Основано на слайдах лекций Александра Масальских Санкт-Петербург 2012

Основано на слайдах лекций Александра Масальских (Санкт-Петербург, 2012) rusalmas@gmail. com КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Лекция № 1 Введение в компьютерные сети. История и эволюция. Основные понятия.

Рекомендуемая литература n Таненбаум Э. С. Компьютерные n Олифер В. Г. , Олифер Н. А. сети. 4 -е издание. / Э. С. Таненбаум. – СПб. : «Питер» , 2004. – 992 с. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3 -е изд. / В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. – СПб: «Питер» , 2006. – 960 с.

ПОНЯТИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ Компьютерная сеть – совокупность из нескольких компьютеров (вычислителей), объединённых посредством телекоммуникаций для обеспечения совместного использования данных и/или ресурсов. Распределённая система – совокупность взаимосвязанных независимых компьютеров, посредством специального программного обеспечения, предоставляющих пользователю интерфейс единой объединённой системы.

ЗАРОЖДЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ Компьютерные сети – логический результат развития двух научных и технологических областей современной цивилизации – коммуникаций и компьютерных технологий.

1950 -Е ГОДЫ. ЭПОХА МЭЙНФРЕЙМОВ Система пакетной обработки данных

1960 -Е ГОДЫ. МНОГОТЕРМИНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

1960 -Е ГОДЫ. МНОГОТЕРМИНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени – первый шаг на пути создания локальных вычислительных сетей. Вычислительная мощность полностью централизована. Функции ввода и вывода распределены. Законом Гроша называют следующее замечание о производительности компьютеров, сделанное Хербом Грошем в 1965 году: «Существует фундаментальное правило, которое я скромно называю законом Гроша: получение добавочной экономии есть только квадратный корень от увеличения в скорости — то есть, чтоб сделать вычисления в 10 раз дешевле, вы должны сделать это в 100 раз быстрее. » Следующий толчок к развитию – доступ удалённых терминалов к ресурсам мейнфрейма

КОНЕЦ 60 -Х, НАЧАЛО 70 -Х. ЗАРОЖДЕНИЕ ПЕРВЫХ ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЕЙ Использование старых глобальных коммуникаций – телефонных сетей. С конца 60 -х передача голоса в телефонных сетях всё больше переходит в цифровую форму. WAN (Wide Area Network). Первые технологии, с поправкой на низкое качество каналов связи. (пакетная сеть X. 25). 1969 – Министерство Обороны США инициировало создание ARPANET (Advanced Research Project Agency), объединившую суперкомпьютеры различных типов, работавших под разными операционными системами.

НАЧАЛО 70 -Х. ПОЯВЛЕНИЕ БИС. ПЕРВЫЕ ЛВС (LAN) Появление БИС (Large-scale integrated circuits) подтолкнуло прогресс. Появились «миникомпьютеры» , нарушившие в т. ч. «закон Гроша» ЛВС (локальные сети) – это объединения компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории. Сетевая технология – согласованная совокупность программных и аппаратных средств (например, драйверов, сетевых устройств, кабелей и т. д. ), а так же механизмов передачи данных по линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети

НАЧАЛО 70 -Х. ПОЯВЛЕНИЕ БИС. ПЕРВЫЕ ЛВС (LAN)

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ Хаотичное развитие локальных сетей и используемых в них технологий привело к их несовместимости. Появилась необходимость в стандартизации правил сетевого взаимодействия. В 1983 г. институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) принял стандарт IEEE 802. 3 на технологию Ethernet, разработанную Робертом Меткалфом в 1973 г. В 1985 г. был принят стандарт IEEE 802. 5 на технологию Token Ring, изначально разработанную компанией IBM. В середине 80 -х стали популярными технологии FDDI (Fiber Distributed Data Interface ) и ARCNET (Attached Resource Computer NETwork)

80 -Е. СТАНДАРТИЗАЦИЯ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. 1974 – объединения появление в архитектуры глобальные сети SNA мейнфреймов (для IBM), стандартизация технологии X. 25. Начало 80 -х. Появление персональных компьютеров, создание Интернета в современном виде, широкое внедрение стека TCP/IP. Середина 80 -х. Появление стандартных технологий локальных сетей. Ethernet – 1980, Token Ring, FDDI – 1985. Конец 80 -х. Начало коммерческого использования Интернета.

90 -Е. БУМ ETHERNET. ПОЯВЛЕНИЕ WWW Среди технологий локальных сетей выявился явный лидер – Ethernet. Дальнейшее развитие 100 Мбит/c и 1000 Мбит/c стандартов Ethernet. Оптоволоконный бум. Тим Бернерс-Ли автор технологий HTTP, URI/URL и HTML. 1989 – внутренний проект для CERN. 1991 – 1993 доработка стандартов и их публикация. 1994 – начало работы W 3 C консорциума.

