Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический

университет»

Электротехнический факультет

Кафедра «Автоматики и Телемеханики»

Лабораторная работа

По дисциплине: «Основы построения

инфокоммуникационных систем и сетей»

Выполнил студент группы ТК-12-2бзу Юдин С.О.

Проверил _________ Байдаров А. А.

Пермь 2014

Введение Error: Reference source not found

1. Среды передачи данных Error: Reference source not found

2. Стандарты IEEE 802.1, 802.2, 802.3. Error: Reference source not found

3. Иерархия и топологии в инфокоммуникационных сетях связи. 5

4. Технологии 10Base2, 10Base5, 100BaseT, 1000BaseLX Error: Reference source not found

5. Моделирование инфокоммуникационных сетей связи. 9

6. Эталонная модель взаимодействия открытых систем. Понятия: интерфейс, протокол. Error: Reference source not found

7. Протоколы IP, ICMP, ARP. Стек коммуникационных протоколов TCP/IP Error: Reference source not found

8. Адресация в инфокоммуникационных сетях связи. Error: Reference source not found

9. Коммуникационное оборудование. Классификация. Назначение. Принципы работы. Физическая и логическая структуризация сетей связи с использованием коммуникационного оборудования. Error: Reference source not found

10. Управление и настройка коммуникационного оборудования. Error: Reference source not found

11. Принципы маршрутизации. Методы формирования таблиц маршрутизации. Error: Reference source not found

12. Структуры кадров, пакетов в сетях связи. Error: Reference source not found

Лабораторная работа 38

Построение локальной сети 192.168.1.0/2439

Построение локальной сети 192.168.2.0/2439

Соединение ранее созданных автономных сетей в единую сеть40

Построение локальной сети 192.168.3.0/24 с DHCP 41

Соединение двух маршрутизаторов 41

Добавление дополнительных маршрутизаторов 43

Настройка динамической маршрутизации OSPF с помощью командной строки Cisco IOS (консоли) 47

Список используемой литературы 48

Введение

1. Среды передачи данных

Линии связи отличаются физической средой, которую они используют для передачи информации.

Физическая среда передачи данных может представлять набор проводников, по которым передаются сигналы. На основе таких проводников строятся провод­ные (воздушные) или кабельные линии связи (рис. 1.1). В качестве среды также используется земная атмосфера или космическое пространство, через которое распространяются информационные сигналы. В первом случае говорят о провод­ной среде, а во втором — о беспроводной.

В современных Телекоммуникационных системах информация передается с по­мощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов — все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.

Рис. 1.1. Провод­ные (воздушные) или кабельные линии связи

2. Стандарты IEEE 802.1, 802.2, 802.3

Структура стандартов IEEE 802.x

В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации технологий LAN, в результате работы которого было принято семейство стан­дартов IEEE 802.x, содержащих рекомендации по проектированию нижних уров­ней локальных сетей. Эти стандарты базируются на популярных фирменных стандартах, в частности Ethernet, ArcNet и Token Ring.

Результаты работы комитета 802 легли в основу комплекса международных стан­дартов ISO 8802-1...5. Комитет IEEE 802 и сегодня является основным междуна­родным органом, разрабатывающим стандарты технологий локальных сетей. Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов LAN принимали и прини­мают участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, институтом ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость пе­редачи данных 100 Мбит/с. Это был первый протокол LAN, который достиг та­кой скорости, в 10 раз превысив скорость технологии Ethernet.

Структуру стандартов IEEE 802 иллюстрирует рис. 2.1.

На рисунке над уровнемMAC, специфичным для разных технологий, показан общий для них уровень LLC. Стандарт LLC курирует рабочая группа 802.2. Даже технологии, стандартизованные не в рамках комитета 802 (например, стандартизованный ANSI протокол FDDI), ориентируются на использование прото­кола LLC, определенного стандартом 802.2.

Рис. 2.1. Структуру стандартов IEEE 802

Описание каждой технологии в стандарте разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Как видно из рисунка, практиче­ски у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствуют несколько вариантов протоколов физического уровня (на рисунке в целях эко­номии места приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все сказан­ное справедливо также и для других технологий, таких как ArcNet, FDDI, Fast- Ethemet, GigabitEthernet, 10G Ethernet).

Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были даны общие определения локальных сетей и их свойств, показана связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI. Наиболее практически важными являются те стандарты подкомитета 802.1, которые описывают взаимодействие различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимо­действия. Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802.1D, описы­вающий логику работы прозрачного моста/коммутатора, стандарт 802.1Н, опре­деляющий функционирование транслирующего моста и т. п. Набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти. Например, сравнительно недавно он пополнился двумя важными стандартами: стандартом 802.1Q, опре­деляющим способ построения виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN) в сетях на основе коммутаторов, и стандартом 802.1р, описывающим способ прио­ритезации трафика на канальном уровне, то есть поддержку механизмов QoS.

Стандарты комитетов 802.3, 802.4, 802.5 и 802.12 описывают технологии локаль­ных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу.

Основу стандарта 802.3 составила технология экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox (сокращенно — DIX) совместно разработали и опубли­ковали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Эту последнюю версию фирменного стандарта Ethernet называют стандар­том Ethernet DIX, или Ethernet II. На базе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником.

Стандарт 802.4 появился как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.

Комитет 802.11 занимается разработкой локальных беспроводных сетей с мето­дами доступа к среде, близкими к тем, которые используются в сетях Ethernet. * Поэтому стандарты 802.11 также называют стандартами paflHoEthernet (хотя само название Ethernet в тексте стандартов 802.11 не фигурирует).

Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты — стан­дарты 802.x в ряде случаев долгие годы сосуществовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производст­во оборудования ArcNet было свернуто). Исключение составляет технология Ethernet. Последний фирменный стандарт Ethernet DIX версии II был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet. Все новшества в семействе технологий Ethernet появляются только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.

Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а груп­пой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий под­комитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ether­net, lOOVG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Сначала группа компаний образовывала объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.

3. Иерархия и топологии в инфокоммуникационных сетях связи.

В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:

• глобальные (WAN - Wide Area Network);

• региональные (MAN - Metropolitan Area Network);

• локальные (LAN - Local Area Network).

Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволят решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам.

Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, которые находятся на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки и сотни километров.

Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу локальных вычислительных относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т.д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 - 2,5 км.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. На рис. 5 приведена одна из возможных иерархий вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети - объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры.

Топология физических связей.

Объединяя в сеть несколько (больше двух) компьютеров, необходимо решить, каким образом соединить их друг с другом, другими словами, Выбрать конфигу­рацию физических связей, или топологию.

Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам — физические или информационные связи между вершинами.

Число возможных вариантов конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств. Так, если три компьютера мы можем связать дву­мя способами (рис. 3.1, а), то для четырех можно предложить уже шесть топологически разных конфигураций ( при условии неразличимости компьютеров), что и иллюстрирует рис. 3.1, б.

Рис. 3.1. Варианты связи компьютеров

Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и непол­носвязные.

Полносвязная топология (рис. 3.2, а) соответствует сети, в которой каждый ком­пьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действи­тельно, в таком случае каждый компьютер в сети должен иметь большое количе­ство коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена от­дельная физическая линия связи. (В некоторых случаях даже две, если невоз­можно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требу­ется N(N - 1)/2 физических дуплексных линий связей, то есть имеет место квад­ратичная зависимость от числа узлов. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.

Рис. 3.2. Типовые топологии сетей

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обме­на данными между двумя компьютерами может потребоваться транзитная пере­дача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых связей (рис. 3.2, б). Ячеистая топология допускает соединение большого количе­ства компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей.

В сетях с кольцевой топологией (рис. 3.2, в) данные передаются по кольцу от од­ного компьютера к другому. Главным достоинством кольца является то, что оно по своей природе обеспечивает резервирование связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против нее. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи— данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источни­ку. Поэтому источник может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и по­иска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой тополо­гией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какого-либо компьютера не прерывался канал связи между ос­тальными узлами кольца.

Звездообразная топология (рис. 3.2, г) образуется в случае, когда каждый компью­тер подключается непосредственно к общему центральному устройству, называе­мому концентратором. В функции концентратора входит направление переда­ваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В качестве концентратора может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство. К недостаткам топологии типа звезда от­носится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства. Кроме того, воз­можности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количест­вом портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 3.2, д). Получаемую в результате структуру называют иерархиче­ской звездой, а также деревом. В настоящее время дерево является самой рас­пространенной топологией связей как в локальных, так и глобальных сетях.

