- •Глава 3
- •3.1. Принципы построения сетей с коммутацией каналов
- •3.3. Системы меж станционной сигнализации на аналоговых и цифро-аналоговых сетях связи
- •3.4. Принципы построения узкополосных цифровых сетей связи с интеграцией услуг (isdn)
- •4.1. Основные понятия ip-телефонии и технологии пакетной коммутации 36
- •3.5. Системы межстанционной сигнализации на цифровых сетях isdn
- •Глава 4 построение мультисервисных сетей с коммутацией пакетов
- •4.1. Основные понятия ip-телефонии и технологии пакетной коммутации
- •4.2. Основы технологии tcp/ip и ip-сети
- •4.3. Протокол ip
- •4.4. Протоколы tcp и udp
- •4.5. Основы построения сетей ip-телефонии
- •4.6. Принципы передачи речи в сети ip-телефонии
- •4.7. Ввды систем сигнализации в сетях ip-телефонии и сеть ip-телефонии с протоколами н.323
- •4.9. Сети ip-телефоиии с протоколами mgcp и м есасо/н.248
- •7.1. Общие принципы построения сети ОбТс
- •7.2. Местные сети ОбТс и взаимодействие с телефонной сетью общего пользования
- •7.3. Способы установления соединений, системы обслуживания заявок и рмтс
- •7.4. Аналоговая сеть автоматической междугородной ОбТс
- •7.5. Магистральная и зоновые цифровые сети ОбТс
- •Единая нумерация на цифровой сети ОбТс (еснц)
- •7.6. Сеть ОбТс с пакетной коммутацией
4.2. Основы технологии tcp/ip и ip-сети
Технология TCP/IP предназначена для построения IP-сетей. Обозначение TCP/IP указывает на стек протоколов, используемых в 1Р-се- тях, где основными являются протоколы: IP (Internet Protocol — интер- нет-протокол) и TCP (Transfer (or transport) Control Protocol — протокол управления перед ачей). По этой технологии работают сети Интернет и Интранет. Изначально IP-сети создавались только для передачи данных. Но вследствие того, что сеть Интернет приобрела глобальные размеры и пользователям сети требовалось передавать речь и видео, IP-сети приобрели свойства мультимедийных.
Основная идея построения IP-сети состоит в объединении между собой отдельных сетей в единую сеть. Объединяться могут локальные (LAN) и глобальные (WAN) сети. В каждой точке соединения сетей устанавливается маршрутизатор, выполняющий роль межсетевого узла. Таким образом IP-сеть представляет собой составную сеть, в которую входит множество отдельных сетей. На рис. 4.2 показан пример составной IP-сети, включающей в себя две сети WAN и семь сетей LAN. Внутри каждой сети сообщения передаются в виде пакетов по своей технологии, например, в сети LAN — по технологии Ethernet, а в сети WAN — по технологии ATM. При взаимодействии между составными сетями используются протоколы TCP/IP.
Рассмотрим модель протоколов TCP/IP.
Модель включает в себя 4 уровня: сетевых интерфейсов, межсетевого взаимодействия, транспортный и прикладной (рис. 4.3). В отличие от модели ВОС, счет уровней идет сверху вниз.
На уровне сетевых интерфейсов (уровень 4 TCP/IP) происходит взаимодействие с физической средой перед ачи потоков битов, а также выполняются функции канального уровня по передаче кадров. Здесь допустимы разнообразные интерфейсы, из которых широкое применение получили интерфейсы локальных сетей, прежде всего Ethernet, включая Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, а также Token Ring и других LAN. При взаимодействии с глобальны-
ми сетями могут использоваться интерфейсы первичных систем передачи SDP и PDH, для которых предусмотрены протоколы соединений типа «точка—точка» РРР (Point to Point Protocol), SLIP (Serial Line Internet Protocol), LAPD. Предусматриваются соединения с интерфейсами сетей ATM, Frame Relay, Х.25 и другими. Количество интерфейсов, взаимодействующих с уровнем 4 протоколов TCP/IP, не ограничено.
