Файл: Основы построения телекоммуникационных сетей и систем Тема Служба и сети передачи данных.pptx

Основы построения телекоммуникационных сетей и систем Тема 2. Служба и сети передачи данных

Семиуровневая модель OSI

Прикладной

Представительский

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Уровни приложений

Уровни потоков данных

Прикладной уровень

Представляет собой набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи получают доступ к разделяемым ресурсам (файлы, принтеры, web-страницы) и организуют свою совместную работу (e-mail).
Примеры: http, ftp, smtp, bittorrent
Единица данных – Сообщение (message)


Application Layer

Уровень представления данных

Имеет дело с формой представления информации прикладного уровня, не меняя её содержимого (перекодировка, шифрование/дешифрование данных)
Примеры: ASCII; SSL
Единица данных – Сообщение (message)


Presentation Layer

Сеансовый уровень

Обеспечивает управление взаимодействием:

фиксирует, какая сторона является активной;
предоставляет средства синхронизации, выставления контрольных точек;

Как правило, на практике интегрирован с прикладным уровнем (реализуется в протоколах прикладного уровня)
Единица данных – Сообщение (message)

Session Layer

Транспортный уровень

Обеспечивает приложениям (или верхним уровням стека – прикладному и сеансовому) передачу данных с требуемой степенью надёжности, где критерии надёжности:

срочность возможность восстановления прерванной связи возможность исправления ошибок передачи

Примеры протоколов: TCP, UDP, SPX
Единица данных – дейтаграмма/блок данных (datagram)

Transport Layer

Сетевой уровень

Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, в т.ч. использующих различные протоколы нижних уровней, межсетевой адресации и маршрутизации пакетов данных.
Примеры: IP, IPX
Единица данных – пакет (packet)


Network Layer

Канальный уровень

Функции канального уровня:

разделение среды передачи формирование и пересылка последовательностей бит (кадров) от отправителя к адресату (по LAN или WAN);
контроль ошибок передачи (опционально)

Примеры: Ethernet, Token ring; PPP, HDLC
Единица данных – кадр (frame)

---

Data Link Layer

Физический уровень

Служит для передачи бит данных по физическим каналам связи (кабели, радиоволны и т.д.)
Определяет:

характеристики сред передачи (пропускная способность, полоса пропускания, активное/волновое сопротивление и т.д.)
характеристики электрических сигналов (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения и тока, тип кодирования, скорость передачи)
разъемы контактов кабелей

Примеры: 10Base-T, 1000Base-FX
Единица данных – бит (bit)

Physical Layer

Сете(не)зависимые уровни

Прикладной

Представительский

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Приложение

пользователя

Компьютер А

Сетевое устройство

Сетевой

Канальный

Физический

Прикладной

Представительский

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Приложение

пользователя

Компьютер B

Классификация сетей

Классификация сетей по территориальному признаку

LAN (Local Area Network) – Локальные сети (ЛВС)
MAN (Metropolitan Area Network) – Городские сети
WAN (Wide Area Network) – Глобальные сети

Локальные сети (LAN)

Радиус:1-2 км
Скорости: до 10 Гбит/с
Примеры технологий LAN:

Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet,10G Ethernet)
Token Ring, FDDI

Глобальные сети (WAN)

Радиус: тысячи километров
Скорости: до 40 Гбит/с
Примеры технологий WAN:

X.25
Frame relay
ATM

Примеры сетей:

Internet
FidoNet

Городские сети (MAN)

Конвергенция (взаимопроникновение) сетевых технологий LAN и WAN
Радиус: десятки километров
Скорости: до 40 Гбит/с
Назначение: объединение LAN для подключения к WAN
Примеры: сети крупных провайдеров

Вычислительные сети

Вычислительная сеть (network):

оборудование среды передачи данных сообщения правила обмена сообщениями

Сеть

сообщение

среда

оборудование

правила

IP

TCP

Сетевая топология

Сетевая топология – описание конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств.

физическая логическая информационная управления обменом

Базовые топологии - ШИНА

Топология типа шина, представляет собой общий кабель, к которому подсоединены все рабочие станции.

---

Достоинства

Скорость развертывания;
Невысокая стоимость;
Простота настройки;
Выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети;

Недостатки

Обрыв кабеля – отказ всей сети;
Сложная локализация неисправностей;
Плохая масштабируемость.

Базовые топологии - КОЛЬЦО

Кольцо – базовая топология компьютерной сети, в которой рабочие станции подключены последовательно друг к другу, образуя замкнутую сеть.
Достоинства

Простота развертывания;
Сохранение производительности при высоких нагрузках;

Недостатки

Отказ любой станции/обрыв кабеля – отказ всего кольца;
Сложность управления/диагностики.

Базовые топологии - ЗВЕЗДА

Звезда – базовая топология сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно сетевой коммутатор).
Достоинства

Масштабируемость;
Простота управления/диагностики;
Высокая производительность;
Выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети;

Недостатки

Отказ центрального узла – отказ всей сети;
Повышенная стоимость;

Протокол и интерфейс (1)

Протокол – формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах.

Интерфейс – формализованные правила, определяющие взаимодействие сетевых компонентов соседних уровней одного узла. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему.

Стек протоколов – иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.

