Учебно-методическое пособие и задание на курсовой проект по курсу Архитектура и ПО сетевых инфокоммуникационных устройств

План УМД на 2015/16 уч.г.

Учебно-методическое пособие и задание на курсовой проект

по курсу

Архитектура и ПО сетевых инфокоммуникационных устройств

Составитель М.Н.Беленькая, доцент

Издание утверждено советом факультета ИТ. Протокол № 4 от 27.01.2015г.

Отв. редактор Н.В.Яковенко

Рецензент Д.В.Гадасин, к.т.н., доцент

2

1.Общие замечания

1.1.Цели и задачи дисциплины

Целью преподавания дисциплины АиПОСУ в системе подготовки по направлению 071900 является теоретическая и практическая подготовка, которая должна обеспечить получение у студентов углубленных представлений об архитектуре и типах современных сетевых устройств инфокоммуникационных систем (ИС), принципах работы их программного обеспечения и способах их применения.

Задачами преподавания дисциплины АиПОСУ в системе подготовки бакалавра по означенному выше направлению и с учетом его последующей профессиональной деятельности являются: изучение основ аппаратной и программной архитектуры современных сетевых устройств, их применения в ИС, функций и возможностей распределенных и сетевых операционных систем (СОС) инфокоммуникационных устройств и системно-технологических программных продуктов, конкретных методов реализации СОС различных протоколов и сетевых сервисов, способов управления сетевыми инфокоммуникационными устройствами, применения высокоскоростных технологий для реализации сервисов корпоративных сетей и сетей оператора связи, предоставления современных услуг городских сетей и центров хранения данных (ЦОД), предотвращения отказов, диагностики и повышения производительности инфокоммуникационной системы с целью наиболее полного удовлетворения потребностей населения в услугах передачи данных, а также развития новых сервисов телекоммуникационных компаний.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать: основные протоколы и методы их реализации в операционных системах сетевых устройств, принципы организации и архитектуру высокоскоростных сетевых устройств, способы применения высокоскоростных сетевых технологий, нормативную и правовую документацию, терминологию для предоставления современных сервисов связи, методы восстановления работоспособности, диагностики, конфигурирования ПО сетевых устройств инфокоммуникационных систем (ПК-3);

основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, требования информационной безопасности, метрологические принципы и способы инструментальных измерений (ПК-1, ПК-4);

способы и средства монтажа, наладки и настройки сетевых средств, проверки их работоспособности и сдачи в эксплуатацию, методы моделирования процессов в инфокоммуникационных системах с использованием специализированных пакетов системных и прикладных программ, методы управления и эмуляции сетевых устройств

(ПК-8, ПК-2);

-сущность и особенности функционирования рынка инфокоммуникационных услуг

вусловиях конвергенции и вхождения Российской информационной инфраструктуры в Глобальную информационную инфраструктуру (ПК-1, ПК-20, ПК-21);

уметь: использовать средства операционных систем и системно-технологических продуктов сетевых устройств, осуществлять отладку и диагностику ПО сетевых устройств, применять современные методы обслуживания, составлять спецификации на сетевое оборудование и программное обеспечение, осуществлять приемку и освоение вводимого оборудования и программного обеспечения в соответствии с действующими

3

нормативами, осуществлять размещение средств и оборудования реализации сетевых технологий (ПК-7, ПК-10);

cоставлять инструкции по эксплуатационно-техническому обслуживанию и программам испытаний сетевого ПО и сетевых технологий в инфокоммуникационных системах (ПК-9);

проводить расчеты технических метрик высокоскоростных технологий с использованием стандартных методов, собирать и анализировать информацию ОС для модернизации и проектирования сетевых систем с применением стандартных и самостоятельно создаваемых оригинальных методик и программных продуктов, контролировать соответствие технической документации стандартам и другим нормативным документам (ПК-13, ПК-14, ПК-15);

изучать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт в области инфокоммуникационных технологий и организовывать работы по практическому использованию новых технологий (ПК-19);

владеть: способами проектирования ИС c применением современных сетевых технологий, принципами работы сетевых протоколов, протоколов маршрутизации и управления, способностью использовать нормативную и правовую документацию, стандарты связи, терминологию, документацию по системам качества работы предприятия (ПК-2, ПК-3);

способностью применять современные теоретические и экспериментальные методы исследования с целью создания новых перспективных средств электросвязи и информатики, разработки специализированного ПО сетевых устройств, готовностью к организации работ по практическому использованию и внедрению результатов исследований (ПК-17, ПК-19);

способностью понимать сущность основных экономических и финансовых показателей деятельности организации связи, особенности услуг как специфического рыночного продукта; готовностью организовать бизнес-процессы предоставления инфокоммуникационных услуг пользователям, нацеленные на наиболее эффективное использование ограниченных производственных ресурсов; готовностью к обеспечению эффективной и добросовестной конкуренции на рынке услуг связи (ПК-21).

