Сети передачи данных - уч. пособие. Сети передачи данных
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) ФАКУЛЬТЕТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ (ФДО) А. В. Пуговкин СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Учебное пособие Томск 2015 УДК 004.7(075.8) ББК 32.973.202я73 П 880 Рецензенты: Богомолов С. И., канд. техн. наук, доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники ТУСУРа; Бацула А. П., канд. техн. наук, советник генерального директора научно-производственной фирмы «Микран». Пуговкин А. В. П 880 Сети передачи данных : учебное пособие / А. В. Пуговкин. — Томск : факультет дистанционного обучения ТУСУРа, 2015. — 138 с. Рассмотрены основные вопросы построения и функционирования се- тей передачи дискретных сообщений (компьютерных сетей), технология передачи и коммутации пакетов, даны материалы по локальным вычис- лительным сетям Ethernet, по межсетевому взаимодействию (протоколы ТСР/IP, PPP), сетям доступа, включая радиодоступ и волоконно-оптические сети, по интеграции служб и услуг. Для студентов очной и заочной форм обучения, а также студентов, обучающихся с применением дистанционных образовательных техноло- гий, изучающих дисциплины «Системы и сети передачи дискретных сооб- щений», «Сети ЭВМ и телекоммуникации» и др. УДК 004.7(075.8) ББК 32.973.202я73 © Пуговкин А. В., 2015 © Оформление. ФДО, ТУСУР, 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 5 1 Общие принципы построения сетей 9 1.1 Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Взаимодействие компьютеров. Топологии сетей . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 Взаимодействие компьютеров. Адресация . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Организация каналов передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Структуризация и объединение сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 Локальные вычислительные сети (ЛВС) 18 2.1 Общие понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Управление доступом к сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3 Принцип распределения адресов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Ethernet — базовая технология ЛВС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.1 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.2 Стандарты Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.3 Способы линейного кодирования в Ethernet . . . . . . . . . . . 26 2.4.4 Алгоритм доступа к сети Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.5 Форматы кадров Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.5 Схемы и оборудование сетей Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.5.1 Стандарт 10Base-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.5.2 Стандарт 10Base-FL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5.3 Общие характеристики стандарта Ethernet . . . . . . . . . . . . 35 2.6 Производительность сети Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.7 Fast Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.8 Коммутируемый Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.9 Gigabit Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.10 10 Gigabit Ethernet (10GE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3 Технологии глобальных сетей 55 3.1 Общие понятия и принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2 Реализация функций канального уровня в глобальных сетях . . . . . 58 3.2.1 Протокол SLIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.2 Протоколы HDLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3 PPP-протокол . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4 IP-сети 64 4.1 Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Адресация в IP-сетях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4 Оглавление 4.3 Подсети и маски . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.4 Распределение IP-адресов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.5 Связь IP-адресов с другими системами адресации . . . . . . . . . . . . 79 4.6 Протоколы маршрутизации в IP-сетях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.7 Виртуальные частные сети на базе стека протоколов TCP/IP . . . . . 85 5 Сети доступа 90 5.1 Понятие сетей доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.2 Доступ через телефонные сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3 Цифровые сети доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.3.1 Абонентские линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.3.2 Цифровые коммутируемые линии . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.3.3 Цифровые линии хDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.3.4 Системы передачи (соединительные линии) . . . . . . . . . . . 100 5.3.5 Узлы доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.4 Доступ к сетям передачи данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.4.1 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.4.2 Интерфейс V.35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.4.3 Оптоволоконные сети доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.5 Радиодоступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.5.1 Общие принципы беспроводных сетей . . . . . . . . . . . . . . 112 5.5.2 Стандарты IEEE 802.11 (Wi-Fi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6 Интеграция телекоммуникационных сетей и услуг 120 6.1 Общие соображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.2 Интеграция услуг в сетях передачи данных . