Регенераторы цифровых систем передачи: структурная схема и принцип работы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Регенерация цифрового сигнала

2. Интернет адресация: характеристики классов адресов, структура IP-адресов, специальные IP-адреса, назначение маски подсети

2.1 Структура IP-адресов

2.2 Разделение IP адреса на сетевую и узловую части

2.3 Классы IP адресов и маски подсети по умолчанию

2.4 Классовая и бесклассовая адресация

2.5 Назначение маски подсети

2.6 Публичные и частные IP-адреса

2.7 Специальные IP-адреса

1.Регенерация цифрового сигнала

Согласно общепринятому мнению, основным преимуществом цифровых систем передачи является независимость качества передачи от длины линии. На самом деле, протяжённость цифровой линии, в конечном счёте, всё же ограничивается постепенным накоплением ошибок в передаваемом сигнале. Но, тем не менее, предельная протяжённость цифровых линий и трактов несравненно выше, чем у аналоговых линий, имеющих сравнимую с ними пропускную способность. Указанное преимущество реализуется благодаря тому, что на каждом этапе переприёма (ретрансляции) цифрового сигнала представляется возможным помимо его усиления до нормированной величины обеспечить восстановление его формы и временных соотношений. Этот процесс получил название регенерации, а устройства, его реализующие, принято называть регенераторами. (Иногда в литературе встречается не совсем удачный термин «репитеры»). Как правило, регенератор обеспечивает также ряд дополнительных функций, таких как контроль качества передачи, электропитание, служебная связь, аварийная сигнализация.

Условно можно разделить комплекс факторов, воздействующих на сигнал при его распространении по линии связи и, тем самым, влияющих на качество передачи, на две категории.

1. Внутренние факторы:

* искажения, вносимые средой передачи;

* межсимвольные помехи;

* нестабильность тактовой частоты системы,

* сбои тактовой синхронизации;

* нестабильность параметров комплектующих изделий и, как следствие,

увеличение шумов, вызванное их старением;

* искажения частотной характеристики корректирующего усилителя регенератора;

* колебания напряжения питания;

* джиттер (флюктуации фазы цифрового сигнала) и накопление джиттера при ретрансляции сигнала;

2. Внешние факторы:

* переходные помехи, влияющие на пары кабеля;

* внешние электромагнитные влияния, в том числе воздействие грозовых разрядов;

* колебания температуры и другие климатические факторы;

* механические повреждения при вибрации или ударах;

* деградация характеристик среды передачи (например, старение и замокание кабелей и т.п.);

* обрыв линии связи или пропадание электропитания, приводящие к полному прекращению прохождения сигнала.

Указанные факторы вызывают ухудшение отношения сигнал-помеха. Даже незначительное изменение этого соотношения может резко ухудшить качество передачи вплоть до создания аварийной ситуации. Мы уже говорили о том, что передача сигнала по линии связи, состоящей из ряда участков переприёма, неизбежно связана с накоплением шума по мере увеличения числа усилителей. Ограничение длины аналоговых линий в первую очередь связано именно с этим аспектом процесса передачи, так как простое усиление сигнала в заданной полосе частот будет сопровождаться соответствующим усилением помех, лежащих в этой же полосе, пока их уровень не достигнет величины, соизмеримой с уровнем сигнала. Передача цифрового сигнала может быть построена не на принципе простого его усиления и дальнейшей ретрансляции, а на принципе регенерации сигнала в точках переприёма. Под процессом регенерации принято понимать последовательность операций по распознаванию или обнаружению сигнала, поступающего на фоне помехи с выхода участка линии связи на вход приёмного устройства и восстановления всех его основных параметров. Восстанавливаются амплитуда, форма, интервалы времени и положение отдельных единичных посылок в импульсной последовательности в пределах установленных норм и допусков. Затем осуществляется дальнейшая передача сигнала в линию или на оконечное оборудование. Регенерация позволяет как бы «очистить» сигнал от помех на каждом этапе переприёма и реализовать одно из основных преимуществ цифровой передачи - высокую помехозащищённость. Следует учитывать, что если всё-таки в процессе приёма-передачи сигнала на линии возникает ошибка, то она будет проходить через все регенерационные участки вплоть до оконечного оборудования.

Джиттер, или фазовое дрожание цифрового сигнала, это, по сути дела, модуляция фазы сигнала, вызываемая целым рядом факторов. Количественная оценка джиттера ведётся по двум основным параметрам: амплитуде и частоте, то есть по величине отклонения положения фронтов каждого импульса от среднего значения и частоте, с которой это отклонение происходит. Другой формой определения джиттера может быть дифференциальное значение отклонения частоты следования импульсов от номинального значения. Амплитуда джиттера измеряется как в абсолютных величинах, так и в относительных, то есть в долях тактового интервала цифрового сигнала. Очень медленные изменения фазы принято называть вандером. Причинами возникновения джиттера могут быть нестабильность частоты опорных генераторов канало- и группообразующего оборудования, флюктуации частоты узлов тактовой синхронизации регенераторов, использующих фазовую автоподстройку частоты ФАПЧ (об этом более подробно будет сказано ниже), работа схем выравнивания скоростей (стаффинга) группообразующего оборудования, так же использующих ФАПЧ.