Для данной дисциплины обеспечивающими являются следующие предметы: основы сетевых технологий, операционные системы, базы данных, архитектура ЭВМ, языки программирования, структурированные кабельные системы, технология программирования, электропитание устройств и систем телекоммуникаций, проектирование информационных систем, информационная безопасность и защита информации.

Для изучения дисциплины предусмотрены следующие виды учебных занятий: лекции, лабораторные работы, практические занятия, курсовой проект, самостоятельная работа студентов (рефераты), консультации.

Учебно-методическое пособие отражает содержание разделов программы курса, основные понятия, контрольные вопросы для подготовки к экзамену, задание на курсовое проектирование. По курсу выполняется комплекс лабораторно-практических работ, курсовой проект, самостоятельная домашняя работа, сдается зачет и экзамен.

4

1.2. Содержание лекционного курса

1.Вводные положения. Модели сетевых технологий. Реализация программных и аппаратных средств.

Модель сетевых технологий OSI. Модель Интернет. Модель Стивенса. Модель Таненбаума. Модель Fibre Channel. Модель IEEE. Подуровни модели IEEE физического уровня модели OSI. Их реализация в современных сетевых устройствах. Реализация интерфейсов. Модель Интернет. Модель Sun Microsystems. Протоколы OSI и протоколы Интернет. Реализация в ОС сетевых устройств. Протоколы и технологии OSI прикладного уровня модели OSI. Реализация в ОС сетевых устройств. Модель IBM и реализации протоколов IBM

2.Виды сетевых устройств. Их назначение и функции.

Понятие сетевого устройства. LAN и WAN адаптеры. Архитектура и управление драйвером ОС. Серверные сетевые адаптеры. DCE-устройства. Модемы, оптоволоконные модемы, трансиверы, конвертеры. Мультиплексоры. Оптоволоконные каплеры. Оптоволоконные CRC-мультиплексоры. Связь сегментов сетей. Особенности архитектуры хабов и мостов. Архитектура коммутаторов. L2 и L3 коммутаторы. WAN-коммутаторы. Архитектура маршрутизаторов. Устройства удаленного доступа. Понятие сервера. Функции и виды серверов. Шлюзы. Аппаратные и программные реализации. Администрирование кабельных систем. Понятие о средах передачи. Кабельные системы передачи данных. Организация кабельных систем зданий и кампусов. Стандарты и задачи администрирования кабельных систем. Примеры систем администрирования кабельных систем. Пример инструкций администратора системы. Пример реализации системы управления кабельной системы.

3. Архитектура и функции ОС сетевого устройства.

Архитектура специализированной ОС. Функции ядра ОС. Функции процессов. Системные процессы. Процессы конфигурации и сопровождения. Процессы управления IP-адресацией и IP-передачей. Unicast, multicast, MPLS-адресация. Процессы управления маршрутизацией. Процессы управлением TCP/UDP. Процессы обеспечения безопасности. Процессы поддержки качества обслуживания. Функции утилит. Утилиты поддержки сетевых протоколов. Утилиты поддержки канальных протоколов. Утилиты поддержки протоколов маршрутизации. Утилиты поддержки технологий мультиадресации. Утилиты обеспечения технологии VPN. Утилиты поддержки протоколов и средств управления. Утилиты организации программного шлюза.

4. Инициализация и организация терминального доступа.

Технология удаленного доступа. Процедура первоначальной загрузки. Bootrom. Средства терминального доступа. Эмуляция консоли, TTY и VTY терминалы. Средства Telnet и SSH. Параметризация ОС при инициализации. Задание конфигураций портов и интерфейсов, администратора системы, базовых параметров, параметров IP, VLAN. Средства удаленного доступа. Управление модемами. DIAL-UP конфигурации. HTTP доступ. Средства узкополосного доступа.

5

5. Управление конфигурацией интерфейсов средствами ОС.

Командные интерфейсы. Консоль управления. Поддержка протокола SNMP. Контроль групп сообщений и групп SNMP. Поддержка протокола RMON. Поддержка групп событий. Поддержка протокола NetFlow. Поддержка физических синхронных и асинхронных LAN интерфейсов и WAN интерфейсов E1/E3, POS, xDSL. Поддержка логических интерфейсов. Понятие NULL и LoopBack интерфейсы. Канальные протоколы

PPP, PPPoE.

