КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

1. Александр Масальскихrusalmas@gmail.com КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Лекция №3 Канальная и пакетная коммутация. Международные стандарты. Стандартизация в телекоммуникациях. Эталонные модели. OSI. TCP/IP. Санкт-Петербург, 2012

2. Канальная коммутация • Элементарный канал – это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.

3. Элементарный канал и цифровая передача голоса • В 60-е годы была придумана дискретизация звукового сигнала.

4. Элементарный канал и цифровая передача голоса • Дискретизация по времени по значению. • Частота квантования амплитуды – 8000 Гц. • Частота квантования времени – 125 мкс. • Один замер амплитуды представляется 8 битами, что даёт 256 значений амплитуды. • Для передачи голосового канала требуется пропускная способность 64 Кбит/c(8000 измерений в секунду x 8 бит). • Такой канал будет называться элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

5. Коммутация каналов. Составной канал • Составной канал – связь, построенная путем коммутации (соединения) элементарных каналов.

6. Коммутация каналов. Свойства составного канала • Составной канал на любом участке состоит из одинакового количества элементарных каналов. • Составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность. • Составной канал создаётся временно на период сеанса связи между конечными устройствами. • Элементарные каналы, входящие в составной, входят только в 1 составной канал. • После закрытия составного канала, элементарные каналы освобождаются.

7. Коммутация каналов. Процедура установления соединения • Количество элементарных каналов между разными промежуточными узлами может отличаться. Теоретически, возможна ситуация, когда существующих ресурсов будет недостаточно для установки всех требуемых составных каналов. • Требуется процедура распознания невозможности организации составного канала. • Такая процедура в сетях с канальной коммутацией называется процедурой установления соединения.

8. Коммутация каналов. Процедура установления соединения • Инициатор связи генерирует запрос, содержащий информацию об адресах конечных узлов запрашиваемого составного канала (пусть A и B). • Необходимо наличие требуемого числа свободных элементарных каналов на пути следования информационного потока от А к В. • Запрос перемещается по маршруту информационного потока. При этом используются глобальные таблицы коммутации (соответствие глобального признака потока интерфейсам промежуточных узлов).

9. Коммутация каналов. Процедура установления соединения • Когда запрос проходит до конечного узла, имеется полная информация о возможности установления соединения. • В случае успеха, составной канал фиксируется. Для этого на всех промежуточных узлах создаются записи в локальных таблицах коммутации, в которых указывается соответствие между локальными признаками потока – идентификаторами элементарных каналов, используемых в фиксируемом составном канале. • Возможен и отказ в установлении соединения.

10. Коммутация каналов. Процедура установления соединения

11. Коммутация пакетов • В сетях с коммутацией пакетов представление информации, передаваемой по сети, происходит в виде структурно отделенных друг от друга порций данных, называемых пакетами. • Пакет чаще всего состоит из: • Заголовка (Head), содержащего, например, адрес назначения, размер поля данных и прочую служебную информацию. • Поля данных (Data). • Конечного поля (Tail), зачастую, содержащего контрольную сумму

12. Коммутация пакетов • Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линии связи. Пропускная способность так же не обеспечивается (не считая особых модификаций). • Маршрут следования хранится на промежуточных узлах и формируется или вручную или автоматически. • Пакеты могут теряться, искажаться, приходить в изменённом порядке.

13. Коммутация пакетов

14. Коммутация пакетов

15. Коммутация пакетов

16. Коммутация пакетов.Буферизация пакетов • Главное отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов – наличие внутренней буферной памяти для временного хранения пакетов. • Чтобы принять решение о продвижении, надо иметь пакет целиком. Пакет бит за битом помещается во входной буфер. Потом проверяется checksum, затем принимается решение о продвижении пакета дальше. • Такая техника носит название сохранения с продвижением(store-and-forward) • Буферизация так же необходима для согласования скоростей передачи данных в линиях связи. Если узел не успевает обрабатывать пакеты, образуются входные очереди.

