510_SHerstneva_O._G._Proektirovanie_korporativnykh_mul'tiservisnykh_setej_

рых один из соединителей (а именно тот, который планируется сопрягать с многомодовым волокном) имеет небольшое смещение от оси сердцевины волокна. Оптический шнур, у которого один соединитель - Duplex SC со смещенной сердцевиной, а другой - обычный Duplex SC, может называться так: MCP Duplex SC - Duplex SC. Разумеется такой шнур не подходит для использования в традиционных сетях, например в Fast Ethernet, из-за больших вносимых потерь на стыке с MCP Duplex SC.

Интерфейс 1000Base-SX

Так как интерфейс 1000Base-SX стандартизован только для использования с многомодовым волокном, то смещение области ввода излучения от центральной оси волокна можно реализовать внутри самого устройства, тем самым снять необходимость использования согласующего оптического шнура.

Интерфейс 1000Base-T

1000Base-T - это стандартный интерфейс Gigabit Ethernet передачи по неэкранированной витой паре категории 5 и выше на расстояния до 100 метров. Для передачи используются все четыре пары медного кабеля, скорость передачи по одной паре 250 Мбит/c. Предполагается, что стандарт будет обеспечивать дуплексную передачу, причем данные по каждой паре будут передаваться одновременно сразу в двух направлениях - двойной дуплекс (dual duplex). 1000Base-T. Технически реализовать дуплексную передачу 1 Гбит/с по витой паре UTP cat.5 оказалось довольно сложно, значительно сложней чем в стандарте 100Base-TX. Влияние ближних и дальних переходных помех от трех соседних витых пар на данную пару в четырехпарном кабеле требует разработки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи, и интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме.

Несколько методов кодирования первоначально рассматривались в качестве кандидатов на утверждение в стандарте 1000Base-T, среди которых: 5- уровневое импульсно-амплитудное кодирование PAM-5; квадратурная амплитудная модуляция QAM-25, и др.

Почему 5-уровневое кодирование. Распространенное четырехуровневое кодирование обрабатывает входящие биты парами. Всего существует 4 различных комбинации - 00, 01, 10, 11. Передатчик может каждой паре бит установить свой уровень напряжения передаваемого сигнал, что уменьшает в 2 раза частоту модуляции четырехуровневого сигнала, 125 МГц вместо 250 МГц (рисунок 2.9.), и следовательно частоту излучения. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода. В результате чего становится возможной коррекция ошибок на приеме. Это дает дополнительный резерв 6 дБ в соотношении сигнал/шум.

32

Рисунок 2.9. - Схема 4-х уровневого кодирования PAM-4

Уровень MAC.

Уровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол передачи CSMA/CD , что Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограничения на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определяются этим протоколом.

Встандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байта. Именно значение минимального размера кадра определяет максимальное допустимое расстояние между станциями (диаметр коллизионного домена). Время канала равно 512 BT или 51,2 мкс. Максимальная длина сети Ethernet определяется из условия разрешения коллизий, а именно время, за которое сигнал доходит до удаленного узла и возвращается обратно RDT не должно превышать 512 BT (без учета преамбулы).

При переходе от Ethernet к Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а время трансляции кадра длины 64 байта соответственно сокращается - оно рав-

но 512 BT или 5,12 мкс (в Fast Ethernet 1 BT = 0,01 мкс). Для того, чтобы можно было обнаруживать все коллизии до конца передачи кадра, как и раньше необходимо удовлетворить одному из условий:

1. Сохранить прежнюю максимальную длину сегмента, но увеличить время канала и, следовательно, увеличить минимальную длину кадра.

2. Сохранить время канала (прежний размер кадра), но уменьшить максимальную длину сегмента.

ВFast Ethernet был оставлен такой же минимальный размер кадра, как в Ethernet. Это сохранило совместимость, но привело к значительному уменьшению диаметра коллизионного домена.

Опять же в силу преемственности стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты в Ethernet и Fast Ethernet. Но поскольку скорость передачи возрастает, то соответственно уменьшается и время передачи пакета аналогичной длины. При сохранении прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра сети, который не превышал бы 20 метров. Поэтому, при разработке стандарта Gigabit Ethernet было принято решение увеличить время канала. В Gigabit Ethernet оно составляет 4096 BT и в 8 раз превосходит время канала Ethernet и Fast Ethernet. Но, чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не был увеличен, а было

33

добавлено к кадру дополнительное поле, получившее название "расширение носителя".

