Технологии будущего: лазерное сканирование — Совзонд

Стандарт построения беспроводных локальных сетей ЭВМ IEEE 802.11 был предложен во второй половине 90-х годов ХХ века рабочей группой 802 Института инженеров по электротехнике и электронике США. В настоящее время является одним из наиболее перспективных направлений построения сетей ЭВМ, использующих для информационного обмена между абонентскими системами радиоволны.

Стандарт IEEE 802.11 предполагает работу сетевых трансиверов на частоте 2.4 ГГц при использовании передатчиков мощностью 10мВт-1Вт. Средняя пропускная способность сети составляет 2 Мбит/с. В настоящее время разработано и используется сетевое оборудование, обеспечивающее пропускную способность более 50 Мбит/с. Радиус возможного установления связи с мобильными абонентскими системами может достигать 100 км. В условиях городской застройки и сложных погодных условиях радиус устойчивой работы может уменьшаться до 3-5 км.

Отличительной особенностью МАС ‑ подуровня данного стандарта является организация неконкурентного и конкурентного обслуживания сетевых абонентских систем.

Подуровень MAC реализован следующим образом. Время обслуживания мобильных абонентских систем разделяется на циклы. Цикл содержит две фазы: неконкурентную и конкурентную. Во время неконкурентной фазы управляющая абонентская система (хост-трансивер) опрашивает мобильные абонентские системы, которые поочередно передают свои информационные пакеты.

…

Во время конкурентного периода мобильные абонентские системы осуществляют передачу, используя протокол множественного доступа с контролем несущей и особым протоколом исключения конфликтов ‑ CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance).

Протокол CSMA/CA, иллюстрируемый рис. 4.7, подобен протоколу МДКН/ОК (CSMA/CD), но пытается благоприятствовать абонентским системам, которым пришлось ждать больше. На рис. 7 между станциями АС1, АС3 и АС5 произошел конфликт, и они выбирают время ожидания соответственно Т1 Т3 и Т5. У АС3 время ожидания наименьшее, и она начинает передачу первой. Абонентские системы АС1 и АС5 определяют свое остаточное время ожидания следующим образом: Т’1 = Т1 — T₃; Т’₅ = Т₅ — T3 и используют его в следующем цикле передачи информационных пакетов. Эта процедура продолжается и при последующих конфликтах (Т»₃ = Т’₃ — T’1; Т»₅ = Т’₅ — T’1).

Эффективность протокола CSMA/CA зависит от задержки распространения сигналов и размеров информационных пакетов.

T’₁=T₁-T₃; T’₅=T₅-T₃; T’’₁=T’₃-T’₁; T’’₅=T’₅-T’₁;

Рис. 4.7. Временная диаграмма функционирования сети стандарта IEEE 802.11

Перспективами развития беспроводных локальных сетей ЭВМ на основе стандарта IEEE 802.11 является использование 5 ГГц радиочастотного диапазона. Это должно обеспечить более высокие скорости и качество передачи данных.

Предполагается, что новое оборудование для 5 ГГц диапазона будет полностью совместимо с существующим. Кроме того, ведется разработка и внедрение сетевых устройств, обеспечивающих передачу по одному информационному каналу мультимедийного трафика (сигналов телевидения высокой четкости, видео и телефонии). Многие из новых требований к передаче информации в диапазоне 5 ГГц формулируются с учетом прогнозируемых потребностей так называемого беспроводного жилища (wireless home).

Несмотря на значительные успехи в развитии беспроводных сетей ЭВМ они остаются пока крайне ненадежными и критичными к различным внешним факторам и воздействиям (городской застройке, погодным условиям, помеховым воздействиям, несанкционированному доступу и т.п.). Потери информационных пакетов в таких сетях весьма вероятны, а понижение скорости передачи данных, как правило, не приводит к понижению вероятности потерь.

Стандарт IEEE 802.11a. Является наиболее «широкополосным» из семейства стандартов 802.11, предусматривая скорость передачи данных до 54 Мбит/с (редакцией стандарта, утвержденной в 1999 г., определены три обязательных скорости ‑ 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных — 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с).

В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее существенное различие между этим методом и радиотехнологиями DSSS и FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно. В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала.

К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а так же меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300 м, а для 5 ГГц ‑ около 100 м).

Можно отметить, что данная версия является как бы «боковой ветвью» основного стандарта 802.11. Для увеличения пропускной способности канала здесь используется диапазон частот передачи 5,5 ГГц. Для передачи в 802.11a используется метод множества несущих, когда диапазон частот разбивается на подканалы с разными несущими частотами (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), по которым поток передается параллельно, разбитым на части. Использование метода квадратурной фазовой модуляции позволяет достичь пропускной способности канала 54 Мбит/сек.

Стандарт IEEE 802.11 b. Благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практичкски зквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛС Ethernet, а также ориентации на «освоенный» диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей.

В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный также как Wi-Fi (wireless fidelity), был принят в 1999г. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8-разрядными последовательностями Уолша.

Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала.

Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы роуминга спецификациями 802.11b не определены.

Этот стандарт является наиболее популярным на сегодняшний день и, собственно, он носит торговую марку Wi-Fi. Как и в первоначальном стандарте IEEE 802.11, для передачи в данной версии используется диапазон 2,4 ГГц. Он не затрагивает канальный уровень и вносит изменения в IEEE 802.11 только на физическом уровне. Для передачи сигнала используется метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum), при котором весь диапазон делится на 5 перекрывающих друг друга поддиапазонов, по каждому из которых передается информация. Значения каждого бита кодируются последовательностью дополнительных кодов (Complementary Code Keying). Пропускная способность канала при этом составляет 11 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11d. Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот, дополнительные параметры для MIB и т.д.). Соответствующий стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки.

Стандарт определяет требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран.

Стандарт IEEE 802.11e. Спецификации разрабатываемого стандарта 802.11е позволяют создавать мультисервисные беспроводные ЛС, ориентированные на различные категории пользователей как корпоративных, так и индивидуальных. При сохраненеии полной совместимости с уже принятыми стандартами 802.11а и b, он позволит расширить их функциональность за счет поддержки потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS).

Предварительный вариант спецификаций 802.11е должен был быть утвержден к концу 2001г.

Создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика ‑ таким, как аудио- и видеоприложения.

Стандарт IEEE 802.11f. Cпецификации 802.11f описывают протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Дата утверждения этих спецификаций в качестве стандарта пока была не определена.

Данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта ‑ Inter Access Point Protocol.

Стандарт IEEE 802.11g. Спецификации 802.11g, находившиеся на момент описания в стадии рассмотрения, представляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют повысить скорость передачи данных в беспроводных ЛС до 22 Мбит/с (а возможно, и выше до 54 Мбит/с) благодаря использованию более эффективной модуляциии сигнала. Из нескольких предложений по базовой радиотехнологии для стандарта рабочая группа IEEE недавно выбрала решение компании Intersil, основанное на методе OFMD, однако окончательное принятие 802.11g ожидалось только к концу 2002 г. Одним из достоинств стандарта является обратная совместимость с 802.11b.

Итак, целью разработки данного стандарта было повышение пропускной способности канала до 54 Мбит/с при условии совместимости с начальными версиями (использование диапазона 2,4 ГГц). Можно считать, что стандарт g явился симбиозом стандартов a и b. Для совместимости в данном методе обязательным является как кодирование с помощью Complementary Code Keying, так и мультиплексирование частот с помощью Orthogonal Frequency Division Multiplexing. Прямая и обратная совместимость предусматривает возможность работы устройств стандарта 802.11g в сетях 802.11b и наоборот.

Стандарт IEEE 802.11h. Рабочая группа IEEE 802.11h рассматривает возможность дополнения существующих спецификаций 802.11 MAC (уровень доступа к среде передачи) и 802.11a PHY (физический уровень в сетях 802.11a) алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля за излучаемой мощностью и генерации соответствующих отчетов.

Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на использовании протоколов Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных Европейским институтом стандартов по телекоммуникациям (ETSI). Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспроводной сети на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой канал, снижения мощности либо обоими способами.

Разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм «квазиинтеллектуального» управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи.

Стандарт IEEE 802.11i. До мая 2001 г. стандартизация средств информационной безопасности для беспроводных сетей 802.11 относилась к ведению рабочей группы IEEE 802.11e, но затем эта проблематика была выделена в самостоятельное подразделение. Разрабатываемый стандарт 802.1X призван расширить возможности протокола 802.11 MAC, предусмотрев средства шифрования передаваемых данных, а также централизованной аутентификации пользователей и рабочих станций. В результате масштабы беспроводных локальных сетей можно будет наращивать до сотен и тысяч рабочих станций.

