Кулябов Д.С., Королькова А.В. Архитектура и принципы построения современных сетей и систем телекоммуникаций

Подождите немного. Документ загружается.

ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «ОБРАЗОВАНИЕ»

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

Д. С. Кулябов, А. В. Королькова

Архитектура и принципы построения

современных сетей и систем

телекоммуникаций

Учебное пособие

Москва

2008

УДК 004.72, 004.057.4

Рецензент:

доктор технических наук, профессор Степанов С. Н.

Кулябов Д. С., Королькова А. В.

Архитектура и принципы построения современных сетей и систем

телекоммуникаций: Учеб. пособие. — М.: РУДН, 2008. — 281 с.: ил.

В учебном пособии рассматриваются архитектура и принципы построения со-

временных сетей и систем телекоммуникаций, основные протоколы и техноло-

гии.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов направлений 550200

«Автоматизация и управление», 511200 «Математика, прикладная математика»,

510400 «Физика», 521500 «Менеджмент», 521600 «Экономика» 060800 «Эконо-

мика и управление на предприятии (по отраслям производства)».

Оглавление 3

Оглавление

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Глава 1. Общая характеристика проблемной области. Базовые поня-

тия в области систем и сетей телекоммуникаций. Стандартизирующие

организации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1. Базовые понятия в области систем и сетей телекоммуникаций . . . 7

1.2. Принципы классификации сетей телекоммуникаций . . . . . . . . 9

1.3. Стандартизирующие организации . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Глава 2. Модель ISO/OSI. Иерархия протоколов различных стеков от-

носительно модели ISO/OSI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1. Обзор эталонной модели OSI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2. Иерархия протоколов в различных стеках . . . . . . . . . . . . . 19

Глава 3. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1. Среда передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2. Активное сетевое оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3. Модуляция сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4. Кодирование сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Глава 4. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.1. Доступ к среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2. Группа стандартов IEEE 802 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3. Технология Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.4. Сети с маркерным доступом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.5. Технология 100VG-AnyLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.6. Технологии доступа с виртуальными каналами . . . . . . . . . . 77

4.7. Технологии региональных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.8. Технологии беспроводного доступа . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Глава 5. Сетевой уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.1. Протокол IPv4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.2. Протокол IPv6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.3. Другие протоколы межсетевого уровня стека TCP/IP . . . . . . . . 133

5.4. Маршрутизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.5. Коммутация пакетов по меткам (MPLS) . . . . . . . . . . . . . . 161

Глава 6. Транспортный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

6.1. Протокол UDP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

6.2. Протокол TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

6.3. Протокол SCTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

6.4. Протокол DCCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Глава 7. Протоколы верхних уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

7.1. Служба доменных имён . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

7.2. ENUM и E.164 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

4 Оглавление

Глава 8. QoS и передача мультимедийных данных . . . . . . . . . . . 191

8.1. Базовые понятия QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

8.2. Механизмы обеспечения QoS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

8.3. QoS в ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

8.4. Организация виртуальных каналов при помощи меток (MPLS) . . . 211

Глава 9. Мультисервисные сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

9.1. Цифровая сеть с интеграцией служб (ISDN) . . . . . . . . . . . . 212

9.2. Сеть на базе стека H.323 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

9.3. Система сигнализации №7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

9.4. Концепция Softswitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

9.5. Концепция IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

9.6. Концепция A-IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

9.7. Определение и суть NGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

Список иллюстраций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

Используемая литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Оглавление 5

Введение

Объединение компьютеров в сеть изменило парадигму обработки информа-

ции. Главное назначение сетей на сегодняшний момент — передача информа-

ции. В настоящее время существует множество сетевых технологий со своими

особенностями, критериями применимости и пр. Оценить современное состоя-

ние сферы телекоммуникаций невозможно без понимания генезиса, принципов

функционирования существующих систем и сетей связи.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по програм-

ме дополнительного образования «Информационно-телекоммуникационные си-

стемы». В рамках инновационной образовательной программы, реализованной в

РУДН в 2008–2009 гг. на кафедре систем телекоммуникаций, разработан одно-

имённый учебно-методический комплекс (УМК), в состав которого входит элек-

тронный учебник. Программа дополнительного образования является авторской

и включает в себя набор последовательно взаимоувязанных специальных дисци-

плин.