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.3 Сети MPLS и NGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Заключение 130 Литература 131 Глоссарий 133 ВВЕДЕНИЕ Компьютерные сети или сети передачи дискретных сообщений — такой же ат- рибут современного общества, как и авиация, автомобильный транспорт, банков- ская система и т. п. [1–3]. Они позволяют не только общаться своим абонентам, но и получать разнообразную информацию, совершать сделки, выполнять финансовые операции, проводить дистанционное обучение и многое, многое другое. Начало развитию компьютерных сетей было положено в 60-е годы, когда к мощ- ным компьютерам стали подключать несколько удаленных абонентских терминаль- ных устройств, расположенных как в одном здании, так и на больших расстояниях. Здесь для соединения использовались либо местные коаксиальные линии, либо те- лефонная сеть и модемы. С появлением мини-ЭВМ и персональных компьютеров в 70-е — 80-е годы их стали объединять для совместной работы. Тогда появились и утвердились такие технологии локальных сетей, как Ethernet, Token Ring и др. Вместе с локальными сетями развивались и сети глобального масштаба. Со- вершенствование телекоммуникаций от аналоговых систем связи на многоканаль- ных электрических кабелях до цифровых систем передачи и распределения на волоконно-оптических линиях породило быстрое внедрение конкуренции и сме- няемость технологий глобальных сетей. Созданная для низкоскоростных ненадеж- ных телефонных сетей технология Х.25 сменилась технологией Frame Relay, а та, в свою очередь, так и не успев стать массовой, уступила место целому созвездию: IP, Gigabit Ethernet, ATM, которые не только жестко конкурируют, но и дополняют друг друга. Классификацию компьютерных сетей (сетей передачи данных — СПД) можно проводить по различным признакам. Наиболее распространено деление сетей по территориальному признаку: 1. Локальные вычислительные сети (ЛВС) — сети масштаба предприятия, по- крывающие небольшую территорию размером не более 2–3 км. 2. Региональные сети, покрывающие территорию города или области. 3. Глобальные вычислительные сети (ГВС) — сети масштаба государства или мировые сети. Компьютерные сети можно различать по типу применяемой технологии: IP, ATM, NGN, однако возможность инкапсуляции и конвертации протоколов позво- ляет строить многопротокольные сети. 6 Введение Основным технологическим отличием СПД от телефонных сетей является применение способа коммутации пакетов. Суть его заключается в следующем. Сообщение сначала преобразуется в циф- ровую форму, а потом разбивается на части (пакеты). Каждый пакет может переда- ваться самостоятельно, поскольку в его составе содержится адресная информация пункта назначения. Рисунок 1 иллюстрирует один из способов коммутации пакетов (дейтаграммный). Здесь пакеты с номерами 1, 2, 3, 4 поступают на узел коммута- ции A, который определяет оптимальный (кратчайший) путь ACDB и отправляет по нему пакет 1. При поступлении пакета 2 ситуация в сети изменилась, путь ACDB не обеспечивает быстрого прохождения, и узел A отправляет пакет 2 по другому пути (AFDB). К моменту окончания пакета 2 ситуация в сети восстанавливается, и пакеты 3, 4 снова идут по пути ACDB. Может получиться так, что к узлу B пакеты придут не в той последовательности, в которой были отправлены. Узел B восстанавливает порядок следования пакетов. Рис. 1 – Коммутация пакетов Основные процедуры при передаче пакетов: разбиение сообщения на пакеты; запись пакетов в узлах; маршрутизация пакетов в соседние свободные узлы. Достоинства технологии коммутации пакетов: высокая загрузка канала (до 100%) обеспечивается тем, что любые паузы в сообщении одного абонента могут быть заполнены пакетами информации других абонентов; возможность многоадресной передачи, так как в заголовке пакета может содержаться разное количество адресов. Недостатки способа коммутации пакетов: перезапись информации в узлах, что увеличивает задержку передаваемых сигналов; Введение 7 переменная скорость передачи и переменная задержка, что также связа- но с буферизацией информации, ограниченным объемом памяти запоми- нающих устройств и с возможностью различных путей распространения информации. На рисунке 2 приведена типичная структура пакета. Он ограничен с двух сто- рон флагами. Чаще всего это комбинация из восьми бит (например, 011111110). Адресное поле содержит информацию об адресах отправителя и получателя. В по- ле управления указывается тип пакета, его размер и формат, указания по обработке сигнала и т. п. Рис. 2 – Структура пакета В информационном поле передаются непосредственно данные, а контрольное поле предназначено для процедуры обнаружения ошибок посредством передачи определенных кодовых комбинаций, которые проверяются на приемном конце. Метод коммутации пакетов обеспечивает высокую надежность передачи ин- формации и высокую степень загрузки канала. Это предопределило его широкое применение как для передачи данных, так и в системах передачи речи и сигнализа- ции. IP-телефония — это пример пакетной передачи речи, а ОКС-7 — современная система сигнализации, использующая технологию коммутации пакетов. Сети сле- дующего поколения NGN (Next Generation Networks) также используют принцип коммутации пакетов. В качестве примера того, что нам предстоит изучать, рассмотрим сеть передачи данных масштаба области (рис. 3). Рис. 3 – СПД масштаба области: М — маршрутизатор; УК — узел коммутации; МОД — модем; MUX — мультиплексор Здесь опорная сеть синхронной цифровой иерархии SDH на основе одно- модовой волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и узлов коммутации (АТС) предоставляет свои услуги СПД, т. е. сеть передачи данных является наложенной. Мультиплексоры ввода-вывода, входящие в состав УК, одним из своих портов под- ключены