6. Реализация сетевых протоколов в ОС коммутаторов, маршрутизаторов, серверов и шлюзов.

Cредства ядра ОС. IP-адресация. Реализация ARP, DHCP, DNS, IP-передача. IP-производительность. Реализация MPLS, IGMP, PIM. Сетевая производительность и TCP-адресация. Реализация средств QoS, VLAN. Реализация политик маршрутизации. Средства утилит OC. Протоколы IPX/SPX, NetBios.

7. Системное управление ОС сетевых устройств.

Управление файловой системой. Реализация протокола FTP, TFTP. Организация пользовательского интерфейса. Поддержка средств тестирования и диагностики соединения, таблицы MAC-адресов. Средства организации обновлений ПО. Средства организации PAD и DUMP терминалов. Поддержка протокола cинхронизации времени NTP. Базовые конфигурации сетевых устройств.

8. Реализация протоколов маршрутизации в ОС маршрутизаторов и серверов.

Статические и динамические протоколы маршрутизации. Типы протоколов маршрутизации. Внутренние и внешние протоколы. Понятие алгоритмов маршрутизации. Проблемы сходимости протокола. Конфигурации статических маршрутов. Утилиты поддержки и параметризация протоколов RIP, OSPF, BGP. Протоколы IS-IS.

9. Технология отказоустойчивости сетевых устройств.

Реализация протоколов STA и RSTP. Организация backup-приложений и backup-серверов. Средства Syslog. Средства горячего backup. Реализация VRRP. Средства системной отладки и утилиты диагностики ОС. Средства и утилиты мониторинга. Сервер мониторинга. Метрики производительности сетевых устройств. Средства измерения метрик. Средства управления трафиком LAN и WAN cетей специализированных ОС сетевых устройств. Технологии QoS. PPP. Механизмы использования буферов.

10. Технология защиты от НСД сетевых устройств.

Средства ядра ОС. Механизм реализации AAA, IP-безопасности и фаерволов, поддержка ACL и NAT.Спецификации IEEE 802.1x. Контроль порта. Утилиты мониторинга. Сетевые атаки и их типы. Защита от атак средствами ОС сетевых устройств. Протокол RADIUS. Протоколы IPsec. Понятие VPN. Утилиты поддержки VPN, протоколов L2TP, VPDN, L3-туннелирования.

6

11. Организация выделенных серверов и систем DAS/SAN.

Понятие сервера. Технология RPC. Выделенный и невыделенный сервер. Сервера удаленного доступа, управления, управления почтой, bacкup-ceрвера, файл-сервера. Требования к подсистемам ввода/вывода файл-серверов. Протокол SCSI. Протокол Fibre Channel. Обзор архитектуры DAS/NAS/SAN. Основы программно-аппаратной архитектуры SAN.

1.3. Основные понятия и определения

1.3.1. Профессиональные навыки специалистов, работающих c cетевой аппаратурой и ПО должны быть достаточно высоки. Они должны обладать знаниями в области:

-теории операционных систем (ОС) и практики их установки;

-теории баз данных, вопросов поддержки целостности данных;

-сетевых технологий, сетевого оборудования (конфигурации и применения коммутаторов и маршрутизаторов), вопросов диагностики сетевых проблем;

-электротехники и реализации кабельных систем для целей передачи данных;

-реализации адресации операционных систем и сетевых протоколов;

-защиты информации от несанкционированного доступа, включая работу со специальными устройствами (firewall) и консультации пользователей по вопросам защиты их информации;

-вычислительной техники, начиная с простейших устройств и закачивая архитектурой центров обработки данных (ЦОД);

-основ системного программирования и основ прикладного программирования;

-способов восстановления информации и реализации подсистем ввода-вывода, файловых подсистем;

-языков программирования;

-методов управления в информационных системах и соответствующих аппаратнопрограммных комплексов.

1.3.2. Практически любая сетевая система является разнородной или гетерогенной, включающей в себя оборудование и программное обеспечение нескольких производителей. Особую роль при создании таких систем играют стандарты. Без стандартизации работоспособность таких систем невозможна, поскольку программное обеспечение одного производителя “не поймет” программное обеспечение другого. Протокол – это спецификация (правила) работы программных или аппаратных средств вычислительной техники либо правила их поддержки и эксплуатации.

