Назначение, функции, состав, структура, характеристики и классификация информационных сетей

ЛЕКЦИЯ 1 НАЗНАЧЕНИЕ, ФУНКЦИИ, СОСТАВ, СТРУКТУРА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ 1.1. Характеристики и классификация информационных сетей Современные телекоммуникационные технологии основаны на использовании информационных сетей. Коммуникационная cеть – система, 25 состоящая из объектов, осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления продукта, состоящая из пунктов (узлов) сети и линий передач (связей, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами. Отличительная особенность коммуникационной сети – большие расстояния между пунктами по сравнению с геометрическими размерами участков пространства, занимаемых пунктами. При функциональном проектировании сетей решаются задачи синтеза топологии, распределения информации по узлам сети, а при конструкторском проектировании выполняются размещение пунктов в пространстве и проведение (трассировке) соединений. Информационная сеть – коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования является информация. Вычислительная сеть – также информационная сеть, в состав которой входит вычислительное оборудование. Компонентами вычислительной сети могут быть ЭВМ и периферийные устройства, являющиеся источниками и приемниками данных, передаваемых по сети. Эти компоненты составляют оконечное оборудование данных (ООД или DTE – Data Terminal Equipment). В качестве ООД могут выступать ЭВМ, принтеры, плоттеры и другое вычислительное, измерительное и исполнительное оборудование автоматических и автоматизированных систем. Собственно пересылка данных происходит с помощью сред и средств, объединяемых под названием среда передачи данных. Подготовка данных, передаваемых или получаемых ООД от среды передачи данных, осуществляется функциональным блоком, называемым аппаратурой окончания канала данных (АКД или DCE – Data CircuitTerminating Equipment). АКД может быть конструктивно отдельным или встроенным в ООД блоком. ООД и АКД вместе представляют собой станцию данных, которую часто называют узлом сети. Примером АКД может служить модем. Информационные сети классифицируются по ряду признаков. В зависимости от расстояний между связываемыми узлами различают сети: − территориальные, охватывающие значительное географическое пространство. Среди территориальных сетей можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы, региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей WAN (Wide Area Network): −локальные (ЛВС), охватывающие ограниченную территорию (обычно в пределах удаленности станций не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже на 1...2 км, локальные сети обозначают LAN (Local Area Network); −корпоративные (масштаба предприятия), это совокупность связанных между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или нескольких близко расположенных зданиях. Локальные и корпоративные вычислительныесети это основной вид вычислительных сетей, используемых в системах автоматизированного проектирования (САПР). Особо выделяют единственную в своем роде глобальную сеть Internet (реализованная в ней информационная служба World Wide Web(WWW) переводится на русский язык как всемирная паутина), это сеть сетей со своей технологией. В Internet существует понятие интрасетей (Intranet) – корпоративных сетей в рамках Internet. Различают интегрированные сети, неинтегрированные сети и подсети. Интегрированная вычислительная сеть (интерсеть) представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями. В автоматизированных системах крупных предприятий подсети включают вычислительные средства отдельных проектных подразделений. Интерсети нужны для объединения таких подсетей, а также для объединения технических средств автоматизированныхсистем проектирования и производства в единую систему комплексной автоматизации (CIM – Computer Integrated Manufacturing). Обычно интерсети приспособлены для различных видов связи; телефонии, электронной почты, передачи видеоинформации, цифровых данных и т.п. В этом случае они называются сетями интегрального обслуживания. Развитие интерсетей заключается в разработке средств сопряжения разнородных подсетей и стандартов для построения подсетей, изначально приспособленных к сопряжению. Подсети в интерсетях объединяются в соответствии с выбранной топологией с помощью блоков взаимодействия. 1.2. Примеры известных информационных сетей Сеть AERONET – информационная сеть международного сообщества связи для авиации. Это некоммерческая сеть включает более 250 авиационных предприятий. Доступ в сеть осуществляется с десятков тысяч терминалов в различных странах мира. Сеть представляет сервис, связанный с резервированием и продажей авиациионных билетов. Сеть ARPANET – это информационная сеть Агентства перспективных исследовательских проектов (DARPA) Министерства обороны США. Первые 4 узла коммуникации сети начали функционировать в 1969 году. Создание сети ARPANET было ответом США на советскую программу освоения космоса. Протоколы, стандарты, разработанные в рамках данного проекта затем сос-тавили организационно – технологическое ядро сети INTERNET. Здесь впервые сообщения начали передаваться в пакетах, причем части пакета транслируются по разным информационным трассам. На приемной станции осуществляется сборка пакета и восстановление первичной информации. Сеть DATAPAC – общественная коммуникационная сеть в Канаде, создана в 1977году. Сеть EDSNET – территориальная сеть созданная корпорацией GeneralMotors. Сеть начала работать в 1984году и объединяет абонентов в десятках стран мира. Сеть ETHERNET – локальная сеть корпорации Xerox. Сеть создана совместными усилиями разработчиков DEC, Intel, Xerox, прошла в своем развитии несколько этапов развития и была утверждена в качестве международного стандарта IEEE. Сеть EURONET – европейская сеть, созданная комиссией Европейского Союза и охватывающая все страны Союза. Введена в эксплуатацию в 1979 году и представляет очень широкий спектр сервиса. Сеть INTERNET – глобальная международная ассоциация информационных сетей, созданная сообществом INTERNET. Основная задача сообщества распространение технологий INTERNET и способствование объединению информационных сетей в глобальную инфраструктуру. Общество INTERNET не эксплуатирует суперсеть с тем же названием, но оказывает помощь в ее создании, развитии и использовании. Оно проводит обучение по изучению сети INTERNET, ее эксплуатации, создает технические группы для стимулирования разработок в этой области. Общество имеет в своем составе рабочую группу INTERNET (IETE). В INTERNETе используются 32- разрядные адреса и архитектура сети ARPANET, используются ее протоколы TCP/IP, которые образовали костяк так называемой эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) или OSI. Ассоциация INTERNET объединяет более 16 тысяч сетей в 100 странах мира и соединена со многими другими сетями. Хребтом INTERNET является группа базовых сетей. К ним, в США, относят сеть MBONE, сеть ANSnet, а в Европе сеть NORDUnet, сеть EUROPAnet, и EUNET. В INTERNET выделяются три главные сетевые службы: – электронная почта (протоколы SMTR); – протоколы передачи файлов в соответствии с протоколом FTR; – удаленный доступ Telnet, позволяющий в режиме ON-LAINE работать с прикладными программами; – служба глобального соединения (WWW). Вход в систему INTERNET осуществляется двумя способами: – нормальный с использованием протоколов TCP/IP, реализуемый при подключении к сети через локальную сеть; – через телефонную сеть (протоколы SMTR). ЛЕКЦИЯ 2 АРХИТЕКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ 2.1. Многоуровневая архитектура информационных сетей Первые информационные сети были телефонные. Но с изобретением компьютера в телефонах стали использовать элементы ЭВМ (память, компьютерный интеллект), а в вычислительной технике поняли важность построения сетей, давно применявшихся для телефонной связи. Конечная цель всех этих нововведений – доставка информации любому корреспонденту по требуемому адресу и в надлежащее время. В течение длительного периода процесс развития связи ЭВМ шел по пути создания и применения систем передачи данных по телефонным сетям общего пользования. Лишь когда обмен цифровой информацией достиг внушительных размеров, экономически целесообразным оказалось сооружение специализированных сетей передачи данных с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. В настоящее время по всему миру развернуты тысячи таких сетей, предоставляющие своим пользователям возможности связываться друг с другом. Размеры таких сетей простираются от небольших систем, соединяющих