Особым частным случаем звезды является конфигурация общая шина (рис. 3.2, е). Здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которо­му по схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация рас­пространяется по кабелю и доступна одновременно всем компьютерам, присое­диненным к этому кабелю. Основными преимуществами такой схемы являются ее дешевизна и простота присоединения новых узлов к сети, а недостатками — низкая надежность (любой дефект кабеля полностью парализует всю сеть) и не­высокая производительность (в каждый момент времени только один компью­тер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность делится здесь между всеми узлами сети).

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произ­вольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Смешанная топология.

4. Технологии 10Base2, 10Base5, 100BaseT, 1000BaseLX

1. 10BASE-2 (тонкий ethernet)  – вариант Ethernet, использующий в качестве среды передачи данных тонкийкоаксиальный кабельтипаRG-58,  с максимальной длиной сегмента 185 метров, оканчивающийсяBNC-коннекторами. Каждый сегмент кабеля подключён к рабочей станции (компьютеру) при помощи BNCT-коннектора. На физическом конце сети Т-коннектор, присоединённый к рабочей станции также требует установкитерминаторана 50Ом. Максимальная скорость 10 мб/с.

2. 10BASE-5 (толстый Ethernet) – оригинальный (первый) «полный вариант» спецификации кабельной системы Ethernet, использовал специальныйкоаксиальный кабельтипаRG-8X(с максимальной длиной сегмента 500 метров). Это жёсткий кабель, диаметром примерно 9 мм, с волновым сопротивлением 50Ом, с жёсткой центральной жилой, пористым изолирующим заполнителем, защитным плетёным экраном и защитной оболочкой.

3. 100BaseT – общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX,100BASE-T4и100BASE-T2.

4. 1000BASE-LX,IEEE 802.3z– стандарт, использующий одномодовое или многомодовое оптическое волокно во втором окне прозрачности с длиной волны равной 1310 нм. Дальность прохождения сигнала зависит только от типа используемых приемопередатчиков и, как правило, составляет для одномодового оптического волокна до 5 км и для многомодового оптического волокна до 550 метров.

5. Моделирование инфокоммуникационных сетей связи.

Моделирование представляет собой метод научного познания, при использовании которого исследуемый объект заменяется более простым объектом, называемым моделью. Основными разновидностями процесса моделирования можно считать два его вида - математическое и физическое моделирование.

Физическое моделирование.

При физическом (натурном) моделировании исследуемая система заменяется соответствующей ей другой материальной системой, которая воспроизводит свойства изучаемой системы с сохранением их физической природы. Примером этого вида моделирования может служить пилотная сеть, с помощью которой изучается принципиальная возможность построения сети на основе тех или иных компьютеров, коммуникационных устройств, операционных систем и приложений.

Возможности физического моделирования довольно ограничены. Оно позволяет решать отдельные задачи при задании небольшого количества сочетаний исследуемых параметров системы. Действительно, при натурном моделировании вычислительной сети практически невозможно проверить ее работу для вариантов с использованием различных типов коммуникационных устройств - маршрутизаторов, коммутаторов и т.п. Проверка на практике около десятка разных типов маршрутизаторов связана не только с большими усилиями и временными затратами, но и с немалыми материальными затратами.

Поэтому, при оптимизации сетей во многих случаях предпочтительным оказывается использование математического моделирования. Математическая модель представляет собой совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий), определяющих процесс изменения состояния системы в зависимости от ее параметров, входных сигналов, начальных условий и времени.

Имитационное моделирование.

Особым классом математических моделей являются имитационные модели. Такие модели представляют собой компьютерную программу, которая шаг за шагом воспроизводит события, происходящие в реальной системе. Применительно к вычислительным сетям их имитационные модели воспроизводят процессы генерации сообщений приложениями, разбиение сообщений на пакеты и кадры определенных протоколов, задержки, связанные с обработкой сообщений, пакетов и кадров внутри операционной системы, процесс получения доступа компьютером к разделяемой сетевой среде, процесс обработки поступающих пакетов маршрутизатором и т.д. При имитационном моделировании сети не требуется приобретать дорогостоящее оборудование - его работы имитируется программами, достаточно точно воспроизводящими все основные особенности и параметры такого оборудования.