На уровне межсетевого взаимодействия (уровень 3 TCP/IP) регламентировано несколько протоколов, из которых главным является протокол IP. Он выполняет основные сетевые функции: выбор маршрута для каждого пакета, пересылку пакета с входа на выход (коммутация) узла. В терминале этот протокол формирует и вставляет (инкапсулирует) в каждый пакет адрес сетевого узла назначения (IP-адрес). Этот уровень характеризуется негарантированной доставкой пакетов получателю.
На этом уровне также работают протоколы маршрутизации: RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol), протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol) и другие протоколы.
Протоколы маршрутизации необходимы для составления таблиц маршрутизации, в соответствии с которыми протокол IP выбирает
Рис. 4.3. Модель протоколов TCP-IP
маршрут передачи пакетов. Эти протоколы на основании собранных в сети данных периодически редактируют таблицу маршрутизации, т.е. вносят и удаляют записи в этой таблице. Такая маршрутизация называется динамической. Протоколы маршрутизации также подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние работают в пределах одной составной сети, относящейся к одному администратору (оператору) сети. Внешний протокол используется для связи между сетями разных администраторов (операторов).
Протокол RIP относится к дистанционно-векторным внутренним протоколам. Принцип его работы состоит в том, что каждый маршрутизатор периодически широковещательно рассылает информацию о расстоянии от себя до всех известных ему подсетей (вектор расстояний), входящих в данную составную сеть. Расстояние измеряется в условных единицах — хопах. Каждый маршрутизатор принимает информацию, рассылаемую маршрутизаторами других подсетей. Маршрутизатор сравнивает полученную информацию с тем, что записано в его таблице маршрутизации и при необходимости изменяет записи в этой таблице. Такое может произойти, если, например, нарушилось какое-либо звено составной сети. В результате в таблице для каждой подсети указано расстояние до нее (в хопах) и адрес маршрутизатора в этой подсети. Протокол RIP применяется для относительно небольших сетей.
Протокол OSPF относится к протоколам состояния связей, использующий алгоритм SPF поиска кратчайшего пути в графе. Каждая вершина графа соответствует одному маршрутизатору сети, а ребра — связям между маршрутизаторами. В маршрутизаторах с помощью специальной процедуры формируются базы данных состояния связей между маршрутизаторами. Базы данных в маршрутизаторах одинаковы и представляют собой полное описание графа сети. В базе данных для каждой связи содержится оценка качества передачи, названная метрикой. Чем меньше метрика, тем выше качество связи. Алгоритм SPF, основываясь на базе данных состояния связей, вычисляет кратчайшие пути между заданной вершиной графа и всеми остальными вершинами. Результатом работы этого алгоритма является таблица маршрутизации.
OSPF применяется для внутренней маршрутизации в системах сетей любой сложности.
Протокол ICMP предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом, являющимся источником пакетов. С помощью специальных пакетов протокола ICMP источник извещается о невозможности доставки пакета, превышении времени жизни пакета, недопустимых величинах параметров и об иных событиях.
Протокол ARP служит для того, чтобы по IP-адресу можно было бы найти МАС-адрес. Поиск происходит либо внутри узла сети, либо путем обращения к ARP-серверу.
Транспортный уровень (уровень 2 TCP/IP) также называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между приложениями пользователей за счет образования виртуальных соединений. При использовании протокола UDP пакеты передаются ненадежно. Ненадежная передача требует меньшего времени обработки блоков данных и следовательно сообщения передаются с меньшей задержкой. По этой причине протокол UDP используется при передаче речи и видео в реальном масштабе времени. Этот протокол выполняет только функции связующего звена между протоколом IP и приложениями.
