Высокоскоростные технологии Ethernet. Функциональная организация сети. Методы передачи данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Л14: Высокоскоростные технологии Ethernet

В1: Fast Ethernet

Fast Ethernet была предложена фирмой 3Com для реализации сети со скоростью передачи 100 Мбит\с при сохранении всех особенностей 10-Мбитного Ethernet. Для этого полностью сохранялся формат кадра и метод доступа. Это позволяет полностью сохранить программное обеспечение. Одним из требований было также применение кабельной системы на основе витой пары, которая к моменту появления Fast Ethernet заняла доминирующее положение.

Fast Ethernet предусматривает использование следующих кабельных систем:

1) Многомодовая волоконно-оптическая линия связи

2) Витая пара категории 5

3) Витая пара категории 3

Структура сети: иерархическая древовидная, построена на концентраторах, так как коаксиальный кабель применять не предполагалось.

Диаметр сети Fast Ethernet составляет порядка 200 метров, что связано с уменьшением времени передачи кадра минимальной длины. Сеть может работать как в полудуплексном режиме, так и в дуплексном режиме.

Стандарт определяет три спецификации физического уровня:

1) Использование двух неэкранированных пар

2) Использование четырех неэкранированных пар

3) Использование двух оптических волокон

П1: Спецификация 100Base-TX и 100Base-FX

Эти технологии, не смотря на использование разных кабелей, имеют много общего с точки зрения функциональности. Отличие заключается в том, что спецификация TX обеспечивает автоматическое определение скорости передачи. Если определить скорость не удалось, считается, что линия работает на скорости 10 Мбит.

П2: Спецификация 100Base-T4

К моменту появления Fast Ethernet большинство пользователей применяли витую пару категории 3. Для того чтобы по такой кабельной системе пропустить сигнал со скоростью 100 Мбит\с была использована специальная система логического кодирования. В этом случае удается для передачи данных применять только 3 пары кабеля, а 4-ая пара используется для прослушивания и обнаружения коллизий. Это позволяет увеличить скорость обмена.

П3: Правила построения многосегментных сетей Fast Ethernet

Повторители Fast Ethernet делятся на 2 класса:

a. Поддерживает все виды логического кодирования

b. Поддерживает только один из видов логического кодирования, зато стоимость его гораздо ниже.

Поэтому в зависимости от конфигурации сети допускается использование одного или двух повторителей 2-го типа.

В2: Спецификация 100VG-Any LAN

Это технология разработанная для передачи данных со скоростью 100 Мбит\с с использование протоколов либо Ethernet, либо Token Ring. Для этого использован метод доступа с приоритетом и новая схема кодирования данных, которая получила название «квартетное кодирование». При этом данные передаются со скоростью 25Мбит\с по 4-м витым парам, что в сумме обеспечивает 100 Мбит\с.

Суть метода заключается в следующем: станция, имеющая кадр, для передачи посылает запрос концентратору, при этом требуется низкий приоритет для обычных данных и высокий приоритет для данных критичных к задержкам, то есть для мультимедийных данных. Концентратор обеспечивает разрешение на передачу соответствующего кадра, то есть работает на втором уровне OSI-модели (канальном уровне). Если сеть занята, концентратор ставит запрос в очередь.

Физическая топология такой сети обязательно звезда, при этом ветвление не допускается. Концентратор такой сети имеет 2 вида портов:

1) Порты для связи вниз (на нижний уровень иерархии)

2) Порты для связи вверх

Кроме концентраторов в такой сети могут исписываться коммутаторы, маршрутизаторы и сетевые адаптеры.

В такой сети могут использоваться кадры Ethernet, Token Ring, а также собственные кадры тестирования соединения.

Основные достоинства этой технологии:

1) Возможность использования существующей 10-Мбитной сети

2) Отсутствие потерь из-за конфликтов

3) Возможность построения протяженных сетей без использования коммутатора

В3: Gigabit Ethernet

Высокоскоростная технология гигабит Ethernet обеспечивает скорость до 1 гб\сек, и он описан в рекомендациях 802.3z и 802.3ab. Особенности этой технологии:

1) Сохранены все виды кадров

2) Предусмотрено использование 2-ух протоколов доступа к среде передачи CSMA/CD и полнодуплексная система

В качестве физической среды передачи можно использовать:

1) Волоконно-оптический кабель

2) Витая пара категории 5

3) Коаксиальный кабель.

По сравнению с предыдущими версиями имеются изменения, как на физическом уровне, так и на уровне MAC:

1) Увеличен минимальный размер кадра с 64-ёх до 512-ти байт. Кадр дополняется до 51-ти байт специальным полем расширения размером от 448-ми до 0 байт.

2) Для уменьшения накладных расходов конечным узлам разрешено передавать несколько кадров подряд без освобождения среды передачи. Такой режим носит название Burst Mode. При этом станция может передать несколько кадров с общей длиной 65536 бит.

Гигабит Ethernet может быть реализован на витой паре категории 5, при этом используется 4 пары проводников. Каждая из пар проводников обеспечивает скорость передачи 250 Мбит\сек

В4: 10-ти гигабитный Ethernet

Ряд фирм к 2002-му году разработали аппаратуру, обеспечивающую скорость передачи 10 Гбит\сек. Это в первую очередь аппаратура фирмы Cisco. В связи с этим был разработан стандарт 802.3ae. Согласно этому стандарту в качестве линий передачи данных использовалась волоконно-оптическая линия. В 2006 году появился стандарт 802.3an, в котором применялась витая пара 6-ой категории. Технология 10-ти гигабитного Ethernet предназначена в 1-ую очередь для передачи данных на большие расстояния. Она использовалась для объединения локальных сетей. Позволяет строить сети диаметром в несколько 10-ов км. К основным особенностям 10-ти гигабитного Ethernet можно отнести:

1) Дуплексный режим на основе коммутаторов

2) Наличие 3-ёх групп стандартов физического уровня

3) Использование в качестве основной среды передачи данных волоконно-оптического кабеля

В5: 100 гигабитный Ethernet

В 2010 году был принят новый стандарт 802.3ba, в котором предусматривались скорости передачи 40 и 100 Гбит\сек. Основная цель разработки этого стандарта состояла в распространении требований протокола 802.3 на новые сверхскоростные системы передачи данных. При этом стояла задача максимального сохранения инфраструктуры локальных вычислительных сетей. Необходимость в новом стандарте связана с ростом объемов данных передаваемых по сетям. Требования к объёмам существенно превышают существующие возможности. Данный стандарт поддерживает дуплексный режим и ориентирован на различные среды передачи данных.