Преимуществом имитационных моделей является возможность подмены процесса смены событий в исследуемой системе в реальном масштабе времени на ускоренный процесс смены событий в темпе работы программы. В результате за несколько минут можно воспроизвести работу сети в течение нескольких дней, что дает возможность оценить работу сети в широком диапазоне варьируемых параметров. Результатом работы имитационной модели являются собранные в ходе наблюдения за протекающими событиями статистические данные о наиболее важных характеристиках сети: временах реакции, коэффициентах использования каналов и узлов, вероятности потерь пакетов и т.п.

Существуют специальные языки имитационного моделирования, которые облегчают процесс создания программной модели по сравнению с использованием универсальных языков программирования. Примерами языков имитационного моделирования могут служить такие языки, как SIMULA, GPSS, SIMDIS.

Существуют также системы имитационного моделирования, которые ориентируются на узкий класс изучаемых систем и позволяют строить модели без программирования.

Аналитическое проектирование.

Анализаторы протоколов незаменимы для исследования реальных сетей, но они не позволяют получать количественные оценки характеристик для еще не существующих сетей, находящихся в стадии проектирования. В этих случаях проектировщики могут использовать средства моделирования, с помощью которых разрабатываются модели, воссоздающие информационные процессы, протекающие в сетях.

Используя моделирование при проектировании или реинжинеринге локальной или глобальной сети, возможно осуществить следующее:

• оценить пропускную способность сети и ее компонентов;

• определить "узкие" места в структуре вычислительной системы;

• сравнить различные варианты организации вычислительной системы;

• осуществить перспективный прогноз развития вычислительной системы;

• предсказать будущие требования по пропускной способности сети, используя данные прогноза;

• оценить требуемое количество и производительность серверов в сети;

• сравнить различные варианты модернизации вычислительной системы;

• оценить влияние на вычислительную систему модернизации ПО, мощности рабочих станций или серверов, изменения сетевых протоколов и многое другое.

Исследование параметров вычислительной системы при различных характеристиках отдельных компонентов позволяет выбрать сетевое и вычислительное оборудование с учетом производительности, качества обслуживания, надежности и стоимости.

6. Эталонная модель взаимодействия открытых систем. Понятия: интерфейс, протокол.

Эталонная модель OSI (за исключением физической среды) показана на рис. 6.1. Эта модель основана на разработке Международной организации по стандартиза­ции (International Organization for Standardization, ISO) и является первым шагом к международной стандартизации протоколов, используемых на различных уровнях (Day и Zimmerman, 1983). Затем она была пересмотрена в 1995 году (Day, 1995). На­зывается эта структура эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO (ISO OSI (Open System Interconnection) Reference Model), поскольку она связывает открытые системы, то есть системы, открытые для связи с другими системами. Для краткости мы будем называть эту модель просто «модель OSI».

Модель OSI имеет семь уровней. Появление именно такой структуры было об­условлено следующими соображениями.

1. Уровень должен создаваться по мере необходимости отдельного уровня абстракции.

2. Каждый уровень должен выполнять строго определенную функцию.

3. Выбор функций для каждого уровня должен осуществляться с учетом создания стандартизированных международных протоколов.

4. Границы между уровнями должны выбираться так, чтобы поток данных между интерфейсами был минимальным.

5. Количество уровней должно быть достаточно большим, чтобы различные функ­ции не объединялись в одном уровне без необходимости, но не слишком высоким, чтобы архитектура не становилась громоздкой.

Рис. 6.1. Эталонная модель OSI

Уровни OSI:

Прикладной уровень - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI; однако он обеспечивает ими прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить программы обработки крупномасштабных таблиц, программы обработки слов, программы банковских терминалов и т.д.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

Представительный уровень - отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации.

Представительный уровень занят не только форматом и представлением фактических данных пользователя, но также структурами данных, которые используют программы. Поэтому кроме трансформации формата фактических данных (если она необходима), представительный уровень согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня.

Сеансовый уровень.Как указывает его название, сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более об'ектами представления (как вы помните, сеансовый уровень обеспечивает своими услугами представительный уровень). Сеансовый уровень синхронизирует диалог между об'ектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основной регуляции диалогов (сеансов) сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней.

Транспортный уровень.Граница междусеансовым и транспортным уровнями может быть представлена как граница между протоколами прикладного уровня и протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.

Транспортный уровень пытается обеспечить услуги по транспортировке данных, которые избавляют высшие слои от необходимости вникать в ее детали. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через объединенную сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

Сетевой уровень - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. В данном случае "подсеть" - это по сути независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом).