НАШЕ ВРЕМЯ. КОНВЕРГЕНЦИЯ СЕТЕЙ Стираются грани между технологиями LAN и WAN. Многие параметры почти сравнялись. Intranet-технологии – перенос технологий из глобальной сети в локальную. Ethernet 10 G. Телекоммуникационные сети сращиваются с компьютерными. Оптоволоконный бум приходит всюду. Скорость передачи данных перестаёт быть «бутылочным горлышком» .

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Введение в Ethernet.

ШИРОКОВЕЩАТЕЛЬНЫЕ КАНАЛЫ Есть сети, построенные на основе соединений узла с узлом, есть построенные с применением широковещания. Широковещательные каналы называют также каналами с множественным доступом или каналами с произвольным доступом. Протоколы, управляющие доступом в общей среде называются MAC (Media Access Control). Подуровень управления доступом к среде является нижней частью уровня передачи данных.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ. ДИНАМИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Допущения модели: 1. Стационарная модель (N независимых станций). 2. Предположение о едином канале. 3. Допущение о коллизиях. 4. Время: Непрерывное b. Дискретное a. 5. Контроль несущей: Есть b. Нет a.

ПРОТОКОЛЫ КОЛЛЕКТИВНОГО ДОСТУПА. ALOHA 1970 год. Разрешить системам передавать данные как только он они готовы к отправке. Успешность передачи определяется прослушиванием канала. Если кадры разрушен – ждём случайное время и пытаемся послать кадр снова. Система с конкуренцией.

НАСТОЙЧИВЫЙ CSMA С НАСТОЙЧИВОСТЬЮ 1 1. 2. 3. CSMA (Carrier Sense Multiple Access – множественный доступ с контролем несущей). Сначала рассмотрим модификацию с настойчивостью 1: Слушаем канал, если занят – ждём пока освободится Если свободен – передаём кадр Если коллизия – ждём случайное время, и передаём снова Настойчивость 1 означает, что в случае свободного канала, сразу передаём кадр.

НЕНАСТОЙЧИВЫЙ CSMA 1. 2. 3. Ненастойчивая модификация: Слушаем канал, если занят – ждём случайное время, потом слушаем снова. Если свободен – передаём кадр Если коллизия – ждём случайное время, и передаём снова

ПРОТОКОЛ ETHERNET Боб Меткаф (Bob Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) в 1976 году публикуют описание локальной сети, построенной в Исследовательском центре Xerox. Сеть была построена на толстом коаксиально кабеле и обеспечивала скорость передачи 2, 94 Мбит/с. Ethernet (от ether – эфир). К 70 -м годам существовала мощная теоретическая база.

ПРОТОКОЛ ETHERNET

ПРОТОКОЛ ETHERNET Xerox Ethernet быстро набирает популярность, корпорации DEC, Intel и Xerox в 1978 году совместно разрабатывают стандарт DIX, описывающий Ethernet со скоростью 10 Мбит/c. Меткаф организовал фирму 3 Com Стандарт DIX с 2 изменениями был принят IEEE (802. 3

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитные помехи одинаково влияют на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Токи в любой точке идеальной витой пары равны по значению, и противоположны по направлению.

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА Витая пара не была новым изобретением. До этого она уже многие десятки лет успешно использовалась в телефонии, ее перенос на почву Ethernet прошел только сентябре 1990 года, когда был официально принят стандарт 10 base. T. Вполне естественно, что это была витая пара 3 категории, с очень большим, в десятки сантиметров, шагом скрутки проводов в паре, и небольшой, до 20 МГц, полосой пропускания. Компьютерные кабеля отличало только оформление - 4 пары под одной оболочкой. Немного позже, одновременно с появлением Fast Ethernet в 1995 году, был введен новый стандарт на кабель Категории 5 (Level 5), с шагом скрутки, меняющемся для разных пар от 12 до 32 мм (например, ряд от Lucent - 15, 13, 20, 24 мм). Делается это для уменьшения перекрестных наводок. Такой кабель обеспечивает передачу сигналов с частотой до 100 Мбит. Далее, появилась Категория 5 е (до 125 МГц),

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА Проводники изготовлены из монолитной медной проволоки толщиной 0, 5 - 0, 65 мм. Толщина изоляции - около 0, 2 мм, материал обычно поливинилхлорид (PVC), для более качественных образцов 5 категории - полипропилен (PP), полиэтилен (PE). Особенно высококлассные кабеля имеют изоляцию из вспененного (ячеистого) полиэтилена, которые обеспечивают низкие диэлектрические потери, или тефлона, который обеспечивающий уникальный рабочий диапазон температур. Внешняя оболочка имеет толщину 0, 5 -0, 6 мм, и обычно изготавливается из привычного поливинилхлорида с добавлением мела, который повышает хрупкость. Это необходимо для точного облома по месту надреза лезвием отрезного инструмента. Кроме этого, начинают применяться так называемые "молодые полимеры", которые не поддерживают горения, и не выделяют при нагреве галогенов.