терминалы передачи данных в пределах отдельного здания или комплекса (например, промышленное предприятие), до больших географически распределенных сетей, охватывающих целые страны и даже весь земной шар. В некоторых сетях применяется техника коммутации пакетов. В таких сетях от источника к получателю передаются блоки данных, называемые пакетами. Источниками и получателями могут быть терминалы пользователей, компьютеры, принтеры или любые другие устройства передачи и/или обработки данных. При таком способе передачи одни и теже средства передачи информации разделяются между пакетами многих пользователей. В сетях другого типа применяется техника коммутации каналов (цепей). Это широко распространённые и привычные телефонные сети. В таких сетях устанавливается отдельный путь передачи, который удерживается столько времени, сколько требуется для передачи. В настоящее время развертываются интегральные сети, объединяющие в себе как технику коммутации пакетов, так и технику коммутации каналов. В общем случае для функционирования сетей ЭВМ необходимо решить две проблемы: – передать данные по назначению в правильном виде и своевременно; – поступившие по назначению данные пользователю должны быть распознаваемы и иметь надлежащую форму для их правильного использования. Первая проблема связана с задачами маршрутизации и обеспечивается сетевыми протоколами (протоколами низкого уровня). Вторая проблема вызвана использованием в сетях разных типов ЭВМ, с разными кодами и синтаксисом языка. Эта часть проблемы решается путем введения протоколов высокого уровня. Таким образом, полная архитектура, ориентированная на оконечного пользователя, включает в себя оба протокола. На рис. 1 приведена схема связи между пользователями A и B. К промежуточному узлу связи могут быть подключены оконечные пользователи, и задачей его протоколов является предоставление оконечным пользователям соответствующих услуг. В свою очередь, это две группы протоколов: протоколы, предоставляющие сетевые услуги, и протоколы высокого уровня обычно подразделяются дальше на отдельные уровни. Каждый уровень используется для предоставления определенной услуги в смысле только что перечисленных задач, правильная и своевременная доставка данных в распознаваемой форме. Рис. 1. Схема связи между пользователями А и В Разработанная эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI) (ЭМВОС) поддерживает концепцию, при которой каждый уровень предоставляет услуги вышестоящему уровню и базируется на основе нижележащего уровня, используя его услуги. Каждый уровень выполняет определенную функцию по передачи данных. Хотя они должны работать в строгой очередности, но каждый из уровней допускает несколько вариантов. 2.2. Эталонная модель (OSI) ЭМВОС Эталонная модель состоит из 7 уровней и имеет вид, представленный на рис. 2. Большинство производителей стараются придерживаться модели ЭМВОС, но до сих пор пока нет изделий полностью ей удовлетворяющих. Большинство производителей применяют 3 или 4 уровня протоколов. Взаимосвязь уровней друг с другом осуществляются хорошо определенными интерфейсами. Выбор 7 уровней был продиктован обычными соображениями инженерного компромисса, требующего одновременно создать семейство надёжных протоколов и приемлемой стоимости. При этом требовалось, во-первых, иметь достаточно количество уровней, чтобы каждый из них был не слишком сложный с точки зрения разработки подробных протоколов с правильными и выполнимыми спецификациями, и во-вторых, желательно иметь не много уровней, чтобы их интеграция и описание не стали слишком сложными. Эталонная модель как раз и представляет многоуровневую архитектуру, которая описывается стандартными протоколами и процедурами. Три нижних уровня модели предоставляют сетевые услуги. Протоколы, реализующие эти уровни, должны быть предусмотрены в каждом узле сети. Четыре верхних уровня предоставляют услуги самим оконечным пользователям и таким образом, связаны с ними, а не с сетью. Рис. 2. Эталонная модель взаимодействия ЭМВОС 2.3. Физический уровень В этой части модели определяются физические, механические и электрические характеристики линий связи, составляющих ЛВС (кабелей, разъемов, оптоволоконных линий и т.п.). Можно считать, что этот уровень отвечает за аппаратное обеспечение. Хотя функции других уровней могут быть реализованы в соответствующих микросхемах, все же они относятся к программному обеспечению (ПО). Функции физического уровня заключаются в гарантии того, что символы, поступающие в физическую среду передачи на одном конце канала, достигнут другого конца. При использовании этой нижестоящей услуги по транспортировке символов задача протокола канала состоит в обеспечении надежной (безошибочной) передаче блоков данных по каналу. Такие блоки часто называют циклами, или кадрами. Процедура обычно требует синхронизации по первому символу в кадре, распознавания конца кадра, обнаружения ошибочных символов, если таковые возникнут, и исправления таких символов каким-либо способом (обычно это делается путем запроса на повторную передачу кадра, в котором обнаружены один или несколько ошибочных символов). 2.4. Уровень канала Уровень канала передачи данных и находящийся под ним физический уровень обеспечивают канал безошибочной передачи между двумя узлами в сети. На этом уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются (распознаются) и исправляются ошибки путем требований повторной передачи данных. Ввиду своей сложности, канальный уровень подразделяется на 2 подуровня МАС и LLC. Подуровень МАС (Media Access Control) связан с доступом к сети (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и ееуправлением. Подуровень LLC находится выше уровня МАС и связан с передачейи приемом использованных сообщений. 2.5. Сетевой уровень Функция сетевого уровня состоит в том, чтобы установить маршрут для передачи данных по сети или при необходимости через несколько сетей от узла передачи до узла назначения. Этот уровень предусматривает также управление потоком или перегрузками с целью предотвращения переполнения сетевых ресурсов (накопителей в узлах и каналов передачи), которое может привести к прекращению работы. При выполнении этих функций на сетевом уровне используется услуга нижестоящего уровня – канала передачи данных, обеспечивающего безошибочное поступление по сетевому маршруту блока данных, введенного в канал на противоположном конце. В сети с коммутацией пакетов блоками данных, передаваемых по сетевому маршруту от одного конца к другому, как говорилось выше, являются пакеты. Блоки или кадры данных, передаваемые по каналу связи через сеть, состоят из пакетов плюс управляющей информации в виде заголовков и окончаний, добавляемых к пакету непосредственно перед его отправлением из узла. Эта управляющая информация дает возможность принимающему узлу на другом конце канала выполнить требуемую синхронизацию и обнаружение ошибок. В каждом принимающем узле управляющая информация отделяется от остальной части пакета, а затем вновь добавляется, когда этот узел в свою очередь передает пакет по каналу в следующий соседний узел. Описанный принцип добавления управляющей информации к данным в архитектуре ВОС расширен и в нём включена возможность добавления управляющей информации на каждом уровне архитектуры (рис. 3). В случае уровня канала может быть добавлено также окончание, но принцип последовательного добавления к пакету данных управляющей информации сохраняется. На каждом уровне блок данных принимается от вышестоящего уровня, к данным добавляется управляющая информация, и блок данных передается нижестоящему уровню. На приемном конце соответствующего уровня архитектуры используется только заголовок (управляющая информация). При этом подходе данный уровень не “просматривает” блок данных, который он получает от вышестоящего уровня, следовательно, уровни самостоятельны и изолированы друг от друга. Указанная особенность приводит к ценному свойству концепции многоуровневой архитектуры – уровни могут удаляться и заменяться новыми. Реализация (программные продукты, воплощающие многоуровневую архитектуру), может быть легко изменена. В результате получается прозрачность для вышестоящего уровня при условии, что сигналы сопряжения, проходящие между уровнями, поддерживаются неизменными (оконечные пользователи могут ощущать изменение характеристик вследствие того, что характеристики передачи, задержеки блокировок могут зависеть от конкретной реализации архитектуры). Рис. 3. Формирование управляющей информации Таким образом, пакетная передача через сеть от одного оконечного пользователя к другому в общем случае состоит в передаче фактической (полезной) информации, плюс управляющей информации, добавляемой на различных уровнях и подлежащей удалению, когда пакет поступает по назначению и начинает восстанавливаться на своем пути через эти уровни. Оконечному пользователю сеть представляется как “прозрачный трубопровод”, основная задача которого, – передать по маршруту блоки данных от источника к получателю, доставив их своевременно в желаемый конец. Тогда задача верхних уровней – фактическая доставка данных в правильном виде и распознаваемой форме. Эти верхние уровни не знают о существовании сети. Они обеспечивают только требующуюся от них услугу. 