Сетевые технологии передачи данных. Высокоскоростные технологии передачи данных в локальных вычислительных сетях

Высокоскоростные сетевые технологии

Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении 15 лет. Однако в настоящее время стала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Это происходит по разным причинам:

повышение производительности клиентских компьютеров; увеличение числа пользователей в сети; появление мультимедийных приложений; увеличение числа сервисов, работающих в реальном масштабе времени.

Поэтому многие сегменты 10-мегабитного Ethernet стали перегруженными, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая полезную пропускную способность.

Для повышения пропускной способности сети можно применить несколько способов: сегментацию сети с помощью мостов и маршрутизаторов; сегментацию сети с помощью коммутаторов; общее повышение пропускной способности самой сети, т.е. применение высокоскоростных сетевых технологий.

В высокоскоростных технологиях компьютерных сетей используются такие типы сетей, как FDDI (Fiber-optic Distributed Data Interface – оптоволоконный распределенный интерфейс передачи данных), CDDI (Copper Distributed Data Interface – проводной распределенный интерфейс передачи данных), Fast Ethernet (100 Мбит/с), 100GV-AnyLAN, ATM (Asynchronous Transfer Method – асинхронный метод передачи), Gigabit Ethernet.

Сети FDDI и CDDI

Волоконно-оптические сети FDDI позволяют решить следующие задачи:

повысить скорость передачи до 100 Мбит/с; повысить помехоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода; максимально эффективно использовать пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафика.

Для этой архитектуры Американский институт национальных стандартов ANSI (American National Standard Institute) в 80-х годах разработал стандарт X3T9.5. К 1991 г. технология FDDI надежно закрепилась в мире сетей.

Хотя стандарт FDDI изначально был разработан для использования волоконной оптики, позднейшие исследования дали возможность перенести эту надежную высокоскоростную архитектуру на неэкранированные и экранированные витые кабели. В результате компания Crescendo разработала интерфейс CDDI, позволивший реализовать технологию FDDI на медных витых парах, которая оказалась на 20-30% дешевле FDDI. Технология CDDI была стандартизована в 1994 г., когда многие потенциальные заказчики осознали, что технология FDDI слишком дорогая.

Протокол FDDI (X3T9.5) работает по схеме передачи маркера в логическом кольце на оптоволоконных кабелях. Он задумывался так, чтобы максимально соответствовать стандарту IEEE 802.5 (Token Ring) - различия имеются только там, где это необходимо для реализации большей скорости обмена данными и способности перекрытия больших расстояний передачи.

В то время как стандарт 802.5 определяет наличие одного кольца, сеть FDDI использует в одном кабеле два противоположно направленных кольца (первичное и вторичное), соединяющих узлы сети. Данные можно пересылать по обоим кольцам, но в большинстве сетей они посылаются только по первичному кольцу, а вторичное кольцо зарезервировано, обеспечивая отказоустойчивость и избыточность сети. В случае отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные, первичное кольцо замыкается на вторичное, вновь образуя замкнутое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap , т.е. «свертыванием» или «сворачиванием» колец . Операция свертывания производится средствами концентраторов или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой операции данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении, в по вторичному – в обратном.

В стандартах FDDI много внимания уделяется различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов, а при множественных отказах сеть распадается на несколько работоспособных, но не связанных между собой сетей.

В сети FDDI могут существовать узлы 4-х типов:

· станции одиночного подключения SAS (Single Attachment Stations); · станции двойного подключения DAS (Dual Attachment Stations); · концентраторы одиночного подключения SAC (Single Attachment Concentrators); · концентраторы двойного подключения DAC (Dual Attachment Concentrators).

SAS и SAC подключаются к только одному из логических колец, а DAS и DAC - к обоим логическим кольцам одновременно и могут справиться со сбоем в одном из колец. Обычно концентраторы имеют двойное подключение, а станции – одинарное, хотя это и не обязательно.

Вместо манчестерского кода в FDDI используется схема кодирования 4В/5В, перекодирующая каждые 4 бита данных в 5-битовые кодовые комбинации. Избыточный бит позволяет применить для представления данных в виде электрических или оптических сигналов самосинхронизирующийся потенциальный код. Кроме того, наличие запрещенных комбинаций позволяет отбраковывать ошибочные символы, что улучшает надежность сети.

Т.к. из 32-х комбинаций кода 5B для кодирования исходных 4 бит данных используется только 16 комбинаций, то из оставшихся 16 было выбрано несколько комбинаций, которые используются для служебных целей и образуют некий язык команд физического уровня. К наиболее важным служебным символам относится символ Idle (простаивать), который постоянно передается между портами в течение пауз между передачами кадров данных. За счет этого станции и концентраторы имеют постоянную информацию о состоянии физических соединений своих портов. В случае отсутствия потока символов Idle фиксируется отказ физической связи и производится реконфигурация внутреннего пути концентратора или станции, если это возможно.

Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как и сети Token Ring 16 Мбит/с. Существуют два основных различия в работе с маркером в протоколах FDDI и IEEE 802.5 Token Ring. Во-первых, время удержания маркера доступа в сети FDDI зависит от загрузки первичного кольца: при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших загрузках может уменьшаться до нуля (для асинхронного трафика). Для синхронного трафика время удержания маркера остается постоянной величиной. Во-вторых, FDDI не использует областей приоритета и резервирования. Вместо этого в FDDI каждая станция классифицируется как асинхронная или синхронная. При этом синхронный трафик обслуживается всегда, даже при перегрузках кольца.

В FDDI используется интегрированное управление станцией модулями STM (Station Management). STM присутствует на каждом узле сети FDDI в виде программного или микропрограммного модуля. SMT отвечает за мониторинг каналов данных и узлов сети, в частности, за управление соединениями и конфигурацией. Каждый узел в сети FDDI действует как повторитель. SMT действует аналогично управлению, предоставляемому протоколом SNMP, однако STM располагается на физическом уровне и подуровне канального уровня.

При использовании многомодового оптического кабеля (самой распространенной среды передачи FDDI) расстояние между станциями составляет до 2 км, при использовании одномодового оптического кабеля – до 20 км. В присутствии повторителей максимальная протяженность сети FDDI может достигать 200 км и содержать до 1000 узлов.

Формат маркера FDDI:

Формат пакета FDDI:

Преамбула предназначена для синхронизации. Несмотря на то, что изначально его длина равна 64 битам, узлы могут динамически изменять ее в соответствии со своими требованиями к синхронизации.

Начальный разделитель SD . Уникальное однобайтовое поле, предназначенное для идентификации начала пакета.