2.3.3 Расширение носителя (carrier extension)

Символы в дополнительном поле обычно не несут служебной информации, но они заполняют канал и увеличивают "коллизионное окно". В результате, коллизия будет регистрироваться всеми станциями при большем диаметре коллизионного домена.

Если станция желает передать короткий (меньше 512 байт) кадр, до при передаче добавляется это поле - расширение носителя, дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы в ычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле ра с- ширения. При приеме кадра поле ра сширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле ра сширения носителя отсутствует. На рисунке 2.10

Рисунок 2. показан формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя.

Рисунок 2.10. - Кадр Gigabit Ethernet с полем расширения носителя

2.3.4 Пакетная перегруженность (Packet Bursting)

Расширение носителя - это наиболее естественное решение, которое позволило сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet, и такой же диаметр коллизионного домена. Но оно привело к излишней трате полосы пропускания. До 448 байт (512-64) может расходоваться в холостую при передаче короткого кадра. На стадии разработки стандарта Gigabit Ethernet компанией NBase Communications было внесено предложение по модернизации стандарта. Эта модернизация, получившая название пакетная перегруженность, позволяет эффективней использовать поле расширения.

Рисунок 2.11. – Пакетная перегруженность:

а) передача кадров; б) поведение полосы пропускания.

35

3 ПРОТОКОЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ

3.1 Стек протоколов TCP/IP

В проектируемой мультисервисной сети используется стек протоколов

TCP/IP. Стек протоколов TCP/IP (англ. Transmission Control

Protocol/Internet Protocol) - собирательное название для сетевых пр о- токолов разных уровней, используемых в сетях. Слово «стек» (англ. stack, стопка) подразумевает, что протокол TCP работает поверх IP.

Вмодели OSI данный стек занимает (реализует) все уровни и сам делится на 4 уровня: прикладной, транспортный, межсетевой, уровень доступа к сети (в OSI это уровни - физический, канальный и частично сетевой). На стеке протоколов TCP/IP построено всѐ взаимодействие пользователей в сети, от программной оболочки до канального уровня модели OSI. По сути это база, на которой завязано всѐ взаимодействие. При этом стек является независимым от физической среды передачи данных.

3.1.1 Уровни стека TCP/IP

Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают. К тому же, модель OSI не использует дополнительный уровень - «Internetworking» - между транспортным и сетевым уровнями. Примером спорного протокола может быть ARP или STP.

Втаблице ываются в эталонную модель OSI.

Таблица 3.1 показано как традиционно протоколы TCP/IP вписываются в эталонную модель OSI.

Таблица 3.1 - Размещение протоколов стека TCP/IP по уровням модели OSI.

В таблице Таблица 3.2 представлена упрощенная интерпретацию стека

TCP/IP.

36

Таблица 3.2 - Упрощенная интерпретация стека TCP/IP

Обычно в стеке TCP/IP верхние 3 уровня (прикладной, представительный и сеансовый) модели OSI объединяют в один - прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению.

Физический уровень

Физический уровень описывает среду передачи данных (будь то кабель, оптоволокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).

Канальный уровень

Канальный уровень описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование. Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.

Примеры протоколов канального уровня - Ethernet, IEEE 802.11 Wireless

Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS.

PPP не совсем вписывается в такое определение, поэтому обычно описывается в виде пары протоколов HDLC/SDLC.

MPLS занимает промежуточное положение между канальным и сетевым уровнем и, строго говоря, его нельзя отнести ни к одному из них.

Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня - LLC и MAC.

Сетевой уровень

Изначально разработан для передачи данных из одной (под) сети в другую. Примерами такого протокола является X.25 и IPC в сети ARPANET.

С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалѐнной стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками). ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий - транспортный - уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, а поэтому их невозможно вписать в модель OSI.

37

Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число - уникальный IP-номер протокола. ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.

Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).

TCP (IP идентификатор 6) - «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надѐжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.

UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадѐжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.

UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднѐн или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.

И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.

Прикладной уровень

На прикладном уровне работает большинство сетевых приложений.

Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалѐнной машиной), DNS (преобразование символьных имѐн в IP-адреса) и многие другие.

Вмассе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны

копределѐнному порту, например:

HTTP на TCP-порт 80 или 8080, FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд), SSH на TCP-порт 22, запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53, обновление маршрутов по протоколу RIP на UDP-

38

порт 520. Эти порты определены Агентством по выделению имен и уникальных параметров протоколов (IANA).

