Основы построения телекоммуникационных сетей и систем Тема 5

Основы построения телекоммуникационных сетей и систем Тема 5. Служба и сети передачи данных Снопок Кирилл Александрович ksnopok@mail. ru МАИ (НИУ) Кафедра 408 «Инфокоммуникации» 2016 г.

Семиуровневая модель OSI Прикладной Уровни приложений Представительский Сеансовый Транспортный Сетевой Канальный Уровни потоков данных Физический » 2

Application Layer Прикладной уровень Представляет собой набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи получают доступ к разделяемым ресурсам (файлы, принтеры, web-страницы) и организуют свою совместную работу (e-mail). Примеры: http, ftp, smtp, bittorrent Единица данных – Сообщение (message) 3

Presentation Layer Уровень представления данных Имеет дело с формой представления информации прикладного уровня, не меняя её содержимого (перекодировка, шифрование/дешифрование данных) Примеры: ASCII; SSL Единица данных – Сообщение (message) 4

Session Layer Сеансовый уровень Обеспечивает взаимодействием: управление фиксирует, какая сторона является активной; предоставляет средства синхронизации, выставления контрольных точек; Как правило, на практике интегрирован с прикладным уровнем (реализуется в протоколах прикладного уровня) Единица данных – Сообщение (message) 5

Transport Layer Транспортный уровень Обеспечивает приложениям (или верхним уровням стека – прикладному и сеансовому) передачу данных с требуемой степенью надёжности, где критерии надёжности: срочность возможность восстановления прерванной связи возможность исправления ошибок передачи Примеры протоколов: TCP, UDP, SPX Единица данных – дейтаграмма/блок данных (datagram) 6

Network Layer Сетевой уровень Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, в т. ч. использующих различные протоколы нижних уровней, межсетевой адресации и маршрутизации пакетов данных. Примеры: IP, IPX Единица данных – пакет (packet) 7

Data Link Layer Канальный уровень Функции канального уровня: разделение среды передачи формирование и пересылка последовательностей бит (кадров) от отправителя к адресату (по LAN или WAN); контроль ошибок передачи (опционально) Примеры: Ethernet, Token ring; PPP, HDLC Единица данных – кадр (frame) 8

Physical Layer Физический уровень Служит для передачи бит данных по физическим каналам связи (кабели, радиоволны и т. д. ) Определяет: характеристики сред передачи (пропускная способность, полоса пропускания, активное/волновое сопротивление и т. д. ) характеристики электрических сигналов (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения и тока, тип кодирования, скорость передачи) разъемы контактов кабелей Примеры: 10 Base-T, 1000 Base-FX Единица данных – бит (bit) 9

Сете(не)зависимые уровни Компьютер А Компьютер B Приложение пользователя Прикладной Представительский Сеансовый Транспортный Сетевое устройство Транспортный Сетевой Канальный Физический 10

Классификация сетей по территориальному признаку LAN (Local Area Network) – Локальные сети (ЛВС) MAN (Metropolitan Area Network) – Городские сети WAN (Wide Area Network) – Глобальные сети 11

Локальные сети (LAN) Радиус: 1 -2 км Скорости: до 10 Гбит/с Примеры технологий LAN: Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 G Ethernet) Token Ring, FDDI 12

Глобальные сети (WAN) Радиус: тысячи километров Скорости: до 40 Гбит/с Примеры технологий WAN: X. 25 Frame relay ATM Примеры сетей: Internet Fido. Net 13

Городские сети (MAN) Конвергенция (взаимопроникновение) сетевых технологий LAN и WAN Радиус: десятки километров Скорости: до 40 Гбит/с Назначение: объединение LAN для подключения к WAN Примеры: сети крупных провайдеров 14

Вычислительные сети сообщение оборудование правила IP TCP Сеть среда Вычислительная сеть (network): оборудование среды передачи данных сообщения правила обмена сообщениями 15

Сетевая топология – описание конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств. физическая логическая информационная управления обменом 16