Контроль пакета FC . Однобайтовое поле вида CLFFTTTT, где бит С устанавливает класс пакета (синхронный или асинхронный обмен), бит L - индикатор длины адреса пакета (2 или 6 байт). Допускается использование в одной сети адресов и той, и другой длины. Биты FF (формат пакета) определяют, принадлежит ли пакет подуровню МАС (т.е. предназначен для целей управления кольцом) или подуровню LLC (для передачи данных). Если пакет является пакетом подуровня МАС, то биты ТТТТ определяют тип пакета, содержащего данные в поле Info.

Назначение DA . Определяет узел назначения.

Источник SA . Определяет узел, передавший пакет.

Информация Info . Это поле содержит данные. Они могут быть данными типа МАС или данными пользователя. Длина этого поля переменная, но ограничена максимальной длиной пакета в 4500 байт.

Контрольная сумма пакета FCS . Содержит CRC - сумму.

Концевой разделитель ED . Имеет длину полбайта для пакета и байт для маркера. Идентифицирует конец пакета или маркера.

Статус пакета FS . Это поле произвольной длины и содержит биты “Обнаружена ошибка”, “Адрес опознан”, “Данные скопированы”.

Самая очевидная причина дороговизны FDDI связана с использованием оптоволоконного кабеля. Свой вклад в дороговизну сетевых плат FDDI сделала также их сложность (дающая такие достоинства, как встроенное управление станцией, избыточность).

Характеристики сети FDDI

Fast Ethernet и 100GV-AnyLAN

В процессе разработки более производительной сети Ethernet специалисты разделились на два лагеря, что в конце концов привело к появлению двух новых технологий локальных сетей – Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN.

Около 1995 г. обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а является дополнением к стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30.

Комитет 802.12 принял технологию 100VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа к среде передачи Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов – Ethernet и Token Ring.

Fast Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от стандартной Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet по сравнению с Ethernet остались неизменными.

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем:

волоконно-оптический многомодовый кабель (используются два волокна); витая пара категории 5 (используются две пары); витая пара категории 3 (используются четыре пары).

Коаксиальный кабель в Fast Ethernet вообще не используется. Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Base-T/10Base-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети до 200 м, что связано с 10-кратным уменьшением времени передачи кадра минимальной длины из-за увеличения скорости передачи.

Тем не менее, это ограничение не очень препятствует построению крупных сетей Fast Ethernet в связи с бурным развитием в 90-х годах локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, накладываемых способом доступа к среде передачи CSMA/CD, а остаются только ограничения на длину физических сегментов.

Ниже рассматривается полудуплексный вариант работы технологии Fast Ethernet, который полностью соответствует методу доступа, описанному в стандарте 802.3.

Официальный стандарт 802.3u установил три различных спецификации Fast Ethernet и дал им следующие названия:

100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1; 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами и длиной волны лазера 1300 нм; 100Base-T4 для 4-парного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категорий 3, 4 или 5.

Для всех трех стандартов справедливы следующие общие утверждения:

Форматы кадров Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров классического 10-мегабитного Ethernet; Межкадровый интервал IPG в Fast Ethernet равен 0,96 мкс, а битовый интервал – 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа, измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня MAC, не вносились; Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигнала, как в стандарте Ethernet).

Физический уровень включает три компонента:

подуровень согласования (Reconciliation Sublayer); независимый от среды передачи интерфейс MII (Media Independent Interface ) между уровнем согласования и устройством физического уровня; устройство физического уровня (Physical Layer Device – PHY).

Подуровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, мог работать нормально с физическим уровнем через интерфейс MII.

Устройство физического уровня PHY обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC – подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле - приемнике. Оно состоит из нескольких подуровней (рис.19):

подуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4B/5B или 8B/6T; подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды, обеспечивающих формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например, NRZI или MLT-3; подуровня автопереговоров, который позволяет всем взаимодействующим портам выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный (этот подуровень является факультативным).

Интерфейс MII . MII представляет собой спецификацию сигналов TTL-уровня и использует 40-контактный разъем. Существует два варианта реализации интерфейса MII: внутренний и внешний.

При внутреннем варианте микросхема, реализующая подуровни MAC и согласования, с помощью интерфейса MII соединяется с микросхемой трансивера внутри одного и того же конструктива, например, платы сетевого адаптера или модуля маршрутизатора. Микросхема трансивера реализует все функции устройства PHY. При внешнем варианте трансивер выделен в отдельное устройство и подсоединяется с помощью кабеля MII.

Интерфейс MII использует 4-битные порции данных для параллельной передачи их между подуровнями MAC и PHY. Каналы передачи и приема данных от MAC к PHY и наоборот синхронизируются тактовым сигналом, генерируемым уровнем PHY. Канал передачи данных от MAC к PHY стробируется сигналом «Передача», а канал приема данных от PHY к MAC - сигналом «Прием».

Данные о конфигурации порта хранятся в двух регистрах: регистре управления и регистре статуса. Регистр управления используется для установки скорости работы порта, для указания, будет ли порт принимать участие в процессе автопереговоров о скорости линии, для задания режима работы порта (полу- или полнодуплексный).

Регистр статуса содержит информацию о действительном текущем режиме работы порта, в том числе и о том, какой режим выбран в результате автопереговоров.

Физический уровень спецификаций 100 Base - FX / TX . Эти спецификации определяют работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволоконному кабелю или кабелям UTP кат.5/STP Type 1 в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Как и в стандарте FDDI, каждый узел здесь соединяется с сетью двумя разнонаправленными сигнальными линиями, идущими от приемника и от передатчика узла соответственно.

Рис.19. Отличия технологии Fast Ethernet от технологии Ethernet

В стандартах 100Base-FX/TX на подуровне физического присоединения используется один и тот же метод логического кодирования 4B/5B, куда он без изменения перенесен из технологии FDDI. Для отделения начала кадра Ethernet от символов простоя Idle используются запрещенные комбинации Start Delimiter и End Delimiter.

После преобразования 4-битовых тетрад кода в 5-битовые комбинации последние необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации 100Base-FX и 100Base-TX используют для этого различные методы физического кодирования.

Спецификация 100Base-FX использует потенциальный физический код NRZI. Код NRZI (Non Return to Zero Invert to ones – без возврата к нулю с инвертированием единиц) является модификацией простого потенциального кода NRZ (в котором для представления логического 0 и 1 используются два уровня потенциала).