В основе 802.1X лежит протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), базирующийся на PPP. Сама процедура аутентификации предполагает участие в ней трех сторон: вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации (как правило, сервера RADIUS). В то же время новый стандарт, судя по всему, оставит на усмотрение производителей реализацию алгоритмов управления ключами.

Разрабатываемые средства защиты данных должны найти применение не только в беспроводных, но и в других локальных сетях ‑ Ethernet и Token Ring. Вот почему будущий стандарт получил номер IEEE 802.1X, а его разработку группа 802.11i ведет совместно с комитетом IEEE 802.1.

Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard) ‑ алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит. Предусматривается совместимость всех используемых в данное время устройств, в частности, Intel Centrino ‑ с 802.11i-сетями.

Стандарт IEEE 802.11j. Спецификация 802.11j настолько нова, что IEEE еще официально не сформировал рабочую группу для ее обсуждения на момент публикации. Предполагается, что стандарт будет оговаривать существование в одном диапазоне сетей стандартов 802.11a и HiperLAN2.

Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц.

Стандарт IEEE 802.11n. Институт IEEE ведет работу над созданием новой спецификации протокола связи в беспроводных локальных сетях (WLAN). 802.11n работает вдвое быстрее, чем 54-мегабитные «g» и «a» на скорости от 100 Мбит/c. Новый стандарт уравняет проводные и беспроводные системы, что позволит корпоративным клиентам использовать беспроводные сети там, где это было невозможно из-за ограниченной скорости.

Определение скоростных характеристик для стандарта «n» будет более строгим, чем у «g» или «b». Оно основывается на фактической скорости передачи файлов и потоков, а не на размере низкоуровневого трафика, снабженного множеством служебных заголовков. Ускорение достигается за счет более оптимального использования частотного диапазона, аналоговых радиочипов, выполненных по улучшенной CMOS-технологии и интеграции WLAN-адаптера в один чип.

Структуризация большой локальной сети ЭВМ представляет собой ее разбиение на несколько более мелких сегментов с собственными моноканалами. Объединение сегментов в единую сеть осуществляется с помощью мостов, коммутаторов или маршрутизаторов.

Структуризация сети позволяет снизить коэффициент использования разделяемого моноканала в отдельных сегментах за счет сокращения АС, имеющих доступ к этому моноканалу (рис. 4.8).

Мост (bridge), а также его быстродействующий функциональный аналог ‑ коммутатор (switching hub), делят общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста/коммутатора (рис. 4.8). При поступлении информационного кадра на какой-либо из портов мост/коммутатор повторяет этот кадр, но не на всех портах, как это делает концентратор, а только на том порту, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер-адресат.

Разница между мостом и коммутатором состоит в том, что мост в каждый момент времени может осуществлять передачу кадров только между одной парой портов, а коммутатор одновременно поддерживает потоки данных между всеми своими портами.

Рис. 4.8. Логическая структуризация локальной сети

…

Другими словами, мост передает кадры последовательно, а коммутатор параллельно. В дальнейшем для обозначения этих обоих разновидностей устройств будет использоваться термин «коммутатор».

Следует отметить, что в последнее время локальные мосты полностью вытеснены коммутаторами. Мосты используются только для связи локальных сетей с глобальными, т.е. как средства удаленного доступа, поскольку в этом случае необходимость в параллельной передаче между несколькими парами портов не возникает.

При работе коммутатора среда передачи данных каждого логического сегмента остается общей только для тех ЭВМ, которые подключены к этому сегменту непосредственно. Коммутатор осуществляет связь сред передачи данных различных логических сегментов. Он передает кадры между логическими сегментами только при необходимости, т.е. только тогда, когда взаимодействующие ЭВМ находятся в разных сегментах (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Информационное взаимодействие логических сегментов сети

Деление сети на логические сегменты улучшает производительность сети, если в сети имеются группы компьютеров, преимущественно обменивающиеся информацией между собой. Если же таких групп нет, то введение в сеть коммутаторов может только ухудшить общую производительность сети, так как принятие решения о том, нужно ли передавать пакет из одного сегмента в другой, требует дополнительного времени.

Однако даже в сети средних размеров такие группы, как правило, имеются. Поэтому разделение ее на логические сегменты дает выигрыш в производительности — трафик локализуется в пределах групп, и нагрузка на их разделяемые кабельные системы существенно уменьшается.

Коммутаторы принимают решение о том, на какой порт нужно передать кадр, анализируя адрес назначения, помещенный в кадре, а также на основании информации о принадлежности того или иного компьютера определенному сегменту, подключенному к одному из портов коммутатора, т.е. на основании информации о конфигурации сети. Для того, чтобы собрать и обработать информацию о конфигурации подключенных к нему сегментов, коммутатор должен пройти стадию «обучения», т.е. самостоятельно проделать некоторую предварительную работу по изучению проходящего через него трафика. Определение принадлежности компьютеров сегментам возможно за счет наличия в кадре не только адреса назначения, но и адреса источника, сгенерировавшего пакет. Используя информацию об адресе источника, коммутатор устанавливает соответствие между номерами портов и адресами компьютеров.

В процессе изучения сети мост/коммутатор просто передает появляющиеся на входах его портов кадры на все остальные порты, работая некоторое время повторителем. После того, как мост/коммутатор узнает о принадлежности адресов сегментам, он начинает передавать кадры между портами только в случае межсегментной передачи. Если, уже после завершения обучения, на входе коммутатора вдруг появится кадр с неизвестным адресом назначения, то этот кадр будет повторен на всех портах.

Коммутаторы, работающие описанным способом, обычно называются прозрачными (transparent), поскольку появление таких коммутаторов в сети совершенно не заметно для ее оконечных узлов. Это позволяет не изменять их программное обеспечение при переходе от простых конфигураций, использующих только концентраторы, к более сложным, сегментированным.

Существует и другой класс коммутаторов, передающих кадры между сегментами на основе полной информации о межсегментном маршруте. Эту информацию записывает в кадр станция-источник кадра, поэтому говорят, что такие устройства реализуют алгоритм маршрутизации от источника (source routing).

При использовании коммутаторов с маршрутизацией от источника конечные узлы должны быть в курсе деления сети на сегменты и сетевые адаптеры, в этом случае должны в своем программном обеспечении иметь компонент, занимающийся выбором маршрута кадров.

За простоту принципа работы прозрачного коммутатора приходится расплачиваться ограничениями на топологию сети, построенной с использованием устройств данного типа ‑ такие сети не могут иметь замкнутых маршрутов ‑ петель. Коммутатор не может правильно работать в сети с петлями, при этом сеть засоряется циклическими пакетами и ее производительность снижается.

Для автоматического распознавания петель в конфигурации сети разработан алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA). Этот алгоритм позволяет коммутаторам адаптивно строить дерево связей, когда они изучают топологию связей сегментов с помощью специальных тестовых кадров. При обнаружении замкнутых контуров некоторые связи объявляются резервными. Коммутатор может использовать резервную связь только при отказе какой-либо основной.

В результате сети, построенные на основе коммутаторов, поддерживающих алгоритм покрывающего дерева, обладают некоторым запасом надежности, но повысить производительность за счет использования нескольких параллельных связей в таких сетях нельзя.

Составная сеть ЭВМ (internet) ‑ это совокупность нескольких сетей, называемых также подсетями (subnet), которые соединяются между собой маршрутизаторами. Организация совместной транспортной службы в составной сети называется межсетевым взаимодействием (internetworking). Пример составной сети приведен на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Составная сеть ЭВМ

Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети, построенные на основе различных технологий (локальные сети Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI, глобальные сети Frame relay, X.25, ISDN, АТМ).

В составных сетях основными функциями сетевого уровня являются:

— согласование локальных технологий построения отдельных подсетей;

— передача информационных пакетов между абонентскими системами;

— выбор наилучшего по некоторому критерию маршрута передачи пакетов.

Маршрут ‑ это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от АС ‑ отправителя до АС ‑ назначения (на рис. 4.11. соответственно АС1 и АС2). Задачу выбора наиболее рационального маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы и конечные абонентские системы на основе таблиц маршрутизации. Записи в таблицу могут заноситься вручную сетевыми администраторами или автоматически средствами протоколов маршрутизации. Пример маршрутизации маршрутизатора М4 приведен в табл. 4.1.

…

Таблица 4.1

В первом столбце указываются номера сетей, входящих в составную сеть. В каждой строке следом за номером сети указывается сетевой адрес соответствующего порта следующего маршрутизатора, на который надо направить информационный пакет, чтобы тот перемещался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту.

При поступлении на маршрутизатор нового пакета из него извлекается номер сети назначения и последовательно сравнивается с номерами сетей в каждой строке таблицы. Строка с совпавшим номером сети указывает, на какой ближайший маршрутизатор следует направить пакет. Например, если на какой-либо порт маршрутизатора 4 поступает пакет, адресованный в сеть ЛС3, то из таблицы маршрутизации следует, что адрес следующего маршрутизатора ‑ М3(4), т.е. очередным этапом движения данного пакета будет перемещение к порту 4 маршрутизатора 3.