Бесспорно, к этому уровню относятся: DHCP, Echo, Finger, Gopher, HTTP,

HTTPS, IMAP, IMAPS, IRC, NNTP, NTP, POP3, POPS, QOTD, RTSP, SNMP, SSH, Telnet, XDMCP.

3.2 IP (Internet Protocol)

IP (англ. Internet Protocol - межсетевой протокол) - маршрутизируемый сетевой протокол, основа стека протоколов TCP/IP.

Протокол IP используется для негарантированной доставки данных (разделяемых на так называемые пакеты) от одного узла сети к другому. Это означает, что на уровне этого протокола (третий уровень сетевой модели OSI) не даѐтся гарантий надѐжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в котором были отправлены, продублироваться (когда приходят две копии одного пакета; в реальности это бывает крайне редко), оказаться повреждѐнными (обычно повреждѐнные пакеты уничтожаются) или не прибыть вовсе. Гарантии безошибочной доставки пакетов дают протоколы более высокого (транспортного) уровня сетевой модели OSI - например, TCP - которые IP используют в качестве транспорта.

Всовременной сети Интернет используется IP четвѐртой версии (IPv4). В протоколе IP этой версии каждому узлу сети ставится в соответствие IP-адрес длиной 4 октета. При этом компьютеры в подсетях объединяются общими начальными битами адреса. Количество этих бит, общее для данной подсети, называется маской подсети (ранее использовалось деление пространства адресов по классам, сейчас используется бесклассовая адресация).

Внастоящее время вводится в эксплуатацию шестая версия протокола IPv6 (англ. Internet Protocol version 6), призванная решить проблемы за счѐт использования длины адреса 128 бит вместо 32.

После того, как адресное пространство в IPv4 закончится, два стека протоколов - IPv6 и IPv4 будут использоваться параллельно (dual stack), с постепенным увеличением доли трафика IPv6 по сравнению с IPv4. Такая ситуация возникает из-за наличия огромного количества устройств, не поддерживающих IPv6 и требующих специального преобразования для работы с устройствами, использующими только IPv6.

3.2.1 IP-пакет

IP-пакет - форматированный блок информации, передаваемый по вычислительной сети. Соединения вычислительных сетей, которые не поддерживают пакеты, такие как традиционные соединения типа «точка-точка» в телекоммуникациях, просто передают данные в виде последовательности байтов, символов или битов.

Всовременной практике термин «IP-пакет» обычно используется в качестве синонима к термину «IP-датаграмма». Вместе с тем в ряде документов IETF (RFC 1812, RFC 1547, RFC 1661 и др.) между ними проводится определенное различие. Как известно, модули данных верхних уровней сетевой модели по-

39

следовательно инкапсулируются в модули данных нижележащих уровней. При передаче на канальный уровень IP-датаграмма может не помещаться в модуль данных канального уровня. В таком случае для инкапсуляции требуется предварительная фрагментация датаграммы для удовлетворения требований конкретной технологии уровня среды передачи данных. Таким образом, возникает ещѐ один термин - IP-фрагмент. Термин IP-пакет обобщает понятия IPдатаграммы и IP-фрагмента и обозначает модуль данных, передаваемый канальному уровню для инкапсуляции в кадр. Можно сказать, что на сетевом уровне IP-датаграмма является инкапсулирующим модулем данных, а IP-пакет - инкапсулируемым. В частном случае они могут совпадать, в общем случае - нет, так как IP-датаграмма может дробиться на фрагменты. Не всякая датаграмма, и даже не всякий фрагмент без дополнительной фрагментации может стать IP-пакетом.

Разведение понятий IP-датаграммы, IP-фрагмента и IP-пакета удобно для понимания процессов, происходящих на сетевом уровне. Вместе с тем следует иметь в виду, что общая структура сообщения с его заголовками и телом во всех трѐх случаях одна и та же. Полные датаграммы и фрагменты датаграмм различаются только определенной информацией в заголовках. Пакет просто идентичен датаграмме или фрагменту, если они помещаются в кадр. Таким образом, необходимо помнить, что датаграммы, фрагменты и пакеты представляют собой разные единицы сетевого уровня не в структурном, а в функциональном плане.

3.2.2 Структура IP-датаграммы (пакета) Протокол IP четвертой версии (IPv4).

На рисунке Рисунок 3.1 приведена структура пакета IPv4.

Рисунок 3.1. – Структура IP-пакета IPv4

В таблице приведены назначение полей IP-пакета IPv4

40