Основными целями разработки нового стандарта было:

1) Сохранение формата кадра

2) Сохранение минимального и максимального размера кадра

3) Сохранение уровня ошибок в прежних рамках

4) Обеспечение поддержки высоконадёжной среды для передачи разнородных данных

5) Обеспечение спецификаций физического уровня при передаче по оптическому волокну

Основными пользователями систем, разработанных на основе этого стандарта, должны стать сети хранения данных, серверные фермы, центры обработки данных, телекоммуникационные компании. Для этих организаций коммуникационные системы передачи данных уже на сегодняшний день оказываются узким местом. Дальнейшей перспективой развития сетей Ethernet связывают с 1 Тбит\сек сетями. Предполагается что технология, поддерживающая такие скорости, появится к 2015-ому году. Для этого необходимо преодолеть целый ряд трудностей, в частности разработать более высокочастотные лазеры с частотой модуляции, по крайней мере, 15 Ггц. Для этих сетей нужны также новые оптические кабеля и новые системы модуляции. В качестве наиболее перспективных сред передачи рассматриваются волоконно-оптические линии с вакуумной сердцевиной, а так же изготовленные из углерода, а не из кремния как современные линии. Естественно при таком массовом использовании волоконно-оптических линий необходимо больше внимания уделять оптическим методам обработки сигналов.



Л15: ЛВС Token Ring

В1: Общие сведения

Token Ring - маркерное кольцо - сетевая технология, в которой станции могут передавать данные только тогда, когда они владеют маркером, непрерывно циркулирующем по сети. Эта технология предложена фирмой IBM и описана в стандарте 802.5.

Основные технические характеристики Token Ring:

1) Максимальное число станций в кольце 256

2) Максимальное расстояние между станциями 100 м. для витой пары категории 4, 3 км для оптоволоконного многомодового кабеля

3) С помощью мостов можно объединить до 8-ми колец.

Существует 2 варианта технологии Token Ring, обеспечивающие скорость передачи 4 и 16 Мбит\сек.

Достоинства системы:

1) Отсутствие конфликтов

2) Гарантированное время доступа

3) Хорошее функционирование при большой загрузке, в то время как Ethernet при загрузке 30% существенно снижает свои скорости

4) Большой размер передаваемых данных в кадре (до 18-ти Кбайт).

5) Реальная скорость 4-ёх мегабитной сети Token Ring оказывается выше, чем в 10-ти мегабитной Ethernet

К недостаткам можно отнести:

1) Более высокая стоимость оборудования

2) Пропускная способность сети Token Ring в настоящее время меньше чем в последних версиях Ethernet



В2: Структурная и функциональная организация Token Ring

Физическая топология Token Ring - звезда. Она реализуется за счёт подключения всех компьютеров через сетевые адаптеры к устройству множественного доступа. Оно осуществляет передачу кадров от узла к узлу, представляет собой концентратор. Он имеет 8 портов и 2 разъёма для подключения к другим концентраторам. В случае выхода из строя одного из сетевых адаптеров данное направление перемыкается и целостность кольца не нарушается. Несколько концентраторов могут конструктивно объединяться в кластер. Внутри этого кластера абоненты соединены в кольцо. Каждый узел сети принимает кадр от соседнего узла, восстанавливает уровень сигнала и передаёт следующему. Кадр может содержать данные либо маркер. Когда узлу необходимо передать кадр, адаптер дожидается поступления маркера. Получив его, он преобразует маркер в кадр данных и передаёт его по кольцу. Пакет совершает оборот по всему кольцу и поступает на сформировавший этот пакет узел. Здесь проверяется правильность прохождения кадра по кольцу. Количество кадров, которое может передать узел за 1 сеанс, определяется временем удержания маркера, которое обычно = 10 мсек. При получении маркера, узел определяет, есть ли у него данные для передачи, и превышает ли их приоритет значение зарезервированного приоритета записанного в маркере. Если превышает, то узел захватывает маркер и формирует кадр данных. В процессе передачи маркера и кадра данных, каждый узел проверяет кадр на наличие ошибок. При их обнаружении устанавливается специальный признак ошибки, и все узлы игнорируют этот кадр. В процессе прохождения маркера по кольцу узлы имеют возможность зарезервировать приоритет, с которым они хотят передать свой кадр. В процессе прохождения по кольцу к маркеру будет присоединён кадр, имеющий наивысший приоритет. Это гарантирует среду передачи от столкновения кадров. При передаче небольших кадров, например запросов на чтение файла, возникают непроизводительные задержки, необходимые для полного оборота этого запроса по всему кольцу. Для увеличения производительности в сети со скоростью 16 Мбит\сек, используется режим ранней передачи маркера. При этом узел передаёт маркер следующему узлу сразу же после передачи своего кадра. Сразу после включения сети 1 из узлов назначается активным монитором, он выполняет дополнительные функции:

1) Контроль наличия маркера в сети

2) Формирование нового маркера при обнаружении потери

3) Формирование диагностических кадров

В3: форматы кадров

В сети Token Ring используется 3 типа кадров:

1) Кадр данных

2) Маркер

3) Последовательность завершения

Кадр данных представляет собой следующий набор байт:

НР - начальный разделитель. Размер 1 байт, указывает начало кадра. Он также отмечает тип кадра: промежуточный, последний или единственный.

УД - управление доступом. В это поле узлы, которым необходимо передать данные, могут записать необходимость резервирования канала.

УК - управление кадром. 1 байт. Указывает информацию для управления кольцом.

АН - адрес узла назначения. Может быть длиной 2 или 6 байт, в зависимости от настроек.

АИ - адрес источника. Также 2 или 6 байт.

Данные. Данное поле может содержать данные, предназначенные для протоколов сетевого уровня. Специального ограничения на длину поля, однако, его длина ограничивается исходя их допустимого времени удержания маркера (10 миллисекунд). За это время, обычно, можно передать от 5 до 20 килобайт информации, что является фактическим ограничением.

