Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
4.4. Основные сетевые протоколы автоматизированных и интеллектуальных…
91
Устройство физического уровня также состоит из нескольких подуровней, реализующих логическое, физическое кодирование, соглашения о
выборе скорости (10/100 Мбит/с) и режима передачи (дуплекс/полудуплекс).
Максимальный диаметр сети Fast Ethernet равен примерно 200 м, а
более точные значения зависят от спецификации физической среды.
Что же касается сетей Gigabit Ethernet, то их создатели попытались
максимально сохранить классический подход Ethernet, но достичь битовую
скорость в 1000 Мбит/с.
Для обеспечения приемлемого диаметра сети разработчики пошли
на увеличение минимального размера кадра с 64 до 512 байт (по сравнению
с классическими 46-ю байтами). Стандарт сети разрешает передавать несколько кадров подряд как будто бы это единое целое. В таком случае после передачи первого кадра среда не освобождается, пока не будет достигнут интервал передачи в 8 096 байт. В этом случае кадры не обязательно
дополнять до 512 байт. Остальные параметры метода доступа и максимального размера кадра остались неизменными.
В 1998 г. был принят стандарт 802.3z, который определяет использование в качестве физической среды трех типов кабеля:
1) многомодового оптоволоконного (расстояние до 500 м);
2) одномодового оптоволоконного (расстояние до 5 000 м);
3) двойного коаксиального (twinax), по которому данные передаются
одновременно по двум медным экранированным проводникам на расстояние до 25 м.
После этого был принят стандарт для Gigabit Ethernet на UTP категории 5. Интерфейсы 10 Гбит Ethernet начинают находить применение в
системных платах модульных серверов, что по мнению аналитиков, является признаком перехода от фазы медленного распространения данной технологии к этапу ее массового применения в сетях. Самая интересная особенность проекта 10 Gigabit Ethernet – то, что это первая разработанная Институтом инженеров по электротехнике и электронике технология для
Ethernet, которая специально создавалась для того, чтобы выйти за рамки
локальных сетей.
Самое большое изменение при переходе к современным высокоскоростным сетям – это полный отказ от использования протокола CSMA/CD.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
92
Это обусловлено тем, что сеть 10 Gigabit Ethernet работает только в
полнодуплексном режиме.
На самом деле это кардинальное изменение, но оно упрощает работу
сети, так как избавляет оборудование от несогласованности (при использовании полнодуплексного и полудуплексного режимов).
Другой весьма важной особенностью обновленной технологии явля-
ется изменение самого физического интерфейса передачи данных.
В соответствии со стандартом, всего предусмотрено пять типов ин-
терфейсов:
1) 10GBASE-LR;
2) 10GBASE-ER;
3) 10GBASE-SR;
4) 10GBASE-LW;
5) 10GBASE-LX4.
Все эти стандарты являются «оптическими», т.е. вместо медных ка-
белей разных типов используется оптоволокно.
«Отказ от меди» достаточно понятен ‒ дальность передачи по мед-
ному кабелю ограничена.
В высокоскоростных сетях каждый физический интерфейс состоит
из двух уровней:
1) Physical Coding Sublayer (PCS), отвечающий за управление переда-
ваемыми битовыми последовательностями.
2) Physical Media Dependent (PMD), преобразующий биты в оптиче-
ские сигналы.
Оба уровня спроектированы так, что друг от друга они не зависят.
Для сетей Gigabit Ethernet было предложено использовать только два
ключевых типа оптических интерфейсов:
1) многомодовое оптоволокно;
2) одномодовое оптоволокно.
Главное отличие этих двух типов оптических интерфейсов заключа-
ется в дальности применения.
Стандарт 802.3ae, в отличие от Gigabit Ethernet, поддерживает три
разные длины волны:
1) 850 нм;
2) 1310 нм;
3) 1550 нм.
4.4. Основные сетевые протоколы автоматизированных и интеллектуальных…
93
Каждой из таких волн соответствует свой PMD, и, в свою очередь,
каждому PMD соответствует два типа физических интерфейсов:
1) для локальных (LAN PHY) сетей;
2) территориально распределенных (WAN PHY) сетей.
