Слайд 1КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
САВЧЕНКО Алина Станиславовна
к.т.н., доцент каф. компьютерных информационных технологий
Слайд 2Общие принципы построения компьютерных сетей
Эталонная модель функционирования
Слайд 3Конвергенция компьютерных и телекоммуникационных сетей
Виды информации
Данные представленные в цифровом (двоичном) коде (файлы,
программы и т.п.)
Текст
Графика
Статическое изображение
Речь
Аудио
Видео
Измерительная информация и др.
Слайд 4Эталонная модель (ЭМ) взаимодействия открытых систем (ВОС) Международной организации по
стандартизации (МОС)
ВОС МОС (OSI ISO)
Набор реализаций
Протоколы ВОС
Услуги ВОС
Эталонная
модель ВОС
Набор услуг, протоколов и реализаций
Набор протоколов и реализаций
Слайд 5Связь компьютера и периферийного устройства
Слайд 9Схема взаимодействия компьютеров в модели OSI
Слайд 11Заг.7
Данные
Кон.7
Заг.7
Данные
Кон.7
Заг.6
Кон.6
Заг. 7
Данные
Кон.7
Заг. 6
Кон.6
Заг.7
Данные
Кон.7
Заг.6
Кон.6
Заг.5
Кон.5
Заг. 7
Данные
Кон.7
Заг 6
Кон.6
Заг.7
Данные
Кон.7
Заг.6
Кон.6
Заг.5
Кон.5
Заг.4
Кон.4
Заг 7
Данные
Кон.7
Заг 6
Кон.6
Заг.7
Данные
Кон.7
Заг.6
Кон.6
Заг.5
Кон.5
Заг.4
Кон.4
Заг.3
Кон.3
Заг 7
Данные
Кон.7
Заг 6
Кон.6
Заг.7
Данные
Кон.7
Заг.6
Кон.6
Заг.5
Кон.5
Заг.4
Кон.4
Заг.3
Кон.3
Заг.2
Кон.2
Заг 7
Данные
Кон.7
Заг
6
Кон.6
Заг 7
Данные
Кон.7
Заг 6
Кон.6
Заг 5
Кон.5
Заг 4
Кон.4
Заг 3
Кон 3
Заг 2
Кон 2
Заг 7
Данные
Кон.7
Заг
6
Кон.6
Заг.7
Данные
Кон.7
Заг.6
Кон.6
Заг.5
Кон.5
Заг.4
Кон.4
Заг.3
Кон.3
Заг.2
Кон.2
Заг.1
Кон.1
Данные 1-го уровня
Данные 2-го уровня
Данные 3-го уровня
Данные 4-го уровня
Данные 5-го уровня
Данные 6-го уровня
Пакет 1
уровня
Пакет 6-го
уровня
Пакет 3-го
уровня
Пакет 4-го
уровня
Пакет 7-го
уровня
Пакет 5-го
уровня
Пакет 2-го
уровня
Формирование пакета
Слайд 15Соответствие стеков протоколов модели OSI
Слайд 16Топологии компьютерных сетей
Узел сети представляет собой компьютер, либо коммутирующее устройство
сети.
Ветвь сети - это путь, соединяющий два смежных узла.
Узлы бывают
трёх типов:
оконечный узел - расположен в конце только одной ветви;
промежуточный узел - расположен на концах более чем одной ветви;
смежный узел - такие узлы соединены по крайней мере одним путём, не содержащим никаких других узлов.
Слайд 17Полносвязная топология
Сеть, в которой имеется ветвь между любыми двумя узлами.(K=N*(N-1)/2
)
K – количество линий связи между узлами N
Слайд 18Ячеистая (mesh) топология
Получается путем исключения связей из полносвязной топологии
Слайд 19Линейная сеть
Содержит только два оконечных узла, любое число промежуточных узлов
и имеет только один путь между любыми двумя узлами.
Слайд 20Общая шина
В этом случае подключение и обмен данными производится через
общий канал связи, называемый общей шиной.
Слайд 21Кольцевая топология
Сеть, в которой к каждому узлу присоединены две и
только две ветви
Слайд 22Звездообразная топология
Сеть, в которой имеется только один промежуточный узел.
Слайд 23Древовидная топология
Сеть, которая содержит более двух оконечных узлов и
по крайней мере два промежуточных узла, и в которой между
двумя узлами имеется только один путь.
