Самоподобные множества с необычными свойствами в математике

Начиная с конца XIX века, в математике появляются примеры самоподобных объектов с патологическими с точки зрения классического анализа свойствами. К ним можно отнести следующие:

• множество Кантора — нигде не плотное несчётное совершенное множество. Модифицировав процедуру, можно также получить нигде не плотное множество положительной длины.

• треугольник Серпинского («скатерть») и ковёр Серпинского — аналоги множества Кантора на плоскости.

• губка Менгера — аналог множества Кантора в трёхмерном пространстве;

• примеры Вейерштрасса и Ван дер Вардена нигде не дифференцируемой непрерывной функции.

• кривая Коха — несамопересекающаяся непрерывная кривая бесконечной длины, не имеющая касательной ни в одной точке;

• кривая Пеано — непрерывная кривая, проходящая через все точки квадрата.

• траектория броуновской частицы также с вероятностью 1 нигде не дифференцируема. Её хаусдорфова размерность равна двум

Стохастические фракталы

Рандомизированный фрактал на основе множества Жюлиа

Природные объекты часто имеют фрактальную форму. Для их моделирования могут применяться стохастические (случайные) фракталы. Примеры стохастических фракталов:

• траектория броуновского движения на плоскости и в пространстве;

• граница траектории броуновского движения на плоскости. В 2001 году Лоулер, Шрамм и Вернер доказали предположение Мандельброта о том, что её размерность равна 4/3.

• эволюции Шрамма-Лёвнера — конформно-инвариантные фрактальные кривые, возникающие в критических двумерных моделях статистической механики, например, в модели Изинга и перколяции.

• различные виды рандомизированных фракталов, то есть фракталов, полученных с помощью рекурсивной процедуры, в которую на каждом шаге введён случайный параметр. Плазма — пример использования такого фрактала в компьютерной графике.

43. Передача дискретных данных: линии связи, методы передачи дискретных данных на физическом уровне, методы передачи данных канального уровня, методы коммутации.

Линия связи (канал связи) - физическая среда (кабель, атмосфера, космическое пространство), по которой передаются информационные сигналы, аппаратура передачи данных и промежуточная аппаратура. Линии связи: проводные (воздушные) – провода без изолирующих или экранирующих оплеток; кабельные (медные и волоконно-оптические) – проводник, заключенный в несколько слоев изоляции; радиоканалы наземной и спутниковой связи – передатчик и приемник радиоволн.

Аппаратура передачи данных (модемы, терминальные адаптеры сетей ISDN, устройства подключения к цифровым каналам)– связывает компьютеры или локальные сети с линией связи. Работает на физическом уровне, отвечая за передачу и прием сигнала нужной формы и мощности в физическую среду. Аппаратура, вырабатывающая данные для передачи по линии связи и подключаемая к аппаратуре передачи данных – оконечное оборудование данных (маршрутизаторы, компьютеры).

Промежуточная аппаратура используется на линиях связи большой протяженности (глобальные сети), решает две основные задачи: улучшение качества сигнала; создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети. В зависимости от типа промежуточной аппаратуры линии связи делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях – сигналы имеют непрерывный диапазон значений. В цифровых линиях – сигналы имеют конечное число состояний.

Амплитудно-частотная характеристика показывает, как затухает амплитуда (мощность сигнала) синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой (мощность) на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.

Полоса пропускания – непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Ширина полосы пропускания влияет на максимальную скорость передачи информации.

Затухание – относительное уменьшение амплитуды (мощности сигнала) при передаче по линии сигнала определенной частоты. Измеряется в децибелах, вычисляется A = 10 log₁₀ P_вых / Р_вх, где P_вых – мощность сигнала на выходе линии, Р_вх – на входе. Затухание всегда является отрицательной величиной.

Абсолютный уровень мощности в децибелах. Базовое значение мощности 1 мВт. Уровень мощности – p = 10 log₁₀P / 1 мВт [дБм – децибел на 1 мВт], где Р – мощность сигнала в милливаттах. Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи (в бит/с). Зависит от амплитудно-частотной характеристики, спектра передаваемых сигналов, от способа кодирования сигналов. Если значимые гармоники сигнала попадают в полосу пропускания, то сигнал передается без искажений. Количество изменений информационного параметра сигнала в секунду измеряется в бодах.

Помехоустойчивость – способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Зависит от типа используемой физической среды, от экранирующих параметров линии. Перекрестные наводки на ближнем конце – помехоустойчивость ко внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводов, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Достоверность передачи данных (интенсивность битовых ошибок) – вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных.

Методы передачи дискретных данных на физическом уровне. При передаче по физическим каналам применяются два типа кодирования: на основе синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция) и на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование). Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой пропускания (телефон). Информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды, для нуля – другой.При частотной модуляции значения 1 и 0 даются синусоидами с различной частотой – f₀ и f₁. При фазовой модуляции 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с разной фазой. В скоростных модемах используются комбинированные методы модуляции. При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических 1 и 0 используется только значение потенциала сигнала, a его перепады во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.