Стандарт – это вариант реализации протокола в аппаратуре или программном обеспечении, который отражается в документе, согласованном и принятом аккредитованной организацией, разрабатывающей стандарты. Стандарт содержит правила, руководства или характеристики для работ или их результатов с целью достижения оптимальной степени упорядочения и согласованности в заданном контексте. Приведем таблицу стандартизирующих организаций:

7

Международные стандартизирующие организации и их официальные сайты

Любая ОС руководствуется некоей моделью (моделями) функционирования. Модель в инфокоммуникационных системах (ИС) – это набор функций по выполнению определенных действий, например, управлению системой (ОС).

Различные стандартизирующие организации предлагают различный набор функций (различные модели) по выполнению различных действий ОС. Это модели ISO-OSI, ISO FCAPS, ONC, ITU TMN.

1.3.3. Компьютеры объединяются между собой при помощи сетевых адаптеров. Сетевое устройство – это устройство, имеющее сетевой адаптер. LAN/MAN– адаптер – это сетевой адаптер, предназначенный для передачи данных на небольшие расстояния – 100 м для частных решений, до 6 км для локальных решений, до 100 км для городских решений. WANадаптер – для передачи данных на большие расстояния свыше 100 км.

В свою очередь необходимы сетевые устройства, объединяющие сети компьютеров между собой. Это соединение сегментов сетей осуществляется при помощи коммутаторов, маршрутизаторов и других специальных устройств. Сегмент сети – это часть сети, которая не содержит соединяющих устройств. Устройства, соединяющие сегменты одной большой сети, подразделяются на виды в зависимости от функционального уровня OSI, на котором они работают. Так, на первом уровне (Physical) работают усилители/репитеры/хабы, на втором (Data Link) – мосты/коммутаторы, на третьем (Network) – маршрутизаторы (роутеры), на всех уровнях работают шлюзы. Хаб не производит анализа информации. Он на короткое время запоминает значения сигнала «0» или «1», соответствующим образом их регенерирует, усиливает и отправляет во все присоединенные сегменты сети. Мост - устройство, разделяющее сети на сегменты. Он пересылает информацию (фрейм) не всем устройствам сети, а только в тот сегмент, в котором находится получатель. Мосты работают с физическими адресами станций на канальном уровне протоколов OSI. В отличие от хаба мост может разрешать доступ к физическим устройствам, либо запрещать его, то есть, способен регулировать трафик. Коммутатор (switch) – это мультипортовый мост. Он обеспечивает передачу фреймов от

8

станции к станции в режиме точка-точка (point to point). При этом станции в сети работают параллельно, то есть передача может вестись одновременно между всеми парами портов. Коммутация осуществляется по физическим адресам устройств (MACадресам). При этом при помощи специальных протоколов третьего уровня OSI осуществляется множество функций управления сетевым трафиком. Шлюз (Gateway) – это устройство для соединения подсетей по протоколам выше третьего уровня OSI. Шлюзы применяются в сложных гетерогенных сетях. Например, если возникает необходимость присоединить сегмент с персональными компьютерами, представляющими символы в коде ASCII, к мейнфрейм, представляющей символы в коде EBCDIC. При этом принят трёхуровневый подход (фактический стандарт компании Cisco). Все сетевые устройства и соединения между ними группируются и подразделяются на три уровня: базовый (магистральный) уровень; уровень распределения; уровень доступа. На каждом уровне требуется свой тип коммутатора, который наилучшим образом решает задачи данного уровня. Функции и технические характеристики каждого коммутатора зависят от уровня, для которого предназначен этот коммутатор. Коммутатор (switch) – это мультипортовый мост. Он обеспечивает передачу фреймов от станции к станции в режиме точка-точка (point to point). При этом станции в сети работают параллельно, то есть передача может вестись одновременно между всеми парами портов. Коммутация осуществляется по физическим адресам устройств (MAC-адресам). При этом операционные системы при помощи адресации по специальным протоколам третьего уровня OSI осуществляют множество функций маршрутизации данных и управления сетевым трафиком.

Маршрутизатор (router) – устройство, работающее на третьем, сетевом уровне модели OSI. ОС маршрутизатора принимает решения о пересылке пакетов сетевого уровня модели OSI их получателю на основании таблицы маршрутизации и определённых правил. При этом в пределах сегмента он работает на канальном уровне модели OSI, а между сегментами – на сетевом. На сетевом уровне создаётся логический адрес сети. Этот адрес присваивается операционной системой или администратором системы для идентификации группы компьютеров. Такую группу иначе называют «subnet» (подсеть).