Допустимые значения джиттера для систем передачи PDH и SDH нормируются Рекомендациями МСЭ-Т G.823, G.825, G.783 и ГОСТ 26886-86. Нормы на джиттер соотносятся со скоростью передачи цифрового сигнала, то есть со ступенями иерархии ЦСП. Накопление джиттера может, при определённых условиях, привести к появлению ошибок в процессе регенерации сигнала. Вандер может приводить к переполнению буферных устройств приёмников сигнала и, в конечном счёте, к появлению проскальзывания, то есть повторению или, наоборот, исключению группы символов. Проскальзывания, в свою очередь, являются одной из причин нарушения работы цикловой синхронизации.

Высокочастотный джиттер, как правило, до определённой степени подавляется в процессе регенерации. Низкочастотный джиттер, наоборот, имеет тенденцию к накоплению по мере передачи по линии, и, в конечном счёте, подавляется только в оконечном оборудовании.

Многие аспекты данного вопроса более подробно излагаются в следующих разделах, посвящённых измерениям джиттера и вандера.

Регенераторы являются самыми массовыми устройствами ЦСП. В зависимости от занимаемого места они получили названия стыковых, обеспечивающих цифровые интерфейсы всех ступеней иерархии, линейных, обеспечивающих ретрансляцию сигнала при его передаче по линии, и оконечных, функциями которых являются восстановление сигнала на окончаниях линии и работа сервисных подсистем. Так, например, все мультиплексоры-демультиплексоры соединяются с другими функциональными узлами ЦСП при помощи регенераторов различной степени сложности.

Несмотря на многообразие назначений, и мест, занимаемых в аппаратурном комплексе систем передачи, структурные схемы регенераторов сводятся к нескольким типовым вариантам. Наиболее распространённым вариантом функциональной схемы, используемой как в линейных, так и в оконечных и стыковых регенераторах, является схема, получившая название регенератора с самохронированием и выделением интервалов времени из информационного сигнала.

Структурная схема регенератора показана на рис. 1.1. В дальнейшем мы будем рассматривать процесс регенерации и работу схемы регенератора применительно к самым распространённым квазитроичным цифровым сигналам. Сразу надо сказать, что в качестве линейных сигналов в гораздо большей степени используются многоуровневые сигналы, о которых подробно говорилось выше. Вместе с тем, излагаемые далее принципы регенерации остаются одними и теми же, как для трёхуровневых, так и для многоуровневых сигналов, различие только в конкретных схемотехнических решениях. Конечно, существуют и более сложные методы и схемы, но мы в рамках данной книги рассматриваем один из самых простых и самых распространённых вариантов построения регенератора.

Функциональные узлы регенератора условно делятся на аналоговую (УВЛЗ, РКУ, УТС) и цифровую (УР, Ф, УсВых) части. Такое деление отражает функции перечисленных узлов: усиление и фильтрацию в РКУ и УТС и выделение сигнала на фоне помехи и его последующее формирование в соответствии с заданным алгоритмом в УР, Ф и УсВых. Вместе с тем, деление по указанному принципу нельзя считать абсолютным, так как, например, в состав УТС входят как аналоговые, так и цифровые функциональные элементы.

УВЛЗ - устройство ввода линии и защиты

РКУ - регулируемый корректирующий усилитель (в технической литературе часто встречается другое название РКУ - корректор)

УР - устройство решающее

УТС - устройство тактовой синхронизации

Ф - формирователь группового линейного или стыкового сигнала

УсВ - усилитель выходной

Рис. 1.1: Структурная схема регенератора цифрового сигнала.

С выхода регенерационного участка кабеля (или иной среды передачи) сигнал поступает на УВЛЗ, функцией которого является согласование входного сопротивления регенератора и волнового сопротивления кабеля. Известно, что рассогласование сопротивлений является причиной частичного отражения сигнала. Отражённый сигнал, складываясь с импульсным сигналом, передаваемым по кабелю в прямом направлении, в конечном счёте, приводит к искажению и ослаблению сигнала на входе регенератора, что недопустимо. Другой важной функцией УВЛЗ является обеспечение защиты схемы регенератора от опасных и мешающих влияний, то есть наводимых в кабеле токов и напряжений, могущих вывести из строя схему регенератора или серьёзно нарушить его работу. К таким влияниям в первую очередь, как уже отмечалось выше, следует отнести электромагнитные импульсы (ЭМИ) грозовых разрядов и аналогичные им ЭМИ техногенного характера, а также наводки промышленной частоты от линий электропередачи, электрифицированных железных дорог или технологического оборудования. Более подробно все аспекты защиты рассматриваются в главе 8. ЭМИ различного происхождения могут вызвать пробой n-p переходов в полупроводниковых структурах, входящих в состав схемы регенератора. Наводки промышленной частоты могут проходить по цепям электропитания и вызвать паразитную амплитудную модуляцию сигнала, нарушающую нормальную работу регенератора.

