Основы сетевых технологий и высокоскоростной передачи данных - учебное пособие. Высокоскоростные сетевые технологии

университет путей сообщения»

Институт ИИФО

Кафедра: «АТиС»

Реферат по дисциплине

Сетевые технологии высокоскоростных систем передачи данных

Тема: «Компьютерная сеть WLAN »

Выполнил: Ежиков Д.А.

КТ13-ИКТ(БТ)ОС-240

Проверил: Каритан К.А.

Хабаровск 2015 г.

Введение ……………………………………………………………………….3

Беспроводные технологии …………………………………………………..4

Безопасность …………………………………………………………………..6

Wireless LAN………………………………………………………………….. 7

Организация сети…………………………………………………………….. 8

………………………………………... 8

……………………………………....11

Введение

Так сложилось, что в нашей стране большую распространенность получили районные Ethernet сети, затягивающие в квартиру витую пару. Когда дома всего один компьютер, вопросов с подключением кабеля обычно не возникает. Но когда появляется желание лазить в Интернет с компьютера, лэптопа и КПК с возможностью беспроводного подключения, задумываешься о том, как все это грамотно осуществить. Разделить один Интернет-канал на всех домочадцев нам помогают многофункциональные роутеры.

Потребность в создании дома персональной Wi-fi сети испытывает, наверное, любой обладатель ноутбука или КПК. Конечно, можно купить точку доступа и организовать беспроводный доступ через нее. Но куда удобнее иметь устройство «всё в одном», ведь роутеры справляются с этой функцией ничуть не хуже точек доступа. Главное, на что стоит обращать внимание, это поддерживаемые стандарты Wi-fi. Ибо в последние несколько лет среди производителей появилась тенденция выпускать устройства с поддержкой еще не существующих стандартов. Безусловно, в этом есть определенная польза. Мы получаем большую производительность и дальнобойность wi-fi при использовании оборудования от одного производителя. Однако, поскольку каждый из них реализует новшества так, как ему больше нравится (стандарт ведь пока не принят), совместимости оборудования от разных производителей мы не наблюдаем.

Обычно беспроводные сетевые технологии группируются в три типа, различающиеся по масштабу действия их радиосистем, но все они с успехом применяются в бизнесе.

WLAN (беспроводные локальные сети) - радиус действия до 100 м. С их помощью реализуется беспроводной доступ к групповым ресурсам в здании, университетском кампусе и т. п. Обычно такие сети используются для продолжения проводных корпоративных локальных сетей. В небольших компаниях WLAN могут полностью заменить проводные соединения. Основной стандарт для WLAN - 802.11.

Беспроводные технологии

Беспроводные технологии - подкласс информационных технологий, служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение. В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

По дальности действия:

Беспроводные персональные сети (WPAN - Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий - Bluetooth.

Беспроводные локальные сети (WLAN - Wireless Local Area Networks). Примеры технологий - Wi-Fi.

Беспроводные сети масштаба города (WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - WiMAX.

Беспроводные глобальные сети (WWAN - Wireless Wide Area Network). Примеры технологий - CSD, GPRS, EDGE, EV-DO, HSPA.......По топологии:

- «Точка-точка».

- «Точка-многоточка».......По области применения:

Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети - создаваемые компаниями для собственных нужд.

Операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

Беспроводные компьютерные сети

Применение

Существует два основных направления применения беспроводных компьютерных сетей:

Работа в замкнутом объеме (офис, выставочный зал и т. п.);

Соединение удаленных локальных сетей (или удаленных сегментов локальной сети).

Для организации беспроводной сети в замкнутом пространстве применяются передатчики со всенаправленными антеннами. Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети - Ad-hoc и клиент-сервер. Режим Ad-hoc (иначе называемый «точка-точка») - это простая сеть, в которой связь между станциями (клиентами) устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. В режиме клиент-сервер беспроводная сеть состоит, как минимум, из одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных клиентских станций. Поскольку в большинстве сетей необходимо обеспечить доступ к файловым серверам, принтерам и другим устройствам, подключенным к проводной локальной сети, чаще всего используется режим клиент-сервер. Без подключения дополнительной антенны устойчивая связь для оборудования IEEE 802.11b достигается в среднем на следующих расстояниях: открытое пространство - 500 м, комната, разделенная перегородками из неметаллического материала - 100 м, офис из нескольких комнат - 30 м. Следует иметь в виду, что через стены с большим содержанием металлической арматуры (в железобетонных зданиях таковыми являются несущие стены) радиоволны диапазона 2,4 ГГц иногда могут вообще не проходить, поэтому в комнатах, разделенных подобной стеной, придется ставить свои точки доступа.

Для соединения удаленных локальных сетей (или удаленных сегментов локальной сети) используется оборудование с направленными антеннами, что позволяет увеличить дальность связи до 20 км (а при использовании специальных усилителей и большой высоте размещения антенн - до 50 км). Причем в качестве подобного оборудования могут выступать и устройства Wi-Fi, нужно лишь добавить к ним специальные антенны (конечно, если это допускается конструкцией). Комплексы для объединения локальных сетей по топологии делятся на «точку-точку» и «звезду». При топологии «точка-точка» (режим Ad-hoc в IEEE 802.11) организуется радиомост между двумя удаленными сегментами сети. При топологии «звезда» одна из станций является центральной и взаимодействует с другими удаленными станциями. При этом центральная станция имеет всенаправленную антенну, а другие удаленные станции - однонаправленные антенны. Применение всенаправленной антенны в центральной станции ограничивает дальность связи дистанцией примерно 7 км. Поэтому, если требуется соединить между собой сегменты локальной сети, удаленные друг от друга на расстояние более 7 км, приходится соединять их по принципу «точка-точка». При этом организуется беспроводная сеть с кольцевой или иной, более сложной топологией.