КС - контрольная сумма, 4 байта.

КР - концевой разделитель. 1 байт.

СК - статус кадра. Может, например, содержать информацию о содержащийся в кадре ошибке.

Второй тип кадра - маркер:

Третий кадр - последовательность завершения:

Используется для завершения передачи в любой момент времени.



Л16: ЛВС FDDI

В1: Общие сведения

FDDI - оптоволоконный интерфейс распределенных данных.

Это одна из первых высокоскоростных технологий, используемая в сетях на волоконно-оптическом кабеле. Стандарт FDDI реализован с максимальным соответствием стандарту Token Ring.

Стандарт FDDI обеспечивает:

1) Высокую надежность

2) Гибкую реконфигурацию

3) Скорость передачи до 100 Мбит\с

4) Большие расстояния между узлами, до 100 километров

Достоинства сети:

1) Высокая помехозащищенность

2) Секретность передачи информации

3) Прекрасная гальваническая развязка

4) Возможность объединения большого количества пользователей

5) Гарантированное время доступа к сети

6) Отсутствие конфликтов даже при большой загрузке

Недостатки:

1) Высокая стоимость оборудования

2) Сложность эксплуатации

В2: Структурная организация сети

Топология - двойное кольцо. Причем используется 2 разнонаправленных оптоволоконных кабеля:



В нормальном режиме работы для передачи данных используется основное кольцо. Второе кольцо - резервное, обеспечивает передачу данных в обратном направлении. Оно автоматически активизируется в случае повреждения кабеля, либо при выходе из строя рабочей станции

Соединение точка-точка между станциями упрощает стандартизацию и позволяет использовать на разных участках волокна разного типа.

Стандарт позволяет применение сетевых адаптеров 2 типов:

1) Адаптер типа А. Подключается сразу к 2-м линиям и может обеспечить скорость работы до 200 Мбит\с

2) Адаптер типа Б. Подключается только к 1-му кольцу и поддерживает скорость до 100 Мбит\с

Кроме рабочих станций в состав сети могут входит связные концентраторы. Они обеспечивают:

1) Контроль за работой сети

2) Диагностику неисправностей

3) Преобразование оптического сигнала в электрический и наоборот при необходимости подключения витой пары

Скорость обмена в таких сетях в частности возрастает за счет специального метода кодирования, разработанного специально для этого стандарта. В нем символы кодируется не с помощью байтов, а с помощью полубайтов, который получили название ниббл.



В3: Функциональная организация сети

За основу стандарта был взят метод маркерного доступа, используемый в Token Ring. Отличие метода доступа FDDI от Token Ring заключается в следующем:

1) В FDDI применяется множественная передача маркера, при которой новый маркер передается другой станции сразу же после окончания передачи кадр, не ожидая его возвращения

2) В FDDI не предусмотрена возможность установки приоритета и резервирования. Каждая станция рассматривается как асинхронная, время доступа к сети для нее не критично. Имеется также синхронные станции, с очень жестким ограничением на время доступа и на интервал между передачами данных. Для таких станций устанавливается сложный алгоритм доступа к сети, зато обеспечивается высокоскоростная и приоритетная передача кадров

В4: Форматы кадров

Форматы кадров несколько отличаются от сети Token Ring.

Формат кадра данных:

П. В состав кадра данных входит преамбула. Она служит для начальной синхронизации приема. Начальная длина преамбулы 8 байт (64 бита). Однако со временем, в ходе сеанса связи, размер преамбулы может уменьшаться

НР. Начальный разделитель.

УК. Управление кадром. 1 байт.

АН и АИ. Адрес назначения и источника. Размером 2 или 6 байт.

Поле данных по длине может быть произвольным, однако размер кадра не должен превышать 4500 байт.

КС. Контрольная сумма. 4 байт

КР. Концевой разделитель. 0,5 байта.

СК. Статус кадра. Поле произвольной длины, не более 8 бит (1 байта), указывающие результаты обработки кадра. Обнаружена ошибка\ данные скопированы и так далее.

Кадр маркера в этой сети имеет следующий состав:



Л17: Беспроводные ЛВС (БЛВС)

В1: Общие принципы

Возможны 2 способа организации таких сетей:

1) С базовой станцией. Через которую, осуществляется обмен данными между рабочими станциями

2) Без базовой станции. Когда обмен осуществляется на прямую

Преимущества БЛВС:

1) Простота дешевизна построения

2) Мобильность пользователей

Недостатки:

1) Низкая помехоустойчивость

2) Неопределенность зоны покрытия

3) Проблема «скрытого терминала». Проблема «скрытого терминала» заключается в следующем: станция А передает сигнал станции Б. Станция С видит станцию Б и не видит станцию А. Станция С считает, что Б свободна и передает ей свои данные.

В2: Методы передачи данных

Основными методами передачи данных являются:

1) Ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM)

2) Расширение спектра скачкообразным изменением частоты (FHSS)

3) Прямое последовательное расширение спектра (DSSS)



П1: Ортогональное частотное мультиплексирование

Применяется для передачи данных со скоростью до 54 Мбит\с на частоте 5 ГГц. Битовый поток данных делится на N подпотоков, каждый из которых модулируется автономно. На основе быстрого преобразования Фурье все несущие сворачиваются в общий сигнал, спектр которого примерно равен спектру одного модулируемого подпотока. На приемном конце при помощи обратного преобразования Фурье восстанавливается исходный сигнал.

П2: Расширение спектра скачкообразным изменением частоты

Метод основан на постоянной смене частоты несущей в пределах заданного диапазона. В каждый из временных интервалов передается определенная порция данных. Этот метод обеспечивает более надежную передачу данных, но более сложен в реализации, чем первый метод.

П3: Прямое последовательное расширение спектра

Каждый единичный бит в передаваемых данных заменяется двоичной последовательностью. При этом скорость передачи данных возрастает, а значит и расширяется спектр передаваемых частот. Этот метод также обеспечивает повышение помехоустойчивости.

В3: Технология WiFi

Это технология описывается стеком протоколов 802.11.