Т.к. две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов.

Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем или уровнем звена передачи данных) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Физический уровень - определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

Протокол и интерфейс.

Уровень n одной машины поддерживает связь с уровнем n другой машины. Правила и соглашения, используемые в данном общении, называются протоколом уровня n. По сути, протокол является договоренностью общающихся сторон о том, как должно происходить общение. По аналогии, когда женщину представляют мужчине, она может протянуть ему свою руку. Он, в свою очередь, может принять решение либо пожать, либо поцеловать эту руку, в зависимости от того, является ли эта женщина американ­ским адвокатом на деловой встрече или же европейской принцессой на официальном балу. Нарушение протокола создаст затруднения в общении, а может и вовсе сделает общение невозможным.

На рис. 6.2 показана пятиуровневая сеть. Объекты, включающие в себя соответ­ствующие уровни на разных машинах, называются равноранговыми или равноправ­ными узлами сети. Именно они общаются при помощи протокола.

В действительности, данные не пересылаются с уровня п одной машины на уро­вень п другой машины. Вместо этого каждый уровень передает данные и управление уровню, лежащему ниже, пока не достигается самый нижний уровень. Ниже первого уровня располагается физическая среда, по которой и производится обмен информа­цией. На рис. 6.2 виртуальное общение показано пунктиром, тогда как физическое ** сплошными линиями.

Между каждой парой смежных уровней находится интерфейс, определяющий набор примитивных операций, предоставляемых нижним уровнем верхнему. Когда разработчики сетей решают, сколько уровней включить в сеть и что должен делать каждый уровень, одной из важнейших задач является определение ясных интерфейсов между уровнями. Подобная задача требует, в свою очередь, чтобы каждый уровень выполнял особый набор хорошо понятных функций. В дополнение к минимизации количества информации, передаваемой между уровнями, ясно разграниченные ин­терфейсы также значительно упрощают изменение реализации уровня на совершенно другой протокол или реализацию (например, замену всех телефонных линий спут­никовыми каналами), так как при этом всего лишь требуется, чтобы новый протокол или реализация предоставляла такой же набор услуг вышестоящему уровню, что и предыдущая. Вполне нормальное явление — использование хостов, принадлежащих к разным реализациям, одного и того же протокола (часто написанного различными компаниями). Фактически может изменяться сам протокол уровня, так что уровней выше и ниже это не затронет.

Рис. 6.2. Уровни протоколы и интерфейсы

7. Протоколы IP, ICMP, ARP. Стек коммуникационных протоколов TCP/IP.

1. Протокол IP

Протокол IP находится на межсетевом уровне стека протоколов TCP/IP. Функции протокола IP определены в стандарте RFC-791 следующим образом: “Протокол IP обеспечивает передачу блоков данных, называемых дейтаграммами, от отправителя к получателям, где отправители и получатели являются компьютерами, идентифицируемыми адресами фиксированной длины (IP-адресами). Протокол IP обеспечивает при необходимости также фрагментацию и сборку дейтаграмм для передачи данных через сети с малым размером пакетов”.

Протокол IP является ненадежным протоколом без установления соединения. Это означает, что протокол IP не подтверждает доставку данных, не контролирует целостность полученных данных и не производит операцию квитирования (handshaking) - обмена служебными сообщениями, подтверждающими установку соединения с узлом назначения и его готовность к приему данных. Протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими дейтаграммами в Интернет. После того, как дейтаграмма отправляется в сеть, ее дальнейшая судьба никак не контролируется отправителем (на уровне протокола IP). Если дейтаграмма не может быть доставлена, она уничтожается. Узел, уничтоживший дейтаграмму, может оправить по обратному адресу ICMP-сообщение о причине сбоя.

Гарантию правильной передачи данных предоставляют протоколы вышестоящего уровня (например, протокол TCP), которые имеют для этого необходимые механизмы.

Одна из основных задач, решаемых протоколом IP, - маршрутизация дейтаграмм, т.е. определение пути следования дейтаграммы от одного узла сети к другому на основании адреса получателя.