С выхода УВЛЗ сигнал поступает на вход РКУ. Основными функциями РКУ являются:

* частичная компенсация искажений формы сигнала, вызванных характером АЧХ кабеля;

* оптимизация формы импульсов с целью обеспечения наилучшего соотношения сигнал-помеха;

* усиление линейного сигнала до уровня, обеспечивающего стабильную работу последующих функциональных узлов регенератора;

* компенсация разброса затухания сигнала. Причинами такого разброса являются, как известно, разброс длин регенерационных участков при их привязке к местности, разброс параметров кабелей в пределах технологических допусков, сезонные изменения параметров при изменении температуры окружающей среды, изменения параметров вследствие старения кабелей, а также возможное изменение затухания при ремонте или реконфигурации регенерационного участка кабеля. Для реализации указанных функций в состав РКУ включается устройство автоматической регулировки усиления (АРУ) и цепи низкочастотной (НЧ) и высокочастотной (ВЧ) коррекции АЧХ усилителя.

Оптимальная величина коэффициента усиления РКУ определяется, в первую очередь, величиной максимально допустимого затухания регенерационного участка линии передачи цифровой информации при наличии наилучшего соотношения сигнал-помеха на выходе РКУ. Это соотношение, в свою очередь, обуславливает оптимальный режим работы решающего устройства. Частотная характеристика корректора однозначно определяет форму и амплитуду видеоимпульсов на его выходе. Известно, что для полного восстановления амплитуды и формы прямоугольного импульса требуется усилитель с практически бесконечно большой шириной полосы пропускания. Если АЧХ усилителя будет иметь форму, обратную АЧХ кабеля, (см. рис. 1.2), то результирующая сложения этих характеристик (другими словами, сквозная характеристика «кабель-корректор») будет представлять собой прямую линию, параллельную оси частот, что соответствует бесконечно широкой полосе усиления.



Рис. 1.2. АЧХ кабеля, усилителя и сквозная АЧХ «кабель - корректор».

Естественно, что схемотехническая реализация подобного решения является очень сложной, точнее, практически невозможной. Кроме того, известно, что увеличение ширины полосы пропускания неизбежно ведёт к увеличению уровня высокочастотных помех и, в конечном счёте, к ухудшению соотношения сигнал-шум. Однако излишнее сужение полосы пропускания корректора приведёт к искажению формы (увеличению длительности переднего и заднего фронтов) импульсов по сравнению с исходным прямоугольным импульсом. Следовательно, необходимо найти некоторую оптимальную АЧХ корректора, обеспечивающую формирование такого выходного сигнала РКУ, который отличался бы по возможности малыми межсимвольными влияниями. Оптимальной формой импульса на выходе РКУ является так называемый «приподнятый косинус» (Сosx/x), иначе называемый колоколообразным импульсом. Длительность такого импульса по уровню 0,1 равна при этом двум тактовым интервалам, а длительность по уровню 0,5 - одному тактовому интервалу. (Следует помнить, что в исходном цифровом сигнале длительность прямоугольного импульса равна 0,5 тактового интервала, и длительность защитного интервала между импульсами также составляет 0,5 тактового интервала). В этом случае межсимвольные влияния можно свести к величине, достаточной для обеспечения правильного восстановления сигнала в цифровой части регенератора. Помимо формирования оптимальной формы импульса существенным моментом процесса коррекции является также обеспечение оптимальной формы переходных процессов («хвостов импульсов») на выходе РКУ.

Схемотехническая реализация этих решений сводится к организации завала АЧХ корректора, начиная с частоты, равной половине тактовой. Плавное уменьшение коэффициента усиления производится в масштабе 6 дБ на декаду.

Оптимальная форма и длительность переходных процессов обеспечивается низкочастотной коррекцией, которая сводится к незначительному подъёму усиления корректора в области нижних частот АЧХ корректора. Для этого требуется выбрать соответствующие номиналы переходных емкостей между каскадами и параметры входного и выходного трансформаторов регенератора.

Другой функцией РКУ является компенсация разброса затухания регенерационного участка линии. Схема автоматической регулировки усиления РКУ строится на базе так называемых переменных выравнивателей, то есть активных или пассивных четырехполюсников с характеристиками, соответствующими АЧХ регенерационных участков с затуханием, лежащим в пределах, рассчитанных для данной системы передачи. Исполнительными устройствами переменных выравнивателей наряду с реактивными элементами частотной коррекции являются элементы, управляемые током или напряжением.

Структурная схема РКУ показана на рис. 3, АЧХ корректора в рамках работы АРУ - на рис. 20. На рис. 20 представлены характеристики АЧХ РКУ для максимальной (1), номинальной (2) и минимальной (3) длины регенерационного участка. Площади, ограниченные кривыми 1, 2 и 3, равны между собой и определяются, как эквивалентная площадь усиления.