В методе NRZI также используются два уровня потенциала сигнала. Логические 0 и 1 в методе NRZI кодируются следующим образом (рис.20): в начале каждого единичного битового интервала значение потенциала на линии инвертируется, если же текущий бит равен 0, то в его начале потенциал на линии не изменяется.

Рис.20. Сравнение потенциальных кодов NRZ и NRZI.

Спецификация 100Base - TX для передачи по витой паре 5-битовых кодовых комбинаций использует код MLT-3, позаимствованный из технологии CDDI. В отличие от кода NRZI этот код является трехуровневым (рис.21) и является усложненным вариантом кода NRZI. В коде MLT-3 используются три уровня потенциала (+V, 0, -V), при передаче 0 значение потенциала на границе битового интервала не изменяется, при передаче 1 изменяется на соседние по цепочке +V, 0, -V, 0, +V и т.д.

Рис.21. Метод кодирования MLT-3.

Кроме использования метода MLT-3 спецификация 100Base - TX отличается от спецификации 100Base - FX также и тем, что в ней используется скремблирование. Скремблер обычно представляет собой комбинационную схему на элементах «Исключающее ИЛИ», которая перед кодированием MLT-3 зашифровывает последовательность 5-битовых кодовых комбинаций таким образом, чтобы энергия результирующего сигнала равномерно распределилась по всему частотному спектру. Это улучшает помехозащищенность, т.к. слишком сильные составляющие спектра вызывают нежелательные помехи на соседние линии передачи и излучение в окружающую среду. Дескремблер в узле - приемнике выполняет обратную функцию дескремблирования, т.е. восстановления исходной последовательности 5-битовых комбинаций.

Спецификация 100 Base - T 4 . Эта спецификация была разработана для того, чтобы можно было использовать в Fast Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Спецификация 100Base-T4 использует все четыре витых пары кабеля для того, чтобы повысить общую пропускную способность канала связи за счет одновременной передачи потоков данных по всем витым парам. Кроме двух однонаправленных пар, используемых в 100Base – TX, здесь две дополнительные пары являются двунаправленными и служат для распараллеливания передачи данных. Кадр передается по трем линиям побайтно и параллельно, что позволяет снизить требование к пропускной способности одной линии до 33.3 Мбит/с. Каждый байт, передаваемый по конкретной паре, кодируется шестью троичными цифрами в соответствии с методом кодирования 8B/6T. В результате при битовой скорости 33.3 Мбит/с скорость изменения сигнала в каждой линии составляет 33.3*6/8 = 25 Мбод, что укладывается в полосу пропускания (16 МГц) кабеля UTP кат.3.

Четвертая витая пара во время передачи используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизий.

В домене коллизий Fast Ethernet, который не должен превышать 205 м, допускается использовать не более одного повторителя класса I (транслирующий повторитель, поддерживающий разные схемы кодирования, принятые в технологиях 100Base-FX/TX/T4, задержка 140 bt) и не более двух повторителей класса II (прозрачный повторитель, поддерживающий только одну из схем кодирования, задержка 92 bt). Таким образом, правило 4-х хабов превратилось в технологии Fast Ethernet в правило одного или двух хабов, в зависимости от класса хаба.

Небольшое количество повторителей в Fast Ethernet не является серьезным препятствием при построении больших сетей, т.к. применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий, каждый из которых строится на одном или двух повторителях.

Автопереговоры по режиму работы порта . Спецификации 100Base-TX/T4 поддерживают функцию автопереговоров Autonegotiation, с помощью которой два устройства PHY могут автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы. Для этого предусмотрен протокол согласования режимов , по которому порт может выбрать самый эффективный из режимов, доступных обоим участникам обмена.

Всего в настоящее время определено 5 режимов работы, которые могут поддерживать устройства PHY TX/T4 на витых парах:

10Base-T (2 пары категории 3); 10Base-T full duplex (2 пары категории 3); 100Base-TX (2 пары категории 5 или STP Type 1); 100Base-TX full duplex (2 пары категории 5 или STP Type 1); 100Base-T4 (4 пары категории 3).

Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет в переговорном процессе, а режим 100Base-T4 – самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении источника питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент времени устройством управления.

Устройство, начавшее процесс автопереговоров, посылает своему партнеру специальную пачку импульсов FLP (Fast Link Pulse burst ), в которой содержится 8-битовое слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.

Если узел-партнер поддерживает функцию автопереговоров и способен поддерживать предлагаемый режим, то он отвечает своей пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер поддерживает менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе и этот режим выбирается в качестве рабочего.

Узел, который поддерживает только технологию 10Base-T, каждые 16 мс посылает импульсы теста связности, и не понимает запрос FLP. Узел, получивший в ответ на свой запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту 10Base-T и устанавливает этот режим работы и для себя.

Полнодуплексный режим работы . Узлы, поддерживающие спецификации 100Base FX/TX, могут работать и в полнодуплексном режиме. В этом режиме не используется метод доступа к среде передачи CSMA/CD и отсутствует понятие коллизий. Полнодуплексная работа возможна только при соединении сетевого адаптера с коммутатором, или же при непосредственном соединении коммутаторов.

100VG-AnyLAN

Технология 100VG-AnyLAN отличается от классической Ethernet принципиальным образом. Главные различия между ними состоят в следующем:

используется метод доступа к среде передачи Demand Priority – приоритетное требование , который обеспечивает значительно более справедливое распределение пропускной способности сети по сравнению с методом CSMA/CD для синхронных приложений; кадры передаются не всем станциям сети, а только станции назначения; в сети есть выделенный арбитр доступа – центральный концентратор, и это заметно отличает данную технологию от других, в которых используется распределенный алгоритм доступа; поддерживаются кадры двух технологий – Ethernet и Token Ring (отсюда в названии AnyLAN). Сокращение VG означает Voice-Grade TP – витая пара для голосовой телефонии; данные передаются в одну сторону одновременно по 4-м витым парам UTP категории 3, полный дуплекс невозможен.

Для кодирования данных применяется логический код 5B/6B, который обеспечивает спектр сигнала в диапазоне до 16 МГц (полоса пропускания UTP категории 3) при битовой скорости 30 Мбит/с в каждой линии. В качестве физического способа кодирования выбран код NRZ.

Сеть 100VG-AnyLAN состоит из центрального концентратора, называемого корневым, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов. Допускаются три уровня каскадирования. Каждый концентратор или сетевой адаптер этой сети может быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо с кадрами Token Ring.