Для уменьшения размерности таблиц маршрутизации в них могут применяться специальные указатели на «маршрутизаторы по умолчанию» (default). Через такие маршрутизаторы передается большая часть пакетов при информационном взаимодействии удаленных друг от друга подсетей (в табл. 4.1. — маршрутизатор М6).

Перед тем как передать пакет следующему маршрутизатору, текущий маршрутизатор должен определить, на какой из нескольких собственных портов он должен поместить данный пакет. Для этого служит третий столбец таблицы. В данном случае каждый порт идентифицируется собственным сетевым адресом.

Протоколы маршрутизации (например, RIP или OSPF) и сетевые протоколы (например, IP или IPX) имеют принципиальные отличия. Протоколы маршрутизации предназначены для сбора и передачи по сети чисто служебной информации о возможных маршрутах. Сетевые протоколы непосредственно реализуют передачу по сети пользовательских данных.

Сетевые протоколы и протоколы маршрутизации реализуются в виде программных модулей на конечных абонентских системах, называемых хостами, и на промежуточных узлах-маршрутизаторах, называемых также шлюзами.

Маршрутизатор представляет собой сложное многофункци-ональное устройство, в задачи которого входит:

— построение таблицы маршрутизации;

— определение маршрута передачи пакетов;

— буферизация, фрагментация и фильтрация поступающих пакетов;

— поддержка сетевых интерфейсов.

В процессе функционирования сложной составной сети ее структура может неоднократно меняться, что приводит к необходимости своевременного внесения изменений во все таблицы маршрутизации. С этой целью маршрутизаторы по собственной инициативе генерируют и обмениваются служебными пакетами с информацией об изменениях структуры и характеристик ближайших к ним сегментов сети.

При больших задержках коррекции таблиц маршрутизации часть информационных пакетов в сети может направляться по ложным маршрутам, что приведет к их потере. Поэтому, насколько оперативно протоколы маршрутизации приводят в соответствие содержимое таблиц реальному состоянию сети, зависит качество работы составной сети в целом. Однако высокая интенсивность обмена служебными пакетами может привести к снижению эффективности передачи по каналам сети информационных пакетов пользователей.

Функции маршрутизаторов могут выполнять как специ-ализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим программным обеспечением, оптимизированным для выполнения операций построения таблиц маршрутизации и продвижения пакетов по сети на их основе.

Типичный маршрутизатор представляет собой сложный вычислитель или компьютер, который работает под управлением специализированной операционной системы, оптимизированной для реализации протоколов и алгоритмов маршрутизации.

Обычно маршрутизаторы строятся по мультипроцессорной схеме, сочетающей наличие универсальных и специ-ализированных процессоров. Наиболее рутинные операции обработки пакетов выполняются программно или аппаратно специализированными процессорами. Более высокоинтеллектуальная обработка выполняется программно универсальными процессорами.

По областям применения маршрутизаторы делятся:

— на магистральные маршрутизаторы;

— маршрутизаторы региональных подразделений;

— маршрутизаторы удаленных офисов и подразделений;

— маршрутизаторы локальных сетей (коммутаторы 3-го уровня).

Основными характеристиками маршрутизаторов являются:

— общая производительность в пакетах в секунду;

— набор поддерживаемых сетевых протоколов и протоколов маршрутизации;

— набор поддерживаемых сетевых интерфейсов глобальных и локальных сетей.

К числу дополнительных функций маршрутизатора относится одновременная поддержка сразу нескольких сетевых протоколов и нескольких протоколов маршрутизации, возможность приоритетной обработки трафика, разделение функций построения таблиц маршрутизации и продвижения пакетов между маршрутизаторами разного класса на основе готовых таблиц маршрутизации.

…

Основной особенностью маршрутизаторов локальных сетей (коммутаторов 3-го уровня) является высокая скорость выполнения операций маршрутизации за счет их аппаратной реализации на основе специализированных БИС.

Корпоративные многофункциональные концентраторы представляют собой устройства, в которых на общей внутренней шине объединяются модули разного типа ‑ повторители, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Такое объединение дает возможность программного конфигурирования сети с определением состава подсетей и сегментов вне зависимости от их физического подключения к тому или иному порту устройства.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит принцип работы технологии Fast Ethernet?

2.В чем состоит принцип работы технологиb Gigabit Ethernet?

3. На чем основана работа технологии 100VG-AnyLAN?

4. Какие сети относятся к беспроводным локальным сетям?

5. Какую роль выполняет устройство трансивер?

6. В чем состоит принцип работы беспроводной локальной сети на основе стандарта Hiperlan?

7. В чем состоит принцип работы беспроводной локальной сети на основе стандарта IEEE 802.11?

8. В чем состоит логическая структуризация локальных сетей ЭВМ?

9. Достоинства и недостатки разделяемой среды передачи данных локальных сетей ЭВМ?

10. Что понимается под виртуальной локальной сетью ЭВМ (VLAN)?

11. Какими достоинствами обладают виртуальные локальные сети (VLAN)?

12. Что называется составной сетью ЭВМ?

13. Что является основными функциями сетевого уровня в составных сетях?

14. Что называется маршрутом пакета?

15. Что входит в задачи маршрутизатора?

ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ

Общие сведения о глобальных сетях ЭВМ

Появление и совершенствование глобальных сетей ЭВМ обусловлено необходимостью оперативного обмена большими объемами информации между различными абонентскими системами, расположенными друг от друга на значительных расстояниях. Первые технологии глобальных сетей ЭВМ обеспечивали передачу преимущественно компьютерного трафика с небольшими скоростями. Необходимость обмениваться большими объемами мультимедийной информации привела к появлению новых сетевых технологий и стремительному совершенствованию известных [17-19].

Глобальная сеть ЭВМ (Wide Area Networks, WAN) ‑ это компьютерная сеть, обеспечивающая информационное взаимодействие между большим числом разнородных абонентских систем, рассредоточенных на большой территории ‑ в пределах области, региона, страны, континента или всего земного шара.

Ввиду большой протяженности каналов связи построение глобальной сети требует очень больших затрат, в которые входит стоимость кабелей и работ по их прокладке, затраты на коммуникационное оборудование и промежуточную усилительную аппаратуру, обеспечивающую необходимую полосу пропускания каналов связи, а также эксплуатационные затраты на постоянное поддержание в работоспособном состоянии разбросанной по большой территории аппаратуры сети.

Глобальные сети ЭВМ обычно создаются крупными телекоммуникационными компаниями для оказания платных услуг абонентам. Такие сети называют публичными или общественными. Существуют также такие понятия, как оператор сети и поставщик услуг сети. Оператор сети ‑ это компания, которая поддерживает нормальную работу сети. Поставщик услуг (провайдер) ‑ это компания, которая оказывает платные услуги абонентам сети.

В общем случае по каналам связи глобальной сети должны передаваться данные любых типов. В этом случае пользователям сети могут предоставляться следующие услуги:

…

Основные типы потенциальных потребителей услуг глобальной сети ЭВМ изображены на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Абоненты глобальной сети

Типичный пример структуры глобальной компьютерной сети приведен на рис. 5.2.

Сеть строится на основе некоммутируемых (выделенных) каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Такие каналы образуют магистраль сети.

Коммутаторы устанавливаются в тех географических пунктах, в которых требуется ответвление или слияние потоков данных конечных абонентов или магистральных каналов, переносящих данные многих абонентов. Естественно, выбор мест расположения коммутаторов определяется многими соображениями, в которые включается также возможность обслуживания коммутаторов квалифицированным персоналом, наличие выделенных каналов связи в данном пункте, надежность сети, определяемая избыточными связями между ком-мутаторами.

Рис. 5.2. Типовая структура глобальной сети ЭВМ: К ‑ коммуникатор; М ‑ маршрутизатор; ХК ‑ хост ‑ компьютер; ЛС ‑ локальная сеть; АТС ‑ телефонная станция; ИСС ‑ интерфейс «сеть ‑ сеть»; ИПС ‑ интерфейс «пользователь ‑ сеть»; MUX — мультиплексор

Абоненты сети подключаются к коммутаторам в общем случае также с помощью выделенных каналов связи. Эти каналы связи имеют более низкую пропускную способность, чем магистральные каналы, объединяющие коммутаторы, иначе сеть бы не справилась с потоками данных своих многочисленных пользователей. Для подключения конечных пользователей допускается использование коммутируемых каналов, то есть каналов телефонных сетей, хотя в таком случае качество транспортных услуг обычно ухудшается. Принципиально замена выделенного канала на коммутируемый ничего не меняет, но вносятся дополнительные задержки, отказы и разрывы канала по вине сети с коммутацией каналов, которая в таком случае становится промежуточным звеном между пользователем и сетью с коммутацией пакетов. Кроме того, в аналоговых телефонных сетях канал обычно имеет низкое качество из-за высокого уровня шумов. Применение коммутируемых каналов на магистральных связях «коммутатор-коммутатор» также возможно, но по тем же причинам весьма нежелательно. Оконечное оборудование (DTE) принимает и передает в глобальную сеть данные по каналам связи определенного стандарта. Поэтому в состав каждого устройства типа ООД (DTE) должна входить аппаратура передачи данных (DCE), реализующая протокол физического уровня данного канала. Кроме этого, должны быть четко определены все параметры интерфейса «пользователь-сеть» (ИПС).

