобальных сетей, таких как Интернет, для объединения территориально распределенных локальных сетей одного предприятия. Такой подход позволяет создать защищенное коммуникационное пространство для удаленного взаимодействия между филиалами компании, и его реализация требует использования технологий, обеспечивающих конфиденциальность и безопасность передаваемых данных.
В зависимости от иерархической структуры различают одноранговые локальные сети и сети с выделенным сервером. Одноранговые сети, как правило, не имеют центрального контролирующего устройства, и все компьютеры в такой сети равноправны. Сети с выделенным сервером централизуют управление данными и ресурсами, предоставляя более высокий уровень организации и безопасности сети.


Сеть, в которой все компьютеры функционируют на операционной системе, сочетающей клиентские и серверные функции без выделенного сервера, именуется одноранговой. Такая архитектура предполагает равные права для всех компьютеров, исключая возможность контроля одного устройства над другим. Каждое устройство в сети может обращаться к ресурсам других, а также делиться собственными ресурсами, включая файлы и периферийные устройства, например, принтеры. Контроль доступа к данным или устройствам на каждом компьютере осуществляется его пользователем, который самостоятельно устанавливает разрешения для других участников сети.
Одноранговая сеть обладает ограничениями в числе одновременных подключений к общим ресурсам, которое обычно составляет от десяти до двадцати пользователей, что обусловлено отсутствием централизованного управления и контроля. Несмотря на это, данный тип сети остается одним из наиболее доступных и простых в организации, поскольку все современные операционные системы обладают необходимыми функциями для создания одноранговых сетей, исключая необходимость в специализированном программном обеспечении. В большинстве случаев одноранговые сети применяются в домашних условиях или небольших офисах.
Сеть с выделенным сервером имеет один или несколько компьютеров, на которых установлены серверные операционные системы и соответствующие программы, ориентированные на обработку запросов других устройств. Выделенные серверы обычно обладают высокой вычислительной мощностью и достаточным быстродействием для предоставления сетевых услуг. Эти услуги могут включать хранение и доступ к данным, управление очередями на печать через общий принтер, обработку электронной почты и предоставление централизованного доступа к базам данных, например, для бухгалтерских или иных корпоративных систем.