Величина динамического диапазона АРУ корректора ограничивается в соответствии с техническими характеристиками его исполнительных элементов и выбранными схемотехническими решениями. Например, для всё ещё широко используемых отечественных и импортных первичных сельских и пригородных ЦСП динамический диапазон АРУ линейных и оконечных регенераторов лежит в пределах от 0 дБ до 45 дБ, для ЦСП ГТС - от 6 дБ до 36 дБ, для станционных первичных стыков - от 0 дБ до 6 дБ. В ЦСП ИКМ-120 и ИКМ-480, в которых нашли применение в качестве исполнительных элементов «сверхрезкие» варикапы, динамический диапазон усиления РКУ составляет 56 дБ - 65 дБ. Схемотехнические решения современных регенераторов используют для этих же целей микропроцессоры.

Рис. 1.3. Структурная схема РКУ.

Как уже говорилось выше, в результате частичной коррекции формы сигнала на выходе РКУ должна быть сформирована последовательность колоколообразных импульсов с нормированной амплитудой и формой.

Сигнал с выхода РКУ поступает на два узла: решающего устройства и тактовой синхронизации. Задачей решающего устройства является распознавание цифрового сигнала на фоне смеси сигнала и помехи на каждом тактовом интервале. УР является пороговым устройством.

При превышении текущей амплитуды сигнала установленного порога, сигнал интерпретируется, как «1», если же уровень сигнала опускается ниже порога, то сигнал интерпретируется, как «0». Выбор величины порога, равной 0,5 величины амплитуды сигнала на входе УР (то есть на выходе РКУ), позволяет исключить воздействие помехи, уровень которой не превышает 0,5 уровня сигнала. Другими словами, допустимое отношение сигнал/шум в точке решения УР будет равно 6 дБ. Следует отметить, что отношение сигнал/шум, нормируемое при расчётах параметров участка регенерации, будет существенно большим для отдельно взятых типов помех. В данном примере рассматривается определение мгновенного значения соотношения сигнал/шум, где шум является суммой всех видов помех, воздействующих на вход регенератора. Для того чтобы исключить из процесса распознавания позиции сигнала работу на краях тактовых интервалов, где уровень колоколообразного сигнала лежит в непосредственной близости к величине порога или вообще ниже порога, работа порогового устройства разрешается только в середине каждого тактового интервала в интервале времени, не превышающем 0,2 от длительности тактового интервала. Такой алгоритм работы УР позволяет не только оптимизировать режим распознавания позиции сигнала, но и по возможности ослабить воздействие мультипликативных помех, приводящих к дроблению импульсов. Поэтому оптимальным схемотехническим решением УР является пороговая схема совпадений, управляемая сигналом тактовой синхронизации.

Рис. 1.4. Характеристики наклонной АРУ.

При регенерации многоуровневого сигнала схема УР усложняется, однако принцип действия остаётся прежним. При восстановлении квазитроичных сигналов последовательности импульсов «+1» и «-1» разделяются, и решения принимаются отдельно по каждой из них. В этом случае на выходе УР будут формироваться две импульсные последовательности, соответствующие «+1» и «-1» квазитроичного сигнала, которые затем должны поступить на узел формирователя (Ф).

Устройство тактовой синхронизации УТС (в литературе встречаются также такие наименования, как «устройство выделения временных интервалов ВВИ» или «устройство выделения тактовой частоты УВТЧ»), предназначено для формирования последовательности стробирующих импульсов с частотой следования, равной тактовой частоте системы передачи, поступающих затем на соответствующий вход решающего устройства. Известно, что в спектре стыковых и линейных сигналов большинства ЦСП отсутствует составляющая тактовой частоты. Поэтому в состав УТС необходимо включить узел нелинейного преобразования сигнала, позволяющий изменить его спектр. Простейшим вариантом такого узла может быть двухполупериодный выпрямитель. Выпрямленный сигнал далее ограничивается по минимуму с целью увеличения уровня составляющей тактовой частоты. Физический смысл этой операции состоит в исключении воздействия переходных процессов, когда на выделитель тактовой частоты поступают только «макушки» импульсов. После преобразования сигнал поступает на фильтр-выделитель тактовой частоты, в качестве которого используется параметрический или кварцевый фильтр или цифровой фильтр на базе кварцевого генератора с фазовой автоподстройкой частоты. Качество и правильный выбор схемы узла фильтрации во многом определяют качество работы регенератора. Фильтры, построенные на базе обычных колебательных контуров, просты в производстве и недороги, но характеризуются нестабильностью параметров, а также, в силу относительно невысокой добротности, больше подвержены действию помех, лежащих в полосе пропускания РКУ и попадающих на вход узла тактовой синхронизации. Кварцевые или пьезокерамические фильтры свободны от указанных недостатков. Однако относительно высокая стоимость сдерживает их широкое распространение. Наиболее часто встречающимся вариантом построения схемы УТС является схема, использующая принцип фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Она строится на базе генератора, стабилизированного герметизированным кварцевым резонатором. Такие схемы просты в изготовлении и настройке, недороги, но при работе с сигналом, включающим в себя большие серии нулей (например AMI), не обеспечивают должной стабильности фазы стробирующих импульсов, становясь причиной возникновения фазовых флюктуаций восстанавливаемого сигнала. Выделенное фильтром или сформированное генератором с ФАПЧ гармоническое колебание затем преобразуется в последовательность стробирующих импульсов, которые поступают на устройство фазирования, задачей которого является размещение стробирующих импульсов в середине каждого тактового интервала. Такое размещение позволяет оптимизировать процесс распознавания позиции цифрового сигнала, которое будет происходить в те моменты, когда мгновенное значение сигнала имеет максимальную величину.