Для связи ООД с каналами глобальной сети используется АПД трех основных типов:

— модемы для работы по выделенным и коммутируемым аналоговым каналам;

— устройства сопряжения для работы по выделенным цифровым каналам с мультиплексированием на основе разделения времени (технология TDM);

— терминальные адаптеры для работы по каналам цифровых сетей с интеграцией услуг (сети ISDN).

Протоколы взаимодействия коммутаторов внутри глобальной сети образуют интерфейс «сеть-сеть» (ИСС). Они стандартизуются не всегда. Стандартизация указанных протоколов обычно применяется для организации взаимодействия двух и более глобальных сетей различных операторов. Тем не менее, если стандарт ИСС принимается, то в соответствии с ним обычно организуется взаимодействие всех коммутаторов объединенной сети, а не только пограничных.

Для подключения аппаратуры передачи данных (устройства типа DCE) к оконечному оборудованию данных (устройства типа DTE) используется ряд стандартных интерфейсов, которые представляют собой стандарты физического уровня. Данные интерфейсы позволяют передавать данные со скоростями от 300 бит/с до нескольких десятков мегабит в секунду на небольшие расстояния (от 15-20 м до 1,5-2 км), достаточные для удобного размещения, например, маршрутизатора или модема.

Характеристики основных разновидностей интерфейсов «пользователь-сеть» приведены в табл. 5.1. Интерфейс RS-232 является наиболее популярным низкоскоростным интерфейсом. Первоначально он был разработан для передачи данных между компьютером и модемом со скоростью не выше 9600 бит/с на расстояние до 15 метров. Позднее практические реализации этого интерфейса стали работать и на более высоких скоростях ‑ до 115200 бит/с.

Интерфейс поддерживает как асинхронный, так и синхронный режим работы. Особую популярность этот интерфейс получил после его реализации в персональных компьютерах (его поддерживают СОМ-порты), где он работает, как правило, только в асинхронном режиме и позволяет подключать к компьютеру не только коммуникационные устройства (такое, как модем), но и многие другие периферийные устройства ‑ мышь, сканер, принтер и т. д.

Интерфейс RS-449 поддерживает более высокую скорость обмена данными и большую удаленность ООД от АПД. Скорость обмена до 20 000 бит/с на расстоянии до 100 м. Интерфейс RS-449 поддерживает асинхронный и синхронный режимы обмена между ООД и АПД.

…

Интерфейс V.35 был разработан для подключения синхронных модемов. Он обеспечивает только синхронный режим обмена между ООД и АПД на скорости до 168 Кбит/с. Для синхронизации обмена используются специальные тактирующие линии. Типовое расстояние между ООД и АПД составляет 600 м при скорости обмена 64 Кбит/с.

Интерфейс HSSI разработан для подключения к устройствам АПД, работающим на высокоскоростные каналы. Интерфейс работает в синхронном режиме и поддерживает передачу данных в диапазоне скоростей от 300 Кбит/с до 52 Мбит/с. Максимальная длина кабеля составляет 15 м.

Таблица 5.1

Интерфейсы «пользователь-сеть»

Интерфейс USB, так же как и HSSI, предназначен для работы с высокоскоростными каналами. Интерфейс обеспечивает скорость обмена данными до 12 Мбит/с. Длина кабеля может составлять от 2 до 15 метров.

Типы глобальных сетей ЭВМ

Глобальные сети ЭВМ в зависимости от используемого в них метода коммутации абонентских систем подразделяются на следующие типы [18]:

— сети с выделенными каналами;

— сети с коммутацией каналов;

— сети с коммутацией пакетов.

Глобальные сети с выделенными каналами

Выделенные каналы могут предоставляться для построения глобальных сетей ЭВМ телекоммуникационными компаниями, владеющими каналами дальней связи (например, «Ростелеком»). Наиболее часто выделенные каналы используются для соединения между собой отдельных локальных сетей и мощных хост-компьютеров без установки транзитных коммутаторов (рис. 20.3). Выделенные каналы широко используются Министерством обороны для построения специализированных глобальных сетей военного назначения. Использование выделенных каналов гарантирует высокую пропускную способность сети, но при большом их количестве в сети приводит к значительным материальным затратам. В настоящее время для построения глобальных сетей ЭВМ используются аналоговые и цифровые выделенные каналы.

Рис. 5.3. Использование выделенных каналов: ЛС – локальная сеть; ХК – хост-компьютер

Цифровая сеть с интеграцией услуг ISDN (Integrated Services Digital Network) — это глобальная телеком-муникационная сеть, в которой передача данных между абонентскими системами реализуется на основе метода коммутации каналов, а данные передаются и обрабатываются в цифровой форме [19-21].

Внедрение сетей ISDN в эксплуатацию началось в конце 80-х годов ХХ века. Наибольшее распространение они получили в странах Европы, в США и Японии.

Архитектура сети ISDN предусматривает предоставление пользователям следующих служб и услуг:

— передача данных по выделенным некоммутируемым цифровым каналам;

— коммутируемая телефонная сеть общего пользования;

— сеть передачи данных с коммутацией каналов;

— сеть передачи данных с коммутацией пакетов;

— сеть передачи данных с трансляцией кадров (режим frame relay);

— средства контроля и управления работой сети.

Основные принципы построения и компоненты сетей ISDN

Информационное взаимодействие между компонентами сети осуществляется на трех уровнях: физическом, канальном и сетевом. Компонентами сетей ISDN являются (рис. 6.1): терминалы (Т); терминальные адаптеры (TA); сетевые терминалы (СТ); линейные терминалы (ЛТ); магистральные устройства (МУ).

Специализированные ISDN терминалы T1 (цифровые телефоны, факсы, оборудование видеоконференцсвязи, мосты/маршрутизаторы, терминальные адаптеры) обеспечивают представление данных пользователя в требуемом формате и непосредственное подключение пользователя к сети ISDN.

…

Рис. 6.1. Основные компоненты сети ISDN

Обычные (не ISDN) терминалы T2 представляют собой такое оборудование, как аналоговые телефоны, факсы, компьютеры с аналоговыми модемами, и не обеспечивают непосредственного подключения пользователя к сети ISDN.

Терминальный адаптер ТА обеспечивает подключение неспециализированных терминалов Т2 к сети ISDN.

Точка сопряжения R используется для подключения неспециализированных терминалов Т2 к терминальным адаптерам.

Сетевые терминалы СT1 и СT2 обеспечивают подключение терминалов пользователя к различным точкам сопряжения сети ISDN.

Сетевой терминал СT2 обеспечивает взаимодействие c сетью терминалов пользователя, которые подключены к магистрали S.

Точка сопряжения S используется для подключения терминалов пользователя к сетевому терминалу.

Точка сопряжения T используется для подключения сетевых терминалов СT1 и СТ2.

Точка сопряжения U используется для подключения сетевого терминала СT1 к коммутатору ISDN.

Обычно указанные выше компоненты сети ISDN не изготавливаются в виде отдельных блоков. Как правило, сетевые терминалы изготавливаются в виде единого устройства, которое обозначается СT (NT). Точка сопряжения с терминалами пользователя в данном случае обозначается S/T.

Типы сервиса сетей ISDN

Существует две разновидности цифровых сетей с интеграцией услуг: сеть N-ISDN и сеть B-ISDN.

Сеть N-ISDN (narrowband) обеспечивает передачу данных со скоростью до 2048 Кбит/с. Сеть B-ISDN (broadband) предназначена для передачи данных со скоростью до 155 000 Кбит/с. В дальнейшем будет рассматриваться только сеть N-ISDN. Интеграция разнородных трафиков в сети ISDN выполняется по принципу временного разделения (time division multiplexing ‑ TDM). Основные типы сервиса сетей ISDN представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Основные типы сервиса сетей ISDN

6.1.3. Пользовательские интерфейсы сетей ISDN

Цифровые сети с интеграцией услуг ISDN поддерживают два типа пользовательских интерфейсов (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Пользовательские интерфейсы ISDN

Интерфейс базовой скорости ISDN (Basic Rate Interface- BRI)предоставляет пользователю услуги сети ISDN в виде двух каналов с пропускной способностью 64 Кбит/с (два канала типа В). Для передачи канальной сигнализации используется отдельный канал, который имеет пропускную способность 16 Кбит/с (канал типа D). Таким образом, интерфейс базовой скорости обозначается 2B D и обеспечивает общую пропускную способность 192 Кбит/с.