17. Коммутация пакетов.Буферизация пакетов • Используются различные архитектуры коммутаторов: с единственным центральным процессором, с отдельными дополнительными процессорами на интерфейсах. В случае переполнения очереди будет происходить потеря пакетов. • Есть три метода продвижения пакетов: • Дейтаграммная передача. • Передача с установлением логического соединения. • Передача с установлением виртуального канала.

18. Коммутация пакетов.Буферизация пакетов

19. Коммутация пакетов.Дейтаграммная передача • Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты продвигаются независимо на основании одних и тех же правил. • Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим состоянием сети. Информация об уже переданных пакетах на промежуточных узлах не хранится. Каждый пакет – независимая единица передачи – дейтаграмма.

20. Коммутация пакетов.Дейтаграммная передача

21. Коммутация пакетов.Дейтаграммная передача • Возможен баланс нагрузки – несколько возможных путей следования пакетов для одного и того же destination address. • Метод не гарантирует доставку пакетов. Доставка с максимальными усилиями (best effort)

22. Коммутация пакетов.Логическое соединение • Процедура согласования между двумя конечными узлами сети некоторых параметров процесса обмена пакетами называется установлением логического соединения. Параметры, о которых «договариваются» два взаимодействующих узла называются параметрами логического соединения. • Способ основан на запоминании устройствами «истории обмена». • Параметры могут быть постоянными и переменными. • Когда отправитель и получатель фиксируют соединение, они договариваются о параметрах.

23. Коммутация пакетов.Установка логического соединения

24. Коммутация пакетов.Логическое соединение • Кадры бывают: информационные и служебные. • На промежуточных узлах кадры обрабатываются так же как при дейтаграммной передаче. • Имеется дополнительная обработка пакетов на конечных узлах. • Механизм логических соединений позволяет реализовать дифференцированную обработку информационных потоков.

25. Коммутация пакетов.Передача с установлением виртуального канала • Способ продвижения данных. Частный случай логического соединения, в параметры которого входит жёстко определённый для всех пакетов маршрут. • Маршрут прокладывается заранее и зафиксирован на время существования виртуального канала. Виртуальный канал (virtual circuit / virtual channel). • Виртуальные каналы прокладываются для устойчивых информационных потоков. Пакеты таких потоков помечаются идентификаторами – метками.

26. Коммутация пакетов.Установление виртуального канала • Генерируется запрос на установления соединения (с указанием адреса и метки потока). Запрос, проходя по промежуточным узлам, формирует новую запись в таблице коммутации. • Таблица коммутации в таких сетях содержит запись только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах.

27. Коммутация пакетов.Передача с установлением виртуального канала

28. Коммутация пакетов.Временные задержки в сети с канальной коммутацией

29. Коммутация пакетов.Временные задержки в сети с канальной коммутацией • Время доставки T равно сумме времени распространения сигнала в канале (tprg)и времени передачи сообщения в канал (время сериализацииttrns). • Количество промежуточных коммутаторов не влияет на время доставки. • tprg= расстояние между конечными узлами / скорость ЭМ волн в конкретной физической среде. • ttrns= объём сообщения в битах / пропускная способность канала в битах в секунду.

30. Коммутация пакетов.Временные задержки в сети с пакетной коммутацией

31. Коммутация пакетов.Временные задержки в сети с пакетной коммутацией

32. Коммутация пакетов.Временные задержки в сети с пакетной коммутацией • t1– время формирования пакета (время пакетизации) • t2– время передачи в канал заголовка • t3– время передачи в канал поля данных • t4– время распространения сигнала (1 бита) от узла N1 до коммутатора 1 • t5 – время приема пакета с его заголовком из канала во входной буфер коммутатора (t5 = t2+ t3) • t6– время ожидания в очереди • t7 – время коммутации при передаче пакета

33. Коммутация пакетов.Временные задержки в сети с пакетной коммутацией • TN1-S1– время передачи пакета из узла N1 на выходной интерфейс коммутатора 1. + • TN1-S1 = t1+ t4 +t5 +t6 +t7 • TS1-S2 (без времени пакетизации) • TS2-N2 (без временикоммутации) • Время передачи 1 пакета составит: T1=TN1-S1+TS1-S2+TS2-N • Пакеты передаются параллельно. Оценим общее время передачиn пакетов: TPS=T1+(n-1)(t1+ t5)