Методы передачи данных канального уровня. Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов данных, поступающих от протоколов верхних уровней. Протоколы канального уровня оформляют переданные им пакеты в кадры собственного формата. Протокол канального уровня имеет локальный смысл, он предназначен для доставки кадров данных в пределах сетей с простой топологией. Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа «точка-точка» глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу. Характеристики протоколов канального уровня: 1) асинхронный/синхронный; 2) символьно-ориентированный /бит-ориентированный; 3) с предварительным установлением соединения/дейтаграммный; 4) с обнаружением искаженных данных/без обнаружения; 5)с обнаружением потерянных данных/без обнаружения; 6) с восстановлением искаженных и потерянных данных/без восстановления; 7) с поддержкой динамической компрессий данных/без поддержки.

Асинхронные протоколы оперируют отдельными символами, которые представлены байтами со старт-стоповыми символами. Используются наборы символов ASCII или EBCDIC. Пользовательские данные могут оформляться в кадры, но байты в кадрах всегда отделяются друг от друга стартовыми и стоповыми сигналами.

В синхронных протоколах все обмены данными осуществляются кадрами, которые имеют заголовок, поле данных и концевик, все биты кадра передаются непрерывным синхронным потоком. Синхронные протоколы бывают символьно-ориентированные (для передачи блоков отображаемых символов) и бит-ориентированные (передача двоичных и символьных данных). Синхронизация в символьно-ориентированных протоколах за счет добавления управляющих символов, в бит-ориентированных за счет добавления стартового и стопового флагов. В дейтаграммных протоколах отсутствует процедура предварительного установления соединения, и за счет этого срочные данные отправляются в сеть без задержек. Протоколы с установлением соединения часто обладают способностью восстановления искаженных и потерянных кадров. Методы обнаружения ошибок – контрольные суммы. Для восстановления информации используется метод повторной передачи на основе квитанций (метод с простоями – источник кадра ожидает прихода квитанции от приемника, метод «скользящего окна» - передается некоторое количество кадров в непрерывном режиме). Для повышения полезной скорости передачи в сетях применяется динамическая компрессия данных.

Методы коммутации. Коммутация обеспечивает доступность физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами. В сетях с коммутацией каналов абонентов соединяет составной канал, образуемый коммутаторами сети по запросу одного из абонентов. Для совместного разделения каналов между коммутаторами сети с несколькими абонентскими каналами используются две технологии: частотного мультиплексирования и мультиплексирования с разделением времени. Для разделения абонентских каналов характерна техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом. В результате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину, приблизительно совпадающую с шириной модулирующего сигнала. Временное разделение ориентировано на дискретный характер передаваемых данных. Аппаратура сетей с временным разделением – мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры. Способы передачи данных по линиям связи делятся на симплексный, полудуплексный, дуплексный. Коммутация пакетов. Все данные разбиваются на исходном узле на части – пакеты (произвольной длины). Пакет имеет заголовок и порядковый номер (для сбора). Пакеты передаются по сети как независимые блоки. Коммутаторы принимают пакеты и передают их узлу назначения. Режим работы дейтаграммный. Передача пакетов по виртуальному каналу (динамические или постоянные) – перед началом передачи устанавливается виртуальный канал, который представляет единственный маршрут, который соединяет конечные узлы. При коммутации сообщений сообщение передается через несколько транзитных компьютеров, где оно целиком буферизуется на диске.

44. Локальные сети: протоколы и стандарты локальных сетей, протокол LLC уровня управления логическим каналом (802.2), технология Ethernet (802.3), технология Token Ring (802.5), технология FDDI, Fast Ethernet и lOOVG-AnyLAN как развитие технологии Ethernet, высокоскоростная технология Gigabit Ethernet.

Организация взаимодействия в локальных сетях основана на использовании разделяемых сред. В разделяемом сегменте всегда работают в полудуплексном режиме. Идет тенденция на отказ от разделяемых сред: соединение узлов индивидуальными связями, использование коммутируемых связей и микросегментации. Появился полнодуплексный режим работы для всех технологий локальных сетей. В 1980 г. в IEEE был организован комитет 802 по стандартизации ЛВС, принявший стандарты IEEE 802.х, содержащие рекомендации по проектированию нижних уровней ЛВС (физического и канального). Канальный уровень в ЛВС делится на два подуровня: 1) логической передачи данных (LLC) – передача кадров между узлами, интерфейс с сетевым уровнем; 2) управления доступом к среде (MAC) – предоставляет общую среду в распоряжение той или иной станции сети. Определяет специфику технологий Ethernet, Token Ring, FDDI и т.д. Протоколы LLC и MAC взаимно независимы. У каждой технологии единственному протоколу MAC соответствует несколько протоколов физического уровня.

Протокол LLC обеспечивает услуги транспорта, передавая кадры либо дейтаграммным методом, либо с помощью процедур с установлением соединения и восстановления кадров. Промежуточное место между протоколами сетевого уровня и MAC. LLC предоставляет три типа процедур: LLC1 – без установления соединения и подтверждения, LLC2 – с установлением соединения и подтверждением, LLC3 – без установления соединения, с подтверждением. Кадры уровня LLC: 1) информационные – для передачи информации в LLC2; 2) управляющие – для передачи команд и ответов в LLC2; 3) ненумерованные – для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления соединения передачу информации, идентификацию и тестирование LLC-уровня, а в LLC2 – установление и разъединение логического соединения и информирование об ошибках. Формат кадров LLC:

Адресные поля DSAP и SSAP показывают службу верхнего уровня пересылающую данные. Data – пакет протоколов вышележащих уровней. В режиме LLC1 используются только ненумерованные кадры (Control 1 байт). В LLC2 – все три типа кадров.