Каждый концентратор циклически выполняет опрос состояния своих портов. Станция, желающая передать пакет, посылает специальный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет. В сети 100VG-AnyLAN используется два уровня приоритетов – низкий и высокий. Низкий уровень соответствует обычным данным (файловая служба, служба печати и др.), а высокий приоритет соответствует данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа).

Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие, т.е. станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет за счет динамической составляющей.

Если сеть свободна, то концентратор разрешает узлу передачу пакета, а всем другим узлам посылает сигнал предупреждения о приходе кадра, по которому узлы должны переключиться в режим приема кадра (перестать посылать сигналы состояния). После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор отправляет пакет станции назначения. По окончании передачи кадра хаб посылает сигнал Idle, и узлы снова начинают передавать информацию о своем состоянии. Если сеть занята, то концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом их приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос приостанавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Принятие решения о предоставлении доступа к сети выполняется корневым концентратором после проведения опроса портов всеми концентраторами сети.

При всей простоте этой технологии неясным остается один вопрос: каким образом концентратор узнает, к какому порту подключена станция назначения? Во всех других технологиях этот вопрос не возникал, т.к. кадр попросту передавался всем станциям сети, а станция назначения, распознав свой адрес, копировала принимаемый кадр в буфер.

В технологии 100VG-AnyLAN эта задача решается следующим образом - концентратор узнает MAC -–адрес станции в момент ее физического присоединения к сети кабелем. Если в других технологиях процедура физического присоединения выясняет связность кабеля (link test в технологии 10Base-T), тип порта (технология FDDI), скорость работы порта (автопереговоры в Fast Ethernet), то в технологии 100VG-AnyLAN при установлении физического соединения концентратор выясняет MAC-адрес подсоединяемой станции и запоминает его в своей таблице MAC-адресов, аналогичной таблице моста/коммутатора. Отличие концентратора 100VG-AnyLAN от моста или коммутатора состоит в том, что у него нет внутреннего буфера для хранения кадров. Поэтому он принимает от станций сети только один кадр и отправляет в порт назначения. Пока текущий кадр не будет принят получателем, новые кадры концентратор не принимает, так что эффект разделяемой среды сохраняется. Улучшается только безопасность сети, т.к. теперь кадры не попадают на чужие порты, и их труднее перехватить.

Учебное пособие для вузов / Под ред. профессора В.П. Шувалова

2017 г.

Тираж 500 экз.

Формат 60х90/16 (145x215 мм)

Исполнение: в мягкой обложке

ISBN 978-5-9912-0536-8

ББК 32.884

УДК 621.396.2

Гриф УМО
Рекомендовано УМО по образованию в области Инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 и 11.04.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» квалификации (степени) «бакалавр» и «магистр»

Аннотация

В компактной форме изложены вопросы построения инфокоммуникационных сетей, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных. Представлены разделы, которые необходимы для понимания того как можно обеспечить передачу не только с высокой скоростью, но и с другими показателями, характеризующими качество предоставляемой услуги. Приведено описание протоколов различных уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем, технологий транспортных сетей. Рассмотрены вопросы передачи данных в беспроводных сетях связи и современные подходы, обеспечивающие передачу больших массивов информации за приемлемые отрезки времени. Уделено внимание набирающей все большую популярность технологии программно-конфигурируемых сетей.

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Инфокоммуникационные технологии и системы связи (степени) «бакалавр» и «магистр». Книга может быть использована для повышения квалификации работниками электросвязи.

Введение

Список литературы к введению

Глава 1. Основные понятия и определения
1.1. Информация, сообщение, сигнал
1.2. Скорость передачи информации
1.3. Физическая среда передачи данных
1.4. Методы преобразования сигналов
1.5. Методы множественного доступа к среде
1.6. Сети электросвязи
1.7. Организация работ по стандартизации в области передачи данных
1.8. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
1.9. Контрольные вопросы
1.10. Список литературы

Глава 2. Обеспечение показателей качества обслуживания
2.1. Качество обслуживания. Общие положения
2.2. Обеспечение верности передачи данных
2.3. Обеспечение показателей структурной надежности
2.4. QoS маршрутизация
2.5. Контрольные вопросы
2.6. Список литературы

Глава 3. Локальные сети
3.1. Протоколы LAN
3.1.1. Технология Ethernet (IEEE 802.3)
3.1.2. Технология Token Ring (IEEE 802.5)
3.1.3. Технология FDDI
3.1.4. Fast Ethernet (IEEE 802.3u)
3.1.5. Технология 100VG-AnyLAN
3.1.6. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet
3.2. Технические средства, обеспечивающие функционирование высокоскоростных сетей передачи данных
3.2.1. Концентраторы
3.2.2. Мосты
3.2.3. Коммутаторы
3.2.4. Протокол STP
3.2.5. Маршрутизаторы
3.2.6. Шлюзы
3.2.7. Виртуальные локальные сети (Virtual local area Network, VLAN)
3.3. Контрольные вопросы
3.4. Список литературы

Глава 4. Протоколы канального уровня
4.1. Основные задачи канального уровня, функции протоколов 137
4.2. Байт-ориентированные протоколы
4.3. Бит-ориентированные протоколы
4.3.1. Протокол канального уровня HDLC (High-Level Data Link Control)
4.3.2. Протокол кадра SLIP (Serial Line Internet Protocol). 151
4.3.3. Протокол PPP (Point-to-Point Protocol - протокол двухточечной связи)
4.4. Контрольные вопросы
4.5. Список литературы

Глава 5. Протоколы сетевого и транспортного уровня
5.1. IP-протокол
5.2. Протокол IPv6
5.3. Протокол маршрутизации RIP
5.4. Внутренний протокол маршрутизации OSPF
5.5. Протокол BGP-4
5.6. Протокол резервирования ресурсов - RSVP
5.7. Протокол передачи RTP (Real-Time Transport Protocol)
5.8. Протокол DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
5.9. Протокол LDAP
5.10. Протоколы ARP, RARP
5.11. Протокол TCP (Transmission Control Protocol)
5.12. Протокол UDP (User Datagram Protocol)
5.13. Контрольные вопросы
5.14. Список литературы

Глава 6. Транспортные IP-сети
6.1. Технология ATM
6.2. Синхронная цифровая иерархия (SDH)
6.3. Многопротокольная коммутация по меткам
6.4. Оптическая транспортная иерархия
6.5. Модель и иерархия Ethernet для транспортных сетей
6.6. Контрольные вопросы
6.7. Список литературы