Интерфейс первичной скорости ISDN (Primary Rate Interface ‑ PRI)имеет различную структуру в различных регионах. В Европе PRI предоставляет пользователю сеть ISDN в виде 30 каналов B ‑ типа и одного канала D ‑ типа (30B D). В США и Японии PRI предоставляет пользователю сеть ISDN в виде 23 каналов B ‑ типа и одного канала D ‑ типа (23B D). Суммарная пропускная способность составляет в Европе 2 048 Кбит/с и 1 544 Кбит/с ‑ в США и Японии.

Сети ISDN можно использовать для передачи данных, для объединения удаленных локальных сетей, для доступа к сети Internet, для интеграции передачи разного вида трафика, в том числе видео и голосового. Терминальными устройствами сети могут быть цифровые телефонные аппараты, компьютеры с ISDN-адаптерами, видео- и аудиооборудование.

Основные достоинства сетей ISDN:

— предоставление пользователям широкого круга качественных услуг;

— использование обычных линий связи с мультиплексированием одного канала между несколькими абонентами;

— высокая скорость (до 128 Кбит/с) передачи информации по телефонным каналам связи;

— высокая эффективность использования в глобальных сетях.

Недостатки сетей ISDN:

— большие затраты при создании и модернизации сети;

— синхронное использование каналов связи, не позволяющее динамически подключать к работающему каналу новых абонентов.

Сети и технология Х.25

Технология коммутации кадров Frame Relay (FR) разработана в начале 80-х годов ХХ века для использования в сетях ISDN и является упрощенным вариантом сетей с коммутацией пакетов. Обеспечивает информационное взаимодействие на физическом и канальном уровне модели OSI. Результаты сравнительного анализа и преимущества технологии FR по сравнению с X.25 и ISDN приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Характеристики технологий глобальных сетей

Принципы построения и компоненты сетей Frame Relay

Принципиальное отличие технологии Frame Relay от других заключается в организации информационного взаимодействия абонентских систем сети только на физическом и канальном уровнях модели OSI. Это позволяет сократить объем управляющей информации в информационном кадре и тем самым повысить общую эффективность передачи данных по каналам сети.

Технология Frame Relay не имеет встроенных функций контроля доставки и управления потоком кадров. Предполагается, что каналы передачи данных являются достаточно надежными, а функции управления потоком выполняются протоколами верхних уровней. Эти особенности и обеспечивают преимущества сетей Frame Relay по сравнению с другими сетями.

…

Компонентами сети Frame Relay являются устройства трех типов:

— абонентские системы или терминальные устройства ‑ ООД (DTE);

— аппаратура передачи данных ‑ устройства АПД (DCE);

— мультимедийные коммутаторы кадров ‑ устройства FRAD (Frame Relay Access Device).

Структурная схема сети Frame Relay представлена на рис. 6.4. В качестве устройств ООД могут выступать отдельные терминалы, хост-компьютеры, локальные сети и т.п.

Рис. 6.4. Структура сети Frame Relay

Информационный обмен в сетях Frame Relay осущест-вляется на основе виртуальных каналов (virtual circuits). Виртуальный канал представляет собой логическое соединение, которое создается между двумя устройствами ООД и используется для передачи данных. В сети Frame Relay используется два типа виртуальных каналов ‑ коммутируемые (SVC, Switched Virtual Circuit) и постоянные (PVC, Permanent Virtual Circuit).

Коммутируемые виртуальные каналы SVC представляют собой временные соединения для передачи импульсного трафика между двумя устройствами ООД.

Постоянные каналы PVC представляют собой постоянное соединение, обеспечивающее информационный обмен между двумя устройствами ООД.

Для идентификации виртуальных каналов в сети Frame Relay используется аппарат DLCI (Data-Link Connection Identifier). Идентификатор DLCI определяет номер виртуального порта для процесса пользователя.

Структура кадра Frame Relay

Кадр Frame Relay содержит минимально необходимое количество служебных полей. Структура кадра приведена на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Структура кадра Frame Relay

Поле «Флаг» выполняет функцию обрамления кадра.

В поле «Заголовок кадра» размещается информация, которая используется для управления виртуальными соединениями и процессами передачи данных в сети Frame Relay. Поле данных в кадре Frame Relay имеет переменную длину и предназначено для переноса пользовательских блоков данных. Поле FCS содержит 16-разрядную контрольную сумму всех полей кадра Frame Relay за исключением поля «флаг».

Отличительной особенностью асинхронной сетевой технологии АТМ является повышение пропускной способности физического канала передачи данных за счет более эффективного уплотнения трафика логических подканалов.

Сравнительные возможности по уплотнению разнородного трафика традиционных синхронных технологий, основанных на временном мультиплексировании каналов TDM (Time Division Multiplexing), и технологии АТМ представлены на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Возможности повышения пропускной способности канала за счет уплотнения трафика технологий TDM (а) и АТМ (б)

Передача ячеек в сетях АТМ возможна только после предварительного установления соединения между абонентскими системами. Соединение выполняется сетевыми коммутаторами по запросу передающей абонентской системы.

Структурная схема сети АТМ представлена на рис. 6.7. Основными компонентами сетей АТМ являются:

— АТМ-коммутаторы, представляющие собой высоко-производительные специализированные вычислительные устройства, реализующие передачу информационных ячеек по магистральным каналам сети;

— сетевые магистральные и пользовательские каналы связи;

— абонентские системы с сетевыми АТМ-адаптерами.

В сетях АТМ информация, передаваемая между абонентскими системами, разбивается на информационные кадры фиксированного размера в 53 байта. Такие кадры называются ячейками (cell). Ячейки пересылаются между абонентскими системами через сеть АТМ — коммутаторов.

…

Рис. 6.7. Структура сети АТМ: АС – абонентская система; СРЕ (Customer Premises Equipment) – АТМ-адаптер абонентской системы; UNI (User — Network Interface) – интерфейс пользователь-сеть; NNI (Network — Network Interface) – интерфейс сеть-сеть

Коммутация ячеек сочетает преимущества коммутации пакетов (передача данных в виде индивидуально адресуемых кадров) и коммутации каналов (использование кадров небольшого фиксированного размера, уменьшающих задержки в сети), что обеспечивает передачу данных по каналам АТМ со скоростями от 155 Мбит/с до 2,2 Гбит/с (в перспективе до 10 Гбит/с).

АТМ-коммутаторы создают широкополосный физический канал, в котором динамически можно формировать более узкополосные виртуальные каналы. Для передачи ячеек с требуемым качеством сформированные каналы должны обладать заданной пропускной способностью, а соответствующие им коммутаторы ‑ необходимым объемом буферной памяти. Все физические соединения в сетях АТМ выполняются по принципу «точка ‑ точка». Определено два основных интерфейса, которые должны поддерживать сетевые коммутаторы:

— интерфейс пользователь-сеть (UNI, User-to-Network Interface), используемый для соединения абонентских систем с АТМ-коммутаторами;

— интерфейс сеть-сеть (NNI, Network-to-Network Interface), предназначенный для соединения магистральных коммутаторов между собой.

Формат АТМ- ячеек

Все АТМ-ячейки имеют фиксированный размер в 53 байта, 5 байтов из которых отведены под заголовок и 48 байтов — под пользовательские данные. Ячейки, передаваемые через интерфейсы UNI и NNI, отличаются друг от друга только форматом заголовка (рис. 6.8).

Поле GFC (Generic Flow Control) ‑ общее управление потоком, существует только в UNI и, как правило, не используется. В NNI биты, занимаемые этим полем, передаются полю VPI.

Поле VPI (Virtual Path Identifier) ‑ идентификатор виртуального пути. Виртуальный путь может объединять виртуальные каналы, проложенные по одному маршруту через сеть, или каналы, имеющие общую часть маршрута.

Рис. 6.8. Форматы АТМ-ячеек для интерфейсов UNI и NNI

Поле VCI (Virtual Channel Identifier) ‑ идентификатор виртуального канала, назначаемый соединению при его установлении. Все ячейки, передаваемые через это соединение, имеют одинаковый VCI. Поля VCI и VPI позволяют определить следующую точку назначения ячейки — следующий коммутатор на маршруте ее передачи.

Каждый коммутатор назначает этим полям новые значения, так что содержимое полей VPI и VCI имеют смысл только для одной конкретной линии связи, а не для всей сети.