Ethernet – самый распространенный стандарт ЛВС. Используется коллективный метод доступа к среде передачи данных с опознаванием несущей и обнаружением коллизий. Он применяется в сетях с общей шиной. Все передаваемые данные помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Для передачи кадра, проверяется свободность разделяемой среды – прослушиванием несущей частоты. Все станции могут распознавать факт передачи кадра и та станция, которая узнает свой адрес в заголовке кадра, записывает его содержимое в буфер, обрабатывает их, посылает кадр-ответ. Возможна ситуация, когда две станции решают передать кадр - коллизия. Чтобы корректно обработать коллизию все станции наблюдают за возникающими в кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются – фиксируется обнаружение коллизии. После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она снова может предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Полезная пропускная способность – скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна 5,48 Мбит/с. Для кадров максимальной длины – 9,76 Мбит/с. В сетях Ethernet используются кадры 4-х различных типов: 1) кадр 802.3/LLC – кадр МАС подуровня, в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра; 2) кадр Raw 802.3 – кадр подуровня МАС, но без вложенного кадра подуровня LLC$ 3) кадр Ethernet DIX 4) кадр Ethernet SNAP – для устранения разнобоя в кодировках протоколов. Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных: 1) 10Base-5 – толстый коаксиал 2) 10Base-2 – тонкий коаксиал 3) 10Base – T – неэкранированная витая пара 4) 10Base-F – волоконно-оптический кабель. Для смешанной сети, состоящей из физических сегментов различного типа полезно проводить расчет общей длины сети и допустимого количества повторителей.

Технология Token Ring. Разделяемая среда передачи данных, состоящая из отрезков кабеля, соединяющих все станции в кольцо. Используется детерминированный алгоритм, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата – маркера. Для контроля сети одна из станций выполняет роль активного монитора. Он выбирается во время инициализации кольца как станция с максимальным значением МАС-адреса. В сети Token Ring любая станция всегда получает данные только от одной станции, которая является предыдущей в кольце – ближайший активный сосед, расположенный выше по потоку. Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для пе­редачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде для передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника. Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копи­рует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. В TR существуют три различных формата кадров: маркер; кадр данных – может переносить служебные данные для управления кольцом (МАС-уровня), либо пользовательские данные(LLC-уровня); прерывающая последовательность – сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

Технология FDDI (оптоволоконный интерфейс распределенных данных) — это первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является волоконно-оптический кабель. Основные характеристики технологии: Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили пе­ред собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели: повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с; повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстанов­ления ее после отказов различного рода — повреждения кабеля, некоррект­ной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т. п.; максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способ­ность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец — это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят воспользоваться этим повышенным потенциалом надеж­ности, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля только первичного кольца, вторичное кольцо в этом режиме не используется. В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может пере­давать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объ­единяется со вторичным, вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется «свертывание» ко­лец. Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Уровни MAC и LLC (пользовательские данные) в Fast Ethernet остались абсолютно теми же. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используются три варианта кабельных систем: волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна; витая пара категории 5, используются две пары; витая пара категории 3, используются четыре пары. Физический уровень включает три элемента: уровень согласования; независимый от среды интерфейс; устройство физического уровня. Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состоит в максималь­ном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении бито­вой скорости в 1000 Мбит/с.

45. Построение локальных сетей по стандартам физического и канального уровней: структурированная кабельная система, концентраторы и сетевые адаптеры, логическая структуризация сети с помощью мостов и коммутаторов, техническая реализация и дополнительные функции коммутаторов.

Структурированная кабельная система – набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях. Хорошая структурированная кабельная система строится избы­точной. Структурированная кабельная система планируется и строится иерархически, с главной магистралью и многочисленными ответвлениями от нее.

Типичная иерархическая структура структурированной кабельной системы включает: горизонтальные подсистемы (в пределах этажа); вертикальные подсистемы (внутри здания); подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими здания­ми). Использование структурированной кабельной системы дает предприятию много преимуществ: 1.Универсальность. 2.Увеличение срока службы. 3.Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. 4.Возможность легкого расширения сети. 5.Более эффективное обслуживание. 6. Надежность.

Выбор типа кабеля для горизонтальных подсистем: Можно выбирать между экранированной витой парой, неэкранированной витой парой, коаксиальным кабелем и волокон­но-оптическим кабелем. Возможно использование и беспроводных линий связи. Горизонтальная подсистема характеризуется очень большим количеством ответв­лений кабеля, поэтому к кабелю, используемому в горизонтальной проводке, предъявляются повышенные требования к удобству выполнения ответвлений, а также удобству его прокладки в помещениях. При выборе кабеля принимаются во внимание следующие характеристики: по­лоса пропускания, расстояние, физическая защищенность, электромагнитная по­мехозащищенность, стоимость.

