1. Основы построения сетей

1.1 Проблемы построения сетей

1.1.1 Проблема физической передачи данных

Передача данных
При передаче на короткие расстояния
не возникает особых проблем.
При передаче большие расстояния проявляются ряд проблем.
Проблемы передачи данных на большие расстояния:
Затухание сигнала с увеличением расстояния
Воздействие помех на информационный сигнал
Низкая пропускная способность канала
Решения:
Использование устройств, повторяющих сигнал
Использование специального кодирования
Использование параллельной передачи данных
Проблемы при параллельной передаче данных:
Емкостное сопротивление из-за наличия нескольких проводников.
Увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов.
Стоимость кабельной системы может быть сравнима со стоимостью компьютеров.
Количество передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности.
Длины отдельных кабелей должны быть равны друг другу, иначе образуется временной сдвиг.

1.1.2 Проблемы выбора топологии

Топология сети — это структура графа, в узлах которого находятся конечные узлы сети, а ребрам соответствуют физические или информационные связи.
Виды сетевых топологий:
Физическая топология – определяет физическое соединение узлов линиями передачи данных.
Логическая топология – определяет пути информационных потоков в каналах передачи данных.
В общем случае физическая и логическая топологии в сети могут НЕсовпадать
Поскольку невозможно каждый узел сети связать отдельными линиями связи со всеми остальными, необходимо выбирать одну из нескольких топологий
  • Низкая стоимость проводника
  • Низкая надежность
  • Высокая расширяемость
  • Низкая масштабируемость
  • Замкнутая шина
  • Большая надежность, чем в шине
  • Высокая надежность
  • Высокая масштабируемость.
  • Высокая стоимость проводника.
  • Зависимость от центрального узла
  • Соединение разнородных сетей
  • Каждый сегмент устроен оптимальным для него образом
  • Проблемы объединения сегментов

1.1.3 Проблема совместного использования линий связи

Редко когда возможно предоставить каждому компьютеру для соединения с другими собственную линию связи. Поэтому между компьютерами обычно прокладывают одну линию связи, вместе с этим возникает необходимость регулирования использования разделяемой линии связи. Данная проблема отсутствует только в полносвязной топологии.
Особо остро эта проблема стоит в топологиях шина и кольцо, где вся линия связи является разделяемой. Обычно управлением занимается либо сам узел или специальное устройство арбитр шины.
Типы линий связи

Разделяемая (shared) линия связи

Линия, которая совместно используется различными узлами для передачи данных.

Необходимо использовать различные виды коммутации клиентов (см.п.1.6).
Используются в локальных сетях.

Индивидуальная линия

От каждого узла существует индивидуальная линия связи с другим узлом или другим коммуникационным оборудованием.

Под узлом рассматривается порт коммуникационного устройства, а не конечный пользователь.
Используются в глобальных сетях.

1.1.4 Проблема адресации узлов

Проблема адресации возникает при объединении 3-х и более узлов
Свойства идеальной адресации

Уникальность — адрес уникально идентифицирует узел в сети

Иерархичность — позволяет строить деревообразную структуру

Оптимальность — минимальный размер, фиксированная длинна

Информативность — адрес удобен для использования людьми

Типы адресации

Аппаратная адресация. В основе лежит адрес сетевого адаптера, назначаемый производителем.

05-34-F3-A7-ED-87

Составная числовая адресация. В основе лежит число, которое записывается в определенным образом через разделители.

195.197.112.204

Символьная адресация. В основе лежит набор символов, записываемый с помощью разделителей.

www.opensee.ru

Сравнительные характеристики различных типов адресации
Критерий Аппаратная Числовая Символьная
Уникальность Да Да Да
Иерархичность Нет Да Да
Информативность Нет Нет Да
Оптимальный размер Да Да Нет
Идеальной адресации НЕ существует, поскольку к ней предъявляются противоречивые требования.

