Лекция 4 ТО САПР, ч.2

Магистральные линии связи. Цифровая выделенная линия (синхронный SDH, SONET или несинхронный PDH канал) в ТДМ-сети оператора связи.

Первоначально для передачи голосовых сигналов были разработаны технологии TDM первого уровня (мультиплексная передача с временным

разделением) с коммутацией каналов - PDH в Европе и США. Многоканальная система E1 (иначе DS-1 или канал E1) включает в себя 32 цифровых канала, называемых DS-0 (Digital Signal-0). Базовой скоростью или нулевым уровнем в обоих типах иерархии (PDH и SDH) является скорость 64

кбит/с, под которой понимается один стандартный телефонных канал.

В канале Е1 все 32 канала DS-0 передают в мультиплексор по одному байту, образуя 192-битный кадр с добавлением одного бита синхронизации. В нем имеются контрольный код и синхронизирующая комбинация. Кадр или цикл системы PDH имеет продолжительность 125 мкс и состоит из 32 байт, каждый из которых относится к определенному каналу системы.

В кадре PDH положение данных канала жестко фиксировано (первый байт – первый канал, второй байт – второй канал, и т.д.), что приводит к нерациональному использованию кадра. Так если из 30 каналов данные передаются только по одному каналу, то мультиплексор все равно заполняет весь кадр, 1 байт данных канала, а остальные 29 байт кадра просто заполняются нулями. Чтобы выделить из кадра данные только одного канала, придется полностью «разобрать» (демультиплексировать) весь кадр. Для передачи звука в каждом канале применена импульсно-кодовая модуляция

(ИКМ) с частотой следования отсчетов 8 кГц и квантованием сигналов по 28 = 256 уровням, что требует скорости передачи 64 кбит/с на один канал или 2048 кбит/с на канал аппаратуры E1.

Следующие уровни в иерархии E1/E4 представлены каналами E2(8448 кбит/с), E3(34368 кбит/с), E4(139364 кбит/с) (DS-2, DS-3 и DS-4), причем канал каждого последующего уровня объединяет 4 канала предыдущего уровня, разделенных несколькими служебными битами. Абонент может арендовать до 30 каналов DS-0, до 120 каналов DS-1 и т.д., пригодных как для передачи голоса, так и цифры (со скоростью 64 кбит/с в каждом канале). Ethernet –over- PDH –набор технологий и стандартов, которые позволяют передавать потоки (фреймы) цифровой информации Ethernet через существующие сети PDH.

В системах передачи, объединение потоков выполняется по принципу чередования битов, что называется мультиплексированием.

Недостатками плезиохронной цифровой иерархии являются невозможность прямого доступа к каналам, без процедур демультиплексирования/мультиплексирования всего линейного сигнала, и практическое отсутствие средств сетевого мониторинга и управления.

На практике используется SDH. Помимо более высокой скорости передачи данных, технология SDH позволяет извлекать (добавлять) отдельные пользовательские канала из кадра SDH, не производя его полное демультиплексирование («разборку»). Данный способ объединения ЛВС удобен

пользователям, поскольку практически не зависит от расстояния между офисами, отличается крайне малыми задержками (обычно в пределах сотни микросекунд, т.е. на 2-3 порядка меньше, чем в пакетных сетях передачи данных) и выбором пропускной способности. Сеть SDH может быть использована для передачи услуг PDH, а также сигналов других иерархий, таких как ATM, Ethernet и FDDI.

В Москве имеется несколько сетей с каналами SDH, например, сети компании МТУ-Информ. Имеются кольца STM-1, STM-4, STM-16. Фрейм STM- 1

рассчитан на передачу данных со скоростью 155,52 Мбит/с., по каждому из них может передаваться 63, 252 или 1008 потоков E1 соответственно. Высокая надежность передачи данных, поскольку для каждого потока данных образуется два канала — основной и дублирующий, по которым одна и та же информация передается параллельно. Подключение к сети — через FR или ATM на расстояниях до 3 км. Однако, стоимость синхронного порта 2 Мбит/c превосходит стоимость 100-мегабитного порта Ethernet.

Рис. Пример первичной сети, построенной на технологии SDH

В октябре 2000 года ITU - T принял Рекомендацию G .707/ Y .1322 по использованию сигнала 256-го уровня иерархии, т. е. сигнала STM - 256 со скоростью передачи 39813,12 Мбит/с (40 Гбит/с). Достоинства SDH/SONET состоят в предоставлении гарантированной пропускной способности функций мультиплексирования и масштабирования скорости передачи от 155 Мбит/с до 40 Гбит/с. Недостаток состоит в необходимости создания следующего поколения SDH, оптимизированного для Ethernet и IP/MPLS, поскольку они, в отличие от IP, не оптимизированы для передачи трафика локальных сетей Ethernet и коммутации пакетов.