Слайд 24Логическая и физическая топология сети
Слайд 25Составной канал в сети с коммутацией каналов
Слайд 26Виды коммутации
Существует три вида коммутации:
каналов - необходимо устанавливать сквозной путь
от одного абонента до другого до того, как будут посланы
данные (телефонные сети);
сообщений - физический путь между абонентами заранее не устанавливается. Используется передача с промежуточным хранением, т.е. данные полностью сохраняются на каждой коммутационной станции по пути следования (телеграф);
пакетов – в общем случае физический путь между абонентами не устанавливается. Сообщение разбивается на пакеты и может передаваться различными путями к получателю.
Слайд 27Коммуникационное оборудование и линии связи
Слайд 28Линии связи
Кабельные
Беспроводные: радиоволны, СВЧ, инфракрасные, лазерные
Витая пара
Коаксиал
Оптоволокно
Слайд 29Представление информации
Кодирование (прямоугольные импульсы)
Модуляция (синусоидальные волны):
Амплитудная
Фазовая
Частотная
Слайд 30Сетевая карта
Compex RE100TX PCI 10/100
Сетевая карта воспринимает команды и данные
от сетевой операционной системы, преобразует эту информацию в один из
стандартных форматов и передает ее в сеть через подключенный к карте кабель. Каждая карта имеет уникальный номер.
Слайд 31Повторитель
Усиливает и восстанавливает сигнал в канале связи. Позволяет увеличить длину
сегмента сети Ethernet
Слайд 32Концентратор
Концентратор повторяет сигналы, пришедшие с одного из своих портов на
других портах.
Слайд 33Принцип работы концентратора (Ethernet) с тремя портами
T
R
T
R
T
R
R
T
R
T
R
T
Концентратор
Компьютер
Сетевая карта
Обозначение: Т-передатчик; R-приемник
1
2
3
Слайд 34Пример сети на концентраторе
Технология: Ethernet 10 Мбит/с
Среда передачи: Витая пара
Слайд 35Мост
Мост делит физическую среду передачи сети на части, передавая информацию
из одного сегмента в другой только в том случае, если
адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети.
TinyBridge
Слайд 36Коммутатор
Коммутатор по назначению не отличается от моста, но обладает более
высокой производительностью так, как мост в каждый момент времени может
осуществлять передачу кадров только между одной парой портов, а коммутатор одновременно поддерживает потоки данных между всеми своими портами.
COMPEX SRX1216 Dual Speed Switch 16 port 10/100 MBit/S (16UTP) RM
Слайд 37Иерархическое соединение концентраторов Ethernet
Слайд 39Маршрутизатор
Маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет
по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные.
со
встроенным коммутатором
для магистральных линий
Слайд 40Соответствие функций различных устройств сети уровням модели OSI
Слайд 41Соединители
Интерфейс RJ-45
Интерфейс BNC
Слайд 42Витая пара
Экранированная
STP Cable
Неэкранированная
UTP Cable
Полихлорвини-ловая оболочка
Полихлорвини-ловая оболочка
Экран
Медные провода
Слайд 45Виды волокон
Многомодовые
Multi Mode Fiber, MMF
Одномодовое
Single Mode Fiber, SMF
со ступенчатым изменением
с
плавным изменением
Слайд 46Характеристики светодиодов и полупроводниковых лазеров
Слайд 47Сравнение медного кабеля и оптоволокна
Достоинства оптоволокна:
позволяет передавать сигнал на большее
расстояние без промежуточного усиления (от 30 км и более для
оптоволокна и 5 км для меди);
тоньше и легче: 1 км 1000 парника весит 8 000 кг оптоволоконная пара аналогичной пропускной способности и длины - 100 кг;
трудно обнаружить, оно не излучает, а следовательно найти и повредить;
инертно к электромагнитным воздействиям, радиации; ему не страшны нарушения питания, агрессивная химическая среда
Слайд 48Сравнение медного кабеля и оптоволокна
Недостатки оптоволоконной технологии:
работа с ним требует
специальной подготовки инженеров, которая пока не столь распространена.
сложнее монтировать, дорогостоящее
оборудование для сваривания проводов.
подключение к оптоволокну дороже пока, чем подключение к витой паре.
Слайд 49Беспроводные технологии
радиосвязь;
связь в микроволновом диапазоне;
инфракрасная связь.