Базовые топологии - ШИНА Топология типа шина, представляет собой общий кабель, к шина которому подсоединены все рабочие станции. Достоинства Скорость развертывания; Невысокая стоимость; Простота настройки; Выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети; Недостатки Обрыв кабеля – отказ всей сети; Сложная локализация неисправностей; Плохая масштабируемость. 17

Базовые топологии - КОЛЬЦО Кольцо – базовая топология компьютерной сети, в которой рабочие станции подключены последовательно друг к другу, образуя замкнутую сеть. Достоинства Простота развертывания; Сохранение производительности при высоких нагрузках; Недостатки Отказ любой станции/обрыв кабеля – отказ всего кольца; Сложность управления/диагностики. 18

Базовые топологии - ЗВЕЗДА Звезда – базовая топология сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно сетевой коммутатор). Достоинства Масштабируемость; Простота управления/диагностики; Высокая производительность; Выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети; Недостатки Отказ центрального узла – отказ всей сети; Повышенная стоимость; 19

Протокол и интерфейс (1) Протокол – формализованные правила, определяющие Протокол последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах. Интерфейс – формализованные правила, определяющие Интерфейс взаимодействие сетевых компонентов соседних уровней одного узла. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему. Стек протоколов – иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети. 20

Протокол и интерфейс (2) 3 А 2 А 1 А Протокол 3 А-3 В Протокол 2 А-2 В Протокол 1 А-1 В 3 В Интерфейс 2 В-3 В 2 В Интерфейс 1 В-2 В 1 В 21

Семейство стандартов IEEE 802 http: //standards. ieee. org/getieee 802/ 802: Overview & Architecture 802. 1: Bridging & Management 802. 2: Logical Link Control 802. 3: CSMA/CD (Ethernet) Access Method 802. 5: Token Ring Access Method 802. 11: Wireless 802. 15: Wireless Personal Area Networks 802. 16: Broadband Wireless Metropolitan Area Networks 802. 17: Resilent Packet Rings 802. 20: Overview and Architecture 802. 21: Media Independent Handover Services 22

ЛВС Ethernet 802. 3 Самая распространённая технология ЛВС Метод доступа к среде – CSMA/CD Скорости передачи данных Ethernet – 10 Мбит/с Fast Ethernet – 100 Мбит/с Gigabit Ethernet – 1 Гбит/с 10 G Ethernet – 10 Гбит/с 40 G Ethernet, 100 G Ethernet – 40 Гбит/с и 100 Гбит/с Применяемые физические среды передачи: коаксиальный кабель витая пара одно- и многомодовые оптические кабели 23

Подуровни MAC и LLC (IEEE 802) Logical Link Control (LLC) отвечает за сопряжение с вышестоящими протоколами стека (мультиплексирование и демультиплексирование) управляет потоком данных обрабатывает ошибки передачи регулирует доступ к среде передачи Media Access Control (MAC) дополняет модуль данных (PDU) LLC информацией об адресах и контрольной суммой – формирует кадр MAC выявляет ошибки и отклоняет ошибочные кадры 24

MAC-кадр Ethernet 8 6 6 2 переменная длина 4 Преамбула DA SA Ether. Type Data FCS 64 -1518 Байт Преамбула (ограничитель) – синхронизация Преамбула 1010 … 10101011 DA, SA (Destination Address, Source Address) – MAC адреса получателя/отправителя Ether. Type (тип кадра) – тип протокола верхнего Ether. Type (сетевого) уровня (аналог DSAP/SSAP) Data – данные верхнего уровня Data FCS (Frame check sequence) – контрольная сумма по FCS CRC 32 25

CSMA/CD – обзор CSMA/CD (Carrier sense multiple access with collision CSMA/CD detection) – метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий Особенности: Множественный доступ Все узлы имеют постоянный доступ к несущей (и передаваемым по сети данным) – «логическая шина» Захват среды передачи происходит по требованию любого узла в любой момент времени – «случайный доступ» Контроль несущей Перед отправкой кадра узел проверяет, свободна ли среда Обнаружение коллизий Одновременная отправка кадра несколькими узлами - коллизия. Требуется обнаружение и обработка 26