Поле PT (Payload Type) ­ тип информации, позволяет различать пользовательские и служебные ячейки. Первый бит этого поля в пользовательских ячейках равен 0, а в служебных ‑ 1.

Поле CLP (Congestion Loss Priority) ‑ приоритет потерь при перегрузках, выставляется в 1 для указания низкоприоритетных ячеек, которые можно удалить при перегрузке сети.

Поле HEC (Header Error Control) ‑ контрольная последовательность для заголовка, содержит контрольную сумму, вычисленную с помощью корректирующего кода Хемминга.

Коммутаторы ATM могут работать в двух режимах, различающихся использованием значений полей VCI и VPI:

— в режиме коммутации виртуального пути;

— в режиме коммутации виртуального канала.

Виртуальный путь представляет собой группу виртуальных каналов, которые в пределах данного интерфейса имеют одинаковое направление передачи данных.

Виртуальный канал представляет собой фрагмент логического соединения, по которому производится передача данных одного пользовательского процесса.

Первый режим игнорирует поле VCI и выполняет передачу ячеек только на основе поля VPI. Так работают магистральные коммутаторы, коммутирующие группы виртуальных каналов как единое целое ‑ виртуальный путь. Коммутаторы локальных сетей обычно работают во втором режиме ‑ режиме коммутации виртуальных каналов, игнорируя поле VPI и анализируя только поле VCI.

Глобальная сеть Интернет объединяет миллионы абонентс-ких систем, оснащенных компьютерами разных типов (от персональных компьютеров до больших и сверхбольших компьютеров ‑ мэйнфреймов). Для обеспечения их информационного взаимодействия между собой используется специальная система протоколов. Основу этой системы составляют два главных протокола:

Internet Protocol (IP) ‑ протокол межсетевого взаимодействия, выполняет функции сетевого уровня модели OSI.

Transmission Control Protocol (ТСР) ‑ протокол управления передачей, выполняет функции транспортного уровня модели OSI.

Функции протокола IР:

— организует разбиение сообщений на электронные пакеты (IР-дейтаграммы);

— маршрутизирует отправляемые пакеты;

— обрабатывает получаемые пакеты.

Функции протокола TCP:

— управляет потоком информационных пакетов;

— обрабатывает ошибки в пакетах;

— гарантирует получение и сборку информационных пакетов в нужном порядке.

Реализация стека протоколов TCP/IP включает следующие процедуры:

— передаваемая информация упаковывается средствами прикладной программы в блоки заданного формата;

— протокол IР разделяет эти блоки на информационные пакеты. Пакеты имеют стандартный размер. Одно длинное сообщение может размещаться в нескольких пакетах или в один пакет может быть помещено несколько коротких сообщений, если у них одинаковый адрес получателя;

…

— каждому пакету присваивается индивидуальный номер и заголовок. Номера пакетов позволяют в дальнейшем контролировать полноту получения информации;

— каждый пакет доставляется адресату независимо от всех других пакетов по оптимальному на текущий момент времени маршруту, т.е. пакеты могут передаваться разными путями, что позволяет повысить общую эффективность использования каналов телекоммуникационной сети и надежность доставки пакетов;

— полученные пакеты контролируются средствами протокола TCP на наличие ошибок. В случае искажения или потери пакета организуется его повторная передача;

— все пакеты одного сообщения группируются вместе, проверяется наличие всех пакетов этого сообщения. В случае полноты и достоверности пакетов, они объединяются в единое сообщение.

Поскольку сообщение восстанавливается только после получения всех неискаженных пакетов, последовательность их получения может быть произвольной и значения не имеет.

Протоколы IP и TCP тесно связаны между собой и часто указываются под одним названием ‑ протоколы стека TCP/IP.

На основе стека протоколов TCP/IP разработаны следующие широко применяемые в сети Internet сервисные протоколы:

— протокол передачи файлов (FTP, File Transfer Protocol);

— протокол удаленного доступа, т.е. дистанционного исполнения команд на удаленном компьютере (Telnet);

— простой протокол пересылки электронной почты (SMTP, Simple Mail Transfer Protocol);

— протокол передачи гипертекста в World Wide Web (HTTP, Hyper Text Transfer Protocol);

— протокол передачи новостей (NNTP, Network News Transfer Protocol).

Эти протоколы порождают в сети соответствующие им прикладные процессы. Информационное взаимодействие между процессами реализуется протоколом TCP. Одновременно в сети может выполняться несколько процессов. Для идентификации процессов им присваиваются номера, называемые номерами портов. Номера портов могут жестко закрепляться за конкретными процессами или динамично присваиваться процессам сервером портов при их активизации.

Пример жесткого закрепления номеров портов:

— порт 21 ‑ закреплен за процессом передачи файлов протоколом FTP;

— порт 23 ‑ закреплен за процессом удаленного доступа к файлам протоколом Telnet.

Номер порта и IP-адрес однозначно определяют процесс, выполняемый в сети.

Для идентификации источников и приемников информации в сети Интернет всем абонентским системам (хост-компьютерам) присваиваются уникальные адреса, отвечающие следующим требованиям [2]:

— адрес должен иметь формат, позволяющий просто и оперативно выполнять вычислительным средствам абонентских систем и узлов коммутации его обработку;

— адрес должен быть понятен пользователю и нести определенную информацию об адресуемом объекте.

С учетом этих требований адреса абонентских систем в сети Интернет могут иметь двойную кодировку:

— обязательный цифровой IР-адрес, легко воспринимаемый и обрабатываемый всеми вычислительными средствами сети;

— необязательный символьный DNS-адрес (DNS, Domain Name System), удобный для восприятия пользователем.

Цифровой IP-адрес версии V.4 представляет собой 32-разрядное двоичное число, которое разделяется на четыре блока по 8 бит. Два старших блока могут в зависимости от формата (класса адреса) определять адрес сети, входящей в состав глобальной сети Интернет, а два других ‑ адреса подсети и хост компьютера внутри этой подсети. Структура одного из возможных форматов IP-адреса представлена на рис. 7.2.

Пример 1:

10110010 00011110 10011100 11110111 ‑ IP-адрес в двоичном коде;

178. 030. 152. 247 ‑ IP-адрес в десятичном коде;

178. 030 ‑ адрес сети;

152 ‑ адрес подсети;

247 ‑ адрес хост-компьютера внутри подсети.

…

Рис. 7.2. Структура IP-адреса

Ввиду огромного количества подключенных к сети Интернет абонентских систем ощущается ограниченность 32-разрядных IP-адресов, поэтому ведется разработка модернизированного протокола IP-адресации, имеющего целью:

— повышение пропускной способности сети;

— создание лучше масштабируемой и адаптируемой схемы адресации;

— обеспечение гарантий качества транспортных услуг;

— обеспечение защиты информации, передаваемой в сети.

Основой этого протокола являются 128-битные адреса, обеспечивающие более 1 000 адресов на каждого жителя земли. Внедрение этой адресации (IP-адресация версии V.6) снимет проблему дефицита цифровых адресов.

Доменный адрес состоит из нескольких, отделяемых друг от друга точкой буквенно-цифровых доменов (domain ‑ область). Этот адрес построен на основе иерархической классификации: каждый домен, кроме крайнего левого, определяет целую группу абонентских систем, выделенных по какому-либо признаку, при этом домен группы, находящейся слева, является подгруппой (поддоменом) правого домена. Всего в сети сейчас насчитывается более 120 000 разных доменов.

Пример двухбуквенного обозначения доменов некоторых стран приведен в табл.7.1.

Таблица 7.1

Обозначение доменов некоторых стран

Пример обозначения доменов, разделяемых по тематическим признакам, приведен в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Обозначение доменов по тематическому признаку

Доменный адрес может иметь произвольную длину. В отличие от цифрового адреса он читается в обратном порядке. Вначале указывается домен нижнего уровня ‑ имя хост-компьютера, затем последующие домены ‑ имена подсетей и сетей, в которых он находится, и домен верхнего уровня ‑ чаще всего идентификатор географического региона (страны). Каждый уровень доменов отделяется друг от друга точкой.

Пример 2.

WWW.PVIRE_KV.NAROD.RU ‑ DNS-адрес рекламного сайта ПВИРЭ КВ.

RU ‑ домен страны России.

NAROD ‑ поддомен ‑ специализированный сервер для размещения сайтов.

PVIRE_KV ‑ рекламный сайт Пушкинского ВИРЭ КВ.

WWW ‑ сервер World Wide Web.

Преобразование доменного адреса в соответствующий цифровой IP-адрес автоматически выполняют специальные DNS-серверы (Domain Name Server) ‑ серверы имен. Поэтому пользователю нет необходимости знать цифровые адреса.

Для работы в Интернете достаточно знать только доменный адрес компьютера или пользователя, с которым необходимо установить связь.