Глава 7. Беспроводные технологии высокоскоростной передачи данных
7.1. Технология Wi-Fi (Wireless Fidelity)
7.2. Технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
7.3. Переход от WiMAX к технологии LTE (LongTermEvolution)
7.4. Состояние и перспективы высокоскоростных беспроводных сетей
7.5. Контрольные вопросы
7.6. Список литературы

Глава 8. Вместо заключения: некоторые соображения на тему «что надо сделать, чтобы обеспечить передачу данных с высокой скоростью в IP-сетях»
8.1. Традиционная передача данных с гарантированной доставкой. Проблемы
8.2. Альтернативные протоколы передачи данных с гарантированной доставкой
8.3. Алгоритм контроля перегрузок
8.4. Условия обеспечения передачи данных с высокой скоростью
8.5. Неявные проблемы обеспечения высокоскоростной передачи данных
8.6. Список литературы

Приложение 1. Программно-конфигурируемые сети
П.1. Общие положения.
П.2. Протокол OpenFlow и OpenFlow-коммутатор
П.3. Виртуализация сетей NFV
П.4. Стандартизация ПКС
П.5. SDN в России
П.6. Список литературы

Термины и определения

• Предисловие
• Глава 1.
  Исторические предпосылки развития высокоскоростных сетей передачи данных
• Глава 2.
  Эталонная модель взаимодействия открытых систем ЭМВОС (Open System Interconnection - модель OSI)
• Глава 3.
  Международные стандартизирующие организации
• Глава 4.
  Физическое и логическое кодирование данных
• Глава 5.
  Узкополосные и широкополосные системы. Мультиплексирование данных
• Глава 6.
  Режимы передачи данных. Среды передачи
• Глава 7.
  Структурированные кабельные системы
• Глава 8.
  Топологии систем передачи данных
• Глава 9.
  Методы доступа в канал
• Глава 10.
  Технологии коммутации
• Глава 11.
  Связь сегментов сетей
• Литература

Глава 5. Узкополосные и широкополосные системы. Мультиплексирование данных

Узкополосная система (baseband) использует цифровой способ передачи сигнала. Хотя цифровой сигнал имеет широкий спектр и теоретически занимает бесконечную полосу частот, на практике ширина спектра передаваемого сигнала определяется частотами его основных гармоник. Именно они дают основной энергетический вклад в формирование сигнала. В узкополосной системе передача ведется в исходной полосе частот, не происходит переноса спектра сигнала в другие частотные области. Именно в этом смысле система называется узкополосной. Сигнал занимает практически всю полосу пропускания линии. Для регенерации сигнала и его усиления в сетях передачи данных используют специальные устройства – повторители (repeater, репитор).

Примером реализации узкополосной передачи являются локальные сети и соответствующие спецификации IEEE (например, 802.3 или 802.5).

Ранее узкополосная передача из-за затухания сигналов использовалась на расстояниях порядка 1-2 км по коаксиальным кабелям, но в современных системах, благодаря различным видам кодирования и мультиплексирования сигналов и видам кабельных систем, ограничения отодвинуты до 40 и более километров.

Термин широкополосная (broadband) передача изначально использовался в системах телефонной связи, где им обозначался аналоговый канал с диапазоном частот (шириной полосы пропускания) более 4 КГц. С целью экономии ресурсов при передаче большого числа телефонных сигналов с полосой частот 0,3-3,4 КГц были разработаны различные схемы уплотнения (мультиплексирования) этих сигналов, обеспечивающие их передачу по одному кабелю.

В высокоскоростных сетевых приложениях широкополосная передача означает, что для передачи данных используется не импульсная, а аналоговая несущая. По аналогии термин «широкополосный Интернет» означает, что вы используете канал с пропускной способностью более 128 Кбит/c (в Европе) или 200 Кбит/c (в США). Широкополосная система обладает высокой пропускной способностью, обеспечивает высокоскоростную передачу данных и мультимедийной информации (голос, видео, данные). Примером являются сети АТМ, B-ISDN, Frame Relay, сети кабельного вещания CATV.

Термин «мультиплексирование» используется в компьютерной технике во множестве аспектов. Мы под этим будем понимать объединение нескольких коммуникационных каналов в одном канале передачи данных.

Перечислим основные техники мультиплексирования: частотное уплотнение – Frequency Division Multiplexing (FDM), временное уплотнение – Time Division Multiplexing (TDM) и спектральное или уплотнение по длине волны (волновое) – Wavelength Division Multiplexing (WDM).

WDM применяется только в оптоволоконных системах. Кабельное телевидение, например, использует FDM.

FDM

При частотном мультиплексировании каждому каналу выделяется своя аналоговая несущая. При этом в FDM может применяться любой вид модуляции или их комбинация. Например, в кабельном телевидении по коаксиальному кабелю с шириной полосы пропускания 500 МГц обеспечивается передача 80 каналов по 6 МГц каждый. Каждый из таких каналов в свою очередь получен мультиплексированием подканалов для передачи звука и видеоизображения.

TDM

При этом виде мультиплексирования низкоскоростные каналы объединяются (сливаются) в один высокоскоростной, по которому передается смешанный поток данных, образованный в результате агрегирования исходных потоков. Каждому низкоскоростному каналу присваивается свой временной слот (отрезок времени) внутри цикла определенной длительности. Данные представляются, как биты, байты или блоки бит или байт. Например, каналу А отводятся первые 10 бит внутри временного отрезка заданной длительности (фрейм, кадр), каналу B – следующие 10 бит и т.д. Кроме бит данных фрейм включает служебные биты для синхронизации передачи и других целей. Фрейм имеет строго определенную длину, которая обычно выражается в битах (например, 193 бита) и структуру.

Устройства сети, которые выполняют мультиплексирование потоков данных низкоскоростных каналов (tributary, компонентные потоки) в общий агрегированный поток (aggregate) для передачи по одному физическому каналу, называются мультиплексорами (multiplexer, mux, мукс). Устройства, выполняющие разделение агрегированного потока на компонентные потоки, называются демультиплексорами.

Синхронные мультиплексоры используют фиксированное разделение на временные слоты. Данные, принадлежащие определенному компонентному потоку, имеют одну и ту же длину и передаются в одном и том же временном слоте в каждом фрейме мультиплексированного канала. Если от некоторого устройства информация не передается, то его тайм слот остается пустым. Статистические мультиплексоры (stat muxes) решают эту проблему, динамически присваивая свободный временной слот активному устройству.