к маршрутизаторам, которые и обеспечивают коммутацию пакетов по 8 Введение IP-технологии. К другим портам маршрутизаторов подключены абоненты: ЛВС, модемные пулы, абоненты «on line», работающие в режиме постоянного подклю- чения по выделенной линии. Эти подключения возможны как по ВОЛС, так и по медным кабелям с помощью модемов. Один из узлов маршрутизации обеспечивает связь с сетью России, а также с другими операторами и с районами области. Соглашения, принятые в книге Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пикто- граммы и специальное выделение важной информации. Этот блок означает внимание. Здесь выделена важная информация, требующая акцента на ней. Автор здесь может поделиться с чита- телем опытом, чтобы помочь избежать некоторых ошибок. Контрольные вопросы по главе Глава 1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ 1.1 Основные определения Начальным этапом изучения является формулирование некоторых основных определений. Сеть передачи данных — выделенная или наложенная система телекоммуни- каций, которая через узлы маршрутизации (коммутации) и сеть доступа позволя- ет абонентам обмениваться различной информацией, представленной в цифровой форме в виде последовательного набора фрагментов сообщения (пакетов). Другое определение сети является более узким и направлено только на вычислительные способности распределенных систем. Компьютерная сеть — система распределенной обработки информации, состо- ящая из территориально разнесенных компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью средств связи. Есть и другие определения сетей, но мы будем пользоваться первым, более общим, так как в его основе лежит именно телекоммуникационная составляющая, не зависящая от прикладных процессов. Сеть доступа — набор технических и программных средств (мультиплексоры, модемы, линии связи, протоколы и др.), обеспечивающих абонентам выход в СПД. Узел коммутации, или сетевой узел, — элемент сети, где происходит перерас- пределение потоков данных по различным направлениям. При этом не конкрети- зируется, на базе каких протоколов и аппаратных средств (хаб, коммутатор, марш- рутизатор и т. п.) это реализуется. Маршрутизатор (узел маршрутизации), router — узел, управляющий пересыл- кой данных по сети с использованием системы адресов третьего сетевого уровня семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС). 10 Глава 1. Общие принципы построения сетей Протокол — набор правил для одной из коммутационных функций. Например, PPP (Point to Point Protocol) — протокол для организации канала передачи данных в режиме «точка-точка», а IP (Internet Protocol) — набор правил для маршрутизации данных. Стек протоколов — набор организованных по уровням ЭМВОС протоколов, которые, работая совместно, позволяют прикладным процессам обмениваться дан- ными. Например, стеком протоколов являются PPP, IP, TСP. Пакет, или элемент данных протокола, — передающийся по сети форматиро- ванный элемент данных, который включает в себя полезную и служебную инфор- мацию. Xocт — компьютер, который выполняет как приложения, так и сетевые функции и является конечной точкой сети. Как персональные компьютеры, так и мини-ЭВМ и большие ЭВМ попадают под определение хоста. 1.2 Взаимодействие компьютеров. Топологии сетей Самым простым вариантом является связь двух компьютеров. Это взаимодей- ствие может быть организовано различными способами, в зависимости от выбран- ной технологии на первом и втором уровнях ЭМВОС [1, 4]. Наиболее распростра- ненные в настоящее время варианты приведены на рисунке 1.1. Рис. 1.1 – Варианты взаимодействия компьютеров Системный блок компьютера передает данные другому компьютеру сначала по многоразрядным параллельным шинам к контроллерам, обеспечивающим передачу в линии связи. Такими контроллерами могут быть контроллер СОМ-порта с ин- терфейсом RS-232C, контроллер на основе протокола V.35, сетевая карта Ethernet c выходным портом RJ-45. Каждый из этих контроллеров организует свой режим передачи: 1.2 Взаимодействие компьютеров. Топологии сетей 11 сетевая карта — полудуплексный или дуплексный Ethernеt по витой паре или волоконно-оптической линии связи; СОМ-порт и порт RS-232C — соединение по коммутируемой линии (dial up) с помощью модемов серии V.24 и т. п.; интерфейс V.35 с помощью соответствующих модемов и выделенной ли- нии — постоянное соединение в синхронном или асинхронном режиме пе- редачи. Эти варианты соединения двух компьютеров являются основой для создания сетей, когда число взаимодействующих хостов больше и значительно много боль- ше двух. Способ организации физических или логических связей компьютеров называется топологией сети. Рассмотрим основные топологии (рис. 1.2). Рис. 1.2 – Основные топологии компьютерных сетей: a) шина; б) звезда; в) кольцо; г) комбинированная Топология «шина» — одна из первых, когда к общей линии на некотором рас- стоянии друг от друга подключены компьютеры. Поскольку между ними нет ни- какой развязки, в определенный момент времени осуществлять передачу данных может только один абонент, который выходит на передачу, убедившись, что линия свободна. Все остальные прослушивают линию, дожидаясь, когда она освободится. Такой режим передачи и приема является полудуплексным, и он может сопровож- даться конфликтами (коллизиями), когда на режим передачи одновременно выходит несколько абонентов. Такой метод доступа абонентов к сети носит название «Мно- жественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий» — МДКН/ОК. В топологии «шина» отсутствует ведущий узел сети — все абоненты равноправ- ны, а добавление новых абонентов до поры до времени осуществляется довольно 12 |