На программе могут обучаться студенты, не имеющие специального образо-

вания, например, обучающиеся по направлениям «Автоматизация и управлени-

е», «Математика, прикладная математика», «Физика», «Менеджмент», «Эконо-

мика», «Экономика и управление на предприятии (по отраслям производства)».

Курс является составляющей модуля программы дополнительной профессиональ-

ной подготовки «Основы управления инфокоммуникациями», которая включает

также курсы: «Архитектура и принципы построения современных сетей и систем

телекоммуникаций», «Введение в управление инфокоммуникациями», «Корпора-

тивные информационные системы».

Учебное пособие логически разбито на две части. Первая часть изучает про-

токолы компьютерных сетей согласно структуре эталонной модели ISO/OSI. Ос-

новное внимание уделяется двум стекам протоколов — Ethernet и TCP/IP. Вторая

часть рассматривает современное состояние сетей телекоммуникаций.

В первой главе даются и объясняются такие базовые понятия систем теле-

коммуникаций, как протокол, интерфейс, служба. Даётся обзор существующих

сетей связи, сетевых сервисов. Рассматриваются структура и основные аспекты

деятельности стандартизирующих организаций.

Во второй главе освещаются общие принципы построения модели взаимодей-

ствия открытых систем (ISO/OSI), иерархия протоколов различных стеков прото-

колов по отношению к модели ISO/OSI.

В третьей главе рассматриваются методы и технологии физического уровня

модели ISO/OSI. В частности, даётся обзор возможных сред передачи (в том чис-

ле и стандарты кабельной системы), методов кодирования сигнала.

В четвёртой главе изучаются методы и протоколы доступа к среде, а также тех-

нологии сетей (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Wireless Networks, WiMAX

и т.д.). Упор делается на стандарты IEEE 802.x.

В пятой главе рассматриваются протоколы межсетевого уровня стека прото-

колов TCP/IP. Особое внимание уделяется протоколу IP: приведены формат кадра

IP, схемы и правила IP-адресации (IPv4 и IPv6). В этой же главе отдельным пунк-

том представлена проблема маршрутизации: классификация алгоритмов марш-

рутизации, протоколы статической (iproute2, click) и динамической (RIP, OSPF,

BGP) маршрутизации, сфера их применения. Кратко рассматриваются другие про-

токолы межсетевого уровня стека протоколов TCP/IP, их назначение.

6 Оглавление

Шестая глава посвящена протоколам транспортного уровня стека протоколов

TCP/IP: TCP, UDP, DCCP, SCTP.

В седьмой главе описываются протоколы верхних уровней стека TCP/IP, а

именно два протокола сеансового уровня DNS и ENUM, ответственные за ад-

ресацию.

В восьмой главе вводятся базовые понятия QoS, рассматриваются специаль-

ные решения обеспечения QoS, такие как организация виртуальных каналов в

ATM, а также решения для IP-сетей и Ethernet — организация виртуальных ка-

налов при помощи меток (MPLS), разбиение трафика на классы в соответствии с

приоритетами каждого типа трафика и определение политик обслуживания этих

классов трафика (DiffServ и IntServ). В связи с этим рассматриваются инстру-

менты классификации и маркировки пакетов, а также механизмы планирования

и выравнивания трафика.

Девятая глава посвящена мультисервисным сетям. Также в ней описываются

основные подходы к построению сетей следующего поколения (NGN). В исто-

рической ретроспективе рассматриваются два основных подхода к построению

конвергентных сетей — Softswitch и IMS, даётся сравнительный обзор их кон-

цепций, освещаются архитектурные особенности и основные протоколы обоих

подходов.