WDM

WDM использует различные длины волн светового сигнала для организации каждого канала. Фактически это особый вид частотного уплотнения на очень высоких частотах. При этом виде мультиплексирования передающие устройства работают на разных длинах волн (например, 820нм и 1300нм). Затем лучи объединяются и передаются по одному оптоволоконному кабелю. Принимающее устройство разделяет передачу по длинам волн и направляет лучи в разные приемники. Для слияния/разделения каналов по длинам волн используются специальные устройства – каплеры (coupler). Ниже приведен пример такого мультиплексирования.

Рис.5.1. WDM мультиплексирование

Среди основных конструкций каплеров различают отражающие каплеры и центрально-симметричные отражающие каплеры (SCR). Отражающие каплеры представляют собой крошечные “перекрученные” в центре кусочки стекла в виде звезды. Количество выходных лучей соответствует количеству портов каплера. А число портов определяет количество устройств, передающих на разных длинах волн. Далее показаны два вида отражающих каплеров.

Рис.5.2. Передающая звезда

Рис.5.3. Отражающая звезда

Центрально-симметричный отражающий каплер использует отражение света от сферического зеркала. При этом поступающий луч разделяется на два луча симметрично центра изгиба сферы зеркала. При повороте зеркала меняется положение изгиба сферы и соответственно путь отраженного луча. Можно добавить третий оптоволоконный кабель (fiber) и перенаправить отраженный луч еще на один порт. На этой идее основана реализация WDM – мультиплексоров и оптоволоконных коммутаторов.

Рис.5.4. Центрально-симметричный отражающий каплер

Оптические мультиплексоры могут реализовываться не только при помощи CSR-каплеров, но и при помощи отражающих фильтров и дифракционных решеток. В данном учебном пособии они не рассматриваются.

Основными факторами, определяющими возможности различных реализаций, являются мешающие наводки и разделение каналов. Величина наводки определяет, насколько хорошо разделены каналы, и, например, показывает, какая часть мощности 820-нм луча оказалась на 1300-нм порту. Наводка в 20 ДБ означает, что 1% сигнала появился на непредназначенном порту. Чтобы обеспечить надежное разделение сигналов длины волн должны быть разнесены “широко”. Трудно распознать близкие длины волн, например 1290 и 1310 нм. Обычно используют 4 схемы мультиплексирования: 850/1300, 1300/1550, 1480/1550 и 985/1550 нм. Лучшими характеристиками пока обладают CSR-каплеры с системой зеркал, например, двумя (рис.5.5).

Рис.5.5. SCR-каплер с двумя зеркалами

Технология WDM, представляющая собой одну из трех разновидностей спектрального уплотнения, занимает среднее положение в смысле эффективности использования спектра. В системах WDM объединяются спектральные каналы, длины волн которых отличаются одна от другой на 10 нм. Самой производительной является технология DWDM (Dense WDM). Она предусматривает объединение каналов, разнесенных по спектру не более чем на 1 нм, а в некоторых системах даже на 0,1 нм. Вследствие такого плотного размещения сигналов по спектру стоимость оборудования DWDM обычно очень высока. Наименее эффективно спектральные ресурсы используются в новых системах на основе технологии CWDM (Coarse WDM, разреженные системы WDM). Здесь спектральные каналы разнесены не менее чем на 20 нм (в некоторых случаях эта величина достигает 35 нм). Системы CWDM обычно используются в городских сетях и в LAN, где низкая цена оборудования является важным фактором и требуется организация 8-16 каналов WDM. Оборудование CWDM не ограничено одним участком спектра и может работать в диапазоне от 1300 до 1600 нм, в то время как аппаратура DWDM привязана к более узкому диапазону 1530 - 1565нм.

Выводы

Узкополосная система – это система передачи в исходной полосе частот с использованием цифровых сигналов. Для передачи нескольких узкополосных каналов в одном широкополосном в современных системах передачи по медным кабелям используется временное мультиплексирование TDM. В оптоволоконных системах используется волновое мультиплексирование WDM.

Дополнительная информация

Контрольные вопросы

• Устройство, в котором все входящие информационные потоки объединяются в одном выходном интерфейсе, выполняет функции:
  • коммутатора
  • ретранслятора
  • мультиплексора
  • демультиплексора
• Десять сигналов, каждому из которых требуется полоса 4000 Гц, мультиплексируются в один канал с использованием FDM. Какова должна быть минимальная полоса уплотненного канала при ширине защитных интервалов 400 Гц?
  • 40800 Гц
  • 44000 Гц
  • 4800 Гц
  • 43600 Гц

Уделено внимание набирающей все большую популярность технологии программно-конфигурируемых сетей. <...> Разумеется, при этом необходимо обеспечить требования к другим показателям, определяющим понятие QoS (качество услуг). <...> Здесь представлено описание таких технологий как АТМ, SDH , MPLS-TP , PBB-TE. <...> В приложении к пособию дано краткое изложение принципов построения программно-конфигурируемых сетей, которые завоевывают в последнее время все большую и большую популярность. <...> Дано описание технологии виртуализации сетевых функций NFV (Network Function Virtualization), приведено сравнение SDN и NFV . <...> Физическая среда передачи данных Общие характеристики физической среды . <...> Физическая среда передачи данных (medium) может представлять собой кабель, земную атмосферу или космическое пространство. <...> Кабели более высокой категории имеют больше витков на единицу длины. <...> Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. <...> Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. <...> Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. <...> Высокоскоростная передача данных на основе беспроводной среды рассматривается в главе 7. <...> Выбор топологии сети является важнейшей задачей, решаемой при ее построении, и определяется требованиями к экономичности и структурной надежности . <...> Работа по стандартизации открытых систем началась в 1977 г. В 1983 г. была предложена эталонная модель ВОС - наиболее общее описание структуры построения стандартов. <...> Модель ВОС , определяющая принципы взаимосвязи между отдельными стандартами, является основой для параллельной разработки множества стандартов и обеспечивает постепенность перехода от существующих реализаций к новым стандартам. <...> Эталонная модель ВОС не определяет протоколы и интерфейсы взаимодействия, структуру и характеристики физических средств соединения. <...> Третий, сетевой уровень , выполняет маршрутизацию <...>

Сетевые_технологии_высокоскоростной_передачи_данных._Учебное_пособие_для_вузов._-_2016_(1).pdf