CSMA/CD – получение кадра Приём первых байт кадра, включая адрес назначения сравнение адресов несовпадение Приём остальных байт кадра Подсчёт контрольной суммы CRC ok нет да Передача кадра вверх по стеку Кадр получен Кадр отброшен 27

CSMA/CD – передача кадра Отправка кадра N: =0 контроль несущей ожидание L* 512 bt занято ожидание (завис. от метода захвата) свободно межкадровый интервал L=random integer [0, 2 k] k: =N k: =10 N<10 N>10 передача кадра N>=10 N<15 коллизия нет Отправка завершена да передача 32 бит jam N++ N=15 да Отмена отправки 28

CSMA/CD – коллизия Коллизия – искажение передаваемых по сети кадров, происходящее в результате наложения кадров от двух и более станций, пытающихся вести одновременную передачу. Механизм возникновения: Два узла начинают передачу одновременно; Один узел начинает передачу раньше другого, но его сигналы не успевают достигнуть второго узла до того, как и он также начинает передачу. 29

CSMA/CD – этапы устранения коллизии 1. Обнаружение коллизии 2. Jam-последовательность (32 бит) 3. специальный набор символов, усиливающий коллизию (т. к. короче минимального кадра) – повышение вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями передается станцией, первой обнаружившей коллизию (т. е. вызвавшей её) Случайная пауза 4. коллизию всегда обнаруживает станция, вызвавшая её (по разнице передаваемого и принимаемого сигналов) станция, обнаружившая коллизию, мгновенно приостанавливает передачу выдерживается всеми станциями сети после получения jam Повторная попытка передачи захват канала, IFG и т. д. 30

CSMA/CD – интервалы ожидания Битовый интервал (bt) – время между появлением двух последовательных бит данных на кабеле (обратно битовой скорости: 0, 1 мкс для 10 Мбит/с); Межкадровый интервал (технологическая пауза, interframe gap – IFG): IFG = 96 bt ¤ приведение сетевых адаптеров в исходное состояние предотвращение монопольного захвата канала одной станцией Случайная пауза: P = L × 512 bt пауза Для предотвращения повторных коллизий L – случайное целое число из диапазона [0; 2 N], где N – номер попытки (N≤ 10); После 10 попыток N не увеличивается, т. о. случайная пауза (для 10 Мбит/с) принимает значения от 0 до 52, 4 мс; После 16 последовательных неудачных попыток передачи кадр отбрасывается. 31

Домен коллизий (collision domain) – это область сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой области коллизия возникла Возникшая коллизия не распространяется за рамки соответствующего домена коллизий Чем больше количество доменов коллизий, тем менее заметны последствия каждой коллизии Для разбиения сети на домены коллизий применяют коммутаторы 32

Физический уровень Ethernet 10 Base-5 Битовая скорость Частотная характеристика Код физической среды Спецификация Физическая среда Длина сегмента 10 Base-5 «толстый» коаксиал RG-8 500 10 Base-2 «тонкий» коаксиал RG-58 185 10 Base-T UTP Cat 3(5) 100 10 Base-F MMF 2000 33

10 Base-5: «Thick» Ethernet Физическая шина / Логическая шина Терминатор 50 Ом Трансивер Сетевой адаптер Разъём DB-15 Повторитель (repeater) Компьютер Ненагруженный сегмент Блок повторения Кабель AUI (до 50 м UTP) Терминатор – «заглушка» , препятствует Терминатор распространению отраженных сигналов Трансивер (tranceiver = transmitter + receiver) – Трансивер элемент сетевого адаптера, реализующий следующие функции приёма/передачи и обнаружения коллизий ¤ ¤ ¤ Коаксиальный кабель RG 8 или RG 11 Достоинства: помехозащищенность длина сегмента 500 м мобильность узлов в пределах 50 м кабеля OUI Недостатки: высокая стоимость кабеля сложность монтажа кабеля низкая масштабируемость сети 34

10 Base-2: «Thin» Ethernet Физическая шина / Логическая шина до 185 м 50 Ом BNC Терминатор Коаксиальный кабель RG 58 T-образный BNC-коннектор BNC T-коннектор 50 Ом BNC Терминатор Достоинства: ¤ низкая стоимость кабеля ¤ упрощённый монтаж ¤ ¤ Недостатки: низкая помехозащищенность небольшая длина сегмента отсутствие мобильности узлов плохая эргономика 35

