Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

и системы передачи основаны на цифровых технологиях и программном

управлении.

Первая система ОКС – система сигнализации № 6 предназначалась

для передачи всех видов управляющей информации по каналам тональной

частоты (ТЧ) аналоговых систем уплотнения линий на скоростях 2,4 или 4,8

кбит/с. Система обладала хорошими эксплуатационными параметрами и по-

лучила широкое распространение в мире.

По функциональному назначению сигналы, используемые в перечис-

ленных классах сигнализации, делятся на три категории:

 абонентские сигналы – управляют каналом передачи по абонент-

ской линии и предоставляют адресную информацию для регистрации в ме-

стной системе коммутации, а также информируют абонентов о состоянии

соединения (акустические и зуммерные сигналы);

 линейные сигналы – управляют каналами передачи по каналу свя-

зи между станциями. Линейные сигналы передаются как в прямом, так и в

обратном направлениях, в исходном состоянии и во время установления со-

единения до полного освобождения устройств. Эти сигналы отмечают ос-

новные этапы установления и завершения соединения;

 регистровые сигналы – отображают адресную информацию, ис-

пользуемую для маршрутизации вызовов к месту назначения (например,

информация о номере вызываемого абонента, о категории и номере вызы-

вающего абонента, сигналы категории вызова и др.).

Совокупность соответствующих сигналов и способов их передачи об-

разуют абонентскую сигнализацию, линейную сигнализацию и регистро-

вую сигнализацию.

Адресная информация может посылаться между станциями двумя

способами:

 "от звена к звену", согласно которому вся адресная информация

посылается и обрабатывается на каждой станции на пути следования; на-

пример, исходящая станция А передает всю информацию на станцию Б, и ее

передатчик освобождается; станция Б обрабатывает адресную информацию

и посылает ее к следующей станции В и т.д.;

 "из конца в конец", когда осуществляется сквозная сигнализация.

Например, станция А вызывающего абонента передает только часть инфор-

мации, необходимой для маршрутизации вызова на следующей станции Б,

затем часть информации передается из станции А на следующую станцию В

и т.д.

Разработка и быстрое внедрение цифровых систем передачи предо-

пределило появление системы сигнализации № 7 - SS7 (Signaling System 7),

ориентированной на применение в цифровых сетях. Один канал SS7 cо ско-

ростью 64 кбит/с позволяет передавать сигнальную информацию для пучка,

Компьютерные сети

содержащего до двух тысяч каналов ТЧ. Обладая огромным потенциалом,

SS7 не только обеспечила потребности передачи сигнальной информации

для существовавшего в момент ее появления уровня развития связи, но и

способствовала созданию новых услуг связи.

Идея SS7 заключается в передаче всех линейных и управляющих сиг-

налов, необходимых для функционирования множества речевых каналов, по

одному каналу передачи данных. При этом все сигналы собираются в паке-

ты – сигнальные единицы и снабжаются заголовком, устанавливающим

принадлежность каждого из сигналов определенному речевому каналу. SS7

ориентирована на использование каналов передачи данных со скоростью 64

кбит/с.

Сигнальные каналы, или так называемые звенья и пункты сигнализа-

ции (то есть коммутационные системы, использующие SS7; базы данных,

принадлежащие SS7, и т. д.), образуют сеть сигнализации. Она строится по

специфическим правилам, отличным от правил построения как телефонных,

так и компьютерных сетей. По существу SS7 образует сеть передачи данных

– сеть сигнализации, при этом все сигналы собираются в пакеты и снабжа-

ются заголовком, устанавливающим принадлежность каждого из сигналов

определенному каналу ТЧ.

Сети сигнализации функционируют в связанном и квазисвязанном ре-

жимах. В связанном режиме маршруты сигнальных каналов и канала сигна-

лизации совпадают, а в квазисвязанном – могут не совпадать. Каждый ре-

жим имеет определенные достоинства и недостатки. В связанном режиме

сигнализации отпадает необходимость в транзитных пунктах сигнализации,

ведь отказ сигнального канала в большинстве случаев происходит одновре-

менно с отказом группы речевых каналов. Однако при этом все направления

связи должны иметь прямые сигнальные каналы, загрузка которых может

быть небольшой. Поэтому применение связанного режима обычно экономи-

чески невыгодно, особенно в крупных сетях.