Мощность, излучаемая передатчиком точки доступа или же клиентской станции, работающей по стандарту IEEE 802.11, не превышает 0,1 Вт, но многие производители беспроводных точек доступа ограничивают мощность лишь программным путем, и достаточно просто поднять мощность до 0,2-0,5 Вт. Для сравнения - мощность, излучаемая мобильным телефоном, на порядок больше(в момент звонка - до 2 Вт). Поскольку, в отличие от мобильного телефона, элементы сети расположены далеко от головы, в целом можно считать, что беспроводные компьютерные сети более безопасны с точки зрения здоровья, чем мобильные телефоны. Если беспроводная сеть используется для объединения сегментов локальной сети, удаленных на большие расстояния, антенны, как правило, размещаются за пределами помещения и на большой высоте.

Безопасность

Продукты для беспроводных сетей, соответствующие стандарту IEEE 802.11, предлагают четыре уровня средств безопасности: физический, идентификатор набора служб (SSID - Service Set Identifier), идентификатор управления доступом к среде (MAC ID - Media Access Control ID) и шифрование. Технология DSSS для передачи данных в частотном диапазоне 2,4 ГГц за последние 50 лет нашла широкое применение в военной связи для улучшения безопасности беспроводных передач. В рамках схемы DSSS поток требующих передачи данных «разворачивается» по каналу шириной 20 МГц в рамках диапазона ISM с помощью схемы ключей дополнительного кода (Complementary Code Keying, CCK). Для декодирования принятых данных получатель должен установить правильный частотный канал и использовать ту же самую схему CCK. Таким образом, технология на базе DSSS обеспечивает первую линию обороны от нежелательного доступа к передаваемым данным. Кроме того, DSSS представляет собой «тихий» интерфейс, так что практически все подслушивающие устройства будут отфильтровывать его как «белый шум». Идентификатор SSID позволяет различать отдельные беспроводные сети, которые могут действовать в одном и том же месте или области. Он представляет собой уникальное имя сети, включаемое в заголовок пакетов данных и управления IEEE 802.11. Беспроводные клиенты и точки доступа используют его, чтобы проводить фильтрацию и принимать только те запросы, которые относятся к их SSID. Таким образом, пользователь не сможет обратиться к точке доступа, если только ему не предоставлен правильный SSID.

Wireless LAN

Wi-Fi и WiMAX

Сопоставления WiMAX и Wi-Fi далеко не редкость - термины созвучны, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты разработаны IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и используются для подключения к интернету (каналу обмена данными). Но, несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно различных задач.

WiMAX - это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению).

Wi-Fi - это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Из-за дешевизны и простоты установки, Wi-Fi часто используется для предоставления клиентам быстрого доступа в Интернет различными организациями. Например, в некоторых кафе, отелях, вокзалах и аэропортах можно обнаружить бесплатную точку доступа Wi-Fi.

Организация сети

В беспроводной локальной сети есть два типа оборудования: клиент (обычно это компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой картой, но может быть и иное устройство) и точка доступа, которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа содержит приемопередатчик, интерфейс проводной сети, а также встроенный микрокомпьютер и программное обеспечение для обработки данных.

Типы и разновидности соединений

Все компьютеры оснащены беспроводными картами (клиентами) и соединяются напрямую друг с другом по радиоканалу работающему по стандарту 802.11b и обеспечивающих скорость обмена 11 Mбит/с, чего вполне достаточно для нормальной работы.

Инфраструктурное соединение.

Все компьютеры оснащены беспроводными картами и подключаются к точке доступа. Которая, в свою очередь, имеет возможность подключения к проводной сети. Данная модель используется когда необходимо соединить больше двух компьютеров. Сервер с точкой доступа может выполнять роль роутера и самостоятельно распределять интернет-канал.

Точка доступа, с использованием роутера и модема.

Точка доступа включается в роутер, роутер - в модем (эти устройства могут быть объединены в два или даже в одно). Теперь на каждом компьютере в зоне действия Wi-Fi , в котором есть адаптер Wi-Fi, будет работать интернет.

Соединение мост.

Компьютеры объединены в проводную сеть. К каждой группе сетей подключены точки доступа, которые соединяются друг с другом по радио каналу. Этот режим предназначен для объединения двух и более проводных сетей. Подключение беспроводных клиентов к точке доступа, работающей в режиме моста невозможно.

Репитер.

Точка доступа просто расширяет радиус действия другой точки доступа, работающей в инфраструктурном режиме.

Заключение

Беспроводные локальные сети (WLAN – wireless LAN) могут использоваться в офисе для подключения мобильных сотрудников (ноутбуки, носимые терминалы) в местах скопления пользователей - аэропортах, бизнес-центрах, гостиницах и т. д.

Мобильный Интернет и мобильные локальные сети открывают корпоративным и домашним пользователям новые сферы применения карманных ПК, ноутбуков. Одновременно с этим постоянно снижаются цены на беспроводное оборудование Wi-Fi и расширяется его ассортимент. Wi-Fi также подходит для людей, которым по долгу необходимо перемещаться по помещению, к примеру, на складе или в магазине. В этом случае для учета (отгрузки, приема и т. п.) товаров используются носимые терминалы, которые постоянно соединены с корпоративной сетью по протоколу Wi-Fi, и все изменения сразу отражаются в центральной базе данных. WLAN применим и в организации временных сетей, когда долго и нерентабельно прокладывать провода, а потом их демонтировать.

Еще один вариант использования – в исторических постройках, где прокладка проводов невозможна или запрещена. Иногда не хочется портить внешний вид помещения проводами или коробами для их прокладки. Кроме того, Wi-Fi-протокол подходит и для бытового применения, где тем более неудобно прогладывать провода.