Существует несколько вариантов построения сети в соответствии с этим стеком.



Вариант	Стандарт	Диапазон	Метод кодирования	Скорость передачи	Год
1	802.11	Инфракрасный 850 нм		1-2 Мбит\с	1997
2	802.11	2,4 Ггц	FHSS	1-2 Мбит\с	1997
3	802.11	2,4 ГГц	DSSS	1-2 Мбит\с	1997
4	802.11а	5 ГГц	OFDM	54 Мбит\с	1999
5	802.11b	2,4 ГГц	DSSS	11 Мбит\с	1999
6	802.11g	2,4 ГГц	OFDM	54 Мбит\с	2003
7	802.11n	2,4 ГГц	MIMO	600 Мбит\с	2009

В4: Технология WiMax (802.16)

Технология беспроводного широкополосного доступа с высокой пропускной способностью. Представлена стандартом 802.16 и предназначена для построения протяженных сетей регионального уровня.

Он относится стандарту точка-многоточка. И требовал нахождения передатчика и приемника в зоне прямой видимости.

Вариант	Стандарт	Диапазон	Скорость	Радиус ячейки	Год
1	802.16	10 - 66 ГГц	32 - 134 Мбит\с	1 - 5 км	2001
2	802.16а	11 ГГц	1 - 75 Мбит\с	5 - 8 (до 50) км	2003
3	802.16-2004	11 ГГц	1 - 75 Мбит\с	До 50 км	2004
4	802.16e	2 - 6 ГГц	30 Мбит\с	1 - 5 км	2005

Основные отличия стандарта WiMax от WiFi:

1) Малая мобильность, только последний вариант обеспечивает мобильность пользователей

2) Более качественная аппаратура требует больших затрат

3) Большие расстояния передачи данных требуют повышенного внимания к защите информации

4) Большое число пользователей в ячейке

5) Высокая пропускная способность

6) Высокое качество обслуживая мультимедийного трафика

Первоначально эта сеть развивалась как сеть беспроводного, стационарного кабельного телевидения, однако с этой задачей она справлялась не очень хорошо и в настоящее время ведутся разработки по обслуживанию мобильных пользователей перемещающихся с высокой скоростью.

В5: Беспроводные персональные сети

Такие сети предназначены для взаимодействия устройств принадлежащих одному владельцу и расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (несколько десятков метров).

П1: Bluetooth

Данная технология, описанная в стандарте 802.15 обеспечивает взаимодействие различных устройств в диапазоне частот 2,4 МГц, со скоростью обмена до 1 Мбит\с.

В основе Bluetooth лежит концепция пикосети.

Отличается следующими свойствами:

1) Область покрытия до 100 метров

2) Количество устройств 255

3) Количество работающих устройств 8

4) Одно устройство главное, обычно компьютер

5) С помощью моста можно объединять несколько пикосетей

6) Кадры имеют длину 343 байта

7) Для передачи голоса используются кадры 30 байт



П2: Технология ZigBee

ZegBee - это технология описанная в стандарте 802.15.4. Она предназначена для построения беспроводных сетей с использованием маломощных передатчиков. Она нацелена на длительное время автономной работы от батареи и на большую безопасность при низкой скорость передачи данных.

Основные особенности этой технологии заключается в том, что при не высоком энергопотреблении поддерживаются не только постные технологии и связи точка-точка, но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией.

Основное назначение таких сетей:

1) Автоматизация жилых и строящихся помещений

2) Индивидуальное медицинское диагностическое оборудование

3) Системы промышленного мониторинга и управления

Технология разработана с целью быть проще и дешевле чем все остальные сети.

Существует 3 типа устройств в ZigBee:

1) Координатор. Устанавливающий связь между сетями и способный хранить информацию от устройств находящихся в сети

2) Маршрутизатор. Для подключения

3) Конечное устройство. Может только передавать данные координатору

Эти устройства работают в различных частотных диапазонах, примерно 800 МГц, 900 МГц, 2400 МГц. Комбинация разных частот обеспечивает высокую помехозащищенность и надежность этой сети. Скорость передачи данных несколько десятков килобит в секунду (10 - 40 кбит\с), расстояние между станциями - 10 - 75 метров.



В6: Беспроводные сенсорные сети

Они представляют собой распределенную самоорганизующуюся устойчивую к отказу сеть, состоящую из множества не обсуживающихся и не требующих специальной настройки датчиков. Такие сети находят применение в производстве, на транспорте, в системах обеспечения жизнедеятельности, в охранных системах. Используются для контроля различных параметров (температура, влажность…), доступа к объектам, отказам исполнительных механизмов, экологических параметров окружающей среды.

Сеть может состоять из устройств следующего типа:

1) Сетевой координатор. Организация и установка параметров сети

2) Полнофункциональное устройство. Включает в частности, поддержку ZigBee

3) Устройство с ограниченным набором функций. Для подключения к датчику



Л18: Принципы организации глобальных сетей

В1: Классификация и оборудование

Совокупность различных сетей расположенных на значительном расстоянии друг от друга и объединенных в единую сеть с помощью телекоммуникационных средств, представляют собой территориально-распределенную сеть.

Современные средства телекоммуникации объединяют территориально-распределенные сети в глобальную вычислительную сеть. Поскольку территориально-распределенные сети и Интернет используют одинаковые системы формирования сетей их принято объединять в единый класс WAN (Глобальные сети).

В отличие от локальных вычислительных сетей основными особенностями глобальных сетей являются:

1) Неограниченный территориальный охват

2) Объединение компьютеров различных типов

3) Для передачи данных на большие расстояния используется специальное оборудование

4) Топология сетей произвольна

5) Особе внимание уделяется маршрутизации

6) Глобальная сеть может содержать каналы передачи данных различный типов

К достоинствам следуют отнести:

1) Предоставление пользователям неограниченных возможностей доступа к вычислительным и информационных ресурсам

2) Возможность доступа к сети практически из любой точки земного шара

3) Возможность передачи любых видов данных, включая видео и аудио.