УДК 621.396.2 ББК 32.884 Б90 Р е ц е н з е н т ы: доктор техн. наук, профессор техн. наук, профессор; доктор Будылдина Н. В., Шувалов В. П. Б90 Сетевые технологии высокоскоростной передачи данных. Учебное пособие для вузов / Под ред. профессора В. П. Шувалова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2016. – 342 с.: ил. ISBN 978-5-9912-0536-8. В компактной форме изложены вопросы построения инфокоммуникационных сетей, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных. Представлены разделы, которые необходимы для понимания того как можно обеспечить передачу не только с высокой скоростью, но и с другими показателями, характеризующими качество предоставляемой услуги. Приведено описание протоколов различных уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем, технологий транспортных сетей. Рассмотрены вопросы передачи данных в беспроводных сетях связи и современные подходы, обеспечивающие передачу больших массивов информации за приемлемые отрезки времени. Уделено внимание набирающей все большую популярность технологии программно-конфигурируемых сетей. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» квалификации (степени) «бакалавр» и «магистр». Книга может быть использована для повышения квалификации работниками электросвязи. ББК 32.884 Будылдина Надежда Вениаминовна, Шувалов Вячеслав Петрович Сетевые технологии высокоскоростной передачи данных Учебное пособие для вузов Все права защищены. Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя © ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» www.techbook.ru © Н.В. Будылдина, В.П. Шувалов Л. Д. Г. Нев о л ин Г. Д о рос и нс ки й Ад р ес и з д а т е л ь ств а в Ин т е р н ет www.tech b o o k .ru

Стр.2

Оглавление Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Список литературы к введению. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Глава 1. Основные понятия и определения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1. Информация, сообщение, сигнал. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2. Скорость передачи информации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3. Физическая среда передачи данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4. Методы преобразования сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.5. Методы множественного доступа к среде. . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.6. Сети электросвязи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.7. Организация работ по стандартизации в области передачи данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.8. Эталонная модель взаимодействия открытых систем. . . . . . . 47 1.9. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 1.10. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Глава 2. Обеспечение показателей качества обслуживания. . 58 2.1. Качество обслуживания. Общие положения. . . . . . . . . . . . . . . 58 2.2. Обеспечение верности передачи данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.3. Обеспечение показателей структурной надежности. . . . . . . . 78 2.4. QoS маршрутизация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.5. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.6. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Глава 3. Локальные сети. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.1. Протоколы LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.1.1. Технология Ethernet (IEEE 802.3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.1.2. Технология Token Ring (IEEE 802.5) . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1.3. Технология FDDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.1.4. Fast Ethernet (IEEE 802.3u) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.1.5. Технология 100VG-AnyLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.1.6. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet . . . . . 102 3.2. Технические средства, обеспечивающие функционирование высокоскоростных сетей передачи данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.1. Концентраторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.2. Мосты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.2.3. Коммутаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.2.4. Протокол STP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.2.5. Маршрутизаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.2.6. Шлюзы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.2.7. Виртуальные локальные сети (Virtual local area Network, VLAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Стр.341

342 Оглавление 3.3. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 3.4. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Глава 4. Протоколы канального уровня. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.1. Основные задачи канального уровня, функции протоколов 138 4.2. Байт-ориентированные протоколы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.3. Бит-ориентированные протоколы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.3.1. Протокол канального уровня HDLC (High-Level Data Link Control) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.3.2. Протокол кадра SLIP (Serial Line Internet Protocol) . 152 4.3.3. Протокол PPP (Point-to-Point Protocol - протокол двухточечной связи) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.5. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Глава 5. Протоколы сетевого и транспортного уровня. . . . . . . . 161 5.1. IP-протокол. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 5.2. Протокол IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 5.3. Протокол маршрутизации RIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5.4. Внутренний протокол маршрутизации OSPF . . . . . . . . . . . . . . 187 5.5. Протокол BGP-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.6. Протокол резервирования ресурсов - RSVP . . . . . . . . . . . . . . 203 5.7. Протокол передачи RTP (Real-Time Transport Protocol). . . . 206 5.8. Протокол DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) . . . 211 5.9. Протокол LDAP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 5.10. Протоколы ARP, RARP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 5.11. Протокол TCP (Transmission Control Protocol) . . . . . . . . . . . . 220 5.12. Протокол UDP (User Datagram Protocol) . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 5.13. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 5.14. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Глава 6. Транспортные IP-сети. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 6.1. Технология ATM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 6.2. Синхронная цифровая иерархия (SDH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 6.3. Многопротокольная коммутация по меткам. . . . . . . . . . . . . . . 245 6.4. Оптическая транспортная иерархия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 6.5. Модель и иерархия Ethernet для транспортных сетей. . . . . . 256 6.6. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 6.7. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Глава 7. Беспроводные технологии высокоскоростной передачи данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 7.1. Технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 7.2. Технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

Стр.342

343 7.3. Переход от WiMAX к технологии LTE (LongTermEvolution) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 7.4. Состояние и перспективы высокоскоростных беспроводных сетей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 7.5. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 7.6. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Глава 8. Вместо заключения: некоторые соображения на тему «что надо сделать, чтобы обеспечить передачу данных с высокой скоростью в IP-сетях» . 279 8.1. Традиционная передача данных с гарантированной доставкой. Проблемы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 8.2. Альтернативные протоколы передачи данных с гарантированной доставкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 8.3. Алгоритм контроля перегрузок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 8.4. Условия обеспечения передачи данных с высокой скоростью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 8.5. Неявные проблемы обеспечения высокоскоростной передачи данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 8.6. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Приложение 1. Программно-конфигурируемые сети. . . . . . . . . . 302 П.1. Общие положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 П.2. Протокол OpenFlow и OpenFlow-коммутатор. . . . . . . . . . . . . . 306 П.3. Виртуализация сетей NFV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 П.4. Стандартизация ПКС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 П.5. SDN в России. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 П.6. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Термины и определения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

Эффективное использование ИС невозможно без применения сетевых технологий. Вычислительная сеть - это совокупность рабочих станций (например, на базе персональных ЭВМ), связанных между собой каналами передачи данных, по которым циркулируют сообщения. Сетевые операции регулируются набором правил и соглашений - сетевым протоколом, который определяет требуемые для совместной работы технические параметры аппаратуры, сигналы, форматы сообщений, способы обнаружения и исправления ошибок, алгоритмы работы сетевых интерфейсов и т.д.

Локальные сети позволяют эффективно использовать такие ресурсы системы как базы данных, периферийные устройства типа лазерных принтеров, быстродействующих накопителей на магнитных дисках большого объема и т.п., а также пользоваться электронной почтой.