Общий сценарий работы модуля IP на каком-либо узле сети, принимающего дейтаграмму из сети, таков:

• с одного из интерфейсов уровня доступа к среде передачи (например, с Ethernet-интерфейса) в модуль IP поступает дейтаграмма;

• модуль IP анализирует заголовок дейтаграммы;

• если пунктом назначения дейтаграммы является данный компьютер:

  • если дейтаграмма является фрагментом большей дейтаграммы, ожидаются остальные фрагменты, после чего из них собирается исходная большая дейтаграмма;

  • из дейтаграммы извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов вышележащего уровня (какому именно - указывается в заголовке дейтаграммы);

• если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного узла, то дальнейшие действия зависят от того, разрешена или запрещена ретрансляция (forwarding) “чужих” дейтаграмм;

• если ретрансляция разрешена, то определяются следующий узел сети, на который должна быть переправлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагментация дейтаграммы;

• если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не может быть доставлена, она уничтожается; при этом, как правило, отправителю дейтаграммы отсылается ICMP-сообщение об ошибке.

При получении данных от вышестоящего уровня для отправки их по сети IP-модуль формирует дейтаграмму с этими данными, в заголовок которой заносятся адреса отправителя и получателя (также полученные от транспортного уровня) и другая информация; после чего выполняются следующие шаги:

• если дейтаграмма предназначена этому же узлу, из нее извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов транспортного уровня (какому именно - указывается в заголовке дейтаграммы);

• если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного узла, то определяются следующий узел сети, на который должна быть переправлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагментация дейтаграммы;

• если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не может быть доставлена, она уничтожается.

2. Протокол ICMP

Протокол межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP) играет в сети вспомогательную роль. Спецификация этого про­токола содержится в RFC 792.

Существует ряд ситуаций, когда протокол IP не может доставить пакет адресату, например, когда истекает время жизни пакета, когда в таблице маршрутизации отсутствует маршрут к заданному в пакете адресу назначения, когда пакет не проходит проверку по контрольной сумме, когда шлюз не имеет достаточно мес­та в своем буфере для передачи какого-либо пакета и т. д. и т. п. Как мы не раз отмечали, протокол IP работает по возможности (с максимальными усилиями), то есть не предпринимает мер для гарантированной доставки данных. Это свой­ство «необязательности» протокола IP компенсируется протоколами более вы­соких уровней, например TCP на транспортном уровне или в какой-то степени DNS на прикладном уровне. Они берут на себя обязанности по обеспечению на­дежности, применяя такие известные приемы, как нумерация сообщений, под­тверждение доставки, повторная посылка данных.

Протокол ICMP служит дополнением протокола IP несколько другого рода. Он не предназначен для исправления возникших при передаче пакета проблем: если пакет потерян, ICMP не может послать его заново. Задача ICMP другая — он яв­ляется средством оповещения отправителя о «несчастных случаях», произошед­ших с его пакетами. В то время как протокол IP посылает пакет и забывает о нем, протокол ICMP «отслеживает» передвижение пакета по сети и при отбра­сывании пакета маршрутизатором передает сообщение об этом узлу-источнику, обеспечивая таким образом обратную связь между посланным пакетом и отпра­вителем.

Пусть, например, протокол IP, работающий на каком-либо маршрутизаторе, об­наружил, что пакет для дальнейшей передачи по маршруту необходимо фраг­ментировать, но в пакете установлен признак DF (не фрагментировать). Прото­кол IP, обнаруживший, что он не может передать IP-пакет далее по сети, должен отправить диагностическое ICMP-сообщение узлу-источнику и только потом от­бросить пакет.

Помимо диагностики ICMP также используется для мониторинга сети. Так, в ос­нове популярных утилит для мониторинга IP-сетей ping и tracert лежат ICMP- сообщения. С помощью ICMP-сообщений приложение может определить мар­шрут перемещения данных, оценить работоспособность сети, определить время прохождения данных до заданного узла, сделать запрос о значении маски опре­деленного сетевого интерфейса и т. п.

Заметим, что некоторые из пакетов могут исчезнуть в сети, не вызвав при этом никаких оповещений. В частности, протокол ICMP не предусматривает переда­чу сообщений о проблемах, возникающих при обработке IP-пакетов, несущих ICMP-сообщения об ошибках. (Это правило, однако, не действует для IСМР-запросов.) Такое решение было принято разработчиками протокола, чтобы не по­рождать «штормы» в сетях, когда количество сообщений об ошибках лавинооб­разно возрастает. По этой же причине ICMP-сообщения не передаются, если ошибка возникла при передаче какого-либо фрагмента, кроме первого, а также когда потерянный пакет имел широковещательный IP-адрес или был упакован в кадр с широковещательным адресом несущей технологии.