Протокол и интерфейс (2)

3А

2А

1А

3В

2В

1В

Протокол 3А-3В

Протокол 2А-2В

Протокол 1А-1В

Интерфейс

2В-3В

Интерфейс

1В-2В

Семейство стандартов IEEE 802

802: Overview & Architecture
802.1: Bridging & Management
802.2: Logical Link Control
802.3: CSMA/CD (Ethernet) Access Method
802.5: Token Ring Access Method
802.11: Wireless
802.15: Wireless Personal Area Networks
802.16: Broadband Wireless Metropolitan Area Networks
802.17: Resilent Packet Rings
802.20: Overview and Architecture
802.21: Media Independent Handover Services


http://standards.ieee.org/getieee802/

ЛВС Ethernet

Самая распространённая технология ЛВС
Метод доступа к среде – CSMA/CD
Скорости передачи данных

Ethernet – 10 Мбит/с
Fast Ethernet – 100 Мбит/с
Gigabit Ethernet – 1 Гбит/с
10G Ethernet – 10 Гбит/с
40G Ethernet, 100G Ethernet – 40 Гбит/с и 100 Гбит/с

Применяемые физические среды передачи:

коаксиальный кабель витая пара одно- и многомодовые оптические кабели

---

802.3

Подуровни MAC и LLC (IEEE 802)

регулирует доступ к среде передачи дополняет модуль данных (PDU) LLC информацией об адресах и контрольной суммой – формирует кадр MAC
выявляет ошибки и отклоняет ошибочные кадры


отвечает за сопряжение с вышестоящими протоколами стека (мультиплексирование и демультиплексирование)
управляет потоком данных обрабатывает ошибки передачи


Media Access

Control (MAC)

Logical Link

Control (LLC)

MAC-кадр Ethernet

Преамбула (ограничитель) – синхронизация

10101010 … 10101010 10101011

DA, SA (Destination Address, Source Address) – MAC адреса получателя/отправителя
EtherType (тип кадра) – тип протокола верхнего (сетевого) уровня (аналог DSAP/SSAP)
Data – данные верхнего уровня
FCS (Frame check sequence) – контрольная сумма по CRC32


Data

DA

SA

переменная длина

6

6

EtherType

2

8

4

Преамбула

FCS

64-1518

Байт

CSMA/CD – обзор

CSMA/CD (Carrier sense multiple access with collision detection) – метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий

Особенности:

Множественный доступ

Все узлы имеют постоянный доступ к несущей (и передаваемым по сети данным) – «логическая шина»
Захват среды передачи происходит по требованию любого узла в любой момент времени – «случайный доступ»

Контроль несущей

Перед отправкой кадра узел проверяет, свободна ли среда

Обнаружение коллизий

Одновременная отправка кадра несколькими узлами - коллизия. Требуется обнаружение и обработка

CSMA/CD – получение кадра

Получение кадра

Приём первых байт кадра, включая адрес назначения

Кадр получен

CRC ok

совпадение

Кадр отброшен

несовпадение

сравнение адресов

Приём остальных байт кадра

Подсчёт контрольной суммы

Передача кадра вверх по стеку

да

нет

CSMA/CD – передача кадра

Отправка кадра

N:=0

контроль несущей

межкадровый интервал

передача кадра

Отправка завершена

коллизия

ожидание (завис. от метода захвата)

занято

свободно

нет

да

передача 32бит jam

N++

N=15

Отмена

отправки

да

N>=10

k:=N

k:=10

N<15

N>10

N<10

L=random integer [0,2k]

ожидание L* 512 bt

---

CSMA/CD – коллизия

Коллизия – искажение передаваемых по сети кадров, происходящее в результате наложения кадров от двух и более станций, пытающихся вести одновременную передачу.
Механизм возникновения:

Два узла начинают передачу одновременно;
Один узел начинает передачу раньше другого, но его сигналы не успевают достигнуть второго узла до того, как и он также начинает передачу.

CSMA/CD – этапы устранения коллизии

Обнаружение коллизии

коллизию всегда обнаруживает станция, вызвавшая её (по разнице передаваемого и принимаемого сигналов)
станция, обнаружившая коллизию, мгновенно приостанавливает передачу

Jam-последовательность (32 бит)

специальный набор символов, усиливающий коллизию (т.к. короче минимального кадра) – повышение вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями передается станцией, первой обнаружившей коллизию (т.е. вызвавшей её)

Случайная пауза

выдерживается всеми станциями сети после получения jam

Повторная попытка передачи

захват канала, IFG и т.д.

CSMA/CD – интервалы ожидания

Битовый интервал (bt) – время между появлением двух последовательных бит данных на кабеле (обратно битовой скорости: 0,1 мкс для 10 Мбит/с);

Межкадровый интервал (технологическая пауза, inter-frame gap – IFG): IFG = 96 bt

приведение сетевых адаптеров в исходное состояние предотвращение монопольного захвата канала одной станцией

Случайная пауза: P = L × 512 bt

Для предотвращения повторных коллизий
L – случайное целое число из диапазона [0; 2N], где N – номер попытки (N≤10);

После 10 попыток N не увеличивается, т.о. случайная пауза (для 10 Мбит/с) принимает значения от 0 до 52,4 мс;
После 16 последовательных неудачных попыток передачи кадр отбрасывается.

Домен коллизий

Домен коллизий (collision domain) – это область сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой области коллизия возникла
Возникшая коллизия не распространяется за рамки соответствующего домена коллизий
Чем больше количество доменов коллизий, тем менее заметны последствия каждой коллизии
Для разбиения сети на домены коллизий применяют коммутаторы

Физический уровень Ethernet

Спецификация	Физическая среда	Длина сегмента
10 Base-5	«толстый» коаксиал RG-8	500
10 Base-2	«тонкий» коаксиал RG-58	185
10 Base-T	UTP Cat 3(5)	100
10 Base-F	MMF	2000

---