Квазисвязанный режим позволяет организовать сеть сигнализации бо-

лее рационально, но требует создания транзитных пунктов сигнализации. К

тому же возможны ситуации, когда работоспособный пучок речевых кана-

лов нельзя использовать из-за отказа сигнального канала.

Выбор маршрутов сигнализации в сети сигнализации SS7 осуществля-

ется в соответствии с таблицами маршрутизации. В таких таблицах указы-

вается обычно два маршрута, один из которых, как правило используется

при нормальных условиях, а второй - при отказе первого. Однако возможно

использование обоих маршрутов в режиме разделения нагрузки, при этом

может быть достигнуто более равномерное распределение сигнальной на-

грузки по сети сигнализации.

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

Основными преимуществами общеканальной системы сигнализации

SS7 являются следующие:

 скорость – время установления соединения не превышает одной

секунды;

 высокая производительность – один канал сигнализации спосо-

бен одновременно обслуживать до тысячи разговорных каналов;

 экономичность – минимальное количество оборудования на ком-

мутационной станции;

 надежность – возможность альтернативной маршрутизации в сети

сигнализации;

 гибкость – способность передачи любых данных (телефонии, циф-

ровых сетей с интеграцией служб, сетей подвижной связи, интеллектуаль-

ных сетей и т.д.).

SS7 на данный момент является системой, обладающей огромным по-

тенциалом. Изначально в нее были заложены большие возможности для

управления другими, еще не существующими услугами связи. Сейчас обще-

канальная сигнализация ОКС №7 является обязательным компонентом сле-

дующих цифровых сетей связи:

 телефонной сети общего пользования (ТФОП);

 цифровой сети с интеграцией служб ISDN;

 сети связи с подвижными системами;

 интеллектуальной сети.

1.6. Выводы по разделу

1. Компьютерная сеть представляет собой распределенную в про-

странстве совокупность ЭВМ, линий и каналов связи, систем передачи дан-

ных, узлов коммутации и распределения информации, управляемую сете-

вым программным обеспечением, предназначенная для распределенной об-

работки данных, а также для обмена информацией между пользователями

сети.

2. Существует два способа построения компьютерных сетей: на осно-

ве однородных (гомогенных) программно-совместимых компьютеров и уз-

лов и интеграцию разнородных (гетерогенных) сетей в единую объединен-

ную сеть – Интернет.

3. По масштабу сетей, размещения их в пространстве, способу и типу

используемых каналов связи, сети подразделяются на глобальные и локаль-

ные.

Компьютерные сети

4. Компьютерные сети различаются между собой топологией – схе-

мой размещения узлов в пространстве и способом их соединения.

5. Существует стандартная эталонная модель взаимодействия откры-

тых систем (ВОС), которая унифицированным образом описывает принци-

пы взаимодействия разнообразных сетевых систем друг с другом. Согласно

модели ВОС вся сеть делится на семь уровней: прикладной, представитель-

ный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический.

6. Одинаковые уровни в различных системах взаимодействуют по оп-

ределенным правилам (протоколам), определяющим поведение систем, уст-

ройств или их частей, выполняющих конкретные логически взаимосвязан-

ные функции при передаче данных. Протоколы классифицируют по уровню,

на котором они функционируют, назначению, способу передачи управляю-

щих сигналов и др.

7. Различают сети с коммутацией каналов, сообщений и пакетов. Па-

кет представляет собой минимальную самостоятельную единицу сообще-

ния, содержащую в заголовке всю необходимую служебную информацию,

достаточную для самостоятельного перемещения по сети и доставки полу-

чателю.

8. В сетях с коммутацией каналов устанавливается физическое или

логическое сквозное соединение взаимодействующих компьютеров на вре-

мя сеанса связи. Различают сети с пространственной и временной коммута-

цией. В первом случае устанавливается физическое или логическое соеди-

нение между участками линий связи, различающихся по положению в про-

странстве. При временной коммутации каналов выполняется перестановка

данных, находящихся на одной временной позиции (одном канале) в дру-

гую.

9. В сетях с коммутацией пакетов различают дейтаграммный способ

передачи и передачу пакетов по виртуальным соединениям. Дейтаграммный

способ является более простым, однако нередко нарушается очередность

поступления пакетов на оконечный узел сети. Кроме этого возникает некон-

тролируемая задержка распространения пакетов в сети.