Слайд 50Физический и канальный уровень
Теоретические основы передачи данных
Кодирование и мультиплексирование
Слайд 51Основы передачи данных
Все виды информации могут быть представлены в виде
электромагнитных сигналов (ЭМС) аналоговых или цифровых
Любой ЭМС имеет спектр сигналов
разной частоты (ширина частотной полосы гармоник)
Основная проблема - ухудшение сигнала при передаче (потеря энергии, искажение формы, шумы)
Основные факторы СПД - полоса пропускания, скорость передачи для цифровых данных, уровень шума, уровень ошибок при передаче
Слайд 53Виды сигналов
Сигналы - аналоговые и цифровые
аналоговые данные – аналоговый сигнал
(соответствие спектров частот)
цифровые данные – аналоговый сигнал (модем)
аналоговые данные –
цифровой сигнал (оцифровка)
цифровые данные – цифровой сигнал (количество уровней сигнала)
Слайд 54Цифровые данные – аналоговый сигнал
Телефонные сети были созданы для передачи
и коммутации аналоговых сигналов в голосовом диапазоне частот от 300
до 3400 Гц.
Модем (МОдулятор–ДЕМодулятор) преобразует цифровой сигнал в аналоговый в надлежащем диапазоне частот и наоборот.
Три основных метода модуляции для преобразования цифровых данных в аналоговую форму:
амплитудная модуляция
частотная модуляция
фазовая модуляция.
Слайд 55Преимущества цифрового сигнала перед аналоговым
Затухание и нарушение формы в цифровом
случае не столь сильно как в аналоговом.
При ретрансляции цифрового сигнала
проще восстановить его изначальную форму, которая известна точно, в отличии от аналогового сигнала. При ретрансляции аналогового сигнала ошибка накапливается.
Цифровая передача более надежна.
По цифровой сети можно передавать и данные и голос и музыку одновременно и с большей скоростью.
Цифровая передача дешевле, так как не надо тратить большие усилия на восстановление формы сигнала.
Цифровую сеть проще эксплуатировать.
Слайд 56Аналоговые данные – цифровой сигнал
АЦП (Аналогово-Цифровой Преобразователь) превращает аналоговые данные
в цифровую форму;
ЦАП (Цифро-Аналоговый преобразователь) выполняет обратную процедуру;
Устройство, объединяющее в
себе функции и АЦП и ЦАП, называют кодеком (кодер-декодер).
Для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму используют импульсно-кодовую модуляцию.
Слайд 59The Original Ethernet
Original picture drawn by Bob Metcalfe,
inventor of
Ethernet (1972 – Xerox PARC)
Слайд 60Формат кадра Ethernet DIX(II)
DA (Destination Address) – MAC-адрес узла назначения;
SA
(Source Address) – MAC-адрес узла отправителя
T (Type) – код протокола
верхнего уровня. Для IP значение 08-00;
Данные – если меньше 46 байт дополняется байтами заполнения;
FCS (Frame Check Sequence) – контрольная сумма.
Слайд 62Особенности метода доступа CSMA/CD
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection
прослушивание несущей частоты с множественным доступом и распознаванием коллизий
Преимущества:
простой
алгоритм дешевая и надежная аппаратура;
возможность широковещательной передачи пакетов.
Недостатки:
большие потери из-за коллизий и ожиданий при нагрузке сети > 50 %;
ограниченная длина сети:
2 (время распространения сигнала между узлами)
время передачи кадра – иначе коллизия может быть не связана с передачей своего кадра.
Слайд 63Спецификации физического уровня Ethernet 10 Мбит/c
Слайд 64Коммутатор EtherSwitch
Структурная схема
Коммутационная матрица
Слайд 65Стандарты физического уровня Fast Ethernet
100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной
витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP
Type 1, код 4B/5B
100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используется два волокна, код 4B/5B
100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5, код 8B/6T
Слайд 66Gigabit Ethernet
Формат кадра – прежний
Существуют полудуплексная (применяется редко) и полнодуплексные
версии
Минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт
200 м домен коллизий
Введен Burst Mode – несколько кадров можно передавать подряд, без межкадрового интервала – до 8192 байта, кадры могут быть меньше 512 байт
Физическая среда:
1000Base-SX (Short Wavelength, 850 нм): многомодовое волокно - 220/500 м
1000Base-LX (Long Wavelength, 1300 нм): многомодовое волокно – 550 м, одномодовое – до 5000 м
Твинаксиал – пара проводников в одном направлении, пара в другом
Слайд 67Сетевой уровень
Адресация. Маршрутизация.
IP протокол
Слайд 68Адресация
MAC-адреса используются на канальном уровне для организации доступа к устройствам,
находящимся в том же сегменте сети (например, 00:09:58:D8:33:AA).