Формирователь Ф формирует цифровой сигнал в соответствии с алгоритмом, принятым для данного цифрового стыка или линейного тракта.

С выхода формирователя сигнал поступает на выходной усилитель, основной функцией которого является обеспечение амплитуды и формы импульсов, соответствующих техническим требованиям на данный станционный или линейный стык. В состав выходного усилителя необходимо также включать, в случае необходимости, устройства защиты выходных цепей регенератора от опасных и мешающих влияний.

Структурную схему, которую мы рассмотрели выше, можно назвать примером типового варианта регенератора. Такой вариант в настоящее время является наиболее распространённым, как в ЦСП, работающих по металлическим кабелям, так и в ВОЛС. Регенераторы различных ЦСП на всех ступенях иерархии отличаются при этом, в основном, только выбором элементной базы и вариантами схемотехнических решений отдельных узлов. Вместе с тем, существует множество возможностей дальнейшего совершенствования принципов и, соответственно, дальнейшего развития и совершенствования аппаратуры приёма и передачи цифрового сигнала. Назовём только некоторые из них.

* Использование эхоподавителей, позволяющих улучшить соотношение сигнал/помеха на входе регенератора.

* Использование квантованной обратной связи, также приводящей к улучшению соотношения сигнал/помеха.

* Использование так называемого дуобинарного приёма, который обеспечивает сужение полосы усилителя-корректора. Такое сужение улучшает условия приёма цифрового сигнала за счёт компенсации «растягивания» импульсов, правда, при этом оказывается необходимым усложнить схему решающего устройства путём введения в его состав устройства запоминания. * Работа с многоуровневыми сигналами, спектр которых сдвинут в область низких частот, где меньше затухание сигнала. В этом случае широко используется амплитудно-фазовая манипуляция, о которой подробно рассказывалось в предыдущих разделах.

* Многократное повторение передачи информационного сигнала с последующим многократным статистическим выделением его на фоне шумов с помощью узкополосной фильтрации. Этот метод получил название когерентного приёма, и он позволяет эффективно принимать сигналы, уровень которых сопоставим с уровнем сопутствующих шумов.

Целью внедрения перечисленных методов является, в первую очередь, улучшение помехозащищённости и увеличение длины регенерационных участков. В волоконно-оптических системах передачи перспективным направлением представляется использование квантовых усилителей, в которых световые сигналы восстанавливаются без их обязательного преобразования в электрические с последующим повторным формированием оптического сигнала. Операторам связи надо быть готовым к таким технологическим прорывам, которые потребуют пересмотра многих устоявшихся стереотипов в подходе к строительству, пуско-наладке и эксплуатации ЦСП.

Анализ схемотехнических и системных решений регенераторов цифрового сигнала показывает, что в их состав входят как аналоговые (РКУ, фильтр-выделитель тактовой частоты), так и цифровые узлы. Находящиеся в настоящее время в эксплуатации и внедряемые в эксплуатацию регенераторы отличаются многообразием, как схемных решений, так и выбором элементной базы для их реализации. Однако магистральным направлением разработки и производства следует считать выпуск регенераторов в виде интегральных микросхем с ограниченным количеством дополнительных навесных элементов. Наиболее перспективным представляется использование так называемых гетероструктур, то есть электронных приборов, использующих, помимо привычных кремния и германия, материалы сложного химического состава. Применение интегральных микросхем регенераторов тесно связано с использованием передовых технологий монтажа, таких, как поверхностный монтаж. Всё это позволяет значительно повысить надёжность работы аппаратуры. Вместе с тем, использование больших интегральных микросхем и поверхностного монтажа делает очень затруднительным процесс ремонта аппаратуры. Общеизвестно, что регенераторы являются, с одной стороны, наиболее массовыми узлами аппаратуры ЦСП, а с другой - создающими наибольшее число проблем, как при пуско-наладке систем передачи, так и при их эксплуатации. В первую очередь, это относится к линейным регенераторам, работающим в составе НРП в жёстких климатических условиях и без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Поэтому организация эффективного контроля работы регенераторов на всех этапах строительства и эксплуатации сетей является решающим фактором обеспечения надёжности и требуемых качественных показателей систем связи.

2.Интернет адресация: характеристики классов адресов, структура IP-адресов, специальные IP-адреса, назначение маски подсети

Адресация в компьютерных сетях бывает двух видов: физическая адресация (на основе MAC-адреса) и логическая (на основе IP-адреса). Логическая адресация реализована на 3-ем уровне эталонной модели OSI. Далее более подробно рассматривается IP-адресация и пять классов IP-адресов, а также подсети, маски подсетей и их роль в схемах IP-адресации. Кроме того, обсуждаются отличия между публичными и частными адресами, IPv4-и IPv6-адресацией, а также одноадресными и широковещательными сообщениями.