Глава 1. Общая характеристика проблемной области. Базовые … 7

Глава 1. Общая характеристика проблемной

области. Базовые понятия в области систем и сетей

телекоммуникаций. Стандартизирующие

организации

1.1. Базовые понятия в области систем и сетей

телекоммуникаций

1.1.1. Сеть связи. Режимы передачи. Технологии коммутации

Сеть связи — это совокупность линий связи и промежуточного оборудова-

ния/промежуточных узлов, терминалов/оконечных узлов, предназначенных для

передачи информации от отправителя до получателя с заданными параметрами

качества обслуживания.

Линия связи представляет собой совокупность физической среды распростра-

нения сигналов и оборудования, формирующих специализированные каналы, име-

ющие определённые стандартные показатели: полосу частот, скорость передачи

и т.п.

Каналы связи могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (циф-

ровыми). Также каналы связи различаются по направленности передачи. Выде-

ляют три типа передачи информации:

–– симплексная передача (Simplex Transmission) — передача данных в одном,

предварительно определённом направлении;

–– полудуплексная передача (Half-Duplex Transmission) — передача данных,

при которой данные пересылаются в обоих направлениях, но только в одном

направлении в каждый момент времени;

–– дуплексная передача (Duplex Transmission) — передача данных, при кото-

рой данные пересылаются одновременно в обоих направлениях.

Обмен информацией между узлами сети обеспечивается с помощью техно-

логий коммутации:

–– коммутация каналов (Circuit Switching) — режим передачи, при котором

формируется составной канал (соединение) через несколько транзитных уз-

лов из нескольких последовательно «соединённых» каналов на время пере-

дачи информации (до разъединения соединения);

–– коммутация сообщений (Messege Switching) — режим передачи, включаю-

щий приём, хранение, выбор исходящего направления и дальнейшую пере-

дачу сообщений без нарушения их целостности;

–– коммутация пакетов (Packet Switching) — режим передачи сообщений, при

котором сообщения разбиваются на пакеты ограниченного размера, причём

канал передачи занят только во время передачи пакета и освобождается по-

сле её завершения;

–– коммутация ячеек (Cell Switching) — режим передачи пакетов фиксирован-

ного размера.

8 Глава 1. Общая характеристика проблемной области. Базовые …

1.1.2. Понятие протокола. Иерархия протоколов. Интерфейсы и сервисы

В широком смысле под протоколом понимается правило взаимодействия двух

сущностей. Сетевой протокол определяет набор правил, позволяющих осуществ-

лять соединение и обмен информацией между двумя элементами (узлами) сети.

Большинство протоколов строится как иерархический набор уровней (Layers),

каждый последующий из которых вводится над предыдущим (рис. 1.1). Нижеле-

жащий уровень предоставляет некоторый набор услуг (сервисов) для вышележа-

щего, скрывая детали реализации предоставляемой услуги.

Интерфейс Интерфейс

Уровень n+1 Уровень n+1

Протокол

уровня n+1

Уровень n Уровень n

Протокол

уровня n

Уровень n-1 Уровень n-1

Протокол

уровня n-1

Рис. 1.1. Уровни протоколов

Взаимодействие производится между уровнем n одного узла и уровнем n дру-

гого. Используемые правила и соглашения называются протоколом уровня n.

Между парой смежных уровней находится интерфейс, определяющий набор сер-

висов, предоставляемых нижележащим уровнем вышележащему.

Активный элемент каждого уровня называется сущностью (Entity). Сущности

одного уровня на разных узлах называются одноранговыми сущностями. Сущно-

сти уровня n (поставщики услуг) реализуют услуги, используемые уровнем n + 1

(потребители услуг). Для предоставления этих услуг уровень n может использо-

вать услуги уровня n − 1.

Сервис, или услуга (Service), представляет собой набор примитивов, которые

предоставляются вышележащему уровню нижележащим. Сервис определяет, ка-

кие именно операции уровень будет выполнять от лица своих пользователей, но

никак не оговаривает, как должны реализовываться эти операции. Сервис описы-

вает интерфейс между двумя уровнями, в котором нижележащий уровень явля-

ется поставщиком услуги, а вышележащий — её потребителем.