Интерфейс 10GBASE-LX4 задействует технологию спектрального
уплотнения (WWDM) для передачи битов одновременно на четырех длинах волн, в отличие от других PMD-интерфейсов, которые просто последовательно преобразуют биты в световые сигналы и передают их по кабелю.
Этот интерфейс поддерживает:
1) многомодовое оптоволокно для связи на ближних расстояниях
(до 300 м) с диаметром 62,5 мкм;
2) одномодовое оптоволокно для связи на дальних расстояниях
(до 10 км) с диаметром 9 мкм.
Изначально 10 Gigabit Ethernet проектировался для сетей городского
масштаба (MAN). Первая сеть этой технологии (экспериментальная) появилась в 2002 г. в Лас Вегасе (США).
Со временем позиционирование таких сетей пересматривается, так
как есть примеры использования 10 Gigabit Ethernet при строительстве
крупных корпоративных и кампусных сетей, в том числе и в России.
Примечательно также и то, что гигабитные сети способны дифференцировать трафик в целях обеспечения качества обслуживания QoS, что
присуще, скорее, сетям типа АТМ.
Беспроводной вариант сетей Ethernet ‒ стандарт 802.11 (Wireless
Ethernet) также сейчас является самой популярной технологией передачи
данных на близких и средних расстояниях.
Он поддерживает два широкополосных радиочастотных метода передачи и один – в инфракрасном диапазоне на физическом уровне.
Радиочастотные методы работают в свободном ISM диапазоне с частотой 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц в канале от 2,400 ГГц
до 2,483 ГГц.
Стандарт Wireless Ethernet 802.11 использует:
1) метод прямой последовательности или direct sequence spread
spectrum (DSSS);
2) метод частотных скачков или Frequency Hopping Spread Spectrum
(FHSS).
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
94
Эти методы несовместимы друг с другом, так как сильно отличаются
в физическом смысле.
Более скоростной стандарт 802.11b поддерживает только метод
DSSS. Для поддержки сред с высоким уровнем шума, а также для работы
на больших расстояниях, сети стандарта 802.11b применяют динамический
сдвиг скорости, что позволяет автоматически менять скорость передачи
данных в зависимости от свойств радиоканала и адаптироваться к его особенностям.
Стандарт Wireless Ethernet 802.11 предусматривает использование
полудуплексных приемопередатчиков. Вследствие этого станция не может
детектировать коллизию во время передачи.
Для того чтобы все-таки работать с коллизиями, сети стандарта
802.11 внедряют модифицированный протокол CSMA/CA, имеющий
название Distributed Coordination Function (DCF).
В CSMA/CA, как и ранее, выполняются попытки избежать колли-
зий путем использования явного подтверждения пакета или acknowledge-
ment (ACK).
Это означает, что принимающая сторона должна отправлять пакет
подтверждения (положительную квитанцию) для того, чтобы передающая
сторона знала, что пакет получен неповрежденным.
Для того чтобы определить доступность канала связи для передачи,
применяется алгоритм оценки чистоты канала или channel clearance algo-
rithm (CCA).
Суть данного алгоритма ССА заключается в непрерывном измерении энергии сигнала на антенне и определении мгновенной мощности принятого сигнала.
Если мощность принятого сигнала ниже установленного порога для
данной сети (т.е. там присутствует только шумы низкой мощности или же
канал вообще является «чистым»), то канал считается свободным.
Также следует отметить, что стандарт Wireless Ethernet 802.11 поддерживает режим энергосбережения, который продлевает срок службы
всех мобильных устройств, работающих от аккумулятора.
Другой особенностью является поддержка алгоритмов шифрования
для защиты от несанкционированного доступа к данным. Этот класс алгоритмов известен как wired equivalent privacy (WEP).
4.5. Протоколы маршрутизации
95
Стандарты 802.11 определяют два типа оборудования:
1) клиент, который представляет собой устройство (например, ком-
пьютер), оборудованное беспроводной сетевой картой или network interface
card (NIC);
2) точка доступа или access point (AP), которая выполняет роль моста
между беспроводной и проводной сетями.
Стандарт IEEE 802.11 также описывает два режима работы сети:
1) режим «Adhoc»;
2) клиент/серверный режим или режим инфраструктуры infrastructure
mode.
