Основы построения телекоммуникационных сетей и систем. Служба и сети передачи данных презентация

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

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)
Application 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)
Presentation Layer

Сеансовый уровень
Обеспечивает управление взаимодействием:
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)
Session 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)
Transport 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)
Network 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)
Data Link 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: 10Base-T, 1000Base-FX
Единица данных – бит (bit)
Physical Layer

Сете(не)зависимые уровни

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

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

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

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

Вычислительные сети
Вычислительная сеть (network):
оборудование
среды передачи данных
сообщения
правила обмена сообщениями

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

Базовые топологии - ШИНА
Топология типа шина, представляет собой общий кабель, к 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.

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.

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;

Протокол и интерфейс (1)
Протокол – формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах.
Интерфейс – формализованные правила, определяющие 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.

Протокол и интерфейс (2)

Семейство стандартов IEEE 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

ЛВС Ethernet
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
10G Ethernet – 10 Гбит/с
40G Ethernet, 100G Ethernet – 40 Гбит/с и 100 Гбит/с
Применяемые физические среды передачи:
коаксиальный кабель
витая пара
одно- и многомодовые оптические кабели

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

MAC-кадр Ethernet
Преамбула (ограничитель) – синхронизация
10101010 … 10101010 10101011
DA, SA (Destination Address, Source Address) – MAC адреса получателя/отправителя
EtherType (тип кадра) – тип протокола верхнего (сетевого) уровня (аналог DSAP/SSAP)
Data – данные верхнего уровня
FCS (Frame check sequence) – контрольная сумма по CRC32

CSMA/CD – обзор
CSMA/CD (Carrier sense multiple access with collision 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

CSMA/CD – получение кадра

CSMA/CD – передача кадра

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.

CSMA/CD – этапы устранения коллизии
Обнаружение коллизии
коллизию всегда обнаруживает станция, вызвавшая её (по разнице передаваемого и принимаемого сигналов)
станция, обнаружившая коллизию, мгновенно приостанавливает передачу
Jam-последовательность (32 бит)
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
выдерживается всеми станциями сети после получения jam
Повторная попытка передачи
захват канала, IFG и т.д.

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, inter-frame gap – IFG): IFG = 96 bt
приведение сетевых адаптеров в исходное состояние
предотвращение монопольного захвата канала одной станцией
Случайная пауза: P = L × 512 bt
Для предотвращения повторных коллизий
L – случайное целое число из диапазона [0; 2N], 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.

Домен коллизий
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

Физический уровень Ethernet
10 Base-5
Битовая скорость
Частотная характеристика
Код физической среды

10 Base-5: «Thick» Ethernet
Терминатор – «заглушка», препятствует распространению отраженных сигналов
Трансивер (tranceiver = transmitter + receiver) – элемент сетевого адаптера, реализующий следующие функции приёма/передачи и обнаружения коллизий
Достоинства:
помехозащищенность
длина сегмента 500м
мобильность узлов в пределах 50м кабеля OUI
Недостатки:
высокая стоимость кабеля
сложность монтажа кабеля
низкая масштабируемость сети
Физическая шина / Логическая шина

10 Base-2: «Thin» Ethernet
Достоинства:
низкая стоимость кабеля
упрощённый монтаж
Недостатки:
низкая помехозащищенность
небольшая длина сегмента
отсутствие мобильности узлов
плохая эргономика
Физическая шина / Логическая шина

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

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

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

10G 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

Взгляд в будущее: 40GbE, 100GbE
Физическая звезда / Логическая звезда
(только полнодуплексные каналы)
Стандарт 802.3ba – принят в 2010 г.

Сети X.25
Передача трафика низкой интенсивности алфавитно-цифровых 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

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)

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)

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 (QoS)

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

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

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

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

Адресация в TCP/IP
Локальные (аппаратные, физические) адреса – адресация узлов в пределах локальной сети (MAC) 00a0.173d.bc01
Сетевые (логические, IP) адреса – однозначная идентификация узла в пределах составной сети 192.168.1.1
Доменные имена – символьные идентификаторы узлов www.qwerty.ru

10101100
00010000
00000001
10011100
IP(v4) 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
128
64
32
16
8
4
2
1
128
64
32
16
8
4
2
1
128
64
32
16
8
4
2
1
128
64
32
16
8
4
2
1
1
Двоичная форма записи
8
9
16
24
25
32
17
Узел
172
16
1
156

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

Классы IP сетей
Пример:
135.168.39.187 – адрес класса B
сеть: 135.168.0.0 узел: 0.0.39.187

Маски подсетей
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
Примеры
масок:
255.255.0.0
255.192.0.0
128.0.0.0
255.255.255.252
255.255.224.0
255.192.255.0

Форматы записи IP-адресов/масок
Десятичный с точками (dotted decimal)
192.168.0.1 255.255.255.0
Двоичный (бинарный)
11000000.10101000.00000000.00000001 11111111.11111111.11111111.00000000
Шестнадцатеричный
0xC0A80001 0xFFFFFF00

IP адрес и маска подсети
11001100

Телекоммуникационное оборудование
Физический
Канальный
Физический
Сетевой
Канальный
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»
Физический

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

Потенциальное кодирование
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
смена уровня сигнала при передаче бита 1
неизменный уровень сигнала при передаче бита 0
код
NRZI
код
NRZ
бит 0 представляется значением U (В)
бит 1 представляется нулевым напряжением (0 В)
Значимой является величина сигнала в течение такта

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