10. Для доставки сообщений получателю необходимо указывать его

адрес, а также адрес отправителя. Различают глобальные и локальные, одно-

и многоступенчатые адреса. С целью упрощения использования адреса час-

то представляются в виде последовательности некоторых символов.

11. В процессе соединения между двумя абонентами необходимо осу-

ществить маршрутизацию, то есть определить те узлы сети, через которые

будет проходить соединение. Различают централизованную, распределен-

ную и смешанную маршрутизацию. Существуют различные способы мар-

шрутизации: волновая, фиксированная, с альтернативными путями и адап-

тивная.

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

12. Для маршрутизации в объединенных сетях в основном применяют-

ся два алгоритма дистанционно-векторный алгоритм Беллмана-Форда и ал-

горитм маршрутизации с учетом состояния линий – алгоритм Дийкстры.

Основным понятием алгоритмов является вектор расстояний, представляю-

щий собой список с записями вида: "Получатель, Стоимость".

13. В процессе функционирования сети узлы через установленное вре-

мя периодически рассылают служебные пакеты, содержащие текущие зна-

чения векторов стоимостей, всем своим непосредственным соседям. На ос-

новании этой информации каждый узел сети определяет по алгоритму

Беллмана-Форда для любого возможного получателя пути с минимальными

затратами. Это производится суммированием стоимостей доставки сообще-

ний соседям с соответствующими стоимостями доставки от соседа к полу-

чателю, которые сообщил соседний узел. Стоимость в алгоритме Беллмана-

Форда отображает количество переходов (хопов) между узлами.

14. При учете состояния линий связи узлы сети располагают информа-

цией о топологии всей сети и о стоимости связей между ними. По алгоритму

Дийкстры определяются кратчайшие пути от заданного узла-источника до

всех остальных узлов сети, в процессе перебора путей в порядке увеличения

их длин.

15. В процессе функционирования сети возможны ее перегрузки и, как

следствие, блокировка отдельных узлов или всей сети в целом. Основная

причина возникновения перегрузок – превышение скорости поступления

информации над скоростью ее вывода, при ограниченной емкости запоми-

нающих устройств. Для исключения этого явления осуществляется управле-

ние сетевыми потоками.

16. Управление потоком данных позволяет останавливать поток кадров

до тех пор, пока узел не будет готов к приему следующих байтов. В процес-

се реализации процедуры управления потоком получателем посылается

блок остановки потока в направлении, противоположному тому потоку бай-

тов, который надо остановить.

17. На сетевом уровне простейшей формой управления потоком дан-

ных является передача блоков с остановками. Более эффективный способ –

непрерывная передача группы блоков без ожидания подтверждения приема

по каждому блоку. Такой алгоритм обмена данными получил название

"управление потоком со скользящим окном".

18. В процессе обмена данными в сети необходимо обеспечивать за-

данное качество обслуживания QoS. Основными показателями QoS являют-

ся пропускная способность, задержка пакетов, степень приоритета, надеж-

ности и стоимость.

19. Процесс передачи служебной и управляющей информации в сети

для обеспечения ее функционирования поддерживается системой сигнали-

Компьютерные сети

зации. Сигнализация может осуществляться по основному каналу либо по

индивидуальному выделенному сигнальному каналу. В современных ком-

пьютерных сетях передача управляющих сигналов реализуется специаль-

ными системами общеканальной сигнализации, в частности системой SS7, в

которой передача всех линейных и управляющих сигналов, необходимых

для функционирования множества речевых каналов, осуществляется по од-

ному управляющему каналу передачи данных. При этом все сигналы соби-

раются в пакеты - сигнальные единицы и снабжаются заголовком, устанав-

ливающим принадлежность каждого из сигналов определенному речевому

каналу.

20. Более подробно со стеками протоколов и особенностями настройки

параметров протоколов можно ознакомиться в [2,4,6,7,9,18,24,26,32], спосо-

бами коммутации в компьютерных сетях - в [16,17,18], алгоритмами мар-

шрутизации, настройкой и программированием маршрутизаторов – в

[10,11,18,24], управлением потоками и способами защиты от перегрузок – в

[8,9,16].

1.7. Контрольные вопросы

1. В чем состоит коренное различие между локальными и глобальными

компьютерными сетями?

2. Какая разница между хостом и рабочей станцией?

3. Из каких соображений выбирается топология в процессе проектирова-

ния компьютерной сети?