Список использованной литературы

Для полного понимания сути обсуждаемого вопроса вначале следует определиться с терминологией. Прежде всего под локальной сетью будем понимать такую совокупность оборудования, которая объединяется в единое целое без привлечения телекоммуникационных средств, таких как каналы ISDN, T1, E1 и т.п., и охватывает ограниченную площадь. Не следует путать локальные и корпоративные сети, поскольку, с одной стороны, корпоративная сеть может представлять собой несколько локальных, расположенных в разных местах (и даже на разных континентах) и объединенных при помощи телекоммуникационных каналов, а с другой стороны, в одной локальной сети может работать сразу несколько фирм (возможно, родственных, тому есть примеры). Под высокоскоростными же будем понимать технологии, которые обеспечивают обмен данными со скоростью значительно (в два и более раза) большей, чем ставшая ныне стандартной 100 Мбит/с.

Однако высокоскоростные технологии передачи данных применяются в локальных сетях не только для привычных соединений рабочих станций и серверов. Периферийные устройства также подключаются по технологиям, близким к сетевым, но имеющим особенности, обусловленные сферой применения.

Все решения, направленные на повышение скорости обмена данными, можно грубо разделить на два направления - эволюционное, консервативное, и революционное, инновационное.

Нельзя сказать, что какое-то из направлений не имеет права на существование. Первое способствует решению некоторых проблем, сохраняя ранее вложенные инвестиции. То есть нечто вроде припарок - если пациент еще жив, то лекарство способно помочь. Второе улучшает параметры радикальным образом, но требует больших вложений. Радует то, что оба направления не исключают, а дополняют друг друга и зачастую могут применяться совместно. Поэтому рассмотрим оба подхода по порядку.

Консервативные решения: распределение нагрузки

Технология Advanced Load Balancing (ALB), или Link Aggregation (реже Port Aggregation; встречаются все термины, второй - самый правильный) является хорошим примером сбережения инвестиций при сравнительно скромном увеличении скорости обмена. Если сервер подключен к сети через коммутатор, то увеличить производительность в N раз можно за цену N-1 сетевых карт. Есть, правда, несколько «но»: карты не из дешевых, поскольку режим разделения нагрузки поддерживают далеко не все производители сетевого оборудования. Наиболее известные из них - 3Com, Adaptec, Bay Networks, Intel. Коммутатор тоже должен поддерживать ALB.

Суть метода заключается в том, что сетевой трафик распределяется между картами, которые при этом работают «параллельно». Отличие от простой установки нескольких карт заключается в том, что все карты под управлением ALB имеют один общий IP-адрес (физические адреса, конечно, не изменяются). То есть с точки зрения протокола IP на сервере установлена одна сетевая карта, но с повышенной пропускной способностью. Следует отметить, что основной выигрыш по сравнению с несколькими асинхронно работающими картами лежит не в производительности, а в области администрирования (у сервера всегда один адрес). Кроме того, ALB поддерживает резервирование, то есть при неисправности одной из карт нагрузка перераспределяется по остальным, в отличие от схемы «одна карта - один концентратор» (или коммутатор), при которой сегмент сети, подключенный к серверу через неисправную сетевую карту, просто теряет с ним связь. То есть помимо увеличения скорости имеет место и повышение надежности, что очень важно. В настоящее время сетевые платы для серверов, поддерживающие эту технологию, выпускают уже несколько фирм, например 3Com, Adaptec, Compaq, Intel , Matrox, SMC и другие.

Консервативные решения: 1000Base-T - Gigabit для бедных

Изначально технология Gigabit Ethernet разрабатывалась, исходя из применения в качестве передающей среды оптоволоконного кабеля. Работа по этому стандарту началась еще в 1995 году. Однако наряду с несомненным преимуществом по ширине полосы пропускания оптический кабель, по сравнению с витой парой, имеет существенные недостатки (не технического, правда, а скорее, экономического плана). Для установки концевых разъемов требуется специальное оборудование и обученный персонал; сама установка занимает, по сравнению с витой парой, достаточно много времени; кабель и разъемы дорогие. Но стоимость монтажа - это пустяки по сравнению с тем, что многие тысячи, а может быть, и миллионы километров кабеля с витой парой уже замурованы в стены и перекрытия зданий и для перехода на новую технологию их надо: а) извлечь; б) заменить на оптоволоконные. Поэтому в 1997 году была образована рабочая группа по разработке стандарта и прототипа Gigabit Ethernet, работающей на кабеле категории 5. Разработчики, применяя изощренные методы кодирования и коррекции ошибок, ухитрились загнать 1000 Мбит/с (а точнее, 125 Мбайт/с) в восемь медных проводов, из которых, собственно, и состоит кабель категории 5 (Cat 5). То есть теперь, после окончательного утверждения стандарта, вся масса замурованного медного кабеля получает, в терминах компьютерных игр, еще одну жизнь. Утверждается, что 1000Base-T работает на любом кабеле, отвечающем требованиям, предъявляемым к категории 5, вот только вопрос, какая часть существующего в России кабеля проложена, а затем протестирована надлежащим образом... Считается, что если по кабелю работает 100Base-T, то он и есть категории 5. Однако кабель категории 3, вполне работоспособный при использовании 100Base-T4, для 1000Base-T непригоден. Повышенное контактное сопротивление в опрессованном китайскими клещами китайском разъеме или плохая запрессовка в розетке - то есть те мелочи, которые стерпит 100Base-T, для Gigabit Ethernet неприемлемы, поскольку в технологию изначально заложены предельные для категории 5 параметры кабельной системы, что объясняется применением схемы кодирования, включающей элементы аналоговой техники, всегда предъявляющей повышенные требования к качеству и помехоустойчивости канала передачи.