10 Base-T: Twisted pair Физическая звезда / Логическая шина Концентратор 10 Base-T Rx Tx Tx Rx Rx Tx ¤ ¤ Tx Rx ¤ ¤ Tx Transmitter передатчик Tx Rx Rx Receiver Приёмник ¤ Достоинства: масштабируемость сети управляемость сети Недостатки: низкая помехозащищённость небольшая длина сегмента (100 м) повышенная стоимость: § дополнительное оборудование § расход кабеля 36

Fast Ethernet: 100 Мбит/с Метод доступа CSMA/CD (CSMA для точечных полнодуплексных каналов) Сохранение формата кадра Ethernet II Физическая топология звезда, логическая топология шина/звезда Скорость 100 Мбит/с IFG = 0, 96 мкс bt = 0, 01 мкс Используемые физические среды: UTP Cat. 3 и выше MMF, SMF 37

Gigabit Ethernet: 1 Гбит/с Метод доступа CSMA (только полнодуплексные каналы: коллизий нет) Сохранение формата кадра Ethernet II Физическая/логическая топология звезда Скорость 1 Гбит/с IFG = 9, 6 нс bt = 1 нс Используемые физические среды: UTP Cat. 5 и выше MMF, SMF 38

10 G Ethernet: 10 Гбит/с Метод доступа CSMA (только полнодуплексные каналы: коллизий нет) Сохранение формата кадра Ethernet II Физическая/логическая топология звезда Скорость 10 Гбит/с IFG = 0, 96 нс bt = 0, 1 нс Используемые физические среды: UTP Cat. 6 и выше, STP MMF, SMF 39

Взгляд в будущее: 40 Gb. E, 100 Gb. E Физическая звезда / Логическая звезда (только полнодуплексные каналы) Физическая среда 40 Gb. E (не путать с 40 Гбит/с DWDM) 100 Gb Ethernet backplane (1 м) 40 G Base-KR 4 - STP (10 м) 40 G Base-CR 4 100 G Base-CR 10 MMF (100 м) 40 G Base-SR 4 100 G Base-SR 10 SMF (10 км) 40 G Base-LR 4 100 G Base-LR 4 SMF (40 км) - 100 G Base-ER 4 Стандарт 802. 3 ba – принят в 2010 г. 40

Сети X. 25 Передача трафика низкой интенсивности алфавитноцифровых терминалов PAD, Packet Assembler. Disassembler Рассчитаны на интенсивность ошибок передачи до 10 -3 Установка соединения Управление потоком данных Исправление ошибок Сетевой уровень может работать только с 1 канальным протоколом X. 25 Switch PAD T T T 41

Адресация в X. 25 В автономных сетях – произвольные адреса любой длины в пределах поля адреса В открытых сетях – стандарт X. 121 – International Data Numbers, IDN (до 14 десятичных разрядов) Код идентификации страны (Data Network Identification Code, DNIC) – 4 разряда Первая часть (3 знака) – код страны Россия – 250, 251 Вторая часть (1 знак) – код сети X. 25 в стране Номер национального терминала (до 10 разрядов) 42

Стек протоколов X. 25 Физический уровень – синхронные интерфейсы X. 21 и X. 21 bis Канальный уровень – протокол сбалансированного доступа к линии связи (Link Access Protocol – Balanced, LAP-B) Сетевой (пакетный) уровень – X. 25/3 Установление и разрыв виртуального канала Маршрутизация пакетов Управление потоком данных (пакетов) 43

Технология frame relay Подходит для передачи пульсирующего трафика компьютерных сетей Технология канального уровня, построенная на постоянных виртуальных каналах (поддерживает коммутируемые каналы) Благодаря низкой протокольной избыточности (исключен контроль ошибок) обеспечивает высокую скорость передачи и низкие задержки Поддерживает Quality of Service (Qo. S) 44