1.2 Классификация компьютерных сетей

По территориальному признаку:

Локальные сети (LAN, Local Area Network)

  • Покрывают 1-2 км, обычно в одном здании
  • 100Мбит/с и более

Городские сети (MAN, Metropolitan Area Network)

  • Cети крупного города (мегаполиса)
  • ~45 Мбит/с

Глобальные сети (WAN, Wide Area Network)

  • Объединяют узлы в городах и странах
  • До 10 Мбит/с
В настоящее время наблюдается конвергенция (взаимопроникновение) сетей
В глобальных сетях (WAN):
  • Больше протяженность линий связи,
  • Выше сложность методов передачи данных,
  • Выше масштабируемость
  • Ниже скорость обмена для конечных пользователей,
  • Ниже оперативность выполнения запросов
  • Используют индивидуальные линии связи.
По масштабу производственного подразделения:

Сети отделов

  • 100-150 мест.
  • разделение ресурсов (данные, приложения, принтеры).
  • Обычно не разделяются на под сети.

Сети кампусов

  • Объединяют несколько отделов, обычно в разных зданиях.
  • Общего доступа к базам данных, файл-серверам, сетевым сложбам.

Корпоративные сети

  • Большое число узлов
  • разнообразие линий связи и технологий.
  • Использование глобальных связей между подсетями предприятия.

1.3 Основы передачи дискретных данных

Линии связи в зависимости от среды передачи данных:

Проводные (воздушные)

провода без изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами по воздуху.

Кабельные (медные и волоконно-оптические)

состоят из проводников, заключенных в один или несколько слоев изоляции.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи

образуются с помощью передаваемых электромагнитных волн в атмосфере.

Основные характеристики линии связи:

Амплитудно-частотная характеристика – зависимость затухания мощности сигнала на выходе по сравнению с входом для всех возможных частот.

Полоса пропускания (bandwidth) – это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному не менее 0.5.

Затухание (attenuation) – выличина относительного уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты.

Пропускная способность (throughput) – характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи.

Формула Клода Шеннона:

C –пропускная способность (бит/с)

F – ширина полосы пропускания

Формула Найквиста:

М – число различимых состояний сигнала

F – ширина полосы пропускания

1.4 Стандарты кабелей

При стандартизации кабелей принят протокольно-независимый подход.

В стандарте оговариваются только электрические, оптические и механические характеристики типа кабеля или соединительного изделия.

Типы кабельных систем
Коаксиальные кабели (coaxial cable)
тонкий (thin) кабель, диаметр около 0,5 см, более гибкий.
толстый (thick) кабель, диаметр около 1 см, более жесткий.

Основное применение:

  • кабельное телевидение,
  • сети на основе топологии шина.
Кабели на основе витых пар проводов (twisted pair)
  • экранированные (shielded twisted pair, STP)
  • неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP)
Категория 1. Полоса частот до 4 КГц.
Категория 2. Полоса 1 МГц.
Категория 3. Полоса 16 МГц.
Категория 4. Полоса 20 МГц.
Категория 5. Полоса 100 МГц.
Категория 6. Полоса 200 МГц.
Категория 7. Полоса 600 МГц.

Категории 1-4 сейчас, практически не используются.

Категории 5-7: применение в: Т1, 10BASE-T, 100BASE-T, 1000BASE-T (Gigabit Ethernet),

Token Ring 4/16 Мб/с, FDDI,

АТМ 51/155 Мб/с, TP-PMD 100 Мб/c, 100VG-AnyLAN

оптоволоконные кабели (fiber optic)

Многомодовый (MM) Траектории световых лучей имеют заметный разброс.

Более дешевый, но менее качественный.

Со ступенчатым показателем преломления.
Расстояние до 1 км; скорость до 100МБайт/с; длина волны 0,85 мкм
С градиентным показателем преломления.
Расстояния до 5 км; скорость до 100МБайт/с; длина волны 0,85 и 1,35 мкм; диаметр сердцевины 50 и 62,5 мкм.

Одномодовый (SM) все лучи проходят один и тот же путь, форма сигнала почти не искажается. Более дорогой, но имеет лучшие характеристики.