По данным Gigabit Ethernet Alliance (GEA, http://www.gigabit-ethernet.org/), любой канал, на котором работает 100Base-TX (именно TX, а не FX или T4), пригоден для 1000Base-T. Однако вдобавок к процедурам и тестируемым параметрам, определяемым стандартом ANSI/TIA/EIA TSB 67, рекомендуется также проверять величины потерь от отражения (Return Loss) и приведенных перекрестных помех на дальнем от передатчика конце (Equal Level Far-End Crosstalk, ELFEXT). Первый параметр характеризует ту часть энергии сигнала, которая отражается обратно из-за неточного согласования волнового сопротивления кабеля и нагрузки (что, интересно, может меняться при замене нагрузки, то есть сетевой карты или концентратора/ коммутатора?). Второй характеризует наводки от соседних пар.

Оба эти параметра не оказывают никакого влияния на работу при использовании протокола 10Base-T, могут оказать некоторое влияние при работе по протоколу 100Base-TX и весьма существенны при 1000Base-T. Поэтому рекомендации по их измерению будут опубликованы в рекомендации ANSI/TIA/EIA TSB-95, которая ужесточает требования к кабельной системе по отношению к категории 5. То есть элементарный здравый смысл требует вначале протестировать канал, по которому планируется использовать 1000Base-T.

Дополнительные (по отношению к категории 5) требования к кабельной системе, способной работать по протоколу 1000Base-T, изложены в проекте стандарта ANSI/TIA/EIA-TSB 95. В некоторых из уже имеющихся автоматических тестеров заложены возможности по измерению параметров, критичных для 1000Base-T. Такие тестеры автоматически проводят измерение всех необходимых параметров кабельной линии, в зависимости от стандарта (Cat5, TSB-95, Cat5e) или конкретного приложения (1000Base-T). Для проведения тестирования достаточно указать стандарт или приложение, результат выдается в виде Годен/Негоден (PASS or FAIL).

GEA указывает пять фирм-производителей переносных кабельных тестеров, хотя список может быть и неполным: Datacom/Textron, Hewlett-Packard/Scope, Fluke, Microtest и Wavetek. Каждый из приборов может осуществлять как полный набор тестов, так и отдельные тесты. Некоторые из них имеют дополнительные возможности, помогающие отыскать причину при получении отрицательного ответа:

• Datacom/Textron (www.datacomtech. com) - LANcatТ System 6 (с дополнительным модулем C5e Performance Module)
• Fluke (www.fluke.com/nettools/) - DSP4000
• Hewlett-Packard/Scope (www.scope.com) - Wirescope 155
• Microtest (www.microtest.com) - OmniScanner
• Wavetek (www.wavetek.com) - LT8155

На вопрос, какова вероятность того, что уже проложенный кабель окажется непригодным для использования, рабочая группа по 1000Base-T дает ответ - менее 10%, указывая, что эта величина является, скорее, экспертной оценкой, а не статистически проверенным результатом.

Если тестирование все же показывает непригодность кабеля для 1000Base-T, можно тем не менее при помощи ряда мер попытаться спасти положение (вернее, уже проложенный кабель). Во-первых, можно попробовать заменить кабели, соединяющие оборудование с розеткой (patch cord). Естественно, новые кабели должны иметь гарантированное качество, то есть отвечать всем требованиям согласно расширенной спецификации категории 5 (Enhanced Category 5, Cat5e).

Затем можно попытаться заменить как розетки (и настенные, и кроссовую панель), так и наконечники на новые, отвечающие требованиям Cat5e. В качестве последнего шага можно уменьшить до предела количество разъемов в цепи, вплоть до исключения всех розеток вообще, что бывает возможно при наличии запаса кабеля в канале.

Необходимость тестирования можно проиллюстрировать случаем из жизни. Apple Mac, подключенный к сети через коаксиальный кабель, постоянно капризничал. После замены одного из отрезков кабеля (не примыкавшего, кстати, к злополучному «яблоку») капризы, связанные с сетью, прекратились. А изъятый отрезок еще долго и успешно трудился в другом сегменте сети, где были подключены только PC.

Что касается прокладки новых соединений, то следует руководствоваться требованиями к Cat5e, то есть все составные части должны иметь соответствующую маркировку или сертификат, а количество разъемных соединений должно быть минимальным. Люди обстоятельные, привыкшие иметь запас, могут использовать кабель и разъемы категории 6 (пока не утвержденной официально). Максимальная длина сегмента та же - 100 м. Единственное различие - в сегменте может быть только один повторитель (концентратор или коммутатор).

Нужно отметить, что 1000Base-T является не альтернативой, а дополнением Gigabit на оптоволокне. То есть не следует забывать о том, что почти для всех сетевых технологий существуют решения, основанные как на оптоволоконном кабеле в качестве передающей среды, так и на медном проводе. Даже для FDDI, ассоциирующейся прежде всего с оптоволокном, существует стандарт Copper FDDI (CDDI, Медный FDDI), обеспечивающий те же параметры канала передачи (кроме дальности), но с использованием медного кабеля с применением витой пары. Просто дело в том, что оптоволоконный кабель при равной скорости передачи обеспечивает значительно большую дальность, в десятки или сотни раз большую, в зависимости от типа кабеля (одномодовый или многомодовый), однако, соответственно, и за большую цену. Это и дает им возможность существовать совместно, но в разных сегментах рынка - проводные технологии применимы на коротких дистанциях, например для организации информационной магистрали при топологии, близкой к магистрали, свернутой в точку. При организации же сетей, которые принято называть «кампусными» (от слова «кампус», то есть совокупность зданий и сооружений, относящихся к университету; ныне имеет более широкое толкование - локальная сеть, объединяющая комплекс зданий, расположенных на расстоянии примерно до 10 км друг от друга), оптоволоконная технология, легко перекрывающая расстояния до 10 км и более, просто незаменима.