Выбор типа кабеля для вертикальных подсистем: Кабель должен передавать данные на большие расстояния и с большей ско­ростью по сравнению с кабелем горизонтальной подсистемы. В прошлом основ­ным видом кабеля для вертикальных подсистем был коаксиал. Теперь для этой цели все чаще используется оптоволоконный кабель. Выбор типа кабеля для подсистемы кампуса: Как и для вертикальных подсистем, оптоволоконный кабель является наилуч­шим выбором для подсистем нескольких зданий, расположенных в радиусе не­скольких километров. Для этих подсистем также подходит толстый коаксиаль­ный кабель.

Сетевые адаптеры и концентраторы. Концентраторы и сетевые адаптеры позволяют строить небольшие базовые фрагменты сетей, которые затем должны объединяться друг с другом с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Сетевой адаптер вместе со своим драйвером реа­лизует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети — компьютере. В сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем ОС, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра. Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских ком­пьютеров и адаптеры для серверов. В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Основная функция концентратора (хаб, повторитель) — повторение кадра либо на всех портах, либо только на некоторых портах. Концентратор обычно имеет несколько портов, к которым с помощью отдельных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети — компью­теры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с протоколом локальных сетей. Концентраторы выполняют дополнительные функции.

Виды концентраторов: 1) с фиксированным количеством портов; 2) модульный– отдельные модули с фиксированным количеством портов, устанавливаемых на общее шасси; 3) стековый; 4) модульно-стековый – модульные концентраторы, объединенные специальными связями в стек. Логическая структуризация сети - разбиение общей разделяе­мой среды на логические сегменты, которые представляют собой самостоятель­ные разделяемые среды с меньшим количеством узлов. Сеть, разделенная на ло­гические сегменты, обладает более высокой производительностью и надежностью. Взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мос­тов и коммутаторов.Крупные сети, насчиты­вающие сотни и тысячи узлов, не могут быть построены на основе одной разде­ляемой среды. Все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде. Причина заключается в случайном характере метода доступа к среде, используемом во всех технологиях локальных сетей. В Сеть средних размеров трудно построить на одном разделяе­мом сегменте так, чтобы она работала эффективно при изменении интенсивно­сти генерируемого станциями трафика. При использовании разде­ляемой среды проектировщик сети сталкивается с жесткими ограничениями максимальной длины сети, которые для всех технологий лежат в пределах не­скольких километров. Деление сети на логические сегменты повышает производительность сети (за счет разгрузки сегментов), гибкость построения сети, увеличивая степень защиты дынных, облегчает управление сетью. Мосты и коммутаторы используют алгоритмы: 1) прозрачного моста – строит таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенном к его портам сегментах или 2) моста с маршрутизацией от источника – станция отправитель помещает в кадр всю адресную информацию. Мост (один процессор для обработки потока данных) обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор (мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов) – параллельно. В мостах нет защиты от широковещательного шторма. Топология структурированной сети ограничена древовидной структурой. Применение коммутаторов позволяет сетевым адаптерам использовать полнодуплексный режим работы протоколов локальны сетей. В этом режиме отсутствует этап доступа к разделяемой среде, а общая скорость передачи данных удваивается. Коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем, на которой строится такой узел обмена: 1) коммутационная матрица; 2) разделяемая многовходовая память; 3)общая шина.

В конструктивном отношении коммутаторы могут быть автономными (предназначен для организации небольших рабочих групп), стековыми (выполнены в от­дельном корпусе, имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их объединять в общую систему, работающую как единый коммутатор; говорят, что отдельные коммутаторы образуют стек) и выполненными на основе шасси (предназначены для приме­нения на магистрали сети; выполняются на основе какой-либо ком­бинированной схемы, в которой взаимодействие модулей организуется по быст­родействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема). Основные показатели коммутаторов, характеризующие его производительность: 1) скорость фильтрации кадров – скорость с которой коммутатор выполняет прием кадра в буфер, просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения, уничтожение кадра, так как источник и приемник принадлежат одному порту; 2) скорость продвижения кадров - скорость с которой коммутатор выполняет прием кадра в буфер, просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения, передача кадра; 3) пропускная способность – количество пользовательских данных (в мегабит / с) переданных в единицу времени через его порты; 4) задержка передачи кадра - время, с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента его появления на выходном порту. На характеристики производительности коммутатора влияют: тип коммутации – «на лету» или с полной буферизацией; размер буфера кадров, производительность внутренней шины, производительность процессора; размер внутренней адресной таблицы. Для автоматического поддержания резервных связей в сложных сетях в коммутаторах реализуется алгоритм покрывающего дерева – позволяет автоматически определять древовидную конфигурацию связей. Коммутаторы могут выполнять трансляцию одного протокола в другой. При согласовании протоколов локальных сетей коммутаторы не строят таблиц соответствия адресов узлов, а переносят адреса назначения и источника из кадра одного протокола в кадр другого. Коммутатор позволяет локализовывать потоки информации в сети, контролировать их и управлять ими, опираясь на механизм пользовательских фильтров. Существуют две основные схемы применения коммутаторов: 1) со стянутой в точку магистралью; 2) распределенной магистралью. В больших сетях эти схемы применяют комбинировано.