Прикладной уровень (уровень 1 TCP/IP) включает в себя множество протоколов, обеспечивающих взаимодействие с приложениями пользователей. Чаще всего здесь используются протоколы:
HTTP — протокол доставки гипертекстовых сообщений; TELNET — протокол удаленного доступа; FTP и TFTP — протоколы передачи файлов; SMTP — протокол почтового обмена; SNMP — протокол сетевого управления. Для передачи речи и видео в реальном масштабе времени на прикладном уровне применяется протокол RTP (Realtime Transport Protocol — протокол передачи в реальном масштабе времени). На этом же уровне работают протоколы сигнализации, например SIP (Session Initiation Protocol — протокол инициирования сеансов), используемые для установления соединений и разъединений между речевыми и видеоприложениями.
Каждый из протоколов прикладного уровня взаимодействует с одним из протоколов транспортного уровня. Например, протокол TCP используют приложения с протоколами FTP и HTTP, а протокол UDP — приложения с протоколами TFTP, SMTP, SNMP (Simple Network Management Protocol — простой протокол управления сетью), DNS (Domain Name Service — доменная служба имен), RTP. Такой протокол как SIP может работать как с UDP, так и TCP.
В соответствии с принципами функционирования модели ВОС в пункте отправления сообщения при переходе с верхнего уровня на нижний нвдювом уровне к блоку данных добавляется заголовок. В пункте доставки при переходе с нижнего уровня на верхний на новом уровне из блока происходит изъятие соответствующего заголовка. В качестве примера на рис. 4.4 показана передача блока сообщения через сеть Ethernet. В пункте отправления наприкладном уровне из сообщения выделяется блок данных и передается на транспортный уровень, на котором участвует протокол TCP. Эшг протокол добавляет свой заголовок и передает новый блок данных, получивший название сегмент, на уровень межсетевого взаимодействия. Здесь с помощью IP-протокола добавляется новый заголовок, в результате чего образуется IP-пакет. Теперь IP-пакет поступает в интерфейс сети Ethernet, где он вставляется в кадр Ethernet, имеющий Ethernet-заголовок. Далее кадр передается через сеть Ethernet.
В IP-сетях протоколы всех четырех уровней модели TCP/IP выполняются только в оконечном оборудовании, к которому чаще всего относятся компьютеры пользователей, IP-телефоны и шлюзы. В маршрутизаторах работают только протоколы двух нижних уровней. Для наглядности на рис. 4.5 показан пример обмена данными между двумя компьютерами, включенными в две локальные сети Ethernet. Между LANI и LAN2 включен маршрутизатор.
Рассмотрим один из важных вопросов — адресация в IP-сетях.
В IP-сетях применяются три вида адресов: локальный (МАС-ад- рес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя).
Локальный адрес действует внутри одной сети, входящей в составную сеть. В сети LAN — это МАС-адрес, присваиваемый сетевому адапдеру компьютера или порту маршрутизатора. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, поскольку распределяются централизовано. МАС-адрес имеет формат 6 байтов, из которых старшие 3 байта указывают на производителя оборудования, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Локальные адреса также назначаются внутри глобальных сетей.
Сетевой или IP-адрес обеспечивает обмен информацией между пользователями составных сетей. Он используется протоколом сетевого уровня — протоколом IP. Обычно IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети задается централизовано международным центром — NIC (Network Information Center), а номера узлов назначаются администратором соответствующей сети.
Символьный адрес записывается в виде символов и состоит из нескольких частей, например, из имени компьютера, имени организации, имени домена (например, servl.pgups.spb.ru). Важно отметить, что прежде чем начнется обмен пакетами между пользователями, символьный адрес преобразовывается в IP-адрес. При этом каждому символьному адресу соответствует свой IP-адрес.
Рассмотрим подробнее IP-адреса на примере широко используемой четвертой версии протокола IP (IPv4).
Существуют классовые и бесклассовые модели IP-адресов.