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА Самый распространенный цвет оболочки - серый. Оранжевая окраска, как правило, указывает на негорючий материал оболочки. Отдельно нужно отметить маркировку. Кроме данных о производителе и типе кабеля, она обязательно включает в себя метровые или футовые метки Форма внешней оболочки так же может быть различна. Чаще других применяется самая простая - круглая, а для 2 -х парных кабелей - овальная. Только для прокладки под половым покрытием, по очевидной причине, используется плоский кабель. Отдельно стоят кабеля для наружной прокладки. Они обязательно имеют влагостойкую оболочку из полиэтилена, которая наносится (как правило) вторым слоем поверх обычной, поливинилхлоридной. Кроме этого, возможно заполнение пустот в кабеле водоотталкивающим гелем, и бронирование с помощью гофрированной ленты.

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА По наличию (или отсутствию) экрана, различают несколько типов кабелей: UTP (unshielded twisted pair), что означает незащищенная витая пара (НЗВП), то есть кабель, витые пары которого не имеют индивидуального экранирования; FTP (Foiled Twisted Pair) - фольгированная витая пара. Имеет общий экран из фольги, однако у каждой пары нет индивидуальной защиты; STP (shielded twisted pair) - защищенная витая пара (ЗВП), каждая пара имеет экран; Sc. TP (Screened Twisted Pair) - экранированный кабель, который может как иметь, так и не иметь защиту отдельных пар;

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА Экран выполняется либо плетеным из медной проволоки (хорошая защищает от низкочастотных наводок), либо из токопроводящей фольги (пленки), которая блокирует высокочастотное электромагнитное излучение. Так же на практике часто используют двойные экраны (HIGHT Screen), в которых используются оба способа. Эффект от применения экрана на первый взгляд достаточно прост - уменьшение внешних наводок на экранированную пару (или несколько пар), и снижение уровня их электромагнитного излучения "наружу". Но общий экран вызывает рост NEXT (перекрестных наводок, подробно рассмотренных ниже) из-за отражения от экрана, на 10 -20%. Далее, экранирование увеличивает затухание в кабеле вследствие добавочной емкости между экраном и витыми парами. Но и это не все. Монтаж экранированной системы значительно более сложен (дорог), требует хорошего подбора всех элементов. А самые незначительные ошибки способны ухудшить, а не улучшить параметры линии.

ПРОТОКОЛ ETHERNET. ВИТАЯ ПАРА

ПРОТОКОЛ ETHERNET Xerox Ethernet быстро набирает популярность, корпорации DEC, Intel и Xerox в 1978 году совместно разрабатывают стандарт DIX, описывающий Ethernet со скоростью 10 Мбит/c. Меткаф организовал фирму 3 Com Стандарт DIX с 2 изменениями был принят IEEE (802. 3)

ПРОТОКОЛ ETHERNET Март 1981 - фирмой 3 com представлен Ethernet-трансивер. Сентябрь 1982 - первый сетевой адаптер для персонального компьютера. 1983 - появление спецификации IEEE 802. 3, определена шинная топология сети 10 base 5 (толстый Ethernet) и 10 base 2 (тонкий Ethernet). Скорость передачи 10 Мбит/сек. Определено предельное расстояние между точками одного сегмента - 2, 5 км. 1985 - выпущена вторая версия спецификации IEEE 802. 3 (Ethernet II), в которой были внесены небольшие изменения в структуру заголовка пакета. Сформирована жесткая идентификация Ethernet устройств (МАС - адреса). Сентябрь 1990 - IEEE утверждает технологию 10 base. T (витая пара) с физической топологией звезда и концентраторами (hub). Логическая топология CSMA/CD не изменилась. В основу стандарта легли разработки Syn. Optics Communications под общим названием Lattis. Net.

ПРОТОКОЛ ETHERNET

КОДИРОВАНИЕ СИГНАЛА Ни в одной из версий Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением О В и бита 1 — напряжением 5 В, так как такой способ приводит к неоднозначности (Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая может интерпретировать ее как 10000000 или 01000000). Возникает проблема, связанная с синхронизацией передатчика и приемника. Разные частоты работы их системных часов могу привести к рассинхронизации. В результате приемник может потерять границу битового интервала. Особенно велика вероятность этого в случае длинной последовательности нулей или единиц.

ПРОТОКОЛ ETHERNET. МАНЧЕСТЕРСКИЙ КОД