Для обмена данными в Интернете (между различными локальными сетями) узлу необходим IP-адрес. Это логический сетевой адрес конкретного узла. Для обмена данными с другими устройствами, подключенными к Интернету, необходим правильно настроенный, уникальный IP-адрес.

IP-адрес присваивается сетевому интерфейсу узла. Обычно это сетевая интерфейсная плата (NIC), установленная в устройстве. Примерами пользовательских устройств с сетевыми интерфейсами могут служить рабочие станции, серверы, сетевые принтеры и IP-телефоны. Иногда в серверах устанавливают несколько NIC, у каждой из которых есть свой IP-адрес. У интерфейсов маршрутизатора, обеспечивающего связь с сетью IP, также есть IP-адрес.

В каждом отправленном по сети пакете есть IP-адрес источника и назначения. Эта информация необходима сетевым устройствам для передачи информации по назначению и передачи источнику ответа.

2.1 Структура IP адреса

IP-адрес представляет собой серию из 32 двоичных бит (единиц и нулей). Человеку прочесть двоичный IP-адрес очень сложно. Поэтому 32 бита группируются по четыре 8-битных байта, в так называемые октеты. Читать, записывать и запоминать IP-адреса в таком формате людям сложно. Чтобы облегчить понимание, каждый октет IP-адреса представлен в виде своего десятичного значения. Октеты разделяются десятичной точкой или запятой. Это называется точечно-десятичной нотацией.

При настройке IP-адрес узла вводится в виде десятичного числа с точками, например, 192.168.1.5. Вообразите, что вам пришлось бы вводить 32-битный двоичный эквивалент адреса -- 11000000101010000000000100000101. Если ошибиться хотя бы в одном бите, получится другой адрес, и узел, возможно, не сможет работать в сети.

Структура 32-битного IP-адреса определяется межсетевым протоколом 4-ой версии (IPv4). На данный момент это один из самых распространенных в Интернете типов IP-адресов. По 32-битной схеме адресации можно создать более 4 миллиардов IP-адресов.

Получая IP-адрес, узел просматривает все 32 бита по мере поступления на сетевой адаптер. Напротив, людям приходится преобразовывать эти 32 бита в десятичные эквиваленты, то есть в четыре октета. Каждый октет состоит из 8 бит, каждый бит имеет значение. У четырех групп из 8 бит есть один и тот же набор значений. Значение крайнего правого бита в октете - 1, значения остальных, слева направо - 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128.

Чтобы определить значение октета, нужно сложить значения позиций, где присутствует двоичная единица.

· Нулевые позиции в сложении не участвуют.

· Если все 8 бит имеют значение 0, 00000000, то значение октета равно 0.

· Если все 8 бит имеют значение 1, 11111111, значение октета - 255 (128+64+32+16+8+4+2+1).

· Если значения 8 бит отличаются, например, 00100111, значение октета - 39 (32+4+2+1).

Таким образом, значение каждого из четырех октетов находится в диапазоне от 0 до 255

Рис. 2.1. Структура IP-адреса.

2.2 Разделение IP адреса на сетевую и узловую части

Логический 32-битный IP-адрес представляет собой иерархическую систему и состоит из двух частей. Первая идентифицирует сеть, вторая -- узел в сети. Обе части являются обязательными.

Например, если IP-адрес узла - 192.168.18.57, то первые три октета (192.168.18) представляют собой сетевую часть адреса, а последний октет (.57) является идентификатором узла. Такая система называется иерархической адресацией, поскольку сетевая часть идентифицирует сеть, в которой находятся все уникальные адреса узлов. Маршрутизаторам нужно знать только путь к каждой сети, а не расположение отдельных узлов.



Рис. 2.2. Иерархическая структура IP-адресов.

Другой пример иерархической сети - это телефонная сеть. В телефонном номере код страны, региона и станции составляют адрес сети, а оставшиеся цифры -- локальный номер телефона.

При IP-адресации в одной физической сети могут существовать несколько логических сетей, если сетевая часть адреса их узла отличается. Пример. Три узла в одной физической локальной сети имеют одинаковую сетевую часть в своем IP-адресе (192.168.50), а три других узла -- другую сетевую часть (192.168.70). Три узла с одной сетевой частью в своих IP-адресах имеют возможность обмениваться данными друг с другом, но не могут обмениваться информацией с другими узлами без использования маршрутизации. В данном случае имеем одну физическую сеть и две логические IP-сети.



Рис. 2.3. Сетевая и узловая части IP-адреса.

2.3 Классы IP адресов и маски подсети по умолчанию

IP-адрес и маска подсети совместно определяют то, какая часть IP-адреса является сетевой, а какая -- соответствует адресу узла.

IP-адреса делятся на 5 классов. К классам A, B и C относятся коммерческие адреса, присваиваемые узлам. Класс D зарезервирован для многоадресных рассылок, а класс E - для экспериментов.

Рис. 2.4. IP-адреса класса D.



Рис. 2.5. IP-адреса класса E.