2.6. Транспортный уровень Нижний из верхних уровней ВОС, транспортный уровень, обеспечивает надежный, последовательный обмен данными между двумя оконечными пользователями. Для этой цели на транспортном уровне используется услуга сетевого уровня. Он управляет также потоком, чтобы гарантировать правильный прием блоков данных. Вследствие различия оконечных устройств, данные в системе могут передаваться с разными скоростями, поэтому, если не действует управление потоками, более медленные системы могут быть переполнены быстродействующими. Когда в процессе обработки находится больше одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения компонент сообщения. Если приходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение. 2.7. Уровень сеанса Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающих на разных рабочих станциях. Он также предоставляет услуги вышестоящему уровню представления. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов сообщений в течение сеанса и завершение сеанса. Этот уровень при необходимости также управляет переговорами, чтобы гарантировать правильный обмен данными. Диалог между пользователем сеансовой услуги (т.е. сторонами уровня представления и вышестоящим уровнем) может состоять из нормального или ускоренного обмена данными. Он может быть дуплексным, т.е. одновременной двусторонней передачей, когда каждая сторона имеет возможность независимо вести передачу, или полудуплексной, т.е. содновременной передачей только в одну сторону. В последнем случаедля передачи управления с одной стороны к другой применяются специальные метки. Уровень сеанса предоставляет услугу синхронизации для преодоления любых обнаруженных ошибок. При этой услуге метки синхронизации должны вставляться в поток данных пользователями услуги сеанса. Если будет обнаружена ошибка, то сеансовое соединение должно быть возвращено в определённое состояние, пользователи должны вернуться в установленную точку диалогового потока, сбросить часть переданных данных и затем восстановит передачу, начиная с этой точки. Уровень сеанса предусматривает также при желании функцию управления активностью. При осуществлении этой функции диалог может быть разбит на отрезки активности, каждый из которых может быть прерван и продолжен в любой момент, начиная со следующего отрезка активности. 2.8. Уровень представления Наконец, уровень представления управляет и преобразует синтаксис блоков данных, которыми обмениваются оконечные пользователи. Такая ситуация может возникать в неоднотипных ПК (IBM PC, Macintosh, DEC, Next, Burrogh), которым необходимо обмениваться данными. Назначение – преобразование синтаксических блоков данных. 2.9. Прикладной уровень Протоколы прикладного уровня придают соответствующую семантику или смысл обмениваемой информации. Этот уровень является пограничным между ПП и процессами модели ЭМОС. Сообщение, предназначенное для передачи через компьютерную сеть, попадает в модель ЭМОС в данной точке, проходит через уровень 1 (физический), пересылается на другой PC и проходит от уровня 1 в обратном порядке до достижения ПП на другом PК через ее прикладной уровень. Таким образом, прикладной уровень обеспечивает взаимопонимание двух прикладных программ на разных компьютерах. Информационно-коммуникационные технологии представляют собой взаимосогласованную совокупность принципов, методов, способов и средств сбора, накопления, хранения, поиска, обработки, обмена, передачи, отображения и выдачи информации. А также инструментальных систем, их информационного и программного обеспечения, организационно–административных положений, регламентирующую и поддерживающую деятельность людей при создании, реализации, распространении, сопровождении и развитии технологий индустрии информации. Средства информационно-коммуникационных технологий базируются на вычислительных, информационных и коммуникационных ресурсах. К вычислительным ресурсам относятся: персональные компьютеры, рабочие станции, серверы, суперсерверы, суперкомпьютеры, мэйнфреймы, кластеры, параллельные вычислительные системы, вычислительные сети, распределенные вычислительные системы. Среди коммуникационных ресурсов различаются коммуникационные ресурсы групп пользователей, коммуникационные ресурсы локальных сетей, коммуникационные ресурсы корпоративных сетей, коммуникационные ресурсы региональных сетей, коммуникационные ресурсы глобальных сетей. Типовые функциональные спецификации коммуникационных ресурсов реализуются коммутаторами, маршрутизаторами, мостами/маршрутизаторами, мостами и шлюзами. Информационные ресурсы создаются на основе баз данных, систем управления базами данных, баз знаний, систем управления базами данных, информационно–поисковых систем, мультимедийных информационных систем, географических информационных систем, электронных библиотек, систем виртуальной реальности, Web-серверов, форумов, порталов. Построение информационных супертрасс предусматривается с целью создания базовой инфраструктуры для глобально–интегрированных, мультимедиа, простых и относительно дешевых сетей связи. Информационные супертрассы являются неотъемлемой частью информационного сообщества. Основные предпосылки для создания и развития технологического ядра информационных супертрасс связаны с эволюцией информационных технологий. Эволюция представляется в терминах трех важнейших составляющих: – высокая скорость, обусловленная возрастающими возможностями каналов связи, которая достигается за счет применения новых режимов переноса информации и оптических кабелей; – интеллектуальность сетей связи, создаваемых посредством интеграции высокоразвитых вычислительных и коммуникационных ресурсов; – большая вездесущность и мобильность оконечных пользовательских систем, которые достигаются за счет миниатюризации и применения технологий беспроводной связи. Исключительные особенности особого статуса информационно коммуникационных технологий требуют эволюционного развития образовательных технологий. ЛЕКЦИЯ 3 РАЗНОВИДНОСТИ КАНАЛОВ. ОПТОВОЛОКОННЫЕ, РАДИОКАНАЛЫ, СПУТНИКОВЫЕ КАНАЛЫ Среда передачи данных это совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (сетевого оборудования, не входящего в станции данных), предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя. Линия передачи данных это средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, световод. Характеристиками линий передачи данных являются зависимости затухания сигнала от частоты и расстояния. Затухание принято оценивать в децибелах, 1 дБ = 10 lg(P1/P2), где P1 и P2 – мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно. При заданной длине линии можно говорить о полосе пропускания (полосе частот) линии. Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации. Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости. Бодовая скорость измеряется в бодах, т.е. числом изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная – числом битов информации, переданных в единицу времени. Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии. Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число градаций модулируемого параметра несущей частоты равно 2N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с. Максимально возможная информационная скорость связана с полосой пропускания канала связи формулой Хартли-Шеннона (предполагается, что одно изменение величины сигнала приходится на log2k бит, где k – число возможных дискретных значений сигнала) V = 2 F log2k бит/с. Канал (канал связи) это средства односторонней передачи данных. Примером канала может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM – Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот. Канал передачи данных – средство двустороннего обмена данными, включающие АКД и линию передачи данных. По природе физической среды передачи данных (ПД) различают каналы передачи данных на оптических линиях связи, проводных (медных) линиях связи и беспроводные. В свою очередь, медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами, а беспроводные; радио – и инфракрасными каналами. В зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных. В аналоговых каналах для согласования параметров среды и сигналов применяют амплитудную, частотную, фазовую и квадратурно-амплитудную модуляции. В цифровых каналах для передачи данных используют самосинхронизирующиеся коды, а для передачи аналоговых сигналов – кодово–импульсную модуляцию. Первые сети ПД были аналоговыми, поскольку использовали распространенные телефонные технологии. Но в дальнейшем устойчиво растет доля цифровых коммуникаций (это каналы типа Е1/Т1, ISDN, сети Frame Relay, выделенные цифровые линии и др.). В зависимости от направления передачи различают каналы симплексные (односторонняя передача), дуплексные (возможность одновременной передачи в обоих направлениях) и полудуплексные (возможность попеременной передачи в двух направлениях). В зависимости от числа каналов связи в аппаратуре ПД различают одно- и многоканальные средства ПД. В локальных вычислительных сетях и в цифровых каналах передачи данных обычно используют временное мультиплексирование, в аналоговых каналах – частотное разделение. Если канал ПД монопольно используется одной организацией, то такой канал называют выделенным, в противном случае канал является разделяемым или виртуальным (общего пользования). К передаче информации имеют прямое отношение телефонные сети, вычислительные сети передачи данных, спутниковые системы связи, системы сотовой радиосвязи. 3.1. Проводные линии связи В вычислительных сетях проводные линии связи представлены коаксиальными кабелями и витыми парами проводов. Используются коаксиальные кабели: «толстый» диаметром 12,5 мм и «тонкий» диаметром 6,25 мм. «Толстый» кабель имеет меньшее затухание, лучшую помехозащищенность, что обеспечивает возможность работы на больших расстояниях, но он плохо гнется, что затрудняет прокладку соединений в помещениях и дороже «тонкого». Существуют экранированные (STP – Shielded Twist Pair) и неэкранированные (UTP – Unshielded Twist Pair) витые пары проводов. Экранированные пары сравнительно дороги. Неэкранированные витые пары имеют несколько категорий (типов). Обычный телефонный кабель – пара категории 1. Пара категории 2 может использоваться в сетях с пропускной способностью до 4 Мбит/с. Для сетей Ethernet (точнее, для ее варианта с названием 10Base-T) разработана пара категории 3, а для сетей Token Ring пара категории 4. Наиболее совершенной является витая пара категории 5, которая применима при частотах до 100 МГц. В паре категории 5 проводник представлен медными жилами диаметром 0,51 мм, навитыми по определенной технологии и заключенными в термостойкую изолирующую оболочку. В высокоскоростных ЛВС на UTP длины соединений обычно не превышают 100 м. Затухание на 100МГц и при длине 100 м составляет около 24 дБ, при 10 МГЦ и 100 м около 7 дБ. Витые пары иногда называют сбалансированной линией в том смысле, что в двух проводах линии передаются одни и те же уровни сигнала (по отношению к земле), но разной полярности. При приеме воспринимается разность сигналов, называемая парафазным сигналом. Синфазные помехи при этом самокомпенсируются. 3.2. Оптические линии связи Оптические линии связи реализуются в виде волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Конструкция ВОЛС это кварцевый сердечник диаметром 10 мкм, покрытый отражающей оболочкой с внешним диаметром 125–200 мкм. Типичные характеристики ВОЛС: работа на волнах 0,85–1,55 мкм, затухание 0,7 дБ/км, полоса частот – до 2 ГГц. Ориентировочная цена 4–5 долларов за 1 м. Предельные расстояния D для передачи данных по ВОЛС (без ретрансляции) зависят от длины волны излучения L. Для L=850 нм имеем D=5км, а для L=1300 нм D=50 км, но аппаратурная реализация дороже. ВОЛС являются основой высокоскоростной передачи данных, особенно на большие расстояния. Так, в настоящее время практически реализован проект кругосветного канала передачи данных на ВОЛС длиной в 27,3 тыс. км, кабель проходит по дну трех океанов, Средиземного и Красного морей, информационная скорость 5,3 Гбит/с. Именно на ВОЛС достигнуты рекордные скорости передачи информации. В экспериментальной аппаратуре с использованием метода мультиплексирования с разделением каналов по длинам волн (WDM – Wavelengths Division Multiplexing) достигнута скорость 1100Гбит/с на расстоянии 150 км. В однойиз действующих систем на основе WDM передача идет со скоростью 40 Гбит/с на расстояния до 320 км. В методе WDM выделяется несколько несущих частот(каналов). Так, в последней упомянутой системе имеются 16 таких каналов вблизи частоты 4–105 ГГц, отстоящих друг от друга на 103 ГГц, в каждом канале достигается скорость 2,5 Гбит/с. 9.3. Беспроводные каналы связи В беспроводных каналах передача информации осуществляется на основе распространения радиоволн. В табл.1 приведены сведения о диапазонах электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных и оптических каналах связи. Таблица 1 * РКвЛВС – радиоканалы в локальных сетях и системах связи; ** WDM – мультиплексирование с разделением каналов по длинам волн. Для организации канала ПД в диапазонах дециметровых волн (902–928 МГц и 2,4–2,5 ГГц) требуется регистрация в Госсвязьнадзоре. Работа в диапазоне 5,725–5,85 ГГц пока лицензирования не требует. Чем выше несущая частота, тем больше емкость (число каналов) системы связи, но тем меньше предельные расстояния, на которых возможна прямая передача между двумя пунктами без ретрансляторов. Первая из причин и порождает тенденцию к освоению новых более высокочастотных диапазонов. Радиоканалы входят необходимой составной частью в спутниковые и радиорелейные системы связи, применяемые в территориальных сетях, в сотовые системы мобильной связи, они используются в качестве альтернативы кабельным системам в локальных сетях и при объединении сетей отдельных офисов и предприятий в корпоративные сети. Во многих случаях применение радиоканалов оказывается более дешевым решением по сравнению с другими вариантами. В территориальных сетях на региональном уровне часто используются радиорелейные линии связи (коммутация каналов, диапазон частот 15 23 ГГц, связь в пределах прямой видимости, что ограничивает дальность между соседними станциями до 50 км при условии размещения антенн на строениях типа башен). Последовательность станций, являющихся ретрансляторами, позволяет передавать информацию на значительные расстояния. Радиосвязь используется в корпоративных и локальных сетях, если затруднена прокладка других каналов связи. Радиоканал либо выполняет роль моста между подсетями (двухточечное соединение), либо является общей средой передачи данных в ЛВС по излагаемому далее методу МДКН/ОК, либо служит соединением между центральным и терминальными узлами в сети с централизованным управлением. В первом случае (связь двух сетей) имеем двухточечное соединение с направленными антеннами, дальность в пределах прямой видимости (обычно до 15–20 км с расположением антенн на крышах зданий). Мост имеет два адаптера: один для формирования сигналов для радиоканала, другой для кабельной подсети. В случае использования радиоканала в качестве общей среды передачи данных в ЛВС сеть называют Radio Еthernet (стандарт IEEE802.11), она обычно используется внутри зданий. В состав аппаратуры входят приемопередатчики и антенны. Связь осуществляется на частотах от одного до нескольких гигагерц. Расстояния между узлами несколько десятков метров. В соответствии со стандартом IEEE 802.11 возможны два способа передачи двоичной информации в ЛВС, оба они имеют целью обеспечить защиту информации от нежелательного доступа. Первый способ называется методом прямой последовательности (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum). В нем вводится избыточность, каждый бит данных представляется последовательностью из 11 элементов «чипов». Эта последовательность создается по алгоритму, известному участникам связи, и потому может быть дешифрирована при приеме. Избыточность повышает помехоустойчивость, что позволяет снизить требования к мощности передатчика, а для сохранения высокой скорости нужно расширять полосу пропускания. Так, в аппаратуре фирмы Aironet в диапазоне 2,4 ГГц имеются 4 канала шириной в 22 МГц. Второй способ – метод частотных скачков (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum). В этом методе полоса пропускания делится на 79 поддиапазонов. Передатчик через каждые 20 мс переключается на новый поддиапазон, причем алгоритм изменения частот известен только участникам связи и может изменяться, что и затрудняет несанкционированный доступ к данным. В варианте использования радиоканалов для связи центрального и периферийного узлов