4. Назовите топологии, в которых используются двухточечные соедине-

ния, и в которых – многоточечные.

5. Что означает термин "широковещательная передача"?

6. По какой причине компьютерная сеть подразделяется на уровни? Пере-

числите эти уровни и назовите их функции.

7. Почему большинство известных стеков протоколов отличаются от стека

эталонной модели?

8. С какой целью осуществляется коммутация каналов вместо использо-

вания прямых связей?

9. Чем отличаются между собой коммутация сообщений и пакетов?

10. С какой целью используют многоступенчатые пространственные ком-

мутаторы?

11. Как осуществляются соединения каналов в системах с временной ком-

мутацией?

Раздел 1. Общие принципы построения компьютерных сетей

12. Зачем во временных коммутаторах применяется запоминающее устрой-

ство и как оно влияет на максимально допустимое количество комму-

тируемых каналов?

13. Для решения каких задач используется управляющая информация, со-

держащаяся в сетевом пакете?

14. Назовите отличия виртуального соединения от физического?

15. С какой целью используются многоступенчатые адреса?

16. Что называется "маршрутизацией", и каковы критерии оптимальности

маршрутизации?

17. Назовите преимущества и недостатки лавинной маршрутизации?

18. Как можно выбрать оптимальный путь при распределенной маршрути-

зации, если маршрутизатору в начале работы известна информация

только о путях до соседних узлов?

19. В чем заключается суть, достоинства и недостатки алгоритма маршру-

тизации Беллмана-Форда?

20. Проиллюстрируйте процедуру поиска оптимального маршрута по алго-

ритму Дийкстры.

21. Назовите преимущества алгоритма маршрутизации с учетом состояния

линий?

22. Какое явление в компьютерной сети называют перегрузкой и каковы

способы ее предотвращения?

23. Перечислите показатели, характеризующие качество обслуживания в

компьютерных сетях?

24. Каковы способы управления потоками данных в сетях и в чем состоит

суть управления со скользящим окном?

25. С какой целью в сетях применяется сигнализация? Раскройте суть об-

щеканальной сигнализации?

Раздел 2

ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ

Линия, кабель и канал связи – синонимы, или принципиально разные понятия? Что

же ограничивает скорость передачи по линии или каналу связи? До какой величины мож-

но увеличивать уровень сигнала в линии? Почему компьютерные данные нельзя непосред-

ственно передавать по телефонным каналам связи? Зачем нужна модуляция сигналов?

Что такое расширение спектра и зачем оно нужно? Как обеспечить в компьютерных

сетях необходимую достоверность передачи информации при наличии интенсивных по-

мех? На эти и многие другие вопросы Вы найдете ответ, ознакомившись с данным разде-

лом.

2.1. Линии и каналы связи

В качестве физической среды распространения сигналов в компьютер-

ных сетях используются электрические и оптические кабели, беспроводные

линии связи, а также каналы связи. Кабелем связи называется система изо-

лированных пар проводников, имеющая общую оболочку для защиты от ме-

ханических и климатических воздействий. В проводных кабелях в качестве

среды распространения сигналов служит медный проводник, а в оптических

– световод, выполненный из кварцевого стекла или полимерных материалов.

Беспроводные линии связи построены на основе волн инфракрасного излу-

чения либо радиоволн.

Зачастую существующие линии связи способны обеспечить значи-

тельно большую пропускную способность по сравнению с реальной скоро-

стью передачи сигналов аппаратуры пользователя по таким линиям. Поэто-

му непосредственная передача информации по физическим линиям осущест-

вляется только на небольшие расстояния (несколько км). При необходимо-

сти передачи сигналов на большие расстояния линии связи уплотняют, т.е. с

помощью специальных многоканальных систем связи (аппаратуры уплотне-

ния) ресурсы линии связи разделяют на несколько независимых каналов.

Число таких каналов, образованных на одной линии связи, может составлять

от десятков до нескольких тысяч.

Обобщенная структурная схема многоканальной системы связи (МСС)

изображена на рисунке 2.1.