Канал в пакетной сети оператора (Frame Relay, ATM). Каждый офис подключается одним (или несколькими) портами к сети передачи данных заказчика. После этого в пределах сети заказчика организуются виртуальные каналы, которые связывают его офисы. Виртуальные каналы настраиваются программно и для каждого устанавливается собственная гарантированная скорость передачи данных. Типовые скорости каналов Frame Relay – до 2 Мбит/с. Часто этих скоростей уже недостаточно для современных приложений. ATM – от 2 до 155 Мбит/с, однако такие подключения распространены относительно мало, а стоимость порта и канала ATM превышает стоимости IP/MPLS-каналов аналогичной скорости. По уровню безопасности виртуальные FR/ATM каналы несколько уступают выделенным линиям. Трафик одного клиента, передаваемый по сети Frame Relay,

отделен от трафика другого клиента и не может попасть в его сеть. Однако данное разделение – программное и может быть нарушено незаметно для пользователя.

Организация связи ЛВС через Интернет. Клиентский компьютер устанавливает с провайдером стандартное соединение типа «точка - точка» (РРР), после чего подключается через Интернет к центральному узлу. При этом формируется канал VPN, представляющий собой «туннель», по которому можно производить обмен данными между двумя конечными узлами. В действительности данные передаются через Интернет, как и любые другие пакеты, но с использованием дополнительных меток Каналы VPN могут быть защищены мощными алгоритмами шифрования, заложенными в стандарты протокола безопасности Internet Protocol Security (IPSec). Данный стандарт создает основы безопасности для интернет-протокола (IP), незащищенность которого долгое время являлась притчей во языцех. Подключение через Интернет можно применить в следующих случаях:

•мобильные пользователи, у которых нет необходимости или возможности использовать другие способы подключения. В крайнем случае возможно осуществлять подключение по VPN-каналу после подключения к Интернету через GPRS-модем;

•домашние пользователи или малые офисы, которым нет необходимости постоянно передавать большие объемы данных;

•как временное решение, если в точке открытия нового офиса нет других каналов, кроме доступа в Интернет. Тогда на время организации постоянного канала офис работает с корпоративными данными через Интернет;

•организация относительно дешевого резервного канала, когда VPN-канал через Интернет организуется одновременно с выделенным каналом связи и используется в случае выхода из строя последнего.

Выбирая сервис IP VPN, потребитель получает комплекс услуг – доступ в Интернет, видеоконфенцсвязь, передачу данных и доступ к базам внутри корпоративной информационной системы, экономичную внутреннюю телефонию с сокращенным набором номеров. Клиенту не нужен канал связи постоянной емкости, он лишь арендует подходящий порт и в нужный момент заказывает нужную услугу, оплачивая реальный трафик. Заботу об организации и поддержке всех сервисов IP VPN провайдер, как правило, полностью берет на себя.

L2 VPN канал (metropolitan Ethernet) обычно представляется в виде подключения к порту Ethernet (на скорости от 100 до 10000 Мбит/с). При этом сеть провайдера выступает в роли «виртуального коммутатора», пересылающего пакеты между ЛВС отдельных офисов. Количество офисов при этом теоретически не ограничено.

IP/ MPLS (Multiprotocol Label Switching) - сеть, организованная на базе технологии многопротокольной коммутации меток, построена по иерархической двухуровневой архитектуре, включающей опорный слой (ядро) MPLS-коммутации IP-трафика и граничный слой, несущий основную нагрузку по обслуживанию абонентов. Технология MPLS строится на технологии IP, объединяя интеллект процесса маршрутизации, современных IP-сетей, с высокой производительностью процесса коммутации. MPLS функционирует как поверх существующей сети SDH(SONET), инфраструктуры

(10/100/1000/10G Ethernet) и сетей (IP, ATM, Ethernet).

При разработке MPLS пришло понимание того, что на уровне ядра современной сети нет необходимости в ячейках ATM маленького фиксированного размера, так как современные оптические сети обладают такой большой скоростью передачи данных (на 2011 г. пропускная способность магистралей большинства провайдеров составляет от 40 Гбит/с до 100 Гбит/c), что даже Ethernetпакет данных максимальной длины в 1500 байт испытывает незначительную задержку в очередях буферов устройств коммутации.