центральный пункт имеет ненаправленную антенну, а терминальные пункты при этом используют направленные антенны. Дальность связи составляет также десятки метров, а вне помещений – сотни метров. Пример многоточечной системы: ненаправленная антенна по горизонтали, угол 30 градусов по вертикали 5,8 ГГц – к терминалам, 2,4 ГГц – к центральному узлу, до 62 терминалов, дальность - 80 м без прямой видимости. В системе Room About связь на частоте 920 МГц гарантируется на расстоянии в 120 метров, предусмотрена защита от перехвата информации. В условиях высоких уровней электромагнитных помех иногда используют инфракрасные каналы связи. В последнее время их стали применять не только в цехах, но и в офисах, где лучи можно направлять над перегородками помещения. Поставкой оборудования для организации корпоративных и локальных беспроводных сетей занимается ряд фирм, в том числе известные фирмы Lucent Technologies, Aironet, Multipoint Network. В оборудование беспроводных каналов ПД входят: сетевые адаптеры и радиомодемы, поставляемые вместе с комнатными антеннами и драйверами. Они различаются способами обработки сигналов, характеризуются частотой передачи, пропускной способностью, дальностью связи. Сетевой адаптер вставляется в свободный разъем шины компьютера. Например, адаптер Wave LAN (Lucent Technologies) подключается к шине ISA, работает на частоте 915 МГц, пропускная способность 2Мбит/с. Радиомодем подключается к цифровому ООД через стандартный интерфейс. Например, радиомодемы серии RAN (Multipoint Networks) могут работать в дуплексном или полудуплексном режимах; со стороны порта данных – интерфейс RS-232C, RS-449 или V.35, скорости до 128 кбит/с; со стороны радиопорта – частоты 400–512 или 820–960 МГц, ширина радиоканала 25–200 кГц. Радиомосты используются для объединения между собой кабельных сегментов и отдельных ЛВС в пределах прямой видимости и для организации магистральных каналов в опорных сетях, выполняют ретрансляцию и фильтрацию пакетов. 3.4. Спутниковые каналы передачи данных Спутники в системах связи могут находиться на геостационарных (высота 36 тысячкм) или низких орбитах. При геостационарных орбитах заметны задержки на прохождение сигналов (туда и обратно около 520 мс). Возможно покрытие поверхности всего земного шара с помощью четырех спутников. В низкоорбитальных системах обслуживание конкретного пользователя происходит попеременно разными спутниками. Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следовательно, нужно или больше наземных станций, или требуется межспутниковая связь, что естественно утяжеляет спутник. Число спутников также значительно больше (обычно несколько десятков). Структура спутниковых каналов передачи данных может быть проиллюстрирована на примере широко известной системы VSAT (Very Small Aperture Terminal). Наземная часть системы представлена совокупностью комплексов, в состав каждого из них входят центральная станция (ЦС) и абонентские пункты (АП). Связь ЦС со спутником происходит по радиоканалу (пропускная способность 2 Мбит/с) через направленную антенну диаметром 1–3 м и приемо-передающую аппаратуру. АП подключаются к ЦС по схеме «звезда» с помощью многоканальной аппаратуры (обычно это аппаратура Т1 или Е1, хотя возможна и связь через телефонные линии) или по радиоканалу через спутник. Те АП, которые соединяются по радиоканалу (это подвижные или труднодоступные объекты), имеют свои антенны, и для каждого АП выделяется своя частота. ЦС передает свои сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на частотах АП. Арендная плата за соединение "точка-точка" через VSAT cо скоростью 64 кбит/с составляет около 3900 долларов в месяц, что для больших расстояний дешевле, чем аренда выделенной наземной линии. Примерами российских систем спутниковой связи с геостационарными орбитами могут служить системы Инмарсат и Runnet. Так, в Runnet применяются геостационарные спутники «Радуга». Один из них, с точкой стояния 85 градусов в.д., охватывает почти всю территорию России. В качестве приемопередающей аппаратуры (ППА) используются станции «Кедр-М» или «Калинка», работающие в сантиметровом диапазоне волн (6,18–6,22 ГГц и 3,855–3,895 ГГц соответственно). Диаметр антенн 4,8 м. В планируемой фирмой LMI системе глобальной спутниковой связи предусматривается 4 геостационарных спутника. В России для этой системы будет установлено 26–30 наземных станций (оператор Ростелеком). Примеры сетей с низкоорбитальными спутниками – система глобальной спутниковой телефонной связи «Глобалстар». Она имеет 48 низкоорбитальных (высота 1400 км) спутников охватывают весь земной шар. Каждая станция (наземная) имеет одновременно связь с тремя спутниками. У спутника шесть сфокусированных лучей по 2800 дуплексных каналов каждый. Обеспечиваются телефонная связь для труднодоступных районов, навигационные услуги, определение местонахождения подвижных объектов. Терминал обойдется в 750 долл., минута разговора в 30–50 центов. Начало коммерческой эксплуатации было намечено на 1999 г. Другая глобальная спутниковая сеть Iridium, имеющая и российский сегмент, включает 66 низкоорбитальных спутников, диапазон частот 1610–1626,5 МГц. В российской системе Глоснасс – 24 спутника. В 2000 г. 30% международного трафика проходило по спутниковым каналам, 70% , по наземным линиям. ЛЕКЦИЯ 4 ТЕХНОЛОГИИ ETHERNET 4.1. Стандарты технологии Ethernet Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в 50 миллионов. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм. На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают. В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код. Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD. 4.2. Метод доступа CSMA/CD В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA). Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю (рис. 3). Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации. Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью. После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра. Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мб/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается часто справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet'ом растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях. Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети: • Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией. • При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети. • После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке. Рис. 1. Схема возникновения коллизии в методе случайного доступа CSMA/CD (tp - задержка распространения сигнала между станциями A и B) Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы). Конечно, скорее всего искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени (десятки секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети. Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров. С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например, Fast Ethernet, максимальная длина сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet она составляет 210 м, а в гигабитном Ethernet ограничена 25 метрами. Независимо от реализации физической среды, все сети Ethernet должны удовлетворять двум ограничениям, связанным с методом доступа: • максимальное расстояние между двумя любыми узлами не должно превышать 2500 м, • в сети не должно быть более 1024 узлов. Кроме того, каждый вариант физической среды добавляет к этим ограничениям свои ограничения, которые также должны выполняться. Уточним основные параметры операций передачи и приема кадров Ethernet, кратко описанные выше. Станция, которая хочет передать кадр, должна сначала с помощью MAC-узла упаковать данные в кадр соответствующего формата. Затем для предотвращения смешения сигналов с сигналами другой передающей станции, MAC-узел должен прослушивать электрические сигналы на кабеле и в случае обнаружения несущей частоты 10 МГц отложить передачу своего кадра. После окончания передачи по кабелю станция должна выждать небольшую дополнительную паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap), что позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра. Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр, поле чего MAC-уровень узла готов принять кадр из сети либо от LLC-уровня. Если же фиксируется коллизия, то MAC-узел прекращает передачу кадра и посылает jam-последовательность, усиливающую состояние коллизии. После посылки в сеть jam-последовательности MAC-узел делает случайную паузу и повторно пытается передать свой кадр. В случае повторных коллизий существует максимально возможное число попыток повторной передачи кадра (attempt limit), которое равно 16. При достижении этого предела фиксируется ошибка передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня. Для того, чтобы уменьшить интенсивность коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff). Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки. Интервал отсрочки (slot time) - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети - окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии: интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка В стандартах 802.3 большинство временных интервалов измеряется в количестве межбитовых интервалов, величина которых для битовой скорости 10 Мб/с составляет 0.1 мкс и равна времени передачи одного бита. Величина интервала отсрочки в стандарте 802.3 определена равной 512 битовым интервалам, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км. Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян. Время паузы после N-ой коллизии полагается равным L интервалам отсрочки, где L - случайное целое число, равномерно распределенное в диапазоне [0, 2N]. Величина диапазона растет только до 10 попытки (напомним, что их не может быть больше 16), а далее диапазон остается равным [0, 210], то есть [0, 1024]. Значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3 приведено в таблице 1. Таблица 1. Битовая скорость 10 Мб/c Интервал отсрочки 512 битовых интервалов Межкадровый интервал 9.6 мкс Максимальное число попыток передачи 16 Максимальное число возрастания диапазона паузы 10 Длина jam-последовательности 32 бита Максимальная длина кадра (без преамбулы) 1518 байтов Минимальная длина кадра (без преамбулы) 64 байта (512 бит) Длина преамбулы 64 бита Учитывая приведенные параметры, нетрудно рассчитать максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных пакетов минимальной длины в секунду (packets-per-second, pps). Количество обрабатываемых пакетов Ethernet в секунду часто используется при указании внутренней производительности мостов и маршрутизаторов, вносящих дополнительные задержки при обмене между узлами. Поэтому интересно знать чистую максимальную производительность сегмента Ethernet в идеальном случае, когда на кабеле нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами. Так как размер пакета минимальной длины вместе с преамбулой составляет 64+8 = 72 байта или 576 битов, то на его передачу затрачивается 57.6 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9.6 мкс, получаем, что период следования минимальных пакетов равен 67.2 мкс. Это соответствует максимально возможной пропускной способности сегмента Ethernet в 14880 п/с. 4.3 Форматы кадров технологии Ethernet Стандарт на технологию Ethernet, описанный в документе 802.3, дает описание единственного формата кадра МАС-уровня. Так как в кадр МАС-уровня должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, образованный комбинацией заголовков МАС и LLC подуровней. Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются заголовки 4-х типов. Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся. Затем, после принятия стандартов IEEE и появления двух несовместимых форматов кадров канального уровня, была сделана попытка приведения этих форматов к некоторому общему знаменателю, что привело еще к одному варианту кадра. Различия в форматах кадров могут иногда приводить к несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним стандартом, хотя большинство сетевых адаптеров, мостов и маршрутизаторов умеет работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet. Ниже приводится описание всех четырех модификаций заголовков кадров Ethernet (причем под заголовком кадра понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню): • Кадр 802.3/LLC (или кадр Novell 802.2) • Кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3) • Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II) • Кадр Ethernet SNAP Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах 802.3 и 802.2. Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка: • Поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами. • Начальный ограничитель кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра. • Адрес получателя - может быть длиной 2 или 6 байтов (MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - это признак того, является адрес индивидуальным или групповым: если 0, то адрес указывает на определенную станцию, если 1, то это групповой адрес нескольких (возможно всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1. Общепринятым является использование 6-байтовых адресов. • Адрес отправителя - 2-х или 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя. Первый бит - всегда имеет значение 0. • Двухбайтовое поле длины определяет длину поля данных в кадре. • Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины. • Поле заполнения состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется. • Поле контрольной суммы - 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр. Кадр 802.3 является кадром MAС-подуровня, в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLC был описан выше. Результирующий кадр 802.3/LLC изображен в левой части рисунка 2. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 байта, то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 байт. Рис. 2. Форматы кадров Ethernet Справа на этом рисунке приведен кадр, который называют кадром Raw 802.3 (то есть "грубый" вариант 802.3) или же кадром Novell 802.3. Из рисунка видно, что это кадр MAC-подуровня стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare. Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр MAC-подуровня кадра LLC, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2. Кадр стандарта Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, похож на кадр Raw 802.3 тем, что он также не использует заголовки подуровня LLC, но отличается тем, что на месте поля длины в нем определено поле типа протокола (поле Type). Это поле предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC - для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Для кодирования типа протокола используются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II и 802.3 легко различимы. Еще одним популярным форматом кадра является кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP определен в стандарте 802.2H и представляет собой расширение кадра 802.3 путем введения дополнительного поля идентификатора организации, которое может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций. В таблице 2 приведены данные о том, какие типы кадров Ethernet обычно поддерживают реализации популярных протоколов сетевого уровня. Таблица 2 Тип кадра Сетевые протоколы Ethernet_II IPX, IP, AppleTalk Phase I Ethernet 802.3 IPX Ethernet 802.2 IPX, FTAM Ethernet_SNAP IPX, IP, AppleTalk Phase II 4.4 Спецификации физической среды Ethernet Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0.5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных в качестве общей шины. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры Ethernet остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды. Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных: 10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей). 10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей). 10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м. 10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. Число 10 обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мб/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от стандартов, использующих несколько несущих частот, которые называются broadband - широкополосными). ЛЕКЦИЯ 5 ПРОТОКОЛ TCP/IP, СЛУЖБА DNS 5.1 Основы функционирования протокола TCP/IP Адресация узлов в IP-сетях В сетях TCP/IP принято различать адреса сетевых узлов трех уровней: • физический (или локальный) адрес узла (МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора); эти адреса назначаются производителями сетевого оборудования; • IP-адрес узла (например, 192.168.0.1), данные адреса назначаются сетевыми администраторами или Интернет-провайдерами; • символьное имя (например, www.microsoft.com); эти имена также назначаются сетевыми администраторами компаний или Интернет-провайдерами. Рассмотрим подробнее IP-адресацию. Компьютеры или другие сложные сетевые устройства, подсоединенные к нескольким физическим сетям, имеют несколько IP-адресов — по одному на каждый сетевой интерфейс. Схема адресации позволяет проводить единичную, широковещательную и групповую адресацию. Таким образом, выделяют 3 типа IP-адресов. 1. Unicast-адрес (единичная адресация конкретному узлу) — используется в коммуникациях «один-к-одному». 