К основным типам устройств глобальных вычислительных сетей относятся:

1) Повторители и концентраторы. Являющиеся пассивными средствами объединения сетей. Работают на первом уровне OSI-модели

2) Мосты, маршрутизаторы, коммуникаторы и шлюзы. Являющиеся активными средствами построения сетей. Основной функцией активных средств является усиление сигнала и управление трафиком, то есть они работают на втором уровне OSI-модели

В2: Мосты

Это простейшее сетевое устройство, объединяющие сегменты сети и регулирующие прохождение кадров между ними.

2 сегмента объединенные мостом превращаются в единую сеть. Мост работает на втором канальном уровне и прозрачен для протоколов вышележащих уровней.

Для передачи кадров из одного сегмента в другой мост формирует таблицу, в которой содержится:

1) Список адресов, подключенных к станции

2) Порт, к которому подключены станции

3) Время последнего обновления записи

В отличие от повторителя, который просто передает кадры, мост анализирует целостность кадров и фильтрует их. Для получения информации о местоположении станции мосты считывают информацию из кадра, проходящего через него и анализирует ответ станции, принявшей этот кадр.

Достоинствами мостов являются:

1) Относительная простота и дешевизна

2) Локальные кадры не передаются в другой сегмент

3) Наличие моста прозрачно для пользователей

4) Мосты автоматически адаптируются к изменениям конфигурации

5) Мосты могут объединять сети, работающие по разным протоколам

Недостатки:

1) Задержки в мостах

2) Невозможность использования альтернативных путей

3) Способствуют всплескам трафика в сети, например, при поиске станций отсутствующих в списке

Существуют мосты 4-х основных типов:

1) Прозрачные

2) Транслирующие

3) Инкапсулирующие

4) С маршрутизацией

П1: Прозрачные мосты

Прозрачные мосты предназначены для объединения сетей с идентичными протоколами на физическом и канальном уровне.

Прозрачный мост является самообучающимся устройством, для каждого подключаемого сегмента он автоматически строит таблицы адресов станции.

Алгоритм функционирования моста примерно следующий:

1) Прием поступающего кадра в буфер

2) Анализ адреса источника и его поиск в таблице адресов

3) Если адрес источника отсутствует в таблице, то адрес и номер порта, откуда пришел кадр записывается в таблицу

4) Анализируется адрес назначения и ведется его поиск в таблице адресов

5) Если адрес назначения найден и он принадлежит тому сегменту, что и адрес источника, то есть номер входного порта совпадает с номером выходного порта, то кадр удаляется из буфера

6) Если адрес назначения найден в таблице адресов и он принадлежит другому сегменту, то кадр передается на соответствующий порт для передачи в нужный сегмент

7) Если адрес назначения отсутствует в таблице адресов, то кадр передается во все сегменты, за исключением того сегмента из которого он поступил

П2: Транслирующие мосты

Они предназначены для объединения сетей с разными протоколами на канальном и физическом уровнях.

Транслирующие мосты объединяют сети путем манипулирования с «конвертами», то есть при передаче кадров из Ethernet сети Token Ring заголовок и концевик Ethernet кадра заменяются на заголовок и концевик Token Ring. При этом может возникнуть проблема, связанная с тем, что допустимый размер кадра в двух сетях может оказаться разными, поэтому заранее все сети должны быть сконфигурированы на одинаковый размер кадра.

П3: Инкапсулирующие мосты

оптоволоконный интерфейс сеть беспроводной

Инкапсулирующие мосты предназначены для объединения сетей с одинаковыми протоколами через высокоскоростную магистральную сеть с другим протоколом. Например, объединение сетей Ethernet через объединение FDDI.

В отличие от транслирующих мостов, в которых заменяются заголовок и концевик, в этом случае полученные кадры вместе с заголовком вкладываются в другой конверт, который используется в магистральной сети. Конечный мост изымает оригинальный кадр и отправляет его в сегмент, где находится адресат.

Длина поля FDDI всегда достаточная для размещения любого кадра другого протокола.

П4: Мосты с маршрутизацией от источника

Такие мосты используют информацию о маршруте передачи кадра, записанную в заголовке этого кадра базовой станцией.

В этом случае таблица адресов не нужна. Такой метод чаще всего используется в Token Ring для передачи кадров между разными сегментами.

В3: Маршрутизаторы

Маршрутизаторы как и мосты позволяют эффективно объединять сети и увеличивать их размеры. В отличи от моста, работа которого прозрачна для сетевых устройств, маршрутизаторы должны явно указывать на порт, через который пройдет кадр.

Поступающие пакеты заносятся во входной буфер обмена и с помощью центрального процессора маршрутизатора анализируются. По результатам анализа выбирается выходной буфер обмена.

Маршрутизаторы можно разбить на следующие группы:

1) Периферийные маршрутизаторы. Для соединения небольших филиалов с сетью центрального офиса

2) Маршрутизаторы удаленного доступа. Для сетей среднего размера

3) Мощные магистральные маршрутизаторы



П1: Периферийные маршрутизаторы

Для соединения с сетью центрального офиса имеют 2 порта с ограниченными возможностями. Один для соединения со своей сетью, а другой с центральной сетью.

Все функции возложены на центральный офис, поэтому периферийные маршрутизаторы не требуют обслуживания и очень дешевые.

П2: Маршрутизаторы удаленного доступа

Они обычно имеют фиксированную структуру и содержат 1 местный порт и несколько портов для соединения с другими сетями.

Они обеспечивают:

1) Предоставление канала связи по требованию

2) Сжатие данных, для повышения пропускной способности

3) Автоматическое переключение трафика на коммутируемые линии при выходе основной или выделенной линии из строя

П3: Магистральные маршрутизаторы

Они подразделяются на:

1) С централизованной архитектурой

2) С расправленной архитектурой

Особенности маршрутизаторов с распределенной архитектурой:

1) Модульная конструкция

2) Наличие до нескольких десятков портов для подключения к разным сетям

3) Поддержка средств обеспечения отказоустойчивости

В маршрутизаторах с централизованной архитектурой все функции сосредоточены в одном модуле. Маршрутизаторы с распределенной архитектурой обеспечивают более высокие показатели надежности и производительности по сравнению с централизованной архитектурой.

В4: Протоколы маршрутизации

Все методы маршрутизации можно разбить на 2 группы:

1) Методы статической или фиксированной маршрутизации

2) Методы динамической или адаптивной маршрутизации

Статическая маршрутизация подразумевает использование маршрутов, которые установлены системным администратором и не изменяются в течение длительного промежутка времени.