46.Построение больших сетей: принципы объединения сетей на основе протоколов сетевого уровня, адресация в IP-сетях, протокол IP, протоколы маршрутизации в IP-сетях, средства построения составных сетей стека Novell, основные характеристики маршрутизаторов и концентраторов.

Составная сеть - совокупность нескольких сетей (подсетей), которые соединяются между собой маршрутизаторами. Организация совместной транспортной службы в составной сети называется межсетевым взаимодействием. Сетевой уровень – координатор, организующий работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети. Сетевой адрес – нумерация всех подсетей составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. В сложных составных сетях существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Маршрут — это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от от­правителя до получателя. Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута. Для выбора рационального маршрута дальнейшего следования пакета, каждый конечный узел и маршрутизатор анали­зируют таблицу маршрутизации. Маршрутизатор по умолчанию - маршрутизатор, через который пролегает путь ко всем этим сетям. Для автоматического построения таблиц маршрутизации маршрутизаторы обме­ниваются информацией о топологии составной сети в соответствии со протоколом маршрутизации - собирают и передают по сети служебную информацию. Алгоритмы маршрутизации: 1) одношаговые: фиксированной маршрутизации, простой маршрутизации, адаптивной маршрутизации; 2) маршрутизация от источника. Маршрутизатор представляет собой сложное многофункциональное устрой­ство, в задачи которого входит: построение таблицы маршрутизации, опреде­ление на ее основе маршрута, буферизация, фрагментация и фильтрация поступающих пакетов, поддержка сетевых интерфейсов. Функции маршрути­заторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универ­сальные компьютеры с соответствующим программным обеспечением.

Адресация в IP-сетях: классы, особые адреса, маски, порядок распределения. В стеке TCP/IP используются три типа адресов: 1) локальные (аппаратные )- для адресации узлов в пределах подсети; 2) сетевые(IP-адреса)- для однозначной идентификации узлов в пределах всей составной сети; 3)доменные имена — символьные идентификаторы узлов, к которым часто обращаются пользователи. IP-адрес имеет длину 4 байта (32 бита) и состоит из двух логических частей — номера сети и номера узла в сети. Наиболее употребляемой формой представления IP-адреса является запись в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной фор­ме и разделенных точками. Для оп­ределения границы, отделяющей номер сети от номера узла, реализуются два подхода. Первый основан на понятии класса адреса, второй — на использова­нии масок. Классы IP-адресов: Класс определяется значениями нескольких первых битов ад­реса. Принадлежность IP-адреса к классу определяется значениями первых битов ад­реса. 1) Первый бит 0 - Класс А, номер сети (1-126) - один байт, остальные три байта - номер узла в сети. Сетей клас­са А немного, зато количество узлов в них может достигать 2²⁴. 2) Первые два бита 10 - класс В, номер сети (128.0 – 191.255) и под номер узла по два байта. Максимальное количество узлов в них состав­ляет 2¹⁶ . 3) 110 - класс С, номер сети 24 бита, номер узла — 8 бит. Сети Число узлов в них 2⁸. 4) 1110, адрес клас­са D, обозначает особый, групповой адрес (multicast). Групповой адрес иденти­фицирует группу узлов (сетевых интерфейсов), которые в общем случае могут принадлежать разным сетям. Если при от­правке пакета в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой па­кет должен быть доставлен всем узлам, которые входят в группу. 5) 11110, класс Е. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений. В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов: 1) IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес узла, который сгенерировал этот пакет; 2)В поле номера сети стоят только нули, то считается, что узел назначения принадлежит той сети, что и узел, отправивший пакет. 3) Все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом на­значения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широкове­щательным сообщением. 4)В поле номера узла назначения стоят только единицы, пакет, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast). Специальные адреса, состоящие из последовательностей нулей, могут быть ис­пользованы только в качестве адреса отправителя, а адреса, состоящие из после­довательностей единиц, — только в качестве адреса получателя. Маска - число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит последовательность единиц в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. Снабжая каждый IP-адрес маской, можно отказаться от понятий классов адресов и сделать систему адресации более гибкой. Номера сетей назначаются либо централизовано, если сеть является частью Internet, либо произвольно, если сеть работает автономно. Назначение IP-адресов узлам сети может происходить вручную — администратор сам ведет списки свободных и занятых адресов и конфигурирует сетевой интерфейс, либо автоматически — с использованием протокола DHCP. IP — протокол межсетевого взаимодействия обеспечивает передачу дейтаграмм от отправителя получателям через объединенную систему компьютерных сетей. IP протокол без установления соединения. Протокол IP обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими IP-пакетами. Все вопросы обеспечения надежности доставки данных в составной сети в стеке TCP/IP решает протокол TCP, основанный на установлении логических соединений между взаимодействующими процессами. IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру.