Но более эффективно для адресации использовать не просто доменный адрес, а универсальный локатор ресурсов – URL-адрес (Universal Resource Locator), который дополнительно к доменному адресу содержит указания на используемую технологию доступа к ресурсам и спецификацию ресурса внутри файловой структуры компьютера.

Пример 3.

HTTP://WWW.PVIRE_KV.NAROD.RU ‑ URL-адрес реклам-ного сайта. HTTP-протокол передачи гипертекста, используемый для доступа. WWW.PVIRE_KV.NAROD.RU ‑ DNS-адрес рекламного сайта ПВИРЭ КВ.

К основным сервисным возможностям глобальной сети Интернет, получившим наибольшее распространение и популярность у пользователей, относятся следующие:

1. Всемирная паутина (WWW, World Wide Web) ‑ это система «страниц», содержащих текст, графику, звуковые файлы и видеоизображения. Построены «страницы» по системе гипертекста, то есть каждый их элемент может быть связан с другой страницей. Для работы с Интернет-страницами необходима специальная программа просмотра ‑ браузер. В ОС WINDOWS такой программой является Internet Explorer.

World Wide Web является на сегодняшний день самым распространенным сервисом сети Интернет.

2. Серверы FTP (File Transfer Protocol) ‑ вторая по значимости сервисная служба сети Интернет. Серверы FTP ‑ это файловые архивы на удаленных компьютерах. Работать с ними можно точно так же, как с файлами на собственном компьютере с помощью программы «Проводник» или другой программы для работы с файлами.

3. E-Mail ‑ Электронная почта. Очень широко распространенный сервис. Для работы с этим сервисом необходима специальная почтовая программа.

4. News ‑ серверы новостей. Этот сервис напоминает электронную почту, только сообщения посылаются не на «почтовый ящик» конкретного адресата, а в специальную «группу новостей». И читать их может не один человек, а все подписчики.

При работе с перечисленными сервисными службами наиболее значимые достоинства сети Интернет проявляются в следующем:

…

1. Интернет ‑ самый массовый и оперативный источник информации.

В Интернете расположены электронные варианты многих тысяч газет и журналов, через сеть ведут трансляцию сотни радиостанций и телекомпаний. Трудно найти какую-либо область человеческой деятельности, которая не была бы представлена в Интернете во всей своей полноте сотнями и тысячами «страничек».

Другая популярная технология получения информации — через так называемые группы новостей, число которых приближается сегодня к ста тысячам, а также многочисленные рассылки, распространяющиеся автоматически по каналам электронной почты.

2. Интернет ‑ крупнейший в мире источник развлечений. Игры и музыка, кино и театр — все виды искусства и все новинки индустрии развлечений представлены сегодня в Интернете.

3. Интернет ‑ самое прогрессивное средство общения и коммуникации. Ежедневно пользователи сети отправляют друг другу сотни миллионов электронных посланий — для многих из них Интернет полностью заменил обычную почту. Пока сравнительно небольшое число людей пользуется услугами интернет-телефонии и видеоконференций, однако эти технологии общения становятся все более популярными: «пик» спроса на них в России ожидается к концу 2008 года.

4. Интернет ‑ благоприятное пространство для бизнеса. Все более популярной становится электронная торговля, позволяющая пользователю совершить покупку практически любого товара в любой точке планеты.

5. Интернет ‑ это высокоэффективный инструмент для рекламы. Сеть дает любому человеку практически бесплатную возможность оповестить многомиллионную аудиторию о предлагаемых им услугах или продукции.

6. Интернет ‑ источник оперативного обновления и получения новых файлов и программ. Через сеть можно получать новые драйверы для устройств, входящих в состав компьютера, исправления и дополнения для используемых программ, а также их новые версии. Программные средства в сети могут распространяться бесплатно или по безналичному расчету.

Все сервисные возможности сети Интернет по времени реакции на запрос пользователя подразделяются на следующие группы:

— сервисные услуги отложенного ответа;

— сервисные услуги прямого обращения;

— сервисные услуги интерактивного взаимодействия.

Услуги отложенного ответа являются наиболее расспрос-траненными. Они универсальны и наименее требовательны к ресурсам абонентских систем и каналов связи. Основной признак этой группы услуг ‑ запрос и ответ на него могут быть существенно разделены во времени. Услуги прямого обращения характеризуются тем, что информация по запросу пользователю предоставляется немедленно, но от пользователя немедленной ответной реакции не требуется. Услуги интерактивного взаимодействия предоставляют пользователю возможность немедленного получения ответа на запрос, но требуют от него немедленной ответной реакции на полученную информацию.

WWW (World Wide Web) — Всемирная паутина — является наиболее распространенной и популярной информационной службой Интернета. Она предполагает наличие в сети клиентских и сервисных абонентских систем, которые получили название web-клиенты и web-серверы. Основу WWW составляют три базовые технологии:

— универсальный способ адресации ресурсов в сети — URL-адреса (Universal Resource Locator);

— протокол обмена гипертекстовой информацией HTTP (Hypertext Transfer Protocol);

— язык гипертекстовой разметки документов HTML (Hypertext Markup Language).

Протокол обмена гипертекстовой информацией HTTP

Web-серверы содержат информационные страницы, которые обычно называют web-страницами.

Информация на web-страницах имеет следующие характерные особенности:

— она может быть представлена в различных формах ‑ в виде форматированного текста, графических и анимированных объектов, в аудио- и видеоформе;

— она снабжена перекрестными ссылками для вызова нового сервера, страницы, абзаца на странице или нового объекта.

В основе организации перекрестных ссылок лежит технология гипертекста, определяемая протоколом передачи гипертекста HTTP (Hypertext Transfer Protocol).

Гипертекст (гипертекстовый документ) ‑ это текстовый документ, содержащий ссылки на другие части данного документа, на другие документы, на объекты нетекстового формата (звук, графика, видео), в совокупности с системой, позволяющей такой текст читать, отслеживать ссылки, отображать графику, воспроизводить аудио- и видеовставки. Гипертекст с мультимедийными компонентами (аудио, видео) часто называют системами гипермедиа (Hypermedia).

…

Таким образом, гипертекст ‑ это документ, имеющий ссылки на другие документы.

Внутри гипертекста ссылки обычно выделяются другим цветом и подчеркиваются. Указание на них курсором мыши приводит к его видоизменению (появляется кисть руки с вытянутым указательным пальцем), а щелчок левой кнопкой позволяет автоматически перейти в соответствии с тематикой выделенного текста на другую часть этого же документа, на другой документ в этом же компьютере или на документы на любом другом компьютере, подключенном к Интернету. Связь между гипертекстовыми документами осуществляется с помощью ключевых слов. Найдя ключевое слово, пользователь может перейти в другой документ, чтобы получить дополнительную информацию. Новый документ также будет иметь гипертекстовые ссылки.

Структурно гипертекстовые документы представляют собой текстовые файлы, в которые встроены команды специального языка разметки гипертекстов HTML (Hypertext Markup Language).

Контрольные вопросы

1. Что называется Internet Protocol (IP)?

2. Что называется Transmission Control Protocol (ТСР)?

3. Каковы функции протокола IP?

4. Каковы функции протокола TCP?

5. Какие процедуры включает в себя стек протоколов TCP/IP?

6. Какие сервисные протоколы сети Internet были разработаны на основе стека протоколов TCP/IP?

7. Система адресации абонентских систем в сети Интернет?

8. Какие существуют виды подключения к сети Интернет?

9. Какие существуют сервисные возможности глобальной сети Интернет?

10. Какие три базовые технологии составляют основу World Wide Web?

11. Какие характерные особенности имеет информация, представленная на web-страницах?

12. Что называется гипертекстом (гипертекстовым докумен-том)?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существующие компьютерные и телекоммуникационные сети обладают целым рядом недостатков, из которых следует отметить их узкую специализацию, отсутствие гибкости и адаптации к изменению требований пользователей, а также низкую эффективность использования сетевых ресурсов. Поэтому дальнейшее совершенствование и повышение эффективности компьютерных и телекоммуникационных сетей является одним из наиболее приоритетных направлений развития отечественных информационных технологий. Успехи в этой области должны позволить существенно повлиять на усиление обороноспособности страны, активизировать и стимулировать науку, экономику, бизнес, образование, медицину и т.д., что позволит создать в России современное информационное сообщество.

Главной тенденцией развития отечественной и мировой телекоммуникационной среды в ближайшей перспективе является постепенная конвергенция всех типов и разновидностей информационных сетей ‑ телефонных, компьютерных, телевизионных, радиосетей. Уже сегодня компьютерные сети способны передавать несвойственные им изначально типы трафика. Это, прежде всего, звук в разных видах: в форме интерактивного взаимодействия двух участников телефонного разговора; в форме вещания по запросу ‑ передача песен или заранее записанных выступлений или интервью через Интернет; в форме голосовой почты. Передача изображения требует существенно более высокой пропускной способности и поэтому пока применяется гораздо в более скромных масштабах, однако даже при скорости доступа 64-128 кбит/с можно просмотреть в реальном времени телепередачу в небольшом прямоугольном окошке на экране ПК.