Статическая маршрутизация применяется в небольших сетях и обладает следующими достоинствами:

1) Низкие требования к маршрутизатору

2) Повышенная безопасность сети

В тоже время у нее есть и существенные недостатки:

1) Очень высокая трудоемкость эксплуатации

2) Отсутствие адаптации к изменениям топологии сети

Динамическая маршрутизация позволяет автоматически изменять маршрут следования при перегрузках или отказах в сети. Протоколы маршрутизации в этом случае реализуются программно в маршрутизаторе создавая таблицы маршрутизации, отображающие текущие состояния сети.

Протоколы внутренней маршрутизации основаны на алгоритмах обмена:

1) Таблицами вектор-длина (DVA)

2) Информацией о состояниях каналов (LSA)

DVA - это алгоритм обмена информации о доступных сетях и о расстояниях до них путем рассылки широковещательных пакетов.

Этот алгоритм реализуется в одном из самых первых протоколов RIP, который до сих пор не потерял своей актуальности. Они периодически посылают широковещательные пакеты, обновляя таблицы маршрутизации.

Достоинства:

1) Простота

Недостатки:

1) Медленное формирование оптимальное маршрутов

2) Большая загрузка сети

LSA - алгоритм обмена информации о состоянии каналов, его также называют алгоритмом предпочтения кратчайшего пути.

Он основан на построении динамический карты топологии сети за счет сбора информации о всех объединяемых сетях. При изменении состояния своей сети маршрутизатор немедленно отправляет сообщение всем другим маршрутизаторам.

К достоинствам относят:

1) Гарантированная и быстрая оптимизация маршрутов

2) Меньший объем передаваемой по сети информации

С развитием достоинств алгоритма LSA было разработка протокола OSPF. Это наиболее современный и часто используемый протокол, он обеспечивает следующие дополнительные к базовому алгоритму LSA возможности:

1) Более быстрая оптимизация маршрутов

2) Простота отладки

3) Маршрутизация пакетов в соответствии с классом обслуживания

4) Аутентификация маршрутов, то есть отсутствие возможности перехвата пакета злоумышленниками

5) Создание виртуального канала между маршрутизаторами



В5: Сравнение маршрутизаторов и мостов

К достоинствам маршрутизаторов по сравнению с мостами можно отнести:

1) Высокая безопасность данных

2) Высокая надежность сетей за счет альтернативных путей

3) Эффективное распределение нагрузки по каналам связи за счет выбора наилучших маршрутов для передачи данных

4) Большая гибкость за счет выбора маршрута в соответствии с его метрикой, то есть стоимость маршрута, пропускная способность и так далее

5) Возможность объединения с разной длиной пакета

К недостаткам маршрутизаторов следует отнести:

1) Сравнительно большую задержку при передаче пакетов

2) Сложность установки и конфигурирования

3) При перемещении компьютера из одной сети в другую необходимо изменять его сетевой адрес

4) Более высокая стоимость производства, так как требуются дорогостоящие процессоры, большая оперативная память, дорогое программное обеспечение

Можно выделить следующие характерные особенности мостов и маршрутизаторов:

1) Мосты работают с MAC (то есть физическими) адресами, а маршрутизаторы с сетевыми адресами

2) Для построения маршрута мосты используют только адреса отправителя и получателя, маршрутизаторы же используют много разных источников для выбора маршрута

3) Мосты не имеют доступа к данным в конверте, а маршрутизаторы могут вскрыть конверты и разбивать пакеты на более короткие

4) С помощью мостов пакеты только отфильтровываются, а маршрутизаторы пересылают пакеты на конкретный адрес

5) Мосты не учитывают приоритет кадра, а маршрутизаторы обеспечивают различные типы сервиса

6) В мостах обеспечивается не большое время задержки, хотя при перегрузке возможны потери кадров, а маршрутизаторы вносят большую задержку

7) Мосты не гарантируют доставку кадров, а маршрутизаторы гарантируют

8) Мост перестает работать при неисправности сети, а маршрутизатор обеспечивает поиск альтернативного маршрута и сохраняет работоспособность сети

9) Мосты обеспечивают достаточно низкий уровень безопасности, чем маршрутизаторы

В6: Коммутаторы

Коммутатор по функциональным возможностям занимает промежуточное положение между мостом и маршрутизатором. Он работает на втором канальном уровне, то есть коммутирует данные на основе MAC адресов.

Производительность коммутаторов значительно выше, чем мостов.

Каноническую структуру коммутатора можно представить в следующем виде:



В отличие от моста каждый порт в коммутаторе имеется свой процессор, в то время как в мосте имеются общий процессор. В коммутаторе устанавливается один путь для всех кадров, то есть формируется так называемая пачка.

Коммутационная матрица передает кадры из входных буферов в выходные на основе коммутационной матрицы.

Используются 2 способа коммутации:

1) С полной буферизацией кадра, то есть пересылка начинается после сохранения в буфере всего кадра

2) На лету, когда анализ заголовка начинается сразу же после поступления во входной порт\буфер и кадр с ходу направляется в нужный выходной буфер

Коммутаторы подразделяются на:

1) Полудуплексные, когда к каждому порту подключается сегмент сети

2) Дуплексные, когда к порту подключается только одна рабочая станция

Коммутаторы по сравнению с мостами являются более интеллектуальными сетевыми устройствами. Они позволяют:

1) Автоматически определять конфигурацию связи

2) Транслировать протоколы канального уровня

3) Фильтровать кадры

4) Устанавливать приоритеты трафика



Л19: Сети с установлением соединений

В1: Принцип передачи пакетов на основе виртуальных каналов

Коммутация в сетях может быть основана на 2-х методах:

1) Дейтаграммный способ (без установления соединения)

2) На основе виртуального канала (с установлением соединения)

Существует 2 типа виртуальных каналов:

1) Коммутируемый (на время сеанса)

2) Постоянный (формируемый вручную и неизменяемый в течение длительного времени)

При создании коммутируемого канала маршрутизация осуществляется один раз, при прохождении первого пакета. Такому каналу присваивается условный номер, по которому и адресуется передача остальных пакетов.