Тип сервиса позволяет приложениям влиять на качество обслуживания, задавая приоритетность пакета и критерий выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе при­оритета пакета (0-7). Содержит три бита, определяющие критерий выбора мар­шрута. Поле Флаги содержит признаки, связанные с фраг­ментацией. Т о. IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета — 65 535 байт. Заголовок обычно имеет длину 20 байт и содержит информацию о сетевых адресах отправителя и получателя, о параметрах фрагментации, о времени жизни пакета, о контрольной сумме и некоторых других. В поле данных IP-пакета находятся сообщения более высокого уровня, на­пример TCP или UDP. IP позволяет выполнять динамическую фрагментацию пакетов, поступающих на входные порты маршрутизаторов при передаче их между сетями с различными MTU (максимальный размер поля данных). Программные модули протокола IP устанавливаются на всех конечных станциях и маршрутизаторах сети. Большинство современных протоколов маршрутизации происходят от Internet (или ARPANET). Крупные сети разбиваются на автономные системы, в которых проводится общая политика маршрутизации IP-пакетов. Протоколы маршрутизации делятся на внешние и внутренние. Внешние переносят маршрутную информацию между автономными системами, а внутренние применяются в пределах определенной автономной системы. Протокол RIP дистанционно-векторного типа является наиболее распространенным протоколом маршрутизации сетей TCP/IP. RIP-маршрутизаторы при выборе маршрута обычно используют количество промежуточных маршрутизаторов между сетями. Версия RIPv1 не распространяет маски подсетей – администратор использует маски фиксированной длины во всей составной сети. В RIPv2 ограничение снято. Процесс создания таблицы маршрутизации с помощью RIP: 1) создание минимальных таблиц – учитываются только непосредственно присоединенные сети; 2) рассылка минимальных таблиц соседям; 3) получение RIP-сообщений от соседей и обработка полученной информации; 4) рассылка новой таблицы соседям; 5) получение и обработка RIP-сообщений от соседей. Протокол OSPF – открытый протокол: 1) построение графа связей сети (вершины – маршрутизаторы и IP-сети, ребра – интерфейсы маршрутизаторов); 2) нахождение оптимальных маршрутов с помощью полученного графа. При выборе маршрута OSPF-маршрутизаторы используют метрику, учитывающую пропускную способность составных сетей. Протокол IPX – протокол сетевого уровня стека Novell. Поддерживает дейтаграммный способ обмена сообщениями. Осуществляет быструю передачу данных при экономном использовании памяти. Надежную передачу пакетов может осуществлять транспортный протокол SPX, который работает с установлением соединения и восстанавливает пакеты при их потере или повреждении. Прикладной уровень стека IPX/SPX составляют: 1) NCP – поддерживает основные службы ОС – печати, файловую и т.д. 2) SAP – вспомогательная роль. Протокол IPX создавался для локальных сетей. Сетевые адреса IPX: номер сети (4 байта), номер узла (6 б) – МАС-адрес, номер сокета (2 б). Поля IPX: контрольная сумма, длина, управление транспортом, тип пакета, адрес назначения, адрес отправителя, поле данных. Каждый IPX-маршрутизатор поддерживает таблицу маршрутизации, на основании которой принимается решение о продвижении пакета. Поддерживается только одношаговая маршрутизация.

Основные характеристики маршрутизаторов и концентраторов. Основная задача маршрутизатора — выбор наилучшего маршрута в сети. Другие задачи: буферизация, фильтрация и фрагментация перемещаемых пакетов. Важна производительность, с которой выполняются эти задачи. Маршрутизатор - специализированный компьютер, имеющий скоростную внутреннюю шину или шины, часто использующий симметричное или асимметричное мультипроцессирование и работающий под управлением специализированной ОС, относящейся к классу систем реального времени. Маршр-ры могут поддерживать один протокол сетевого уровня или множество (многопротокольные маршрутизаторы). Классификация маршр-ров по областям применения: 1) магистральные маршр-ры для пост­роения центральной сети корпорации; 2)маршр-ры региональных отделений соединяют региональные отделения между собой и с центральной сетью. Упрощенная версия магистраль­ного маршр-ра; 3) маршр-ры удаленных офисов соединяют локальную сеть удаленного офиса с центральной сетью или сетью регионального отделения по глобальной связи; 4) маршр-ры локальных сетей (коммутаторы 3-го уровня) предназначены для разделения крупных локальных сетей на подсети. Высокая скорость маршрутизации. Характеристики маршр-ра: 1) перечень поддерживаемых сетевых протоколов. 2) перечень поддерживаемых интерфейсов локальных и глобальных сетей. 3) общая производительность маршр-ра. В настоящее время наблюдается тенденция по совмещению в одном устройстве функций коммутатора и маршрутизатора. Отказ от маршрутизации. Применять маршрутизацию как можно реже, только там, где от нее никак нельзя отказаться. Например, на границе между локальной и глобальной сетью. Отказ от маршр-ров означает переход к так называемой плоской сети, то есть сети, построенной только на коммутаторах, а значит, и отказ от всех интеллектуальных возможностей обработки трафика, присущих маршр-рам. Такой подход по­вышает производительность, но приводит к потере всех преимуществ. Второе направление — повышение производительности маршр-ров. Коммутаторы 3-го уровня с классической маршрутизацией - коммутаторы различного типа, в которые встроены функции маршрутизации па­кетов. Функции коммутации и маршрутизации могут быть совмещены двумя спо­собами: 1) классическим, когда маршрутизация выполняется по каждому пакету, требую­щему передачи из сети в сеть, а коммутация выполняется для пакетов, принад­лежащих одной сети. 2) нестандартным способом ускоренной маршрутизации, когда маршрутизирует­ся несколько первых пакетов устойчивого потока, а все остальные пакеты этого потока коммутируются.