В обозримом будущем не просматривается необходимость подключения конечных пользователей с помощью оборудования, поддерживающего скорость обмена 1000 Мбит/с. При правильной организации локальной сети скорости 100 Мбит/с (или 12,5 Мбайт/с, что выше, чем скорость обмена SCSI-дисков с частотой вращения 10 000 об./мин) вполне достаточно. Таким образом, на ближайшее время технологиям Gigabit Ethernet уготована участь поддержки высокоскоростных магистралей, лежащих в основе информационных инфраструктур предприятий. А это означает, что небольшое снижение стоимости монтажа не будет решающим фактором в распространении технологии, основанной на стандарте 1000Base-T.

Итак, 1000Base-T наконец легализована стандартом. Что же нам с ней делать? Попробуем просто использовать по назначению, как рассматривалось выше, то есть прежде всего для увеличения пропускной способности центральных частей сетевой инфраструктуры на небольших расстояниях. С учетом того, что формат кадра остался тем же самым (незначительные изменения коснулись не самого формата и минимальной длины кадра, а лишь длины промежутков времени, используемых в алгоритме доступа к среде, что обусловлено большей скоростью передачи), Gigabit Ethernet осталась той же технологией Ethernet, только еще в десять раз быстрее. Поэтому подключение к уже имеющимся сетям происходит столь же просто, как и использование одновременно уже существующих устройств 10/100 Мбит.

Что касается оборудования, имеющегося в наличии (пока на западных рынках), то фирмой Alteon WebSystems (http://www.alteonwebsystems.com/) выпущена сетевая карта ACEnic 10/100/1000Base-T , представляющая собой модификацию известной ACEnic 1000-SX. Эта карта одноканальная, стоит приблизительно 500 долл. и позиционируется в качестве устройства, использующегося для рабочих станций. Известная своими инновационными продуктами фирма SysKonnect (http://www.syskonnect.com/) выпустила двухпортовую карту SK-NET GE-T для серверов (примерная цена около 1500 долл.) и однопортовый вариант (ценой около 700 долл.). Hewlett-Packard выпустила карту ProCurve 100/1000Base-T switch module для модульных концентраторов HP ProCurve Switch 8000M, 4000M, 1600M и 2424M стоимостью около 300 долл. Фирма Extreme Networks (http://www.extremenetworks.com/) также выпустила подобный модуль для своих коммутаторов. Остальные крупные производители сетевых продуктов во весь голос заявляют о подготовке к выпуску устройств, работающих по протоколу 1000Base-T. Это означает, что Gigabit Ethernet стал наконец зрелой технологией, имеющей, как и все остальные, две ипостаси - оптоволоконную и медную.

КомпьютерПресс 2"2000

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

• 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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ

Учебное пособие. Часть 1.

Москва 2008
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра мультимедийных сетей и услуг связи

^ Основы сетевых технологий и высокоскоростной передачи данных

Учебное пособие

для студентов, обучающихся по специальностям 230101, 230105, 210406

Беленькая М.Н., доцент

Яковенко Н.В., доцент
Рецензенты профессор, д.т.н. Минкин М.А.

доцент, к.т.н. Попова А.Г.
Утверждено методическим советом МТУСИ в качестве учебного пособия.

Протокол № 1 от 14.09.2008 г.

Москва 2008

Предисловие

В учебном пособии рассматриваются основные аспекты высокоскоростной передачи данных, сетевых технологий и взаимодействия вычислительной техники. Для успешного понимания изложенного материала студенты должны обладать знаниями по основам вычислительной техники, архитектуре ЭВМ, операционным системам, кодированию сигналов и кодированию информации, кабельным системам, основам телекоммуникаций.

• 
  дать понимание основных технологий высокоскоростной связи между вычислительными системами, соответствующих стандартов и протоколов, предоставить актуальную на момент написания пособия информацию по развивающимся направлениям передачи данных;
• 
  научить применять накопленные до нас знания и искать актуальную информацию;
• 
  научить пользоваться телекоммуникационными стандартами и рекомендациями ведущих мировых производителей в области высокоскоростной передачи данных;
• 
  научить пользоваться профессиональным языком и различными компьютерными и телекоммуникационными терминами.

^ Глава 1. Исторические предпосылки развития высокоскоростных сетей передачи данных

Анализируя исторический опыт создания и развития сетевых технологий высокоскоростной передачи информации, следует отметить, что главным фактором, который обусловил появление этих технологий, является создание и развитие средств вычислительной техники. В свою очередь, стимулом к созданию средств вычислительной техники (электронных компьютеров) стала вторая мировая война. Для расшифровки закодированных сообщений немецких агентов требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после радиоперехвата. Поэтому, британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS. В создании этой машины принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг, и это был первый в мире электронный цифровой компьютер.

Вторая мировая война повлияла на развитие компьютерной техники и в США. Армии нужны были таблицы стрельбы, которые использовались при нацеливании тяжелой артиллерии. В 1943 году Джон Моушли и его студент Дж. Преспер Экерт начали конструировать электронный компьютер, который они назвали ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и калькулятор). Он состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле. ENIAC весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10-разрядное десятичное число.

После войны Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. Вскоре и другие исследователи взялись за конструирование электронных вычислительных машин. Первым рабочим компьютером был EDS АС (1949 год). Эту машину сконструировал Морис Уилкс в Кембриджском университете. Далее появился JOHNIAC - в корпорации Rand, ILLIAC - в Университете Иллинойса, MANIAC - в лаборатории Лос-Аламоса и WEIZAC - в Институте Вайцмана в Израиле.