Такая организация уменьшает задержку:

1) Решение о продвижении пакета принимается быстрее, из-за короткой таблицы коммутации

2) Возрастает эффективная скорость передачи данных

Использование постоянных каналов более эффективно, так как отсутствует этап установления соединения. Однако, по постоянному каналу может одновременно передаваться несколько пакетов, что снижает эффективную скорость передачи данных. Постоянные виртуальные каналы дешевле, чем выделенные каналы.

П1: Назначение и структура сети

Такие сети наилучшим образом подходят для передачи трафика низкой интенсивности.

Сети х.25 называют еще сетями пакетной коммутации. В течение длительного времени такие сети были единственными сетями, которые работали на низкоскоростных ненадежных каналах связи.

Такие сети состоят из коммутаторов, называемых центрами коммутации пакетов и расположенных в различных географических точках. Между собой коммутаторы соединяются линиями связи, которые могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Несколько низкоскоростных потоков от терминалов соединяется в пакет, передаваемый по сети. Для этого используются специальные устройства - пакетный адаптер данных. Именно к этому адаптеру и подключаются терминалы, работающие в сети.

Функциями пакетного адаптера данных являются:

1) Сборка символов в пакеты

2) Разборка пакетов и вывод данных на терминалы

3) Управление процедурами соединения и разъединения по сети

Терминалы в сети не имеют собственных адресов, они распознаются по порту пакетного адаптера данных, к которому терминал подключен.

П2: Стек протоколов х.25

Стандарты описаны на 3-х уровнях протоколов: физическом, канальном и сетевом.

На физическом уровне определен универсальный интерфейс, между аппаратурой передачи данных и оконечным оборудованием.

На канальном уровне обеспечивается сбалансированный режим работы, что обозначает равноправие узлов, участвующих в соединении.

На сетевом уровне выполняются функции маршрутизации пакетов, установление и разрыва соединения и управление потоком данных.



П3: Установление виртуального соединения

Для установления соединения посылается специальный пакет Call Request (запрос на соединение). В этом пакете в специальном поле задается номер виртуального канала, который будет сформирован. Этот пакет проходит через узлы, формируя виртуальный канал. После прохождения пакета и создания канала в остальные пакеты вписывается номер этого канала и по нему осуществляется передача пакетов с данными.

Протокол сетей х.25 разработан для низкоскоростных каналов с высоким уровнем помех, и не гарантирует пропускной способности, однако позволяет устанавливать приоритет трафика.

П1: Особенности технологии

Такие сети гораздо лучше подходят для передачи пульсирующего трафика локальных сетей при наличии качественных линий связи (например, волоконно-оптических).

Особенности технологии:

1) Дейтаграммный режим работы обеспечивает высокую пропускную способность, до 2 Мбит\с, небольшие задержки кадров, в тоже время гарантия надежности передачи не обеспечивается

2) Поддержка основных показателей качества обслуживания, в первую очередь средней скорость передачи данных

3) Использование 2-х типов виртуальных каналов: постоянных и коммутируемых

4) Технология Frame Relay использует технику виртуальных соединений аналогичную х.25, однако данные передаются только на пользовательском и канальном уровнях, в то время как на х.25 еще и на сетевом

5) Накладные расходы в Frame Relay меньше чем в х.25

6) Протокол канального уровня имеет 2 режима работы:

a. Основной. Для передачи данных

b. Управляющий. Для контроля

7) Технология Frame Relay ориентированы на качественные каналы связи и не предусматривает обнаружение и коррекции искаженных кадров

П2: Поддержка качества обслуживания

Данная технология поддерживает процедуру заказа качества обслуживания. Сюда относятся:

1) Согласованная скорость, с которой будут передаваться данные

2) Согласованный объем пульсации, то есть максимальное количество байт за единицу времени

3) Дополнительный объем пульсации, то есть максимальное количество байт, которое может быть передано сверх установленного значения за единицу времени

П3: Использование сетей Frame Relay

Технологию Frame Relay в территориальных сетях можно рассматривать как аналог Ethernet в локальных сетях.

Обе технологии:

1) Предоставляют быстрые транспортные услуги без гарантии доставки

2) Если кадры теряются, не предпринимается попыток по их восстановлению, то есть полезная пропускная способность данной сети зависит от качества канала

При этом по таким сетям не целесообразно передавать звук и тем более видео, хотя благодаря наличию приоритетов речь может быть передана.



П1: Общие понятия АТМ

Это технология асинхронного режима, использующая маленькие пакеты, которые называются ячейками (cells).

Данная технология предназначена для передачи голоса, видео и данных. Может использоваться как для построения локальных сетей, так и магистралей.

Трафик компьютерных сетей можно подразделить на:

1) Потоковый. Представляющий собой равномерный поток данных

2) Пульсирующий. Неравномерный, непредсказуемый поток

Потоковый трафик характерен для передачи мультимедийных файлов (видео), для него наиболее критичным является задержка кадра. Пульсирующий трафик - это передача файлов.

Технология АТМ способна обслуживать все виды трафика за счет:

1) Техники виртуальных каналов

2) Предварительного заказа параметров качества

3) За счет установления приоритетов

П2: Принципы технологии АТМ

Подход заключается в передаче всех видов трафика пакетами фиксированной длины - ячейками, длиной 53 байта. 48 байт - данные + 5 байт - заголовок. Размер ячейки выбирался с одной стороны исходя из уменьшения времени задержек в узлах, и с другой стороны, исходя из минимизации потерь пропускной способности. Более того, при использовании виртуальных каналов заголовок содержит только номер виртуального канала, в который вмещается максимально 24 бита (3 байта).

Сеть АТМ имеет классическую структуру: АТМ-коммутаторы соединенные линиями связи, к которым подключаются пользователи.



П3: Стек протоколов АТМ

Стек протоколов соответствует нижним 3-м уровням OSI-модели. Он включает: уровень адаптации, уровень АТМ и физический уровень. Однако прямого соответствия между уровнями АТМ и OSI нет.

Уровень адаптации представляет собой набор протоколов, преобразующих данные верхних уровней в ячейки нужного формата.