Расстояние до 50 км; скорость до 2,5 Гбит/с; длина волн 1,31 и 1,55 мкм; диаметр сердцевины 9 мкм.

1.5 Методы передачи данных на физическом уровне

Для передачи дискретных данных применяют два типа кодирования

На основе синусоидального несущего сигнала (более сложная аппаратура, скорость выше)

На основе прямоугольных импульсов (простота реализации, широкий спектр, скорость передачи ниже)

Методы аналоговой модуляции

Методы цифрового кодирования

Методы логического кодирования для улучшения цифровых кодов

Требования, предъявляемые к методам кодирования
Наименьшая ширина спектра результирующего импульса
Способность распознавать ошибки
Низкая стоимость реализации
Самосинхронизация между передатчиком и приемником

1.5.1 Методы аналоговой модуляции

Модуляция (лат. modulatio — мерность, размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).
Типы модуляции

Амплитудная модуляция (BASK, Binary Amplitude Shift Keying) – для кодирования выбираются различные уровни несущей частоты. Недостаток – низкая помехоустойчивость.

Частотная модуляция (BFSK, Binary Frequency Shift Keying) – для логических состояний выбираются различные частоты.

Фазовая модуляция (BPSK, Binary Phase Shift Keying) – для логических состояний выбираются волны с различной фазой.

Смешанная

MFSK (Multilevel FSK) – многоуровневая частотная модуляция. Передается n бит за такт.
QPSK (Quadrature PSK) – квадратурная фазовая модуляция. Используется 4 фазы, передается 2 бита за такт.
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – сочетание фазовой и амплитудной модуляции. (QAM16, QAM32, QAM64)

1.5.2 Методы цифрового кодирования

Типы цифровых кодов

Потенциальные коды

Импульсные коды

NRZ, Манчестерский, NRZI, MLT-3, 2B1Q, …
Биполярный импульсный, …

Существует ряд цифровых кодов. Наиболее распространенные из
них:

1) Потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ).
При смене двоичного значения потенциал меняется на противоположный.

+ Прост в реализации, хорошо распознаются ошибки.

– Не обладает самосинхронизацией.

2) Потенциальный код с инверсией при единице
(NRZI) 0 – предыдущий потенциал, 1 – инвертированный потенциал.

+ похож на AMI, но используется, когда третье состояние не
желательно

– снижает полезную пропускную способность при длинных
единицах

3) Биполярный с альтернативной инверсией (AMI).
Используется три уровня потенциала. 0 – нулевой потенциал. Каждая новая 1-а – кодируется
положительным или отрицательным потенциалом.

+ узкий диапазон частот, наличие синхронизации при
длительных последовательностях 1, отсутствие постоянной составляющей спектра.

– отсутствует самосинхронизация при длительных последовательностях
0, необходимо дополнительное увеличение мощности для распознавания 3х различных
уровней.

4) Биполярный импульсный код: 1 – кодируется
импульсом положительной полярности, 0 – отрицательной полярности. Каждый
импульс длится половину такта.

+ обладает самосинхронизацией, прост в реализации.

– широкий диапазон частот, присутствие постоянной
составляющей в спектре при длинных последовательностях одинаковых символов.

5) Манчестерский код: используется перепад
потенциалов. 1 – перепад от низкого уровня к высокому, 0 – от высокого к низкому.
В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно
представить несколько 0 и 1.

+ самосинхронизация, отсутствие постоянной составляющей в
спектре.

– более широкая полоса используемых частот.

6) Трехуровневый код MLT-3: используется 3
уровня сигнала, при 1 происходит переход на следующий уровень, при 0 уровень
сохраняется.

+ более узкий, чем NRZ, диапазон частот, самосинхронизация
при длительных последовательностях 1, отсутствие постоянной составляющей.

– отсутствие самосинхронизации при длинных последовательностях
0, необходим более мощный передатчик для распознавания 3х уровней.