47.Глобальные сети: основные понятия и определения, глобальные связи на основе выделенных линий, глобальные связи на основе сетей с коммутацией каналов, компьютерные глобальные сети с коммутацией пакетов, удаленный доступ.

Глобальные сети (территори­альные компьютерные сети) служат для предоставления своих сер­висов большому количеству конечных абонентов, в пределах области, региона, страны, континента или всего земного шара. Абоненты глобальной сети - локальные сети предприятий, расположенные в разных городах и странах, и отдель­ные компьютеры. Оператор сети — это та компания, кото­рая поддерживает работу сети. Поставщик услуг (провайдер) - компания, которая оказывает платные услуги абонентам сети. Транспортные функции глобальной сети. Глобальная вычислительная сеть должна передавать данные абонентов любых типов, которые есть на предприятии и нуждаются в удаленном обмене информацией. Для этого глобальная сеть должна предоставлять комплекс услуг: передачу пакетов локальных сетей мини-компьютеров и мейнфреймов, обмен факсами, передачу трафика офисных АТС, выход в телефонные сети, обмен видеоизображениями, передачу трафика кассовых аппаратов, банкома­тов и т. д. и т. п. Сеть строится на основе некоммутируемых (выделенных) каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Абоненты сети подключаются к коммутаторам с помо­щью выделенных каналов связи. Для подключения конечных пользователей допускается использование коммути­руемых каналов, то есть каналов телефонных сетей, хотя в таком случае качество транспортных услуг обычно ухудшается. В глобальной сети обычно строго описан и стандартизован интерфейс «пользователь-сеть» (User-to-Network Interface, UNI). Это необходимо для того, чтобы пользователи могли без проблем подключаться к сети с помощью коммуникацион­ного оборудования любого производителя, который соблюдает стандарт UNI дан­ной технологии. Протоколы взаимодействия коммутаторов внутри глобальной сети, называе­мые интерфейсом «сеть-сеть», стандартизуют­ся не всегда. В зависимости от того, какие компоненты приходится брать в аренду, принято различать корпоративные сети, построенные с использованием: 1) выделенных каналов; 2) коммутации каналов; 3) коммутации пакетов. Выделенные каналы можно получить у телекоммуника­ционных компаний, которые владеют каналами дальней связи, или от телефонных компаний. Используются выделенные линии двумя способами. Сегодня для построения глобальных связей в корпоративной сети доступны сети с коммутацией каналов двух типов — традиционные аналоговые телефонные сети и цифровые сети с интеграцией услуг ISDN. Достоинством сетей с коммутацией ка­налов является их распространенность, что характерно особенно для аналоговых телефонных сетей. На телефонные коммутаторы сильно воздействуют внешние помехи, которые трудно отличить от полезного сигнала. Телефонные сети, полностью построенные на цифровых коммутаторах, и сети ISDN свободны от многих недостатков традиционных аналоговых телефонных се­тей. Они предоставляют пользователям высококачественные линии связи, а время установления соединения в сетях ISDN существенно сокращено.

Глобальные сети с коммутацией пакетов: 1) X.25 – большая избыточность протоколов, хорошо работают на каналах низкого качества; 2) Frame Relay – хорошо передают пульсации трафика, поддерживают службу постоянных виртуальных каналов; 3) SMDS – трафик компьютерный, голос, графика, видео; 4) ATM - трафик компьютерный, голос, графика, видео (сегодня используется для передачи компьютерного трафика), эксплуатация с 1996; 5) TCP/IP – широко распространен. Программные и аппаратные средства, которые обеспечивают подключение компьютеров или локальных сетей удаленных пользователей к корпоративной сети, называются средствами удаленного доступа. Обычно на клиентской сторонe эти средства представлены модемом и соответствующим ПО. Организацию массового удаленного доступа со стороны центральной локальной сети обеспечивает сервер удаленного доступа (Remote Access Server, RAS). Сервер удаленного доступа представляет собой программно-аппаратный комплекс, который совмещает функции маршрутизатора, моста и шлюза. Сервер выполняет ту или иную функцию в зависимости от типа протокола, по которому работает удаленный пользователь или удаленная сеть.

Организация глобальных связей на основе выделенных каналов: аналоговые линии связи. Выделенный канал - канал с фиксированной полосой пропускания или фиксиро­ванной пропускной способностью, постоянно соединяющий двух абонентов. Выделенные каналы делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от того, какого типа коммутационная аппаратура применена для постоянной коммутации абонентов. На аналоговых выделенных линиях для аппаратуры передачи данных физический и канальный протоколы жестко не определены. Выделенные аналоговые каналы предоставляются пользователю с 4-проводным или 2-проводным окончанием. На каналах с 4-проводным окончанием организация полнодуплексной связи, естественно, выполняется более простыми способами. Выделенные линии могут быть разделены на две группы по наличию промежуточной аппаратуры коммутации и усиления или ее отсутствию.