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

Оконечная передающая аппаратура предназначена для преобразования

N передаваемых исходных сигналов. При этом каждый сигнал в линии связи

должен отличаться от других по одному из параметров (занимаемая полоса

частот, время передачи и т.д.). Совокупность таких сигналов, так называе-

мый групповой сигнал, передается по линии связи (ЛС). Промежуточное обо-

рудование служит для компенсации затухания и искажений, которые пре-

терпевают сигналы при передаче по ЛС. Оконечная аппаратура приемной

стороны осуществляет обратное преобразование группового сигнала в N ис-

ходных.

Каналом связи называется независимый тракт передачи сигналов от

источника к получателю, образованный аппаратурой уплотнения на физиче-

ской линии путем использования части ресурсов этой линии.

Кабельные системы являются тем связующим звеном, которое соеди-

няет все необходимые компоненты компьютерных сетей предприятий и ор-

ганизаций. Рациональная организация кабельной системы здания или груп-

пы зданий является одной из важнейших задач при построении компьютер-

ных сетей. Именно она в основном определяет надежность функционирова-

ния всех сетевых служб подразделений и организации в целом. При про-

кладке кабельных линий следует учитывать, что за время их эксплуатации

возникнут неизбежные изменения информационных характеристик и техно-

логий передачи сообщений, количества пользователей, аппаратного и про-

граммного обеспечения сети. Кроме этого, кабельная сеть должна позволять

передачу сигналов других служб: телефонии, телевидения, пожарной сигна-

лизации и пр. Поэтому кабельная сеть здания должна быть универсальной,

обладать достаточной гибкостью, а также позволять осуществлять относи-

тельно простой доступ обслуживающему персоналу к линиям связи и рас-

пределительным устройствам. Для обеспечения таких возможностей была

разработана концепция структуированных кабельных систем.

Структурированная кабельная система (СКС) представляет собой

иерархическую кабельную систему здания или группы зданий, разделенную

на структурные подсистемы. СКС состоит из набора медных и оптических

кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъемов, мо-

Рисунок 2.1 – Обобщенная структурная схема многоканальной системы связи

Компьютерные сети

дульных гнезд, информационных розеток и вспомогательного оборудования.

Кроссовые панели (Cross Connect Panel) обеспечивают соединение кабелей с

портами сетевого оборудования. К кроссовым панелям подходят все кабели

компьютерных сетей этажа или всего здания. Существует два типа кросс–

панелей. К первому относятся панели с врезными контактами. Лезвия такого

соединителя разрезают изоляцию провода при вставке, обеспечивая тем са-

мим электрическое соединение с жилой провода и фиксацию его в контакте.

Такие соединители применяются преимущественно на телефонных комму-

тационных узлах. Ко второму типу относятся модульные панели, разрабо-

танные специально для компьютерных сетей. Они имеют множество гнезд,

объединенных в модули, для кабелей различных типов, например RJ-45,

BNC, оптоволоконных кабелей и т.п. Для перекоммутации линий связи на

кроссовых панелях используются стандартные гибкие электрические соеди-

нительные шнуры. Все перечисленные элементы интегрируются в единую

систему и эксплуатируются согласно определенным правилам.

Структурированные системы позволяют быстро и легко изменять кон-

фигурацию кабельной системы внутри здания и между зданиями. Для этого

администратору сети достаточно перекоммутировать контакты на кросс–

панелях. Это позволяет обеспечить гибкое изменение рабочих мест сотруд-

ников и полное изменение конфигурации системы, включая замену и добав-

ление оборудования, расширение системы.

В структурированную кабельную систему закладывается структурная

избыточность, предусматривающая возникновение дополнительных рабочих

мест для абонентов компьютерной сети, возможности перемещения в преде-

лах организации оборудования и персонала. Избыточность СКС требует до-

полнительного количества кабеля, розеток, кросс-панелей. Однако дополни-

тельные капитальные затраты, необходимые для создания СКС, быстро оку-

паются в процессе ее эксплуатации.

2.1.1. Проводные кабельные линии

Кабельные проводные линии подразделяются на симметричные и не-

симметричные. Симметричная линия состоит из двух совершенно одинако-

вых в конструктивном и электрическом отношениях изолированных медных

проводников. Для улучшения симметричности двухпроводной линии ее про-

водники скручивают между собой. Параметры такой электрической цепи

(сопротивление проводника, емкость и проводимость изоляции) симметрич-

ны относительно земли. Пара скрученных изолированных медных жил явля-

ется основным элементом симметричного кабеля. Поэтому для симметрич-

ных кабелей часто применяются термины "скрученная" или "витая пара".