Экерт и Моушли вскоре начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer – электронная дискретная параметрическая вычислительная машина), затем последовала разработка UNIVAC (первая электронная серийная вычислительная машина). В 1945 году к их работе был привлечен Джон фон Нейман, создавший принципы работы современной вычислительной техники. Фон Нейман осознал, что создание компьютеров с большим количеством переключателей и кабелей требует длительного времени и очень утомительно. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме вместе с данными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся 10 электронными лампами (1 лампа включена, 9 – выключены), должна быть заменена бинарной арифметикой. Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей: памяти - RAM, процессора - CPU, вторичной памяти – магнитные барабаны, ленты, магнитные диски, устройства ввода – чтение с перфокарт, устройства вывода информации – принтер. Именно необходимость передавать данные между частями такой ЭВМ послужила стимулом развития высокоскоростной передачи данных и организации компьютерных сетей.

Первоначально для передачи данных между компьютерами использовались перфоленты и перфокарты, затем магнитные ленты и съемные магнитные диски. В дальнейшем появилось специальное математическое обеспечение (софт) – операционные системы, позволяющие многим пользователям с различных терминалов пользоваться одним процессором, одним принтером. При этом терминалы большой машины (мейнфрейм) могли быть удалены от нее на весьма ограниченное расстояние (до 300-800м). С развитием операционных систем появилась возможность присоединять терминалы к мейнфреймам при помощи телефонных сетей общего пользования с увеличением и числа терминалов и соответствующих расстояний. При этом никаких общих стандартов не существовало. Каждый производитель больших компьютеров разрабатывал свои правила (протоколы) присоединения и, таким образом, выбор производителя и технологии передачи данных для пользователя становился пожизненным.

Появление интегральных микросхем с низкой стоимостью привело к тому, что компьютеры стали меньше по размерам, доступнее по цене, мощнее и специализированнее. Компании уже могли позволить себе иметь несколько компьютеров, предназначенных для различных подразделений и задач и выпущенных различными производителями. В связи с этим появилась новая задача: соединение групп компьютеров между собой (Interconnection). Самыми первыми компаниями, которые эти «островки» соединили, были IBM и DEC. Протоколом системы передачи данных у DEC был DECNET, который сегодня уже не применяется, а у IBM – SNA (System Network Architecture – первая сетевая архитектура передачи данных для компьютеров серии IBM 360). Однако компьютеры одного производителя все еще ограничивались соединением с себе подобными. При присоединении компьютеров другого производителя использовалась программная эмуляция для имитации работы нужной системы.

В 60-х годах прошлого века правительство США поставило задачу обеспечения передачи информации между компьютерами различных организаций и осуществило финансирование разработки стандартов и протоколов обмена информацией. За реализацию поставленной задачи взялось ARPA – агентство по исследованиям министерства обороны США. В результате удалось разработать и внедрить компьютерную сеть ARPANET, с помощью которой были соединены федеральные организации США. В этой сети были внедрены протоколы TCP/IP и технология связи сегментов сетей министерства обороны США (DoD) Internet – Интернет.

Появившиеся в 80-х годах персональные компьютеры стали объединять в локальные сети (LAN – Local Area Network).

Постепенно появляется все больше производителей оборудования и соответственно математического обеспечения (МО), проводятся активные разработки в области взаимодействия оборудования различных производителей. В настоящее время сети, включающие оборудование и МО различных производителей, называют гетерогенными сетями (разнородными). Необходимость “понимать” друг друга приводит к необходимости создания не корпоративных правил передачи данных (например, SNA), а общих для всех. Появляются организации, создающие стандарты передачи данных, определяются правила, по которым могут работать частные клиенты, телекоммуникационные компании, правила объединения гетерогенных сетей. К таким международным стандартизирующим организациям относятся, например:

• 
  ITU-Т (МСЭ-Т – сектор стандартизации электросвязи международного союза электросвязи, преемник МККТТ);
• 
  IEEE (институт инженеров электротехники и электроники);
• 
  ISO (международная организация по стандартизации);
• 
  EIA (альянс отраслей электронной промышленности);
• 
  TIA (ассоциация телекоммуникационной промышленности).

C удешевлением технологий организации и компании получили возможности объединять свои компьютерные островки, находящиеся на различном удалении (в разных городах и даже континентах), в свою частную - корпоративную сеть . Корпоративная сеть может строиться на основе международных стандартов (ITU-Т) или стандартов одного производителя (IBM SNA).

При дальнейшем развитии высокоскоростной передачи данных стало возможным объединять в одну сеть различные организации и подключать к ней не только членов какой-то одной компании, а любое лицо, выполняющее определенные правила доступа. Такие сети называются глобальными . Заметим, что корпоративная сеть – это сеть, которая не является открытой для любого пользователя, глобальная сеть, напротив, открыта для любого пользователя.

Выводы

В настоящий момент практически все сети являются гетерогенными. Информация рождается на базе корпоративных сетей. Основные объемы информации циркулируют там же. Отсюда необходимость их изучения и умения реализовывать такие сети. Однако доступ к информации все больше открывается различным пользователям, свободным от конкретной корпорации, и отсюда необходимость уметь реализовывать глобальные сети.