В режиме клиент/сервер беспроводная сеть состоит минимум из одной точки доступа и некоторого набора беспроводных станций. Точка доступа обычно подключена к проводной сети, обеспечивая доступ к глобальным сетям для подключенных устройств.
Следует отметить, что такая конфигурация является базовой на современном бытовом уровне и носит название базового набора служб или
basic service set (BSS). Два или более BSS уже образуют подсеть и формируют расширенный набор служб или extended service set (ESS).
Режим «Ad-hoc» или «точка-точка» образуют независимый базовый
набор служб (IBSS). Это самый простой вариант сети. В нем связь между
станциями устанавливается без использования специальной точки доступа.
Он полезен тогда, когда инфраструктура беспроводной сети еще не сформирована или является необходимой (например, нужно просто передать
данные от одного устройства с беспроводным интерфейсом к другому).
Мы рассмотрели простые современные протоколы локальных сетей,
далее проведем исследование протоколов маршрутизации в сети Интернет.
4.5. Протоколы маршрутизации
Рассмотрим самый популярный сейчас сетевой протокол, точнее
стек протоколов, с возможностью прокладывать маршруты через глобальные сети: протокол TCP/IP.
Протокол Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP)
сформировался на фоне промышленного стека протоколов, изначально разработанного для глобальных сетей.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
96
Стандарты TCP/IP были впервые опубликованы в серии документов
Request for Comment (RFC). Этот комплект документов регламентирует
внутреннюю работу сети Internet.
Некоторые документы описывают сетевые сервисы или протоколы,
задают особенности их реализации. Другие RFC обобщают условия применения тех или иных инструментов и алгоритмов.
Данный стек протоколов был разработан по инициативе Министерства обороны США много лет назад для связи экспериментальной сети
ARPAnet с другими спутниковыми сетями.
Огромный вклад в развитие подобных сетевых технологий внес университет Беркли. Сотрудники университета реализовали часть сетевого
стека в своей версии ОС UNIX.
Логично, что широкое распространение ОС UNIX или Linux, как
серверной операционной системы, привело и к широкому распространению самого протокола TCP, протокола IP и других частей стека.
Примечательно то, что стек TCP/IP был разработан до появления
уже рассмотренной нами сетевой модели ISO/OSI. Поэтому TCP/IP имеет
свою структуру и уровни. В современной ситуации уровни TCP/IP соотнесены с уровнями сетевой модели OSI/ISO, но это соответствие достаточно условное.
Структура стека протоколов TCP/IP приведена на рис. 13 ниже.
Обратим внимание на то, что все протоколы, составляющие стек
TCP/IP, делятся всего на 4 уровня.
Самый нижний уровень с номером IV соответствует сразу двум
уровням сетевой модели OSI/ISO:
1) физическому уровню модели OSI;
2) канальному уровню модели OSI.
Уровень IV в протоколах TCP/IP конкретно не регламентируется, не
описывается, но поддерживается.
В частности, в рассматриваемом стеке допускается использовать все
популярные стандарты физического и канального уровней:
1) для локальных сетей:
a. Ethernet,
b. Token Ring,
c. FDDI,
4.5. Протоколы маршрутизации
97
d. Fast Ethernet,
e. 100VGAnyLAN,
2) для глобальных сетей:
a. протоколы соединений «точка-точка», PPP,
b. последовательный протокол SLIP;
c. протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25,
d. протокол frame relay,
e. протокол ATM.
Следующий уровень III определяет принципы межсетевого взаимо-
действия. Фактически на этом уровне регламентируются стандарты, реализации которых в виде программно-аппаратных средств занимаются передачей пакетов с использованием транспортных технологий локальных сетей,
территориальных сетей, линий специальной связи и так далее.
Рис. 13. Стек протоколов TCP/IP
В терминах модели OSI/ISO, в качестве основного протокола сете-
вого уровня, используется протокол IP.
IP изначально задумывался как протокол передачи пакетов данных
в составных сетях. Эти сети должны были формироваться из большого
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
98
количества малых локальных сетей, в свою очередь объединенных как промежуточными локальными, так и промежуточными глобальными связями.
Именно поэтому протокол IP так хорошо работает в сетях со сложной
топологией и рационально использует все подсистемы сети, экономно расходует пропускную способность и оптимизирует процесс передачи данных.