В адресах класса C сетевая часть состоит из трех октетов, а адрес узла - из одного. Выбранная по умолчанию маска подсети состоит из 24 бит (255.255.255.0). Адреса класса C обычно присваиваются небольшим сетям.

Рис. 2.6. IP-адреса класса C.

В адресах класса B сетевая часть и адрес узла состоят из двух октетов. Выбранная по умолчанию маска подсети состоит из 16 бит (255.255.0.0). Обычно эти адреса используются в сетях среднего размера.

Рис. 2.7. IP-адреса класса B.

В адресах класса A сетевая часть состоит всего из одного октета, остальные отведены узлам. Выбранная по умолчанию маска подсети состоит из 8 бит (255.0.0.0). Обычно такие адреса присваиваются крупным организациям.



Рис. 2.8. IP-адреса класса A.

Класс адреса можно определить по значению первого октета. Например, если значение первого октета IP-адреса находится в диапазоне от 192 до 223, то это адрес класса C. Например, адрес 200.14.193.67 относится к классу С.

Рис. 2.9. Классы IP-адресов.

2.4 Классовая и бесклассовая адресация

Классовая IP адресация -- это метод IP-адресации, который не позволяет рационально использовать ограниченный ресурс уникальных IP-адресов, т.к. не возможно использование различных масок подсетей. В классовом методе адресации используется фиксированная маска подсети, поэтому класс сети (см. выше) всегда можно идентифицировать по первым битам.

Бесклассовая IP адресация (Classless Inter-Domain Routing -- CIDR) -- это метод IP-адресации, который позволяет рационально управлять пространством IP адресов. В бесклассовом методе адресации используются маски подсети переменной длины (variable length subnet mask -- VLSM).

Возможные значения масок подсети при бесклассовом методе адресации (широко применяется в современных сетях):

Таблица 1. Возможные значения масок подсети.

Всего адресов	битов	Префикс	Класс	Десятичная маска
1	0	/32		255.255.255.255
2	1	/31		255.255.255.254
4	2	/30		255.255.255.252
8	3	/29		255.255.255.248
16	4	/28		255.255.255.240
32	5	/27		255.255.255.224
64	6	/26		255.255.255.192
128	7	/25		255.255.255.128
256	8	/24	1C	255.255.255.0
512	9	/23	2C	255.255.254.0
1024	10	/22	4C	255.255.252.0
2048	11	/21	8C	255.255.248.0
4096	12	/20	16C	255.255.240.0
8192	13	/19	32C	255.255.224.0
16384	14	/18	64C	255.255.192.0
32768	15	/17	128C	255.255.128.0
65536	16	/16	1B	255.255.0.0
131072	17	/15	2B	255.254.0.0
262144	18	/14	4B	255.252.0.0
524288	19	/13	8B	255.248.0.0
1048576	20	/12	16B	255.240.0.0
2097152	21	/11	32B	255.224.0.0
4194304	22	/10	64B	255.192.0.0
8388608	23	/9	128B	255.128.0.0
16777216	24	/8	1A	255.0.0.0
33554432	25	/7	2A	254.0.0.0
67108864	26	/6	4A	252.0.0.0
134217728	27	/5	8A	248.0.0.0
268435456	28	/4	16A	240.0.0.0
536870912	29	/3	32A	224.0.0.0
1073741824	30	/2	64A	192.0.0.0
2147483648	31	/1	128A	128.0.0.0
4294967296	32	/0	256A	0.0.0.0

2.5 Назначение маски подсети

Каждый IP-адрес состоит из двух частей. Как узлы определяют, где сетевая часть, а где адрес узла? Для этого используется маска подсети.

При настройке IP узлу присваивается не только IP-адрес, но и маска подсети. Как и IP-адрес, маска состоит из 32 бит. Она определяет, какая часть IP-адреса относится к сети, а какая - к узлу.

Маска сравнивается с IP-адресом побитно, слева направо. В маске подсети единицы соответствуют сетевой части, а нули -- адресу узла.

Отправляя пакет, узел сравнивает маску подсети со своим IP-адресом и адресом назначения. Если биты сетевой части совпадают, значит, узлы источника и назначения находятся в одной и той же сети, и пакет доставляется локально. Если нет, отправляющий узел передает пакет на интерфейс локального маршрутизатора для отправки в другую сеть.

В домашних офисах и небольших компаниях чаще всего встречаются следующие маски подсети: 255.0.0.0 (8 бит), 255.255.0.0 (16 бит) и 255.255.255.0 (24 бита). В маске подсети 255.255.255.0 (десятичный вариант), или 11111111.11111111.1111111.00000000 (двоичный вариант) 24 бита идентифицируют сеть, а 8 -- узлы в сети.

Чтобы вычислить количество возможных сетевых узлов, нужно взять количество отведенных для них бит в степени 2 (2 ^ 8 = 256). Из полученного результата необходимо вычесть 2 (256-2). Дело в том, что состоящая из одних единиц (1) отведенная узлам часть IP-адреса предназначена для адреса широковещательной рассылки и не может принадлежать одному узлу. Часть, состоящая только из нулей, является идентификатором сети и тоже не может быть присвоена конкретному узлу. Возвести число 2 в степень без труда можно с помощью калькулятора, который есть в любой операционной системе Windows.