Стек протоколов frame relay Управление (сигнал) Данные Q. 933 Протоколы верхних уровней LAP-F control Q. 922 Q. 933 LAP-D Q. 921 LAP-F core Q. 922 LAP-D Q. 921 Physical Layer Терминал Physical Layer Сеть 45

Стек протоколов frame relay Продвижение кадров Канальный уровень – LAP-F (Link Access Procedure for Frame mode bearer Services), он же Q. 922 (согласно ITU-T) LAP-F core – трансляция кадров по уже построенным (или постоянным) виртуальным каналам LAP-F control – используется для восстановления ошибочных кадров по технологии Frame Switching Физический уровень – ISDN, PDH/SDH Установка динамических соединений Сетевой – Q. 933 – маршрутизация Канальный – LAP-D (Q. 921) – надежная передача сигнальных кадров между соседними коммутаторами 46

Протокол IP (Internet Protocol) Маршрутизируемый протокол доставки сообщений между узлами составной сети Относится к протоколам «best effort» без установления соединения не даёт гарантии надёжной доставки пакета Способен выполнять динамическую фрагментацию дейтаграмм при их передаче между сетями с различными максимально допустимыми значениями длины поля данных кадра (MTU) IP-пакет состоит из заголовка (от 20 до 60 байт) и поля данных (до 65515 байт) – суммарно до 65 535 байт 47

Способы адресации Unicast – передача сообщения Unicast единственному адресату Multicast – передача Multicast сообщения нескольким адресатам, описываемым общим адресом Broadcast – передача сообщения всем Broadcast доступным адресатам, описываемым общим адресом (широковещательная рассылка) 48

Адресация в TCP/IP Локальные (аппаратные, физические) адреса – адресация узлов в пределах локальной сети (MAC) 00 a 0. 173 d. bc 01 Сетевые (логические, IP) адреса – однозначная идентификация узла в пределах составной сети 192. 168. 1. 1 Доменные имена – символьные идентификаторы узлов www. qwerty. ru 49

IP(v 4) адрес IP-адрес – уникальный идентификатор узла в пределах составной TCP/IP-сети Представляет собой 32 -битное двоичное число, условно разделяемое на 4 октета (байта) Состоит из адреса сети (network) и узла (host) Сеть Десятичная форма записи 172 1 1 16 8 9 16 17 156 24 25 32 128 64 32 16 8 4 2 1 10101100 000100000001 10011100 128 64 32 16 8 4 2 1 Двоичная форма записи Узел 50

IP адрес: сеть и узел Деление 32 -битного IP-адреса на адрес сети и адрес узла – 2 подхода: 32 -битное поле адреса заранее делится на две части фиксированной длины (по классу сети) Произвольное деление (по маске подсети) – бесклассовая адресация Маска подсети – 32 -битное двоичное число, использующееся в паре с IP-адресом и содержащее последовательность единиц в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как адрес сети 51

Классы IP сетей 1 89 15 16 23 24 32 Class A 0 NNNNNNN HHHHHHH 0. 0 – H H H 127. 255 Class B 10 NNNNNNN HHHHHHH 128. 0. 0. 0 – N H H 191. 255 Class C 110 NNNNNNN HHHHHHH 192. 0. 0. 0 – NNNN N H 223. 255 Class D 1110 MMMM Адрес группы multicast 224. 0. 0. 0 – 239. 255 Class E 1111 XXXX Зарезервировано 240. 0 – 255 Пример: 135. 168. 39. 187 – адрес класса B сеть: 135. 168. 0. 0 узел: 0. 0. 39. 187 52

Маски подсетей обеспечивают произвольное деление IP-адреса на сеть и узел Количество «единиц» в маске соответствует длине адреса сети в битах; количество «нулей» – адресу узла Все «единицы» в маске следуют подряд, начиная со старшего бита Маска используется ТОЛЬКО в паре с IP-адресом 27 128 26 64 25 32 24 16 23 8 22 4 21 2 20 1 Байт маски 1 1 1 1 255 1 1 1 1 0 254 1 1 1 0 0 252 1 1 1 0 0 0 248 1 1 0 0 240 1 1 1 0 0 0 224 1 1 0 0 0 192 1 0 0 0 0 128 Примеры масок: 255. 0. 0 255. 192. 0. 0 128. 0. 0. 0 255. 252 255. 224. 0 255. 192. 255. 0 53