Протокол IP по своей сути является дейтаграммным протоколом.
Это означает, что блоки информации транслируются через сеть без предварительного установления соединения и создания виртуального канала.
Вследствие этого IP не гарантирует доставку пакетов до узла назначения.
IP взаимодействует на межсетевом уровне с такими протоколами,
как RIP, OSPF и ICMP:
1) протокол RIP (Routing Internet Protocol) служит для определения
возможных маршрутов следования данных в сложной компьютерной сети;
2) протокол OSPF (Open Shortest Path First) используется для дина-
мической маршрутизации и основан на технологии отслеживания состояния канала;
3) протокол ICMP (Internet Control Message Protocol) предназначен
для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом – источником пакета.
Именно ICMP при помощи специальных пакетов сообщает о следующих проблемах в сети:
1) невозможность доставки пакета;
2) превышение времени жизни пакета;
3) превышение продолжительности сборки пакета из фрагментов;
4) аномальные величины каких-либо параметров;
5) маршрут пересылки был изменен;
6) тип обслуживания был изменен;
7) состоянии системы поменялось и так далее.
Следующий уровень II называется основным для TCP/IP. На этом
уровне работают специальные протоколы:
1) протокол управления передачей или transmission control protocol
(TCP);
2) протокол дейтаграмм пользователя user datagram protocol (UDP).
Протокол TCP обеспечивает надежность передачи сообщений через
сети между абонентами за счет создания и поддержания виртуальных соединений.
4.5. Протоколы маршрутизации
99
Протокол UDP обеспечивает быструю передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом. Он, как и IP, выполняет исключительно
только те функции связующего звена, которые обеспечивают взаимодействие между сетевым протоколом и многочисленными прикладными
процессами.
Верхний уровень стека протоколов I называется прикладным.
За долгие годы совершенствования стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня.
К ним относятся такие широко используемые протоколы, как:
1) протокол копирования файлов FTP;
2) протокол эмуляции терминала telnet;
3) почтовый протокол SMTP;
4) гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие
как WWW и многие другие.
Протокол FTP, например, предлагает наиболее широкий набор услуг
для работы с файлами, но является самым сложным для разработки программного обеспечения. Но в качестве более простой альтернативы, можно
использовать простейший протокол пересылки файлов trivial file transfer
protocol (TFTP).
Протокол telnet, например, обеспечивает передачу потока байтов
между процессами. В частности, эту возможность можно использовать для
обмена данными между процессом и терминалом.
Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера, что является востребованным действием в
современных условиях удаленной работы.
Протокол simple network management protocol (SNMP) используется
для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP применялся для удаленного контроля и управления маршрутизаторами. Эти
маршрутизаторы часто называют шлюзами.
В современной ситуации, с ростом популярности технологий удаленного управления, протокол SNMP стали применять и для контроля и
управления любым коммуникационным оборудованием: например, концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и так далее.
Рассмотрим далее протокол межсетевого взаимодействия IP, дополняющий протокол TCP.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
100
Основу этого стека протоколов составляет протокол межсетевого
взаимодействия – Internet Protocol (IP).
К основным функциям протокола IP относят следующие:
1) инструментальные средства протокола осуществляют перенос раз-
личных типов адресной информации в унифицированной форме между раз-
личными сетями;
2) пакеты при переходе между сетями собираются и разбираются
даже с различным максимальным значением длины пакета.
Пакет IP включает раздел данных и заголовок.
Формат заголовка представлен на рис. 14 ниже и включает следую-
щие поля:
Рис. 14. Структура заголовка IP-пакета
Рассмотрим последовательно основные поля пакета IP.
Поле номера версии Vers содержит версию используемого прото-
кола IP.
Сейчас повсеместно используется версия 4, но все чаще начинает
встречаться версия протокола IPv6.
Поле длины заголовка HLen занимает всего 4 бита и показывает ко-
личество 32-битовых слов, составляющих саму длину поля заголовка.
Стандартный заголовок имеет длину в 20 байт, т.е. определяется как
пять 32-битовых слов. При увеличении объема служебных данных длина
может быть увеличена за счет резерва IP OPTIONS.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]