Вернемся к граничному слою подключения к Internet в сети провайдера:

В настоящее время типовая ЛВС представляет собой сеть Ethernet (шина), основной тип сетевого трафика – передача (коммутация) пакетов. При этом по сети передаются самые разные данные – от веб-страниц, полученных из Интернета, до телефонного трафика и сеансов видеоконференцсвязи. Для построения распределенных корпоративных сетей используются услуги провайдеров или путем формирования выделенных каналов.

Сеть Ethernet - семейство технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей. При проектировании стандарта Ethernet было

предусмотрено, что каждая сетевая карта узла связи должна иметь уникальный шестибайтный MAC-адрес, прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра.

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей, разработанный фирмой Xerox. В этой сети шинной топологии применен метод доступа МДКН/ОК. В сетях Ethernet могут использоваться четыре разновидности формата кадра. Во всех четырех разновидностях кадр имеет длину от 576 до 12208 бит, т.е. от 72 до 1526 байт, и включает следующие обязательные части (ниже указаны последовательности полей кадра, в скобках даны размеры полей в байтах). Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX (аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) — наиболее распространена и используется по сей день.

•ограничитель (1 байт ) определяет начало кадра и представляет собой код .

•адрес назначения (6 байт) Адреса, используемые в ЛВС на канальном уровне и называемые MAC-адресами, шестибайтовые, это уникальные номера сетевых плат, назначаемые изготовителями плат по выданным им лицензиям.

•адрес источника (6 байт).

•длина кадра (2 байта).

•данные (461500 байт).

•контрольный код (4 байта) Бит - один двоичный разряд в двоичной системе счисления. Байт = 8 бит-единица хранения и обработки информации.

Внастоящее время технология Ethernet является доминирующей в ЛВС. Унифицировано несколько вариантов сети Ethernet, различающихся

топологией и особенностями физической среды передачи данных.

1. Основной низкоскоростной вариант называется Twisted Pair Ethernet (шина, топология "звезда", дерево), принятое обозначение 10Base-T. Это кабельная сеть с использованием неэкранированных витых пар проводов и концентраторов, называемых также хабами. В этой сети не рекомендуется включать последовательно более четырех хабов. Скорость 10 Мбит/c. Baseband network означает, что сообщения пересылаются в цифровой форме без модуляции. Допускаются длины сегментов до 100 м, максимальное расстояние между узлами (диаметр сети) 500 м, предельное число узлов 1024. Уровни сигнала при манчестерском кодировании — ±0,85 В, подключение к компьютеру — через телефонный разъем RJ-45. В разветвленной сети из витых пар и концентраторов происходит широковещательная передача данных по МДКН/ОК.

Структура сети Ethernet с топологией "звезда"

Thick Ethernet (шина "с толстым" коаксиальным кабелем); принятое обозначение варианта 10Base-5, где первый элемент "10" характеризует скорость передачи данных по линии 10 Мбит/с, последний элемент "5" — максимальную длину сегмента (в сотнях метров), т.е. 500 м; другие параметры: максимальное число сегментов — 5; максимальное число узлов на одном сегменте — 100; минимальное расстояние между узлами — 2,5 м. Под сегментом кабеля понимается часть кабеля, используемая в качестве линии передачи данных и имеющая на концах согласующие элементы (терминаторы) для предотвращения отражения сигналов.

Thin Ethernet (шина "с тонким" коаксиальным кабелем); принятое обозначение 10Base-2: максимальное число сегментов — 5; максимальная длина сегмента — 185 м; максимальное число узлов на одном сегменте — 30; минимальное расстояние между узлами — 0,5 м; скорость передачи данных по линии — 10 Мбит/с.

При использовании коаксиальных кабелей известно правило конфигурирования 5-4-3-2-1, при котором выполняются условия корректной работы кабельного сегмента ЛВС.

5 - сеть может состоять из пяти физических кабельных сегментов 4 - при этом могут быть использованы четыре концентратора 3 - к трем сегментам могут быть подключены сетевые станции 2 - два сегмента не могут содержать сетевые подключения

1 - все это создает один логический сегмент - ЛВС или домен коллизий

Вариант на основе оптоволоконного кабеля Fiber Optic Ethernet, обозначение 10Base-F, 10Мбит/с, формирователь-приемник - светодиоды. Максимальные длины — в пределах 2...4 км.