^ Дополнительная информация

www.computerhistory.org

Контрольные вопросы

1. Сеть компании IBM, чьи представительства есть в Чикаго, Барселоне, Москве, Вене является:

А) глобальной

В) корпоративной

С) гетерогенной

D) все предыдущие определения справедливы

2. Целью создания компьютерной сети организации является (укажите все правильные ответы):

А) разделение пользователям ресурсов сети, независимо от их физического расположения;

В) совместное использование информации;

С) интерактивные развлечения;

D) возможность электронного делового общения с другими компаниями;

E) участие в системе диалоговых сообщений (чатов).
^ Глава 2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем ЭМВОС (Open System Interconnection - модель OSI)

В 1977 году Международная организация по стандартизации (МОС, ISO), состоящая из представителей индустрии информационных и телекоммуникационных технологий, создала комитет по разработке коммуникационных стандартов в целях обеспечения универсального взаимодействия программных и аппаратных средств множества производителей. Результатом его работы стала эталонная модель взаимодействия открытых систем ЭМВОС. Модель определяет уровни взаимодействия в компьютерных сетях (Рис. 1), описывает функции, которые выполняются каждым уровнем, но не описывает стандарты на выполнение этих задач.

Рис. 2.1. Уровни взаимодействия в сети в соответствии с ЭМВОС (OSI)

Поскольку различные компьютеры имеют различные скорости передачи данных, различные форматы данных, различные типы разъемов, разные способы хранения и доступа к данным (методы доступа), разные операционные системы и организацию видов памяти, то возникает масса не очевидных проблем их соединения. Все эти проблемы классифицировали и распределили по функциональным группам – уровням ЭМВОС.

Уровни организуются в виде вертикального стека (Рис.2.2). Каждый уровень выполняет некоторую группу близких функций, требуемых для организации связи компьютеров. В реализации более примитивных функций он полагается на нижележащий уровень (пользуется его услугами) и не интересуется подробностями этой реализации. Кроме того, каждый уровень предлагает услуги вышестоящему уровню.

Пусть прикладной процесс пользователя, который выполняется в оконечной системе «А», обращается с запросом к прикладному уровню (Application), например, к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата, которое обычно состоит из заголовка (header) и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую надо передать через сеть прикладному уровню другого компьютера (оконечная система «В»), чтобы сообщить ему, какие действия требуется выполнить. Например, заголовок должен содержать информацию о местонахождении файла и о типе операции, которую необходимо над ним выполнить. Поле данных может быть пустым или содержать какие-либо данные, например те, которые надо записать в удаленный файл. Для того чтобы доставить эту информацию по назначению, предстоит решить много задач. Но за них несут ответственность другие нижележащие уровни.

Рис.2.2. Архитектура процессов в сети в соответствии с ЭМВОС

Сформированное сообщение прикладной уровень направляет вниз по стеку представительному уровню (Presentation). Программный модуль представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению свою служебную информацию – заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для модуля представительного уровня компьютера – получателя. Сформированный блок данных передается вниз по стеку сеансовому уровню (Session), который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. Когда сообщение достигает нижнего физического уровня (Physical), оно «обрастает» заголовками всех уровней. Физический уровень обеспечивает передачу сообщения по линии связи, то есть через физическую среду передачи.

Когда сообщение поступает на компьютер – получатель, оно принимается физическим уровнем и последовательно перемещается вверх по стеку с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает свой заголовок, выполняет свои функции, затем удаляет этот заголовок и передает оставшийся блок данных смежному вышележащему уровню.

Правила (спецификации), по которым взаимодействуют компоненты систем, называются протоколами . В модели ЭМВОС различают два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения (connection-oriented network service) перед обменом данными отправитель и получатель (сетевые компоненты одного уровня в удаленных системах) должны сначала установить логическое соединение и, возможно, выбрать протокол, который будут использовать. После завершения диалога они должны разорвать соединение. В протоколах без предварительного установления соединения (connectionless network service) отправитель просто передает данные. Эти протоколы также называются дейтаграммными .

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов .

Для обозначения блока данных, с которым имеют дело модули определенного уровня, в модели ЭМВОС используется общее название протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). В то же время блок данных определенного уровня имеет и специальное название (Рис.2.3).

Кратко рассмотрим функции, отнесенные к разным уровням ЭМВОС.

^ Физический уровень

Обеспечивает передачу потока бит в физическую среду передачи информации. В основном определяет спецификацию на кабель и разъемы, т.е. механические, электрические и функциональные характеристики сетевой среды и интерфейсов.

На этом уровне определяется:

Физическая среда передачи – тип кабеля для соединения устройств;

Механические параметры – количество пинов (тип разъема);

Электрические параметры (напряжение, длительность единичного импульса сигнала);

Функциональные параметры (для чего используется каждый пин сетевого разъема, как устанавливается начальное физическое соединение и как оно разрывается).

Примерами реализации протоколов физического уровня являются RS-232, RS-449, RS-530 и множество спецификаций МСЭ-Т серии V и X (например, V.35, V.24, X.21).

^ Канальный уровень

На этом уровне биты организуются в группы (фреймы, кадры). Кадр – это блок информации, имеющий логический смысл для передачи от одного компьютера другому. Каждый кадр снабжается адресами физических устройств (источника и получателя), между которыми он пересылается.

Протокол канального уровня локальной сети обеспечивает доставку кадра между любыми узлами (node) этой сети. Если в локальной сети используется разделяемая среда передачи, протокол канального уровня выполняет проверку доступности среды передачи, то есть реализует определенный метод доступа в канал передачи данных.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен кадрами между соседними в сети узлами, соединенными индивидуальной линией связи.

Кроме пересылки кадров с необходимой синхронизацией канальный уровень выполняет контроль ошибок, контроль соединения и управление потоком данных. Начало и конец каждого кадра обозначаются специальной битовой последовательностью (например, флаг – 01111110). Каждый кадр содержит контрольную последовательность, которая позволяет принимающей стороне обнаруживать возможные ошибки. Канальный уровень может не только обнаруживать, но и исправлять поврежденные кадры за счет повторной передачи.