Форматы записи IP-адресов/масок адрес 192. 168. 0. 1 / 24 маска Десятичный с точками (dotted decimal) 192. 168. 0. 1 255. 0 Двоичный (бинарный) 11000000. 10101000. 00000001 11111111. 0000 Шестнадцатеричный 0 x. C 0 A 80001 0 x. FFFFFF 00 54

IP адрес и маска подсети 128 64 32 16 8 4 2 1 IP-адрес 172 1 0 1 1 0 0 172. 16. 123. 204 16 0 0 0 123 0 1 1 204 1 1 0 0 255 1 1 1 1 224 1 1 1 0 0 Маска 255. 224. 0 1 8 9 16 17 0 0 0 1100 24 25 32 10101100 00010000 011 11001100 128 64 32 16 8 4 2 1 11111111 111 00000000 55

Физический Канальный Физический Сетевой Канальный Физический Телекоммуникационное оборудование Маршрутизатор (router) – сетевое устройство, предназначенное для объединения сетей (в т. ч. различных) в составные сети Коммутатор (switch) – сетевое устройство, предназначенное для объединения сегментов сети в локальную сеть Повторитель (repeater) – сетевое устройство, предназначенное для увеличения расстояния сетевого соединения путем повторения электрического сигнала «один в один» Концентратор (hub) – сетевое устройство для объединения нескольких других устройств в общий сегмент сети путем повторения электрического сигнала «один во все» 56

Представление информации Кодирование потенциальное 1 0 (без возврата к нулю) импульсное (с возвратом к нулю) улучшенное потенциальное Модуляция амплитудная (AM – amplitude modulation) частотная (FM – frequency modulation) фазовая (PM – phase modulation) 1 1 57

Потенциальное кодирование 0 1 0 0 1 1 0 Значимой является величина сигнала в течение такта U код NRZ 0 § бит 0 представляется значением U (В) § бит 1 представляется нулевым напряжением (0 В) ¤ 0 1 0 0 1 1 0 U код NRZI 0 § смена уровня сигнала при передаче бита 1 § неизменный уровень сигнала при передаче бита 0 ¤ 0 1 0 0 1 1 0 код AMI +U 0 -U § биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В) § биты 1 представляются поочерёдно значениями -U или +U (В) ¤ Достоинства: простая реализация распознаваемость ошибок малое затухание сигналов низкая частота (1/2 битовой скорости) Недостатки: отсутствие самосинхронизации появление постоянной составляющей при передаче длинной последовательности нулей/единиц 58

Импульсное кодирование Значимым является не уровень сигнала в течение такта, а его изменение за такт Достоинства: ¤ самосинхронизация ¤ отсутствие постоянной составляющей Недостатки: ¤ высокая частота (сопоставима с битовой скоростью) 0 1 0 0 1 1 0 U Манчестерский код 0 § каждый такт делится пополам; § бит 0 представляется перепадом вниз (U→ 0) § бит 1 представляется обратным перепадом 0 1 0 0 1 1 0 +U 0 биполярный импульсный код -U § каждый такт делится пополам; § бит 0 представляется перепадом -U→ 0 § бит 1 представляется перепадом +U→ 0 59

Улучшенные потенциальные коды код 2 B 1 Q (2 binary – 1 quandary) § четыре допустимых уровня сигнала; § каждые 2 бита (2 B) кодируются одним из четырёх уровней сигнала (1 Q); Кодовая группа Кодовый символ Кодовое напряжение 00 -3 -2, 5 В 01 -1 -0, 833 В 10 +3 01 001 1 0 +2, 5 +0, 833 +2, 5 В -0, 833 -2, 5 Достоинства: 11 +1 +0, 833 В ¤ высокая эффективность 2 бит/Гц Недостатки: ¤ наличие постоянной составляющей требует дополнительной обработки; ¤ сложность реализации (мощность передатчика, чувствительность приёмника). 60