2. Broadcast-адрес (широковещательный адрес, относящийся ко всем адресам подсети) — используется в коммуникациях «один-ко-всем». В этих адресах поле идентификатора устройства заполнено единицами. IP-адресация допускает широковещательную передачу, но не гарантирует ее — эта возможность зависит от конкретной физической сети. Например, в сетях Ethernet широковещательная передача выполняется с той же эффективностью, что и обычная передача данных, но есть сети, которые вообще не поддерживают такой тип передачи или поддерживают весьма ограничено. 3. Multicast-адрес (групповой адрес для многоадресной отправки пакетов) — используется в коммуникациях «один-ко-многим». Поддержка групповой адресации используется во многих приложений, например, приложениях интерактивных конференций. Для групповой передачи рабочие станции и маршрутизаторы используют протокол IGMP, который предоставляет информацию о принадлежности устройств определенным группам. Unicast-адреса. Каждый сетевой интерфейс на каждом узле сети должен иметь уникальный unicast-адрес. IP-адрес имеет длину 4 байта (или 32 бита). Для удобства чтения адресов 32-битные числа разбивают на октеты по 8 бит, каждый октет переводят в десятичную систему счисления и при записи разделяют точками. Например, IP-адрес 11000000101010000000000000000001 записывается как 192.168.0.1. IP-адрес состоит из двух частей — идентификатор сети (префикс сети, Network ID) и идентификатор узла (номер устройства, Host ID). Такая схема приводит к двухуровневой адресной иерархии. Идентификатор сети идентифицирует все узлы, расположенные на одном физическом или логическом сегменте сети, ограниченном IP-маршрутизаторами. Все узлы, находящиеся в одном сегменте должны имеет одинаковый идентификатор сети. Идентификатор узла идентифицирует конкретный сетевой узел (сетевой адаптер рабочей станции или сервера, порт маршрутизатора). Идентификатор узла должен быть уникален для каждого узла внутри IP-сети, имеющей один идентификатор сети. Таким образом, в целом IP-адрес будет уникален для каждого сетевого интерфейса всей сети TCP/IP. Соотношение между идентификатором сети и идентификатором узла в IP-адресе определяется с помощью маски подсети (Network mask), которая имеет длину также 4 байта и также записывается в десятичной форме по 4 октета, разделенных точками. Старшие биты маски подсети, состоящие из 1, определяют, какие разряды IP-адреса относятся к идентификатору сети. Младшие биты маски, состоящие из 0, определяют, какие разряды IP-адреса относятся к идентификатору узла. IP-адрес и маска подсети — минимальный набор параметров для конфигурирования протокола TCP/IP на сетевом узле. Для обеспечения гибкости в присваивании адресов компьютерным сетям разработчики протокола определили, что адресное пространство IP должно быть разделено на три различных класса — А, В и С. В дополнение к этим трем классам выделяют еще два класса. D — этот класс используется для групповой передачи данных. Е — класс, зарезервированный для проведения экспериментов. IP-адреса класса А. Старший бит любого IP-адреса в сети класса А всегда равен 0. Идентификатор сети состоит из 8 бит, идентификатор узла — 24 бита. Маска подсети для узлов сетей класса A — 255.0.0.0. (рис. 5.1). Рис. 5.1. Структура IP-адресов класса А IP-адреса класса B. Два старших бита любого IP-адреса в сети класса B всегда равны 10. Идентификатор сети состоит из 16 бит, идентификатор узла — 16 бит. Маска подсети для узлов сетей класса B — 255.255.0.0. Рис. 5.2. Структура IP-адресов класса B IP-адреса класса C. Три старших разряда любого IP-адреса в сети класса C всегда равны 110. Идентификатор сети состоит из 24 разрядов, идентификатор узла — из 8 разрядов. Маска подсети для узлов сетей класса C — 255.255.255.0. Класс D IP-адреса класса D используются для групповых адресов (multicast-адреса). Четыре старших разряда любого IP-адреса в сети класса D всегда равны 1110. Оставшиеся 28 бит используются для назначения группового адреса. Класс E Пять старших разряда любого IP-адреса в сети класса E равны 11110. Адреса данного класса зарезервированы для будущего использования (и не поддерживаются системой Windows Server). Рис. 5.2. Структура IP-адресов класса C Правила назначения идентификаторов сети (Network ID) • первый октет идентификатора сети не может быть равен 127 (адреса вида 127.x.y.z предназначены для отправки узлом пакетов самому себе и используются как правило для отладки сетевых приложений, такие адреса называются loopback-адресами, или адресами обратной связи); • все разряды идентификатора сети не могут состоять из одних 1 (IP-адреса, все биты которых установлены в 1, используются при широковещательной передаче информации); • все разряды идентификатора сети не могут состоять из одних 0 (в IP-адресах все биты, установленные в ноль, соответствуют либо данному устройству, либо данной сети); • идентификатор каждой конкретной сети должен быть уникальным среди подсетей, объединенных в одну сеть с помощью маршрутизаторов. Диапазоны возможных идентификаторов сети приведены в таблице 5.1. Класс сети Наименьший идентификатор сети Наибольший идентификатор сети Количество сетей Класс A 1.0.0.0 126.0.0.0 126 Класс B 128.0.0.0 191.0.0.0 16384 Класс C 192.0.0.0 223.255.255.0 2097152 Правила назначения идентификаторов узла (Host ID) • все разряды идентификатора узла не могут состоять из одних 1 (идентификатор узла, состоящий из одних 1, используется для широковещательных адресов, или broadcast-адресов); • все разряды идентификатора сети не могут состоять из одних 0 (если разряды идентификатора узла равны 0, то такой адрес обозначает всю подсеть, например, адрес 192.168.1.0 с маской подсети 255.255.255.0 обозначает всю подсеть с идентификатором сети «192.168.1»; • идентификатор узла должен быть уникальным среди узлов одной подсети. Диапазоны возможных идентификаторов узла приведены в таблице 5.2. Класс сети Наименьший идентификатор узла Наибольший идентификатор узла Количество узлов Класс A w.0.0.1 w.255.255.254 16777214 Класс B w.x.0.1 w.x.255.254 65534 Класс C w.x.y.1 w.x.y.254 254 Другим способом обозначения сети, более удобным и более кратким, является обозначение сети с сетевым префиксом. Такое обозначение имеет вид «/число бит маски подсети». Например, подсеть 192.168.1.0 с маской подсети 255.255.255.0 можно более кратко записать в виде 192.168.1.0/24, где число 24 длина маски подсети в битах. Публичные и приватные (частные) IP-адреса Все пространство IP-адресов разделено на 2 части: публичные адреса, которые распределяются между Интернет-провайдерами и компаниями международной организацией Internet Assigned Numbers Authority (сокращенно IANA), и приватные адреса, которые не контролируются IANA и могут назначаться внутрикорпоративным узлам по усмотрению сетевых администраторов. Если какая-либо компания приобрела IP-адреса в публичной сети, то ее сетевые узлы могут напрямую маршрутизировать сетевой трафик в сеть Интернет и могут быть прозрачно доступны из Интернета. Если внутрикорпоративные узлы имеют адреса из приватной сети, то они могут получать доступ в Интернет с помощью протокола трансляции сетевых адресов (NAT, Network Address Translation) или с помощью прокси-сервера. В простейшем случае с помощью NAT возможно организовать работу всей компании с использованием единственного зарегистрированного IP-адреса. Механизм трансляции адресов NAT преобразует IP-адреса из частного адресного пространства IP (эти адреса еще называют «внутренние», или «серые IP») в зарегистрированное открытое адресное пространство IP. Обычно эти функции (NAT) выполняет либо маршрутизатор, либо межсетевой экран (firewall) — эти устройства подменяют адреса в заголовках проходящих через них IP-пакетов. На практике обычно компании получают через Интернет-провайдеров небольшие сети в пространстве публичных адресов для размещения своих внешних ресурсов — web-сайтов или почтовых серверов. А для внутрикорпоративных узлов используют приватные IP-сети. Пространство приватных IP-адресов состоит из трех блоков: • 10.0.0.0/8 (одна сеть класса A); • 172.16.0.0/12 (диапазон адресов, состоящий из 16 сетей класса B — от 172.16.0.0/16 до 172.31.0.0/16); • 192.168.0.0/16 (диапазон адресов, состоящий из 256 сетей класса C — от 192.168.0.0/24 до 192.168.255.0/16). Кроме данных трех блоков имеется еще блок адресов, используемых для автоматической IP-адресации (APIPA, Automatic Private IP Addressing). Автоматическая IP-адресация применяется в том случае, когда сетевой интерфейс настраивается для автоматической настройки IP-конфигурации, но при этом в сети отсутствует сервер DHCP. Диапазон адресов для APIPA — сеть класса B 169.254.0.0/16. Отображение