В заголовке канального уровня содержится информация об адресах взаимодействующих устройств, типе кадра, длине кадра, информация для управления потоком данных и сведения о протоколах вышестоящего уровня, принимающих пакет, размещенный в кадре.

^ Сетевой уровень

Основной задачей этого уровня является передача информации по сложной сети, состоящей из множества островков (сегментов). Внутри сегментов могут использоваться совершенно разные принципы передачи сообщений между конечными узлами – компьютерами. Сеть, состоящую из многих сегментов, мы называем Интернет.

Передача данных (пакетов) между сегментами выполняется при помощи маршрутизаторов (router, роутер). Можно представить себе маршрутизатор как устройство, в котором функционируют два процесса. Один из них обрабатывает приходящие пакеты и выбирает для них по таблице маршрутизации исходящую линию. Второй процесс отвечает за заполнение и обновление таблиц маршрутизации и определяется алгоритмом выбора маршрута. Алгоритмы выбора маршрута можно разбить на два основных класса: адаптивные и неадаптивные. Неадаптивные алгоритмы (статическая маршрутизация) не учитывают топологию и текущее состояние сети и не измеряют трафик на линиях связи. Список маршрутов загружается в память маршрутизатора заранее и не изменяется при изменении состояния сети. Адаптивные алгоритмы (динамическая маршрутизация) изменяют решение о выборе маршрутов при изменении топологии сети и в зависимости от загруженности линий.

Рис.2.4. Передача информации между сегментами сложной сети

Наиболее популярны в современных сетях два метода динамической маршрутизации: маршрутизация по вектору расстояния (протокол RIP, который минимизирует число переходов через промежуточные маршрутизаторы – число хопов) и маршрутизация с учетом состояния каналов (протокол OSPF, который минимизирует время достижения нужного сегмента сети).

На сетевом уровне может потребоваться разбить полученный фрейм на более мелкие фрагменты(дейтаграммы), прежде чем передать их дальше.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека компании Novell IPX/SPX.

^ Транспортный уровень

Транспортный уровень – это сердцевина иерархии протоколов. Он предназначен для оптимизации передачи данных от отправителя к получателю, управления потоком данных, организации приложению или верхним уровням стека необходимой степени надежности передачи данных вне зависимости от физических характеристик использующейся сети или сетей. Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы.

Осуществляется несколько классов сервиса. Например, защищенный от ошибок канал между конечными узлами (отправителем и получателем), поставляющий получателю сообщения или байты в том порядке, как они были отправлены. Может предоставляться другой тип сервиса, например, пересылка отдельных сообщений без гарантии соблюдения порядка их доставки. Примерами протоколов этого уровня являются протоколы TCP, SPX, UDP.

^ Сеансовый уровень (уровень сессии)

Уровень позволяет пользователям различных компьютеров устанавливать сеансы связи друг с другом. При этом обеспечивается открытие сеанса, управление диалогом устройств (например, выделение места для файла на диске принимающего устройства) и завершение взаимодействия. Это делается с помощью специальных программных библиотек (например, RPC-remote procedure calls от Sun Microsystems). На практике немногие приложения используют сеансовый уровень.

^ У
ровень представления

Уровень выполняет преобразование данных между компьютерами с различными форматами кодов символов, например ASCII и EBCDIC, то есть преодолевает синтаксические различия в представлении данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрирование и сжатие данных, благодаря чему секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб.

^ Прикладной уровень (уровень приложения)

Прикладной уровень – это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, электронная почта, гипертекстовые WEB-страницы, принтеры.

На этом уровне происходит взаимодействие не между компьютерами, а между приложениями: определяется модель, по которой будет происходить обмен файлами, устанавливаются правила, по которым мы будем пересылать почту, организовывать виртуальный терминал, сетевое управление, директории.

Примерами протоколов этого уровня являются: Telnet, X.400, FTP, HTTP.

Выводы

Модель ЭМВОС – это средство для создания и понимания средств передачи данных, классификации функций сетевых устройств и программного обеспечения. В соответствии с ЭМВОС эти функции разбиты на семь уровней. Реализуются они при помощи спецификаций – протоколов.

Разработчики модели полагали, что ЭМВОС и протоколы, разрабатываемые в ее рамках, будут преобладать в средствах компьютерной связи, и, в конце концов, вытеснят фирменные протоколы и конкурирующие модели, такие как TCP/IP. Но этого не произошло, хотя в рамках модели были созданы полезные протоколы. В настоящее время большинство поставщиков сетевого оборудования определяют свои продукты в терминах ЭМВОС (OSI).

^ Дополнительная информация

International Organization for Standardization, Information Processing Systems-Open System Interconnection-Basic Reference Model, ISO7498-1984

Контрольные вопросы

1. Модель OSI является:

А) Международным стандартом.

В) Паневропейским стандартом.

С) Национальным стандартом.

D) Фирменным стандартом.

2. Что определяет модель OSI (исключите ошибочное утверждение):

А) Правила взаимодействия двух сетевых объектов, последовательность и форматы сообщений, которыми они обмениваются.

В) Количество уровней.

С) Названия уровней.

D) Функции, относящиеся к каждому уровню.

3. Можно ли представить себе другой вариант модели взаимодействия открытых систем с другим количеством уровней, например, 12 или 4:

A) Нет, природа сетей требует определения именно семи уровней.

B) Уже существует новая версия модели OSI из 12 уровней.

C) Уже существует новая версия модели OSI из 4 уровней.

D) Да, 7 уровней – это только одно из возможных решений.

4. Зачем нужен заголовок (header) в протокольных блоках данных ЭМВОС?

А) Для обеспечения синхронизации между передающим и принимающим компьютером.

В) Для размещения управляющей информации протоколов.

С) Для размещения открывающего флага блока данных.

D) В частности для размещения адресов сетевых устройств или процессов.