34. Коммутация пакетов.Временные задержки в сети с пакетной коммутацией

35. Архитектура и стандартизация сетей • Декомпозиция задачи сетевого взаимодействия. • Многоуровневый подход с созданием иерархии и разбиением на уровни • Межуровневый интерфейс – интерфейс услуг

36. Архитектура и стандартизация сетей

37. Архитектура и стандартизация сетей • Протокол – интерфейс между средствами взаимодействия 2 х сторон на одном уровне • Протокол, интерфейс – формализованное описание процедуры взаимодействия двух объектов.

38. Архитектура и стандартизация сетей • Стек протоколов – иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.

39. Стандарты в телекоммуникациях • Источники стандартов: • Стандарты отдельных фирм (стэкSNA IBM) • Стандарты специальных комитетов и объединений (ATM Forum, Fast Ethernet Alliance) • Национальные стандарты (FDDI от ANSI) • Международные стандарты (ISO, ITU. X.25 ISDN)

40. Стандарты в телекоммуникациях • ISO International Organization of Standardization (American National Standard Institute, BSI, AFNOR, DIN) • NIST (National Institute of Standards and Technologies, NIST SP 800-153 - стандарт по безопасности беспроводных сетей) • IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), f.e. committee 802 • ITU (International Telecommunication Union) учреждениеООН v.24, v.90 • EIA (Electronics Industries Alliance), RS • CCITT (International Consultative Committee for Telegraphy and Telephony) – ITU-T

41. Стандарты в Интернет • ICCB (Internet Configuration Control Board), DARPA, сменена на IAB • IAB (Internet Architecture Board) • Internet Research Task Force • Internet Engineering Task Force (Специальная комиссия интернет разработок) • RFC (Request For Comment) • IANA (Internet Assigned Numbers Authority)

42. Абстрактная модель OSI • К концу 70-х 20 века существовало большое количество фирменных стеков протоколов. Например DECnet, TCP/IP, SNA. Возникла проблема совместимости. С 1977 по 1984 разрабатывалсь единая модель, обобщающая средства сетевого взаимодействия. • Определяет уровни взаимодействия в сетях с пакетной коммутацией. Вводит стандартные уровни с установленными названиями. Описывает функции каждого уровня. Не содержит описаний протоколов. • OpenSystemsInterconnection (ISO + ITU-T) 1982 • ГОСТ Р ИСО 7498-2-99

43. Абстрактная модель OSI

44. Физический уровень • Тип кабелей и разъемов • Разводку контактов в разъемах • Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1 • Спецификации • EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса. • EIA-RS-422/449, CCITT V.10 механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса. • IEEE 802.3 - Ethernet • IEEE 802.5 - Tokenring

45. Канальный уровень • Обеспечивает создание, передачу и приемкадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде. • HDLC для последовательных соединений, • IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) MAC для сред 802.x • Ethernet • Tokenring • FDDI • X.25 • Framerelay

46. Транспортный уровень • Транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень. • Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают: • TCP - протокол управления передачей • NCP - NetwareCoreProtocol • SPX - упорядоченный обмен пакетами • TP4 - протокол передачи класса 4

47. Уровни сеансовый • Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели. • L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol), • NetBIOS (Network Basic Input Output System), • PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol), • RPC (Remote Procedure Call Protocol), • SCP (Secure Copy Protocol)

48. Уровни представления • Уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели. • AFP — Apple Filing Protocol, • LPP — Lightweight Presentation Protocol, • NCP — NetWare Core Protocol, • NDR — Network Data Representation, • X.25 PAD — Packet Assembler/Disassembler

49. Уровень прикладной • Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью. • К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней относятся: • FTP - протокол переноса файлов • TFTP - упрощенный протокол переноса файлов • X.400 - электронная почта • Telnet • SMTP - простой протокол почтового обмена • SNMP - простой протокол управления сетью • NFS - сетевая файловая система

50. Инкапсуляция пакетов