Модемы для работы на выделенных каналах, работают на основе методов аналоговой модуляции сигнала. Стандарты модемов делятся на три группы: 1) определяющие скорость передачи данных и метод кодирования; 2) исправления ошибок; 3) сжатия данных. В отношении режима работы модемы делятся на три группы: 1) поддерживающие только асинхронный режим работы; поддерживают низкую скорость передачи данных — до 1200 бит/с. Наиболее дешевый вид модемов, не требуются высокоточные схемы синхронизации сигналов на кварцевых генераторах. Неприхотливы к качеству линии. 2) поддерживающие асинхронный и синхронный режимы работы; наиболее универсальные устройства. Могут работать как по выделен­ным, так и по коммутируемым каналам, обеспечивая дуплексный режим работы. На выделенных каналах они поддерживают в основном 2-проводное окончание и гораздо реже — 4-проводное. 3) поддерживающие только синхронный режим работы; могут подключаться только к 4-проводному окончанию. Используют для выделения сиг­нала высокоточные схемы синхронизации, дороже асинхронных модемов. Высо­кие требования к качеству линии.

Глобальные сети с коммутацией каналов создавались для предоставления общедоступных телефонных ус­луг населению городов, сел и стран. Телефонные сети работают на основе техники коммутации каналов, при этом каждая пара разговаривающих абонентов предварительно устанавлива­ет через тел-ную сеть соединение, образуя в ней дуплексный канал. Первые телефонные сети были аналоговыми, так как тел-ный аппарат преобразовывал звуковые колебания в колебания электрического тока. Сегодня в таких сетях все чаще между тел-ными ком­м-рами применяется пе­редача голоса в цифровой форме путем мультиплексирования польз-ских каналов по времени. ISDN относятся к сетям, в которых основным режимом коммутации является режим коммутации каналов, а данные обрабатываются в цифровой форме. Архитектура сети ISDN предусматривает несколько видов служб: 1) некоммутируемые средства (выделенные цифровые каналы); 2) коммутируемая телефонная сеть общего пользования; 3) сеть передачи данных с коммутацией каналов; 4) сеть передачи данных с коммутацией пакетов; 5) сеть передачи данных с трансляцией кадров (frame relay); 6) средства контроля и управления работой сети.

Глобальные сети с коммутацией пакетов: Х.25, frame relay или АТМ. Для них характерна техника маршрутизации пакетов, основанная на понятии «виртуальный канал». Прежде чем пакет будет передан через сеть, необходимо установить виртуальное соединение между абонентами сети. Сети Х.25 наиболее распространены среди сетей с коммутацией пакетов. В структуре сети: PAD-устройство для выполнения сборки нескольких низкоскоростных потоков байт в пакеты; трехуровневый стек протоколов с использованием на канальном и сетевом уровнях протоколов с установлением соединения, управляющих потоками данных и исправляющих ошибки; ориентация на однородные стеки транспортных протоколов во всех узлах сети. Состоит из коммутаторов – центров коммутации пакетов, соединенных высокоскоростными выделенными каналами аналоговыми или цифровыми. Сети Frame Relay лучше подходят для передачи пульсирующего трафика локальных сетей. Низкая протокольная избыточность и дейтаграммный режим работы, что обеспечивает высокую пропускную способность и небольшие задержки кадров. Гарантированная поддержка средней скорости передачи данных по виртуальному каналу или при допустимых пульсациях трафика. Технология АТМ разработана как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополосными сетями ISDN. Возможности: передача в рамках одной транспортной системы компьютерного и мультимедийного трафика; иерархию скоростей передачи данных; общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей; сохранение имеющейся инфраструктуры физических каналов или физических протоколов; взаимодействие с унаследованными протоколами локальных и глобальных сетей. Удаленный доступ – различные типы и варианты взаимодействия компов, сетей и приложений. Типы взаимодействующих систем: 1) терминал-комп; 2) комп-комп; 3) комп-сеть; 4) сеть-сеть. Спо­соб, при котором пользователь получает возможность удаленно работать с ком­пьютером таким же способом, как если бы он управлял им с помощью локально подключенного терминала: терминальный доступ и удаленное управление. Схема организации удаленного доступа определяется теми глобаль­ными транспортными службами, которые доступны в точках нахождения много­численных клиентов удаленного доступа. С учетом двух об­стоятельств (степень распространенности и стоимость глобальной службы) наиболее часто для организации удаленного доступа используются услуги телефонных сетей общего пользования — аналоговых и, если это возмож­но, ISDN. В связи с широким распространением на предприятиях локальных сетей наиболее часто встречающийся вид удаленного доступа — это доступ не к отдельному компь­ютеру, а к сети в целом. Для этой цели в центральной сети предприятия устанав­ливается специальная система — RAS. Сейчас стала возможной двухступенчатая связь удален­ного пользователя со своей корпоративной сетью — сначала выполняется доступ по городской телефонной сети к местному поставщику услуг Интернета, а затем через Интернет пользователь соединяется со своей корпоративной сетью. Такой вариант может значительно удешевить доступ по сравнению с непосред­ственным подключением через междугородные АТС.