Маршрутизаторы выполняют не только функцию маршрутизации, но и функцию коммутации. То есть обеспечивают перенаправление пакетов с входного интерфейса маршрутизатора на выходной интерфейс в зависимости от таблицы маршрутизации. Маршрутизатор производит переупаковку полезной информации из поступающих к нему пакетов различных протоколов второго уровня. Например, из Ethernet в PPP или Frame Relay. Поддержка таблиц маршрутизации осуществляется либо администратором сети вручную, либо с помощью динамических протоколов маршрутизации. В общем случае при построении таблицы маршрутизации маршрутизатор применяет комбинацию следующих методов маршрутизации: прямое соединение; статическая маршрутизация; маршрутизация по умолчанию; динамическая маршрутизация.

1.3.4. Основной функцией операционной системы (ОС) является функция разделения ресурсов, то есть процессора, оперативной и дисковой памяти. Распределенная ОС сосредоточена на коммуникации и синхронизации процессов между собой, разделении файловой системы и удаленном доступе к ней. Сетевая операционная система является частным случаем распределенной и осуществляет контроль доступа к удаленной файловой системе централизованно. Управление всеми функциями операционной

9

системы осуществляется при помощи параметров ядра ОС (резидентной программной части ОС, постоянно загруженной в память компьютера) и специальных средств (утилит) ОС, входящих в ее состав. Параметры ядра ОС задаются при инсталляции ОС. После установки ОС задаются (при помощи утилит ОС) атрибуты пользователей в системе и осуществляется оперативное управление ОС. Инсталляция (установка) ОС - очень ответственный процесс. Так, например, для файл-сервера он включает в себя подготовку площадки и оборудования, инсталляцию файл-сервера и инсталляцию программного обеспечения рабочих станций, планирование структур каталогов (директорий), планирование пользователей и групп пользователей, планирование защиты, планирование процедур регистрации, настройку параметров. При некорректной первоначальной инсталляции ОС и неправильно заданных параметрах дальнейшая эксплуатация ОС может быть неэффективной, а в некоторых случаях – невозможной.

1.3.5. Средства эмуляции консоли и базовые параметры ОС.

Управление операционной системой большинства сетевых устройств (коммутаторов, маршрутизаторов, мультиплексоров и др.) производится при помощи специальных средств управления – эмуляции терминала и клавиатуры сетевого устройства, например, Hyperterminal или Telnet. Возможно управление и при помощи специальных серверов, например, FTP. При инсталляции ОС сетевого устройства должны быть заданы обязательные (базовые параметры). К ним можно отнести, например, время, часовой пояс, логический адрес устройства для ОС и имя устройства для ОС, параметры конфигурации LAN/WAN интерфейсов.

1.3.6. Обычно при реализации функций управления используется протокол SNMP.

SNMP – это протокол управления прикладного уровня, разработанный создателями протоколов TCP/IP. Архитектура протокола очень проста. Предполагается, что сеть состоит из сетевых элементов и управляющих станций (серверов управления). Серверы управления запускают приложение менеджера, которое контролирует сетевые элементы. Сетевые элементы – это маршрутизаторы, хосты, файл-серверы, которые загружают программы-агенты для осуществления функций мониторинга устройства. Соответственно SNMP – это протокол взаимодействия агента и менеджера. Протокол SNMP используется для получения от сетевых устройств информации об их статусе, производительности и других характеристиках, которые хранятся в базе данных управляющей информации MIB. Протокол RMON (Remote Monitoring, Удаленное наблюдение) – это расширение протокола SNMP для удаленного мониторинга сети. Он определяет стандартные функции мониторинга и интерфейсы взаимодействия между SNMP-управляемыми менеджерами, удаленными средствами диагностики – «пробами» или удаленными агентами управления, осуществляющими эти функции в составе сетевых продуктов. Еще один протокол управления - NetFlow был создан и претворен в жизнь компанией Cisco Systems. Сейчас он является протоколом IETF и имеет еще одно название – IPFIX. Предполагается, что IPFIX должен стать промышленным стандартом в ближайшем будущем (RFC 3917 – «Requirements for IP Flow Information Expor (IPFIX)»). Поставщики коммуникационных средств, такие как Nortel Networks, Juniper Networks и другие, реализуют поддержку IPFIX в своих ОС. Для управления ИС разработано множество программных продуктов, например, HP OpenView. Систему, выполняющую функции управления, инвентаризации, планирования и восстановления для провайдеров и операторов телекоммуникационных

10