Сетевые адреса используются
для описания размещения хостов в составной сети (например, IP-адрес 129.64.134.5).
Адресация, используемая на сетевом уровне, позволяет обеспечить передачу пакетов данных устройствам находящимся в различным локальных сетях.
Поиск хостов и передача данных выполняется специальными устройствами – маршрутизаторами.
Доменные имена (символьные) удобны пользователям, поскольку несут смысловую нагрузку (например, www.nau.edu.ua).
Слайд 69Маршрутизаторы
Маршрутизаторы – устройства обеспечивающие межсетевое взаимодействия и работающие на сетевом
уровне.
Маршрутизатор обеспечивает сквозную маршрутизацию при прохождении пакетов данных перенаправления трафика
на основании информации сетевого протокола.
Маршрутизаторы позволяют решить проблему чрезмерного широковещательного трафика, поскольку они не переадресуют широковещательные кадры, если это не предписано.
Слайд 70Работа маршрутизатора
Маршрутизатор использует уровень 3 для определения оптимального маршрута доставки
данных в сети.
Слайд 71Схемы маршрутизации
anycast - данные посылаются ближайшему из группы получателей
broadcasting
- широковещание: данные передаются всем участниками сети
multicast - групповая передача:
данные передаются определенной группе пользователей
unicast - передача данных одному получателю
Geocast - передача данных для группы получателей в сети, идентифицируются по их географическому местоположению.
Слайд 72Упрощенная таблица маршрутизации
Слайд 73IP-адресация
IP-адрес устройства включает в себя адрес сети, к которой принадлежит
устройство, и адрес узла в этой сети.
IP-адрес имеет иерархическую структуру
и более удобен для организации адресов компьютеров, чем MAC-адреса.
IP-адресация позволяет находить пункт назначения в сети Интернет. Для определения адреса используются двоичные значения. Общая длина адреса составляет 32 бита (версия IPv4).
Для записи IP-адреса как правило применяется десятичная нотация – адрес задается в виде 4 чисел разделенных точками, например, 192.168.160.224.
Слайд 74Формат IP-адреса
Фиксированные границы.
Маска - число, применяемое в паре с IP-адресом.
Двоичная запись маски содержит непрерывную последовательность единиц в трех разрядах,
которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети.
Классы. Пять классов адресов: A, B, C, D, E. Для каждого класса собственное положение границы между номером сети и номером узла.
Слайд 75Классы IP-адресов
Каждый 32-разрядный IP-адрес разделяется на 4 октета:
xxx.xxx.xxx.xxx, где xxx
– некоторое число из диапазона 0-255.
Каждый IP-адрес состоит из двух
частей: номера сети и номера хоста.
Класс A – адреса, зарезервированные для правительственных учреждений;
Класс B – адреса для организаций среднего размера
Класс С – адреса для остальных организаций
Номер хоста (24 бита)
Номер сети (7 битов)
0
Номер хоста (16 битов)
Номер сети (14 битов)
0
1
Номер хоста (8 битов)
Номер сети (21 бит)
1
1
0
Класс A
Класс B
Класс C
Слайд 76Маскирование подсетей
Подсети скрыты от внешнего мира с помощью масок, называемых
масками подсети. С их помощью устройствам сообщается какая часть является
адресом подсети, а какая – адресом хоста.
Маска подсети представляет собой 32 разрядное двоичное число разделена на 4 октета, подобно IP-адресу. Маска подсети имеет все единицы в части, отвечающей сети и подсети, и нули, в части отвечающей адресу хоста.
«1» - сеть, подсеть.
«0» - номер хоста.
Например, для сетей 172.16.1.0 – 172.16.254.0 маска будет иметь вид 255.255.255.0.
Для указания маски также используется обозначение 172.16.1.0/24 (здесь 24 – указатель сколько единиц записывается в двоичном представлении маски – 11111111.11111111.11111111.00000000 = 255.255.255.0)
Слайд 77Протокол IP
Протокол IP используется для управления рассылкой TCP/IP пакетов по
сети Internet. Среди различных функций, возложенных на IP обычно выделяют
следующие:
определение пакета, который является базовым понятием и единицей передачи данных в сети Internet. Многие зарубежные авторы называют такой IP-пакет датаграммой;
определение адресной схемы, которая используется в сети Internet;
передача данных между канальным уровнем (уровнем доступа к сети) и транспортным уровнем (другими словами мультиплексирование транспортных датаграмм во фреймы канального уровня);
маршрутизация пакетов по сети, т.е. передача пакетов от одного шлюза к другому с целью передачи пакета машине-получателю;
"нарезка" и сборка из фрагментов пакетов транспортного уровня.