Fast Ethernet - 100-мегабитная сеть — в которой применен тот же метод доступа, что и в 10Base-T. Эта сеть используется для построения скоростных ЛВС (последовательно включается не более двух хабов), для объединения низкоскоростных подсетей 10Base-T в единую скоростную сеть и для подключения серверов. Диаметр сети — 200 м в случае витой пары и 272 м в случае ВОЛС. Практически можно использовать до 250 узлов. Gigabit Ethernet. В соответствии со стандартом IEEE 802.3z имеются разновидности Gigabit Ethernet на ВОЛС с использованием длин волн 830 или

1270 нм (варианты 1000Base-SX и 1000Base-LX соответственно) и на витой паре категории 5 (вариант 1000Base-T). Связь осуществляется на расстояниях до 5000 м в случае одномодовой ВОЛС, 550 м в случае многомодовой ВОЛС или до 25 м (200) в случае медных проводов. В проводных сегментах сети 1000 Мб/с, используются, во-первых, передача по 4 параллельным витым парам, во-вторых, 5-уровневое представление данных (например, +2, +1, 0, -1, -2 В), в-третьих, кодирование 8B/10B.

10-40-100 Gigabit Ethernet - новые схемы модуляции, новое оптоволокно, новые лазеры, DWDM.

Сеть Ethernet имеет иерархическую структуру. Участки (отдельные компьютеры или подсети) по 10 Мб/с подключаются к портам переключателей (switches) скорости 10/100, их выходы по 100 Мб/с, в свою очередь, подключаются к портам переключателей 100/1000.

Имеется несколько разновидностей сетей RadioEthernet. 2,4 ГГц, информационная скорость 11 Мбит/с.

5 ГГц, в стандарте определены три обязательные скорости — 6, 12 и 24 Mбит/с, Super-G до 54 Мбит/с, радиус действия — сотни метров.

Сеть Token Ring — вторая по степени распространенности среди ЛВС после сетей Ethernet. Token – маркер. Это сеть кольцевой топологии, с тактируемым маркерным методом доступа, учитывающим приоритеты. Она была разработана фирмой IBM и послужила основой для стандарта IEEE

802.5.

Концентраторы служат для удобства управления сетью, в частности, отключения от кольца неисправных узлов. Типичная реализация сети Token Ring характеризуется следующими данными: максимальное число станций данных — 96; максимальное число концентраторов — 12; максимальная длина замыкающего кабеля — 120 м; максимальная длина кабеля между двумя концентраторами или между концентратором и станцией — 45 м; два варианта скорости передачи данных по линии — 4 или 16 Мбит/с. После включения сети один из узлов сети назначается активным, т.е. он включает в кольцо свой сдвигающий регистр, формирует и посылает в кольцо маркер. Именно этот узел будет восстанавливать маркер, если он по какой-либо причине будет потерян. Сеть Token Ring рассчитана на меньшие предельные расстояния и число станций, чем Ethernet, но лучше приспособлена к повышенным нагрузкам.

Сеть FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — сеть кольцевой топологии на ВОЛС. В основном варианте сети применено двойное кольцо. Максимальная протяженнсть кольца — до 200 км, между соседними станциями — не более 2 км. Максимальное число узлов — 500. В ВОЛС используются волны длиной 1300 нм. Два кольца ВОЛС используются одновременно. Станции можно подключать к одному из колец или к обоим сразу. Использование конкретным узлом обоих колец позволяет для этого узла иметь суммарную пропускную способность в 200 Мбит/с. Другое возможное использование второго кольца — обход с его помощью поврежденного участка. Cети FDDI связывают подсети отдельных подразделений предприятий.

В вычислительных сетях используют как индивидуальные линии связи между компьютерами, так и разделяемые (shared), когда одна линия связи попеременно используется несколькими компьютерами. В случае применения разделяемых линий связи возникают электрические проблемы обеспечения нужного качества сигналов при подключении к одному и тому же проводу нескольких приемников и передатчиков, и логические проблемы разделения во времени доступа к этим линиям.

Основные недостатки сети на одной разделяемой среде начинают проявляться при превышении некоторого порога количества узлов, подключенных к разделяемой среде. Наиболее тяжелые условия для узлов сети создает метод доступа CSMA/CD технологии Ethernet, но и в других технологиях, таких как Token Ring или FDDI, где метод доступа называется детерминированным, случайный фактор доступа к среде все равно присутствует и оказывает свое негативное влияние на пропускную способность. При повышении интенсивности генерируемого узлами трафика сеть перестает передавать полезную пользовательскую информацию и работает «на себя», обрабатывая коллизии.

б) Задержки доступа к среде передачи данных для технологий Ethernet, Token Ring и FDDI

в) Зависимость полезной пропускной способности сети Ethernet от коэффициента использования

Протокол TCP/IP - это средство обмена информацией между компьютерами, объединенными в сеть. Не имеет значения, составляют ли они часть одной и той же сети или подключены к отдельным сетям. Не играет роли и то, что один из них может быть компьютером Cray, а другой Macintosh. TCP/IP - это не зависящий от платформы стандарт, который перекидывает мосты через пропасть, лежащую между разнородными компьютерами, операционными системами и сетями. Благодаря программному обеспечению TCP/IP все компьютеры, подключенные к вычислительной сети, становятся "близкими родственниками".

Стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ЭMBOC, он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно. Сеть TCP/IP поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, АТМ. Специально для TCP/IP разработан протокол канального уровня PPP (Point to Point Protocol) .

TCP — дуплексный транспортный протокол с установлением логического соединения. TCP обеспечивает верхним уровням стека, прикладному и сеансовому, заданный уровень сервиса - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется, делит поток байт на части - сегменты, и передает их ниже лежащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

Функции протокола: установление виртуального канала путем обмена запросом и согласием на соединение, упаковка и распаковка сообщений на концах транспортного соединения, контроль правильности передачи пакетов (получатель подтверждает правильность полученных данных), управление потоком (получатель сообщает размер окна, т.е. диапазон номеров пакетов, которые получатель готов принять), управление скоростью передачи.

Схема установления соединения при дуплексной передаче такова: инициатор соединения обращается к своей ОС, которая в ответ выдает номер протокольного порта и посылает сегмент получателю. Номера протокольных портов включаются в заголовок пакета. Тот должен подтвердить получение запроса и послать свой сегмент-запрос на создание обратного соединения (так как соединение дуплексное). Инициатор должен подтвердить создание обратного соединения. Получается трехшаговая процедура установления соединения. Во время этих обменов партнеры сообщают номера байтов

Сетевой уровень.

Стержнем всей архитектуры является уровень межсетевого взаимодействия, уровень IP, который реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом. Этот уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным. Уровень также называют уровнем internet, указывая тем самым на основную его функцию - передачу данных через составную сеть.

Протокол IP — дейтаграммный протокол сетевого уровня без установления соединения. Он отправляет дейтаграммы от одного IP-адреса к

другому. Его функции: фрагментация и сборка пакетов при прохождении через объединенную систему компьютерных сетей имеющих разные

протоколы, маршрутизация. проверка контрольной суммы заголовка пакета (правильность передачи всего пакета проверяется на транспортном уровне, т.е. с помощью TCP в оконечном узле), управление потоком — сброс дейтаграмм при превышении заданного времени жизни.

Структура дейтаграммы в IP (в скобках указано число бит) показана на рис. 1 и представлена следующим списком:

-версия протокола IP (4) (сейчас практически используются четвертая IPv4 и шестая IPv6 версии);

-длина заголовка (4байт= 32битному слову),

-тип сервиса (8), включает трехбитовое поле приоритета пакета (большее значение кода означает больший приоритет) и 4 признака, соответствующие требованиям к задержке, пропускной способности, надежности и стоимости передачи пакета, лишь один из этих признаков может быть равен 1, т.е. активизирован;

Рис. 1. Структура IP-пакета (соответствует версии IPv4).

-общая длина (16) информационной части пакета в байтах;

-идентификация (16) — порядковый номер дейтаграммы, он используется, если из-за особенностей промежуточных сетей при маршрутизации требуется разделение дейтаграммы на несколько частей, тогда номер дейтаграммы идентифицирует принадлежность фрагмента к определенной дейтаграмме;

-место фрагмента в дейтаграмме (16), т.е. номер фрагмента, который используется при восстановлении дейтаграммы из фрагментов;

-время жизни дейтаграммы в сети (8);

-тип протокола (8), который должен использоваться на транспортном уровне для обработки инкапсулированного сегмента (TCP, UDP и т.п.);

-контрольный код (CRC) заголовка (16);

-адрес источника (32 бит);.

-адрес назначения (32); IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме и разделенных точками, например, 128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса, а 10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.

-опции (32);

-данные (не более 65536).

Важной особенностью протокола IP, отличающей его от других сетевых протоколов (например, от сетевого протокола IPX), является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными, максимально допустимыми значениями поля данных кадров MTU. Свойство фрагментации во многом способствовало тому, что протокол IP смог занять доминирующие позиции в сложных составных сетях.

Среди недостатков — 32-битный размер адреса. Действительно, 32 бита соответствуют 232 4,3 миллиардам адресов, а это в связи с бурным ростом числа компьютеров в Internet уже вызывает затруднения с распределением адресного пространства. Поэтому разработана версия IPv6, в которой применена другая структура заголовка и адресации. В протоколе IPv6 размер адреса увеличен до 128 бит. Как частный случай, в структуре IPv6-адреса можно разместить IPv4-адрес, т.е. сети с протоколами этих версий могут работать совместно. Пока (к 2011 г.) большинство доменов Internet работает по протоколу IPv4.