Протокол АТМ занимается непосредственно передачей ячеек через коммутаторы. Физический уровень определяет согласование устройств передачи с линией связи, и параметры среды передачи.

П4: Обеспечение качества обслуживания

Качество задается следующими параметрами трафика:

1) Пиковая скорость передачи ячеек

2) Средняя скорость

3) Минимальная скорость

4) Максимальная величина пульсации

5) Доля потерянных ячеек

6) Задержка ячеек

Трафик в соответствии с указанными параметрами подразделяется на 5 классов:

Класс	А	В	С	D	Х
Скорость	Постоянная	Переменная
Соединение	С установлением соединения	Без установления
Трафик	Голос, ТВ	Компьютерные данные	Сетевые данные

Класс Х является резервным и параметры для него могут устанавливаться пользователем.



Л20: Глобальная сеть Internet

В1: Краткая история создания и организационные структуры

Глобальная сеть Internet реализована на основании стека сетевых протоколов TCP\IP, обеспечивающих передачу данных между локальными и территориальными сетями, а также коммуникационными системами и устройствами.

Появлению сети Internet из стека протоколов TCP\IP предшествовало в середине 60-х годов прошлого века создание сети ARPANET. Эта сеть создавалась под эгидой управления научных исследований Министерства обороны США и ее разработка была поручена ведущим американским университетам. В 1969 году сеть была запущена и состояла она из 4-х узлов. В 1974 году были разработаны первые модели TCP\IP и, в 1983 году сеть полностью перешла на этот протокол.

Параллельно в 1970 году началась разработка межуниверситетской сети NSFNet. И в 1980 году эти две разработки объединились, получив название Internet.

В 1984 году была разработана концепция доменных имен, а в 1989 все это оформилось в виде всемирной паутины (WWW), основу которой составлял протокол передачи текста HTTP.

Сеть Internet является общественной организацией, в которой нет руководящих органов, нет владельцев, а есть только координирующий орган, который называется IAB.

В его состав входят:

1) Исследовательский подкомитет

2) Законодательный подкомитет. Вырабатывает стандарты, которые рекомендуются для использования всем участникам Internet

3) Подкомитет ответственный за распространение технической информации

4) Ответственный за регистрацию и подключение пользователей

5) Ответственный за другие административные задачи

В2: Стек протоколов TCP\IP

Под стеком протоколов обычно понимается набор реализации стандартов.

Модель стека протоколов TCP\IP содержит 4 уровня, соответствие этих уровней OSI-модели приведем в следующей таблице:

Уровень OSI	Уровень TCP\IP	Блок данных
5-7	Прикладной	Сообщение
4	Транспортный	Сегмент
3	Межсетевой	Пакет
1-2	Сетевой интерфейс	Кадр

На 1-ом уровне TCP-модели сетевой интерфейс находится аппаратно зависимое программное обеспечение, оно реализует передачу данных в конкретной среде. Среда передачи данных реализуется различным образом, от двухточечного звена до сложной коммуникационной структуры сети х.25 или Frame Relay. Сеть протоколов TCP\IP поддерживает все стандартны протоколов физического уровня, а также канального уровня для сетей Ethernet, Token Ring, FDDI и так далее.

На 2-ом межсетевом уровне TCP-модели реализуется задача маршрутизации с использование протокола IP. Вторая важная задача этого протокола - скрытие аппаратно-программных особенностей среда передачи данных и предоставление вышележащим уровням единого интерфейса, это обеспечивает многоплатформенное применение приложений.

На 3-м транспортном уровне решаются задачи надежной доставки пакетов и сохранение их порядка и целостности.

На 4-ом прикладном уровне находятся прикладные задачи запрашивающие сервис у транспортного уровня.

Основными особенностями стека протокола TCP\IP являются:

1) Независимость от среды передачи данных

2) Негарантированная доставка пакетов

Информационные объекты, используемые на каждом из уровней TCP\IP-модели, имеют следующие особенности:

1) Сообщение - блок данных, которым оперирует прикладной уровень. Он передается от приложения к транспортному уровню с соответствующими этому приложению размером и семантикой

2) Сегмент - блок данных, который формируется на транспортном уровне

3) Пакет, называемый также IP-дейтограммой, которым оперирует протокол IP на межсетевом уровне

4) Кадр - аппаратно зависимый блок данных, получаемый в результате упаковки IP-дейтограммы в формат, приемлемый для конкретной физической среды передачи данных

Рассмотри вкратце протоколы, используемые в стеке TCP\IP.

Протоколы прикладного уровня (нужно знать какие существуют, чем отличаются и знать что такое)

FTP - протокол передачи файлов. Предназначен для передачи файлов в сети и реализует:

1) Подключение к серверам FTP

2) Просмотр содержимого каталогов

3) Загрузка с сервера или на сервер

FTP функционирует поверх транспортного уровня TCP протокола, использует 20й порт для передачи данных, 21й - для передачи команд.

В FTP предусмотрены возможность аутентификации (опознавание пользователя), возможность передачи файлов с прерванного места.

TFTP - упрощенный протокол передачи данных. Предназначен, в первую очередь, для первоначальной загрузки бездисковых рабочих станций. В отличие от FTP аутентификация невозможна, однако можно использовать идентификацию по IP-адресу.

BGP - протокол граничного шлюза. Используется для динамической маршрутизации и предназначен для обмена информацией о маршрутах.

HTTP - протокол передачи гипертекста. Предназначен для передачи данных в виде текстовых документов на основе клиент-серверной технологии. В настоящее время этот протокол используется для получения информации с веб-сайтов.

DHCP - протокол динамической конфигурации узла. Предназначен для автоматического распределения между компьютерами IP адресов. Протокол реализуется в специализированом DHCP сервере по клиент-серверной технологии: в ответ на запрос компьютера, он выдает IP-адрес и конфигурационные параметры.

SMNP - протокол простого управления сетями. Предназначен для управления и контроля за сетевыми устройствами путем обмена управляющей информацией.

DNS - система доменных имен. Представляет собой распределенную иерархическую систему для получения информации о доменах, чаще всего для получения IP-адреса по символьному имени.

SIP - протокол установления сеанса. Предназначен для установления и завершения пользовательского сеанса.