Глобальные сети появились тогда, когда был создан протокол, позволяющий соединять между собой локальные сети. Обычно это событие связывают с появлением пары взаимосвязанных протоколов - протокола управления передачей / межсетевого протокола TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol ), которые 1 января 1983 года связали в единую систему сеть ARPANET и сеть оборонной информации США. Так была создана «сеть сетей» - Интернет. Другим важным событием в истории Интернета явилось создание распределенной гипертекстовой информационной системы WWW (от англ, World Wide Web - «Всемирная паутина»). Оно стало возможным благодаря разработке набора правил и требований, облегчающих написание программного обеспечения для рабочих станций и серверов. И, наконец, третьим важным событием в истории Интернета была разработка специальных программ, облегчающих поиск информации и обрабатывающих текстовые документы, изображения и звуки.

Сеть Интернет состоит из компьютеров, которые являются ее постоянными узлами (они получили название хост от англ. host - хозяин) и терминалов, которые подключаются к хосту. Хосты соединены между собой по Интернет-протоколу, а в качестве терминала можно использовать любой персональный компьютер, запустив на нем специальную программу-эмулятор. Такая программа позволяет ему «притвориться» терминалом, то есть так же воспринимать команды и посылать такие же ответные сигналы, что и настоящий терминал. Для того, чтобы решить проблему учета миллионов ПЭВМ, соединенных в единую сеть, Интернет использует уникальные коды - число и имя, которые присваиваются каждому компьютеру. В качестве части имени используются названия стран (Россия - RU, Великобритания - UK, Франция - FR), а в США - типы организаций (коммерческая - СОМ, система образования EDU, сетевые службы - NET).

Для того, чтобы подключиться к сети по Интернет-протоколу, необходимо договориться с организацией-провайдером (от англ. provider - поставщик), которая будет перенаправлять информацию с помощью сетевого протокола TCP/IP по телефонным линиям на данный компьютер через специальное устройство - модем. Обычно провайдеры Интернета при регистрации нового абонента выдают ему специально написанный пакет программ, который автоматически устанавливает необходимое сетевое программное обеспечение на ЭВМ абонента.

Интернет предоставляет пользователям множество различных ресурсов. С точки зрения использования Интернет для целей образования наибольший интерес представляют два - система файловых архивов и базы данных World Wide Web (WWW, «Всемирная паутина»),

Система файловых архивов становится доступной с помощью протокола FTP { File Transfer Protocol - протокол передачи файлов); эту систему архивов так и называют: FTP-архивы. FTP-архивы - это распределенный депозитарий разных данных, накопленных за 10-15 лет. Любой пользователь может анонимно обратиться к этому хранилищу и скопировать интересующие его материалы. Команды протокола FTP определяют параметры канала передачи данных и самого процесса передачи, а также характер работы с файловой системой. Протокол FTP позволяет пользователям копировать файлы из одного присоединенного к сети компьютера в другой. Другое средство - протокол доступа к машинам сети Telnet позволяет соединяться с другим терминалом так же, как соединяются по телефону с другим абонентом, и вести с ним совместную работу.

Особенностью распределенной гипертекстовой информационной системы WWW является применение гипертекстовых ссылок, которые дают возможность просматривать материалы в порядке их выбора пользователем.

Фундаментом WWW служат четыре краеугольных камня:

язык гипертекстовой разметки документов HTML;

универсальный способ адресации URL;

протокол доставки гипертекстовых сообщений HTTP;

универсальный межсетевой интерфейс CGI.

Стандартный объект хранения в базе данных - это HTML-документ, которому соответствует обычный текстовый файл. Запросы клиентов обслуживает программа, называемая HTTP -сервер. Она реализует связь по протоколу HTTP { HyperText Transfer Protocol - протокол передачи гипертекстов), который является надстройкой над TCP/IP - стандартным протоколом Интернета. Законченный информационный объект, который отображается программой клиентом пользователя при обращении к информационному ресурсу, это страница базы данных WWW,

Местонахождения каждого ресурса определяется унифициро ванным указателем ресурса URL (от англ. Uniform Resource Locator ). Стандартный URL состоит из четырех частей: формат передачи (тип протокола доступа), имя хоста, на котором находится запрашиваемый ресурс, путь к этому файлу и имя файла. С помощью системы именования URL ссылки в гипертексте описывают местонахождение документа. Связь со всеми ресурсами сети осуществляется через единый пользовательский интерфейс CUI (Common User Interface ). Главное назначение этого средства - обеспечение единообразного потока данных между сервером и прикладной программой, которая запускается под его управлением. Просмотр информационного ресурса выполняется с помощью специальных программ - браузеров (от англ. browse - читать, бегло просматривать).

Термин «браузер» относится не ко всем ресурсам Интернет, а только к той их части, которая носит название «Всемирная паутина». Только здесь используется протокол HTTP, необходимый для передачи документов, написанных с помощью языка HTML, а браузер - это программа, распознающая HTML-коды форматирования переданного документа и отображающая его на экране компьютера в том виде, как его задумал автор, другими словами, программа, осуществляющая просмотр HTML-документа.

К настоящему времени разработано большое количество программ-браузе-ров для Интернета. Среди них Netscape Navigator, MS Internet Explorel, Mosaic, Tango, Ariadna, Cello, Lynx.

Остановимся на том, как работают просмотрщики (браузеры) .

Обработка данных в HTTP состоит из четырех стадий: открытие связи, пересылка сообщения запроса, пересылка данных ответа и закрытие связи.

Чтобы открыть связь, просмотрщик «Всемирной паутины» соединяется с сервером HTTP (Web-сервером), указанным в URL. После установления соединения WWW-просмотрщик посылает сообщение запроса. Оно указывает серверу, какой документ нужен. После обработки запроса сервер HTTP передает WWW-серверу запрошенные данные. Все эти действия видны на экране монитора - все это делает браузер. Пользователю видна только основная функция, которая состоит в индикации, то есть выделении из общего текста гиперссылок. Это достигается изменением рисунка указателя мыши: когда указатель попадает на гиперссылку, он вращается из «стрелки» в «указующий перст» - руку с вытянутым указательным пальцем. Если в этот момент щелкнуть кнопкой мыши, то браузер «уйдет» по адресу, указанному в гиперссылке.

Технология функционирования HTTP-сервера настолько проста и дешева, что нет никаких ограничений для создания WWW-подобной системы внутри отдельной организации. Поскольку необходимо только наличие внутренней локальной сети с ТСР/IР-протоколом, можно создать маленькую (по сравнению с глобальной) гипертекстовую «Паутинку», Такая технология создания Интернет-подобных локальных сетей носит название Интранет.

В настоящее время по сети Интернет перемещается ежемесячно более 30 терабит информации (это примерно 30 млн. книг по 700 страниц каждая), а число пользователей составляет, по разным оценкам, от 30 до 60 млн. человек .