Поскольку IP-пакет содержит адрес отправителя, но не содержит никакой адрес­ной информации о промежуточных маршрутизаторах, ICMP-сообщения направляются только конечным узлам. Здесь сообщения могут быть обработаны либо ядром операционной системы, либо протоколами транспортного и прикладного уровней, либо приложениями, либо просто проигнорированы. Важно, что обра­ботка ICMP-сообщений не входит в обязанности протоколов IP и ICMP.

3. Протокол ARP (протокол разрешения адресов)

Любое устройство, подключенное к локальной сети (Ethernet, FDDI и т.д.), имеет уникальный физический сетевой адрес, заданный аппаратным образом. 6-байтовый Ethernet-адрес выбирает изготовитель сетевого интерфейсного оборудования из выделенного для него по лицензии адресного пространства. Если у машины меняется сетевой адаптер, то меняется и ее Ethernet-адрес.

4-байтовый IP-адрес задает менеджер сети с учетом положения машины в сети Интернет. Если машина перемещается в другую часть сети Интернет, то ее IP-адрес должен быть изменен. Преобразование IP-адресов в сетевые выполняется с помощью arp-таблицы. Каждая машина сети имеет отдельную ARP-таблицу для каждого своего сетевого адаптера. Не трудно видеть, что существует проблема отображения физического адреса (6 байт для Ethernet) в пространство сетевых IP-адресов (4 байта) и наоборот.

Протокол ARP (address resolution protocol, RFC-826) решает именно эту проблему - преобразует ARP- в Ethernet-адреса.

4. Стек коммуникационных протоколов

Сегодня стек TCP/IP широко используется как в глобальных, так и в локальных сетях.

Этот стек имеет иерархическую структуру, в которой определено 4 уровня (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Иерархическая структура стека TCP/IP

Прикладной уровень стека TCP/IP соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представления и сеансовому. Он объединяет сервисы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы применения в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. К ним относятся такие распространенные протоколы, как протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP), протокол эмуляции терминала telnet, простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), протокол передачи гипертекста (Hypertext Transfer Protocol, HTTP) и многие другие. Протоколы прикладного уровня развертываются на хостах.

Транспортный уровень стека TCP/IP может предоставлять вышележащему уровню два типа сервиса:

• Гарантированную доставку обеспечивает протокол управления передачей (Transmission

• Control Protocol, TCP);

• Доставку по возможности, или с максимальными усилиями, обеспечивает протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP).

Для того чтобы обеспечить надежную доставку данных, протокол TCP предусматривает установление логического соединения, что позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню пакеты в том порядке, в котором они были отправлены. Благодаря этому протоколу объекты на хосте-отправителе и хосте-получателе могут поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP дает возможность без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байтов на любой другой компьютер, входящий в составную сеть.

Второй протокол этого уровня, UDP, является простейшим дейтаграммным протоколом, который используется тогда, когда задача надежного обмена данными либо вообще не ставится, либо решается средствами более высокого уровня — прикладным уровнем или пользовательскими приложениями.

В функции протоколов TCP и UDP входит также исполнение роли связующего звена между прилегающими к транспортному уровню прикладным и сетевым уровнями. От прикладного протокола транспортный уровень принимает задание на передачу данных с тем или иным качеством прикладному уровню-получателю. Нижележащий сетевой уровень протоколы TCP и UDP рассматривают как своего рода инструмент, не очень надежный, но способный перемещать пакет в свободном и рискованном путешествии по составной сети.

Программные модули, реализующие протоколы TCP и UDP, подобно модулям протоколов прикладного уровня, устанавливаются на хостах.

Сетевой уровень, называемый также уровнем Интернета, является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OSI, обеспечивает перемещение пакетов в пределах составной сети, образованной объединением нескольких подсетей. Протоколы сетевого уровня поддерживают интерфейс с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети, а также с нижележащим уровнем сетевых интерфейсов, о функциях которого мы расскажем далее.

Основным протоколом сетевого уровня является межсетевой протокол (Internet Protocol, IP). В его задачу входит продвижение пакета между сетями — от одного маршрутизатора к другому до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. В отличие от протоколов прикладного и транспортного уровней, протокол IP развертывается не только на хостах, но и на всех маршрутизаторах (шлюзах). Протокол IP — это дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу доставки с максимальными усилиями. Такой тип сетевого сервиса называют также «ненадежным».