Иначе допустимое количество узлов можно определить, сложив значения доступных бит (128+64+32+16+8+4+2+1 = 255). Из полученного значения необходимо вычесть 1 (255-1 = 254), поскольку значение всех бит отведенной для узлов части не может равняться 1. 2 вычитать не нужно, поскольку сумма нулей равна нулю и в сложении не участвует.

В 16-битной маске для адресов узлов отводится 16 бит (два октета), и в одном из них все значения могут быть равны 1 (255). Это может быть и адрес широковещательной рассылки, но если другой октет не состоит из одних единиц, адрес можно использовать для узла. Не забывайте, что узел проверяет значения всех бит, а не значения одного октета.

Таблица 2. Адреса подсетей.

цифровой сигнал интернет адресация маска подсеть



Рис. 2.10. Взаимодействие IP-адреса и маски подсети.

2.6 Публичные и частные IP-адреса

Всем узлам, подключенным непосредственно к Интернету, необходим уникальный публичный IP-адрес. Поскольку количество 32-битных адресов конечно, существует риск, что их не хватит. В качестве одного из решений было предложено зарезервировать некоторое количество частных адресов для использования только внутри организации. В этом случае внутренние узлы смогут обмениваться данными друг с другом без использования уникальных публичных IP-адресов.

В соответствии со стандартом RFC 1918 было зарезервировано несколько диапазонов адресов класса A, B и C. Как видно из таблицы, в диапазон частных адресов входит одна сеть класса A, 16 сетей класса B и 256 сетей класса C. Таким образом, сетевые администраторы получили определенную степень свободы в плане предоставления внутренних адресов.

В очень большой сети можно использовать частную сеть класса A, где можно создать более 16 миллионов частных адресов.

В сетях среднего размера можно использовать частную сеть класса B с более чем 65 000 адресов.

В домашних и небольших коммерческих сетях обычно используется один частный адрес класса C, рассчитанный на 254 узла.

Одну сеть класса A, 16 сетей класса B или 256 сетей класса C могут использовать организации любого размера. Многие организации пользуются частной сетью класса A.

Таблица 3. Частные IP-адреса.

Узлы из внутренней сети организации могут использовать частные адреса до тех пор, пока им не понадобится прямой выход в Интернет. Соответственно, один и тот же набор адресов подходит для нескольких организаций. Частные адреса не маршрутизируются в Интернете и быстро блокируются маршрутизатором поставщика услуг Интернета.

При подключении сети предприятия, в которой используются частные адреса, к сети Internet необходимо обеспечить преобразование частных адресов в открытые. Такой процесс называется трансляцией сетевых адресов (Network Address Translation -- NAT) и обычно выполняется маршрутизатором.

Частные адреса можно использовать как меру безопасности, поскольку они видны только в локальной сети, а посторонние получить прямой доступ к этим адресам не могут.

2.7 Специальные IP-адреса

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов.

· Если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет; этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP. 

· Если в поле номера сети стоят только нули, то по умолчанию считается, что узел назначения принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет. 

· Если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным. сообщением (limited broadcast). 

· Если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

Ряд адресов является выделенными для специальных целей:

0.0.0.0 - обращение к ЭВМ, на которой производится работа;

255.255.255.255 - обращение ко всем машинам локальной сети. 

127.xxx.xxx.xxx - помещение пакета во входной поток данной ЭВМ (loopback; используется например программой Apache для просмотра WEB-страниц в процессе их подготовки). 

При адресации необходимо учитывать те ограничения, которые вносятся особым назначением некоторых IP-адресов. Так, ни номер сети, ни номер узла не может состоять только из одних двоичных единиц или только из одних двоичных нулей. Отсюда следует, что максимальное количество узлов, приведенное в таблице для сетей каждого класса, на практике должно быть уменьшено на 2. Например, в сетях класса С под номер узла отводится 8 бит, которые позволяют задавать 256 номеров: от 0 до 255. Однако на практике максимальное число узлов в сети класса С не может превышать 254, так как адреса 0 и 255 имеют специальное назначение. Из этих же соображений следует, что конечный узел не может иметь адрес типа 98.255.255.255, поскольку номер узла в этом адресе класса А состоит из одних двоичных единиц.

Особый смысл имеет IP-адрес, первый октет которого равен 127. Он используется для тестирования программ и взаимодействия процессов в пределах одной машины. Когда программа посылает данные по IP-адресу 127.0.0.1, то образуется как бы «петля». Данные не передаются по сети, а возвращаются модулям верхнего уровня как только что принятые. Поэтому в IP-сети запрещается присваивать машинам IP-адреса, начинающиеся со 127. Этот адрес имеет название loopback. Можно отнести адрес 127.0.0.0 ко внутренней сети модуля маршрутизации узла, а адрес 127.0.0.1 - к адресу этого модуля на внутренней сети. На самом деле любой адрес сети 127.0.0.0 служит для обозначения своего модуля маршрутизации, а не только 127.0.0.1, например 127.0.0.3.

Размещено на Allbest.ru