Протокол определяет набор правил, описывающих формат и назначение па-

кетов, которыми обмениваются одноранговые сущности внутри уровня. Сущно-

сти используют протокол для реализации определений их сервисов. Протоколы

1.2. Принципы классификации сетей телекоммуникаций 9

могут меняться, но предоставляемые услуги должны оставаться неизменными.

Услуги доступны через точки доступа к услуге (Service Access Point, SAP).

Чтобы два уровня могли обмениваться информацией, необходима договорённость

о наборе правил используемого интерфейса. Сущность уровня n + 1 передаёт

элемент данных интерфейса (Interface Data Unit, IDU), состоящий из элемента

данных услуги (Service Data Unit, SDU) и некоторой управляющей информации

(Interface Control Information, ICI), сущности с номером n через точку SAP. Для

передачи SDU сущности уровня n может понадобиться разбить его на несколько

фрагментов и послать их в виде отдельных элементов данных протокола (Pro-

tocol Data Unit, PDU) или пакетов.

По типу установления соединения протоколы можно разделить на два типа:

–– протоколы с установлением соединения (Connection Oriented) — перед об-

меном данными отправитель и получатель должны сначала установить со-

единение и, возможно, выбрать некоторые параметры протокола, а после

завершения сеанса они должны разорвать соединение;

–– протоколы без предварительного установления соединения (Connectionless),

или датаграммные (дейтаграммные) протоколы — передача данных осу-

ществляется, не дожидаясь установления соединения.

Используемый системой список протоколов называется стеком протоколов.

Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети.

1.2. Принципы классификации сетей телекоммуникаций

Сети телекоммуникаций можно классифицировать

по нескольким парамет-

рам:

1) по размеру сети:

–– локальные сети (Local Area Network, LAN) — сети здания или органи-

зации;

–– региональные сети (Metropolitan Area Network, MAN) — сети уровня

города или региона;

–– глобальные сети (Wide Area Network, WAN) — сети, охватывающие

большие территории и включающие в себя десятки и сотни тысяч ком-

пьютеров;

2) по типу коммутации:

–– сети с коммутацией пакетов (например, TCP/IP, IPX/SPX, ATM, сети

сотовой связи 3G);

–– сети с коммутацией каналов (например, ТфОП, сети сотовой связи 1G

и 2G);

–– смешанные (например, сети сотовой связи 2,5G);

3) по установлению виртуального канала:

–– с установлением виртуального канала (например, сети X.25, Frame Relay,

ATM, ТфОП);

–– без установления виртуального канала (например, TCP/IP, IPX/SPX);

Заметим, что мы строим классификацию, а не таксономию.

10 Глава 1. Общая характеристика проблемной области. Базовые …

4) по используемому стеку протоколов;

5) по количеству используемых стеков протоколов:

–– монопротокольные сети;

–– мультипротокольные сети (например, IP over ATM, IP over SDH/SONET);

6) по спектру оказываемых услуг:

–– моносервисные сети (передача данных, передача голоса);

–– мультисервисные сети;

7) по типу передаваемой информации:

–– сети передачи данных;

–– сети передачи голоса;

–– сети передачи видео;

8) по наличию сигнализации:

–– сети с выделенной сигнализацией (SS7);

–– сети без выделенной сигнализации (TCP/IP);

9) по топологии сети:

–– сети с топологией шина;

–– сети с топологией кольцо;

–– сети с топологией звезда;

–– сети со смешанной топологией;

10) по среде передачи:

–– проводные сети:

– связь осуществляется по медному кабелю;

– связь осуществляется по оптоволокну;

–– беспроводные сети.

1.3. Стандартизирующие организации

Организации в международной системе стандартизации можно разделить сле-

дующим образом:

–– официальные международные организации стандартизации:

– Международная организация по стандартизации (International Orga-

nization for Standardization, ISO)

Создана в 1946 г., включает в себя национальные организации стан-

дартизации из 157 стран мира, в частности, ANSI (США), Федераль-

ное агентство по техническому регулированию и метрологии (Россия),

BSI (Великобритания), AFNOR (Франция) и др., обладает полномочи-

ями для координирования на международном уровне разработки раз-

личных промышленных стандартов и принятия их в качестве между-

народных стандартов.