К сетевому уровню TCP/IP часто относят протоколы, выполняющие вспомогательные функции по отношению к IP. Это, прежде всего, протоколы маршрутизации RIP и OSPF, предназначенные для изучения топологии сети, определения маршрутов и составления таблиц маршрутизации, на основании которых протокол IP перемещает пакеты в нужном направлении. По этой же причине к сетевому уровню могут быть отнесены протокол межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP), предназначенный для передачи маршрутизатором источнику сведений об ошибках, возникших при передаче пакета, и некоторые другие протоколы.

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой архитектуры других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня — уровня сетевых интерфейсов.

Напомним, что нижние уровни модели OSI (канальный и физический) реализуют множество функций доступа к среде передачи, формированию кадров, согласованию величин электрических сигналов, кодированию и синхронизации, а также некоторые другие. Все эти весьма конкретные функции составляют суть таких протоколов обмена данными, как Ethernet, РРР и многих других.

8. Адресация в инфокоммуникационных сетях связи.

IP-сетью называется множество компьютеров (IP-интерфейсов), часто, но не всегда подсоединенных к одному физическому каналу связи, способных пересылать IP-дейтаграммы друг другу непосредственно (то есть без ретрансляции через промежуточные компьютеры), при этом IP-адреса интерфейсов одной IP-сети имеют общую часть, которая называется адресом, или номером, IP-сети, и специфическую для каждого интерфейса часть, называемую адресом, или номером, данного интерфейса в данной IP-сети.

Различают два типа адресов. На канальном уровне используют адреса, называемые физическими. Это шестибайтовые адреса сетевых плат, присваиваемые изготовителем контроллеров (каждый изготовитель вместе с лицензией на изготовление получает уникальный диапазон адресов). На сетевом уровне используют сетевые адреса, иначе называемые виртуальными, или логическими. Эти адреса имеют иерархическую структуру, для них существуют цифровое и буквенное выражения. В Internet эти выражения называют IP-адресом и IP-именем соответственно.

IP-aдрес - уникальная совокупность чисел: адреса сети и адреса компьютера (хоста - узла в cети), которая указывает их местоположение. Имя характеризует пользователя. Оно составляется в соответствии с доменной системой имен. Соответствие между IP-адресом и IP-именем хоста устанавливается специальной службой имен. В Internet это DNS (Domain Name Service), в ISO - стандарт X.500.

IP-адрес - 32-битовое слово, записываемое в виде четырех частей (побайтно), разделенных точками. Каждые подсеть и узел в подсети получают свои номера, причем для сети (подсети) может использоваться от одного до трех старших байтов, а оставшиеся байты - для номера узла. Какая часть IP-адреса относится к сети, определяется ее маской, выделяющей соответствующие биты в IP-адресе. Например, для некоторой сети маска может быть 255.0.0.0, а для ее подсети - 255.255.0.0 и т.д. Тем самым описывается иерархия сетей.

При маршрутизации имя переводится в адрес с помощью серверов DNS. Поскольку маршрутизация в сети осуществляется по IP-адресам, то перевод указанного пользователем IP-имени в IP-адрес с помощью DNS обязателен.

Для идентификации каждого компьютера в IP-сети необходима система их адресации. При этом учитывается, что сетевые устройства (компьютер, маршрутизатор и т.д.) могут иметь несколько сетевых интерфейсов, и каждый из них должен иметь уникальный адрес. Если обратиться к аналогии обычной адресной системы (улица, дом, квартира), то становиться ясной целесообразность построения системы сетевой адресации по иерархии «сеть-интерфейс». Принятая в сетях IP система адресации описана в документах RFC 990 и RFC 997. Каждое сетевое устройство имеет адреса трех типов, физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя):

1)Физический (MAC-адрес). Локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или framerelay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

2) Сетевой (IP-адрес). IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (NetworkInformationCenter, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

3) Символьный (DNS-имя). Символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

9. Коммуникационное оборудование. Классификация. Назначение. Принципы работы.

Коммутационное оборудование — устройства, необходимые для работы компьютерной сети, например: маршрутизатор, коммутатор, концентратор, патч-панель и др.

Можно выделить активное и пассивное сетевое оборудование.