Таким образом, телекоммуникационные сети будущего ‑ это сети, одинаково хорошо передающие и пульсирующий трафик данных, и потоковый трафик звука и видео. Сети будущего унаследуют лучшие черты своих прародителей ‑ телефонных и компьютерных сетей, а также сетей радио и телевещания, но с использованием общей транспортной технологии, которая должна обеспечить передачу каждого типа трафика с требуемым для него качеством обслуживания (QoS). Такая технология должна, по общему мнению специалистов, основываться на технике коммутации пакетов и широко применять IP-протокол, что роднит сети будущего с нынешними компьютерными сетями, но со значительными технологическими новациями.

В число таких усовершенствований, скорее всего, войдут терминальные устройства нового типа, которые будут сочетать функциональную мощь ПК с простотой в обращении телефона. Прообразом таких устройств сегодня являются портативные и карманные компьютеры, органайзеры, персональные секретари и мобильные телефоны. Появление устройства, которое позволяет нажатием нескольких кнопок получить доступ к заранее заданным web-страницам, организовать телефонный разговор, отправить электронное письмо с мультимедийными вложениями или заказать демонстрацию на экране нужного видеофильма (и получить доступ ко многим другим услугам, которые сегодня пока еще только угадываются), придаст мощный импульс развитию телекоммуникаций. Ответом на резкий рост потребности в сверхскоростном и качественном транспорте станет технология управляемых виртуальных путей на основе стандартов DWDM и GMPLS. Ядро новой публичной телекоммуникационной сети будет строиться на оптических кабелях с большим количеством волокон, что обеспечит мультитерабитную пропускную способность между узлами коммутации и создаст основу для передачи кажущихся сегодня немыслимыми объемов информации между абонентами сети. Для экономичности ядро должно поддерживать коммутацию только сверхскоростных потоков, таких как поток данных определенной длины волны (DWDM-коммутация) или даже поток определенного волокна, не занимаясь более мелкими единицами коммутации. В результате технология SDH уступит свое место в ядре сети, сменив его на роль сети доступа к DWDM-коммутаторам. Еще одним революционным преобра-зованием станет управляемость ядра сети на основе технологии GMPLS, когда пути составных волокон, длин волн (и контейнеров SDH) создаются динамически с помощью единого протокола сигнализации. Важно, что будет существовать и пользовательская версия этого протокола, то есть абонент ядра, например поставщик услуг, сможет пользоваться пропускной способностью гибко, в зависимости от текущих потребностей.

Низкая скорость доступа, особенно для массовых абонентов, является сегодня одним из основных препятствий на пути широкого внедрения новых мультимедийных услуг. Существует несколько путей решения этой проблемы — использование существующих медных абонентских окончаний, что наиболее подходит для массового индивидуального доступа; беспроводной доступ как фиксированный, так и мобильный; прокладка оптических абонентских окончаний с использованием экономичной пассивной технологии PON. Для разделения пропускной способности каналов доступа будет применяться технология виртуальных соединений для микропотоков в форме ATM или IP/MPLS.

Несмотря на существенное повышение пропускной способности как ядра сети, так и сетей доступа, заторы трафика при одновременном повышении информационной емкости соединений все же возможны, поэтому для качественной передачи трафика в сетях будущего будут широко применяться методы поддержания QoS. В ядре сети это будут методы, предоставляющие гарантии обслуживания крупным агреги-рованным потокам, несущим данные одного типа для большого количества абонентов, т.е. методы, близкие к технологии DiffServ, начинающей находить применение в сетях операторов. В сети доступа будут применяться методы поддержки качества обслуживания для индивидуальных потоков, аналогичные тем, которые применяются в технологиях ATM и IntServ.

Изменяются и локальные сети. Вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них в большом количестве появилось разнообразное коммуникационное оборудование ‑ коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы, радиоточки доступа. Благодаря такому оборудованию стало возможным построение больших корпоративных сетей, насчитывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру. Возродился интерес к крупным компьютерам ‑ в основном из-за того, что после спада эйфории по поводу легкости работы с персональными компьютерами выяснилось, что системы, состоящие из сотен серверов, обслуживать сложнее, чем несколько больших компьютеров. Особенно это важно на современном этапе для сложных военно-технических систем военного назначения и, прежде всего, для систем ракетно-космической обороны, которые в наибольшей степени насыщены компьютерными, сетевыми и телеком-муникационными средствами и системами. Поэтому на новом витке эволюционной спирали в крупные организации различного назначения и на предприятия стали возвращаться мэйнфреймы, но уже как полноправные сетевые узлы, поддерживающие технологию Ethernet или Token Ring, а также стек протоколов TCP/IP, ставший благодаря Интернету сетевым стандартом де-факто.

Вот только некоторые направления развития компьютерных и телекоммуникационных сетей, которые отчетливо видны уже сегодня, и знание которых позволит специалистам в области информационных технологий более целенаправленно совер-шенствовать свою профессиональную подготовку.

БИБЛИОГРАФИЧЕКИЙ СПИСОК

1. Олифер В.Г., Олифер Н.А.. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд. ‑ СПб.: Питер, 2004. ‑ 864 с.

2. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. ‑ СПб.: Питер, 2000. – 576 с.

3. Дж. Уолрэнд. Телекоммуникационные и компьютерные сети. Вводный курс. ‑ М.: Постмаркет, 2001. ‑ 480 с.

4. Танненбаум Э. Компьютерные сети. ‑ СПб.: Питер, 2002.

5. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга. ‑ М.: Финансы и статистика, 1996. – 368 c.

6. Смирнова И.Е. Начала Web-дизайна. ‑ СПб.: БХВ-Петербург, 2003.

7. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. ‑ СПб.: Питер, 2002.

8. Брейман А.Д. Сети ЭВМ и телекоммуникации: Учебное пособие. Часть 1. Общие принципы построения сетей. Локальные сети. ‑ М.: МГАПИ, 2001.

9. Панфилов И.В., Хабаров С.П., Заяц А.М. Информационные сети: Учебное пособие. ‑ СПб.: СПбГЛТА, 2003.

10. Основы современных компьютерных технологий: Учебник / Под ред. проф. А.Д. Хомоненко. ‑ СПб.: КОРОНА принт, 2005.

11. Строганов М.П., Щербаков М.А. Информационные сети и телекоммуникации: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 2008.

12. Microsoft Corporation. Межсетевое взаимодействие. Ресурсы Microsoft Windows 2000 Server. ‑ М.: Изд-во «Русская Редакция», 2002. ‑ 736 с.

13. Амато В. Основы организации сетей Cisco. Tом 1. ‑ М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. ‑ 512 с.

14. Амато В. Основы организации сетей Cisco. Tом 2. ‑ М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. ‑ 464 с.

15. Браун С. Виртуальные частные сети. ‑ М.: Лори, 2001. ‑ 480 с.

16. Информационные технологии, вычислительные и управляющие системы. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 14 / Главн. ред. д.т.н., проф. В.Н. Васильев. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. ‑ 379 с.

17. Гайсина Л.Ф. Сети ЭВМ и телекоммуникации: Учебное пособие. ‑ Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. ‑ 160 с.

18. Горячев А.В., Новакова Н.Е., Нисковский А.В., Полехин А.В. Основы сетевых технологий: Учебное пособие. ‑ СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. ‑ 64 с.

19. Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Основы локальных сетей. ‑ М.: Изд-во «Интернет-университет информационных технологий — ИНТУИТ.ру», 2005. ‑ 360 c.

20. Поляк‑Брагинский А.В. Обслуживание и модернизация локальных сетей. Популярный самоучитель. ‑ СПб.: Питер, 2004. — 352 с.

21. Самойленко В. Локальные сети. Полное руководство. ‑ Киев: Век, 2002. ‑ 400 с.

Заргарян Юрий Артурович

Заргарян Елена Валерьевна

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТИ

И

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Учебное пособие

Ответственный за выпуск Финаев В.И.

Редактор Чиканенко Л.В.

Корректоры Селезнева Н.И., Надточий З.И.

ЛР №020565 от 23.06.97 г. Подписано к печати

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.

Офсетная печать Усл.п.л. – 16,4 Уч.-изд.л. – 16,3.

Заказ № Тираж 150 экз.

«С»

Издательство Технологического института

Южного федерального университета

ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44

Типография Технологического института

Южного федерального университета

ГСП 17А, Таганрог, 28, Энгельса, 1