Слайд 78Формат IP-пакета
В настоящее время используется версия Ipv4 (RFC791). Формат пакета
протокола представлена на рисунке.
В заголовке определены все основные данные, необходимые
для перечисленных выше функций протокола IP: адрес отправителя (4-ое слово заголовка), адрес получателя (5-ое слово заголовка), общая длина пакета (поле Total Lenght) и тип пересылаемой датаграммы (поле Protocol).
Используя данные заголовка, машина может определить на какой сетевой интерфейс отправлять пакет. Если IP-адрес получателя принадлежит одной из ее сетей, то на интерфейс этой сети пакет и будет отправлен, в противном случае пакет отправят на другой шлюз.
Слайд 79Стандарт IPv6
В начале 1995 года IETF, после 3-x лет консультаций
и дискуссий, выпустило предложения по новому стандарту протокола IP -
IPv6, который еще называют IPing.
Основные направления модернизации:
создание масштабируемой схемы адресации (введение новых типов адресов);
сокращение объема работы маршрутизаторов (упрощение заголовка);
предоставление гарантий качества услуг (идентификация типа информационных потоков);
обеспечение защиты данных (введение полей идентификации и конфиденциальности информации).
Слайд 80Транспортный уровень Протоколы TCP, UDP
Слайд 81Протокол UDP
User Datagram Protocol UDP (протокол пользовательских датаграмм) — это
транспортный протокол для передачи данных в сетях IP без установления
соединения. Он является одним из самых простых протоколов транспортного уровня модели OSI.
В отличие от TCP, UDP не гарантирует доставку пакета.
Это позволяет ему гораздо быстрее и эффективнее доставлять данные для приложений, которым требуется большая пропускная способность линий связи, либо требуется малое время доставки данных.
Первые 8 байт датаграммы — UDP-заголовок, остальные биты — данные сообщения.
Слайд 82Протокол TCP
Протокол TCP (transmission control protocol – протокол управления передачей)
осуществляет доставку дейтаграмм, называемых сегментами, в виде байтовых потоков с
установлением соединения.
Применяется в тех случаях, когда требуется гарантированная доставка сообщений.
Использует контрольные суммы пакетов для проверки их целостности и освобождает прикладные процессы от необходимости таймаутов и повторных передач для обеспечения надежности.
Для отслеживания подтверждения доставки в TCP реализуется алгоритм "скользящего" окна.
Слайд 83Формат сегмента TCP
Порт источника и порт приемника (2 байта)
Номер
в последовательности (4 байта), определяет положение данных TCP-пакета внутри исходящего
потока данных, существующего в рамках текущего логического соединения.
Номер подтверждения (4 байта), определяет количество принятых данных из входящего потока к TCP-модулю, формирующему TCP-пакет.
Смещение данных (4 бита), поле, содержащее длину заголовка TCP-пакета в 32-битовых словах и используемое для определения начала расположения данных в TCP-пакете.
Зарезервировано (6 бит)
Флаги (2 байта)
URG срочное сообщение.
ACK квитанция на принятый сегмент
PSH запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера. Подтверждение для TCP-пакета, содержащего единичное значение во флаге PSH, означает, что и все предыдущие TCP-пакеты достигли адресата.
RST запрос на восстановление соединения.
SYN сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения.
FIN признак конца потока данных, передаваемых в этом направлении.
Слайд 84Формат сегмента TCP
Размер окна (2 байта) задает количество байтов данных,
ожидаемых отправителем данного сегмента, начиная с байта, номер которого указан
в поле подтвержденного номера.
Контрольная сумма (2 байта).
Указатель важности (2 байта), указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера. Используется вместе с кодовым битом URG (должен быть установлен в 1).
Опции переменной длины или вообще отсутствуют. Используется для вспомогательных задач, например, выбора максимального размера сегмента.
Слайд 85Алгоритм скользящего окна
Размер окна в сегментах:
window > RTT*B/MSS,
RTT-
время оборота,
B - полоса пропускания канала в бит/с,
MSS -
максимальный размер сегмента в битах,
window - размер окна в сегментах.
Среднее время оборота:
RTTm = a*RTTm + (1-a)*RTTi,
RTTi - результат очередного измерения,
RTTm - величина, полученная в результате усреднения предыдущих измерений,
а - коэффициент сглаживания, обычно равный 0.9.