Классовая модель. Каждый IP-адрес имеет длину 4 байта и записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например: Двоичная форма: Десятичная форма:
1000000100001100 0000001000011111 129.12.2.31
В каждом IP-адресе содержатся номера сети (№ сети) и узла этой сети (№ узла). Кроме тою, в старших битах 4-го байта записывается код класса. Всего существует пять классов: А, В, С, D и Е, которые отличаются назначением и длинами полей, отведенных для номеров сети и узла (рис. 4.6).
Адреса классов А, В и С предназначены для пересылки пакетов между двумя узлами пользователей. Адреса класса D используются для групповой пересылки пакетов (режим multicast). Класс Е зарезервирован для дальнейшего применения. Первые слева биты, от одного до пяти, используются для определения класса IP-адресов.
Класс А предназначен для крупных сетей, когда в одной сети может быть примерно до 224 узлов, а количество сетей может достигать 27—2 (126 сетей, т.к. 0 не используется, а 127 — имеет специальное применение).
Класс В служит для построения сетей средних размеров, когда в одной сети может быть примерно до 216. Количество сетей может составлять примерно 214.
Класс С предназначен для небольших сетей с числом узлов в одной сети до 254. Таких сетей может быть достаточно много, примерно—до 221.
В классе D содержатся адреса для групповой пересылки пакетов. Используя такой адрес, пакеты от одного узла можно рассылать ко всем узлам, входящим в данную группу. При этом допускается, чтобы один узел сети входил в несколько групп. Узлы одной группы могут входить в разные IP-сети.
Таким образом, приведенный выше IP-адрес 129.12.2.31 относится к классу В.
Рис. 4.6. Классы IP-адресов
Под узлом в IP-адресации в первую очередь понимается терминальное оборудование, к которому чаще всего относятся персональные компьютеры. Однако IP-адреса присваиваются также отдельным портам маршрутизаторов составной сети. Допускается, чтобы один компьютер входил в несколько IP-сетей. Такому узлу будет присвоено несколько IP-адресов.
Важно отметить, что в отдельной сети, входящей в составную сеть, каждому IP-адресу соответствует локальный адрес, например МАС-адрес.
В любой IP-сети используются два важных правила. Если в номере узла сети записаны нули, то это адрес, присвоенный самой сети (адрес сети в составной сети). Если в номере узла сети — все единицы, то пакет участвует в широковещательной передаче (broadcast). При такой передаче пакеты от узла отправления доставляются ко всем узлам данной сети.
В IP-адресации также предусмотрено несколько адресов специального назначения, которые здесь не рассматриваются.
Бесклассовая модель. В такой модели используются также 4-байтовые адреса. Отличие от классовой модели состоит в том, что в бесклассовой модели более гибко задаются границы между номером сети и номером узла. Это позволяет значительно лучше использовать адреса внутри IP-сети. Правила работы бесклассовой модели определены стандартом CIDR (Classless Internet Direct Routing — Прямая бесклассовая маршрутизация в сети Интернет).
Граница между номерами сети и узла устанавливается с шагом в один бит (в адресации с классами — с шагом в один байт). Чтобы установить такую границу в посылаемом в сеть пакете к IP-адресу добавляется 32-битовое двоичное слово, которое называют Маской сети (netmask) или Маской подсети (subnet mask). В старших разрядах Маски записывается непрерывный ряд единиц, определяющих в IP-адресе биты, соответствующие номеру сети.
Для удобства записи IP-адрес в модели CIDR часто представляется в виде a.b.c.d / п, где a.b.c.d — IP-адрбс, п — количество бит, относящихся к номеру сети. Например, может быть следующая запись: 129.12.2.31/14. Маска сети для этого адреса имеет вид: 14 единиц (номер сети) и 16 нулей (номер узла), что в представлении в виде байтов имеет вид:
11111111.11111100.00000000.00000000 или 255.252.0.0.
В пункте приема пакета номер сети определяется побитным умножением IP-адреса на Маску. Номер узла получается побитным умножением IP-адреса на инвертированную Маску сети.
В настоящее время в IP-сетях преимущественно используется бесклассовая модель.