7) Потенциальный код 2B1Q: каждые 2 бита кодируются
одним из 4-х импульсов и передаются за 1 такт. Паре бит 00 соответствует
потенциал –2,5В, 01 – -0,8В, 10 – +0,8В, 11 – +2,5В.

+ еще более узкая полоса частот.

– наличие постоянной составляющей, отсутствие самосинхронизации.

Логические коды созданы для улучшения характеристик цифровых кодов и замены длительных последовательностей нулей или единиц.

Избыточные коды

4В/5В
8B/6T

Неизбыточные коды

B8ZS
HDB3

Скремблирование

Bi=Ai xor Bi-3 xor Bi-5

Ci=Bi xor Bi-3 xor Bi-5

1.6 Методы коммутации

Коммутация — это соединение конечных узлов через последовательность транзитных узлов
Типы коммутации

Коммутация каналов

На основе частотного мультиплексирования (FDM)
На основе разделения времени (TDM)
На основе разделения по длине волны (WDM)

Коммутация пакетов

Разработана специально для эффективной передачи компьютерного трафика с высоким коэффициентом пульсации.

Коммутация сообщений

передача единого блока данных между транзитными узлами сети с временной буферизацией блока.
Аналог телеграфа.

Способы передачи данных в линии связи:

Симплексный

в одном направлении по каналу связи

(каналы спутниковой связи)

Полудуплексный

поочередно в обоих направлениях

(Ethernet)

Дуплексный

в обоих направлениях одновременно

(FastEthernet, PPP, ADSL)

1.6.1 Коммутация каналов

Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования (FDM). Разработана для телефонных сетей. Применяется также для кабельного телевидения.

Коммутация каналов на основе разделения времени (TDM). Разработана при переходе на цифровые формы данных.

Мультиплексоры, коммутаторы и демультиплексоры работают в режиме разделения времени, поочередно обслуживая абонентские каналы. Цикл обычно равен 125мкс.

Коммутация на основе разделения по длине волны (WDM). Появилась в оптико-волоконных линиях. По одному физическому каналу связи данные передаются на волнах с разной длиной.

1.6.2 Коммутация пакетов

Леонард Клейнрок (Leonard Kleinrock), MIT
1961 год
  • Данные разбивают на пакеты
  • Пакет снабжают заголовком
  • Пакеты могут иметь переменную длину от 46 до 1500 байт.
  • Коммутаторы пакетов, в отличии от коммутаторов каналов, буферизуют пакет (однако, существуют другие режимы работы коммутаторов, см. п.2.2.5)
Коммутация пакетов
С виртуальными каналами
Без фиксированных маршрутов
Без установления соединения
Без установления соединения

1.7 Модель открытых систем

Модель взаимодействия систем

Основные понятия открытой модели
Протокол — это правила, с помощью которых описывают форматы сообщений, которыми обмениваются одноуровневые компоненты в разных узлах.
Интерфейс — правила с помощью, которых стандартизуются форматы сообщений, передаваемых от одного уровня другому в одном узле.
Стек коммуникационных протоколов — это иерархический список протоколов, достаточный для организации взаимодействия.

1.7.1 Модель OSI ISO

International Organization for Standardization (ISO) – международная организация по стандартизации
Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) разработана организацией ISO и др. в 70-е годы на основе опыта создания сетей.
Типы стандартов
  • Стандарты фирм (IBM, Microsoft, Adobe)
  • Стандарты комитетов и объединений (ATM Forum, Fast Ethernet Alliance)
  • Национальные стандарты, (IEEE, ANSI)
  • Международные стандарты (ISO, ITU)
Особенности модели OSI
  • В модели OSI определены 7 базовых уровней.
  • Каждый уровень реализует свои функции.
  • В конкретном стеке протоколов может быть больше или меньше уровней
Приложения обращаются к реализации протоколов прикладного уровня. К ним относятся, например, HTTP, FTP и т.д.
Прикладной
Представительный
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Канальный
Физический
На нижнем уровне — физическом — осуществляется передача сигналов. Например, с использованием кодов 4B/5B + манчестерский код по витой паре.

(1 608 views)