IP-адресов на физические адреса Каждый сетевой адаптер имеет свой уникальный физический адрес (или MAC-адрес). За отображение IP-адресов адаптеров на их физические адреса отвечает протокол ARP (Address Resolution Protocol). Необходимость протокола ARP продиктована тем обстоятельством, что IP-адреса устройств в сети назначаются независимо от их физических адресов. Поэтому для доставки сообщений по сети необходимо определить соответствие между физическим адресом устройства и его IP-адресом — это называется разрешением адресов. В большинстве случаев прикладные программы используют именно IP-адреса. А так как схемы физической адресации устройств весьма разнообразны, то необходим специальный, универсальный протокол. Протокол разрешения адресов ARP был разработан таким образом, чтобы его можно было использовать для разрешения адресов в различных сетях. Фактически ARP можно использовать с произвольными физическими адресами и сетевыми протоколами. Протокол ARP предполагает, что каждое устройство знает как свой IP-адрес, так и свой физический адрес. ARP динамически связывает их и заносит в специальную таблицу, где хранятся пары «IP-адрес — физический адрес» (обычно каждая запись в ARP-таблице имеет время жизни 10 мин.). Эта таблица хранится в памяти компьютера и называется кэш протокола ARP (ARP-cache).  Работа протокола ARP заключается в отправке сообщений между сетевыми узлами: • ARP Request (запрос ARP) — широковещательный запрос, отправляемый на физическом уровне модели TCP/IP, для определения MAC-адреса узла, имеющего конкретный IP-адрес; • ARP Reply (ответ ARP) — узел, IP-адрес которого содержится в ARP-запросе, отправляет узлу, пославшему ARP-запрос, информацию о своем MAC-адресе; • RARP Request, или Reverse ARP Request (обратный ARP-запрос) — запрос на определение IP-адреса по известному MAC-адресу; • RARP Reply, или Reverse ARP Reply (обратный ARP-ответ) — ответ узла на обратный ARP-запрос. Разбиение сетей на подсети с помощью маски подсети Для более эффективного использования пространства адресов IP-сети с помощью маски подсети могут быть разбиты на более мелкие подсети (subnetting) или объединены в более крупные сети (supernetting). Рассмотрим на примере разбиение сети 192.168.1.0/24 (сеть класса C) на более мелкие подсети. В исходной сети в IP-адресе 24 бита относятся к идентификатору сети и 8 бит — к идентификатору узла. Используем маску подсети из 27 бит, или, в десятичном обозначении, — 255.255.255.224, в двоичном обозначении — 11111111 11111111 11111111 11100000. Получим следующее разбиение на подсети: Подсеть Диапазон IP-адресов Широковещательный адрес в подсети 192.168.1.0/27 192.168.1.1–192.168.1.30 192.168.1.31 192.168.1.32/27 192.168.1.33–192.168.1.62 192.168.1.63 192.168.1.64/27 192.168.1.65–192.168.1.94 192.168.1.95 192.168.1.96/27 192.168.1.97–192.168.1.126 192.168.1.127 192.168.1.128/27 192.168.1.129–192.168.1.158 192.168.1.159 192.168.1.160/27 192.168.1.161–192.168.1.190 192.168.1.191 192.168.1.192/27 192.168.1.193–192.168.1.222 192.168.1.223 192.168.1.224/27 192.168.1.225–192.168.1.254 192.168.1.255 Таким образом, мы получили 8 подсетей, в каждой из которых может быть до 30 узлов. Напомним, что идентификатор узла, состоящий из нулей, обозначает всю подсеть, а идентификатор узла, состоящий из одних единиц, означает широковещательный адрес (пакет, отправленный на такой адрес, будет доставлен всем узлам подсети). IP-адреса в данных подсетях будут иметь структуру: Network ID Host ID Отметим очень важный момент. С использованием такой маски узлы с такими, например, IP-адресами, как 192.168.1.48 и 192.168.1.72, находятся в различных подсетях, и для взаимодействия данных узлов необходимы маршрутизаторы, пересылающие пакеты между подсетями192.168.1.32/27 и 192.168.1.64/27. Примечание. Согласно стандартам протокола TCP/IP для данного примера не должно существовать подсетей 192.168.1.0/27 и 192.168.1.224/27 (т.е. первая и последняя подсети). На практике большинство операционных систем (в т.ч. системы семейства Microsoft Windows) и маршрутизаторов поддерживают работу с такими сетями. Аналогично, можно с помощью маски подсети объединить мелкие сети в более крупные. Например, IP-адреса сети 192.168.0.0/21 будут иметь следующую структуру: Network ID Host ID Диапазон IP-адресов данной сети: 192.168.0.1–192.168.7.254 (всего — 2046 узлов), широковещательный адрес подсети — 192.168.7.255. Преимущества подсетей внутри частной сети: • разбиение больших IP-сетей на подсети (subnetting) позволяет снизить объем широковещательного трафика (маршрутизаторы не пропускают широковещательные пакеты); • объединение небольших сетей в более крупные сети (supernetting) позволяет увеличить адресное пространство с помощью сетей более низкого класса; • изменение топологии частной сети не влияет на таблицы маршрутизации в сети Интернет (хранят только маршрут с общим номером сети); • размер глобальных таблиц маршрутизации в сети Интернет не растет; • администратор может создавать новые подсети без необходимости получения новых номеров сетей. Старшие биты IP-адреса используются рабочими станциями и маршрутизаторами для определения класса адреса. После того как класс определен, устройство может однозначно вычислить границу между битами, использующимися для идентификации номера сети, и битами номера устройства в этой сети. Однако при разбиении сетей на подсети или при объединении сетей для определения границ битов, идентифицирующих номер подсети, такая схема не подходит. Для этого как раз и используется 32-битная маска подсети, которая помогает однозначно определить требуемую границу. Напомним, что для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения: • 255.0.0.0 – маска для сети класса А; • 255.255.0.0 - маска для сети класса В; • 255.255.255.0 - маска для сети класса С. Для администратора сети чрезвычайно важно знать четкие ответы на следующие вопросы: • Сколько подсетей требуется организации сегодня? • Сколько подсетей может потребоваться организации в будущем? • Сколько устройств в наибольшей подсети организации сегодня? • Сколько устройств будет в самой большой подсети организации в будущем? Отказ от использования только стандартных классов IP-сетей (A, B, и C) называется бесклассовой междоменной маршрутизацией (Classless Inter-Domain Routing, CIDR).   Введение в IP-маршрутизацию Для начала уточним некоторые понятия: • сетевой узел (node) — любое сетевое устройство с протоколом TCP/IP; • хост (host) — сетевой узел, не обладающий возможностями маршрутизации пакетов; • маршрутизатор (router) — сетевой узел, обладающий возможностями маршрутизации пакетов IP-маршрутизация — это процесс пересылки unicast-трафика от узла-отправителя к узлу –получателю в IP-сети с произвольной топологией. Когда один узел IP-сети отправляет пакет другому узлу, в заголовке IP-пакета указываются IP-адрес узла отправителя и IP-адрес узла-получателя. Отправка пакета происходит следующим образом: 1) Узел-отправитель определяет, находится ли узел-получатель в той же самой IP-сети, что и отправитель (в локальной сети), или в другой IP-сети (в удаленной сети). Для этого узел-отправитель производит поразрядное логическое умножение своего IP-адреса на маску подсети, затем поразрядное логическое умножение IP-адреса узла получателя также на свою маску подсети. Если результаты совпадают, значит, оба узла находятся в одной подсети. Если результаты различны, то узлы находятся в разных подсетях. 2) Если оба сетевых узла расположены в одной IP-сети, то узел-отправитель сначала проверяет ARP-кэш на наличие в ARP-таблице MAC-адреса узла-получателя. Если нужная запись в таблице имеется, то дальше отправка пакетов производится напрямую узлу-получателю на канальном уровне. Если же в ARP-таблице нужной записи нет, то узел-отправитель посылает ARP-запрос для IP-адреса узла-получателя, ответ помещает в ARP-таблицу и после этого передача пакета также производится на канальном уровне (между сетевыми адаптерами компьютеров). 3) Если узел-отправитель и узел-получатель расположены в разных IP-сетях, то узел-отправитель посылает данный пакет сетевому узлу, который в конфигурации отправителя указан как «Основной шлюз» (default gateway). Основной шлюз всегда находится в той же IP-сети, что и узел-отправитель, поэтому взаимодействие происходит на канальном уровне (после выполнения ARP-запроса). Основной шлюз — это маршрутизатор, который отвечает за отправку пакетов в другие подсети (либо напрямую, либо через другие маршрутизаторы). В данном примере 2 подсети: 192.168.0.0/24 и 192.168.1.0/24. Подсети объединены в одну сеть маршрутизатором. Интерфейс маршрутизатора в первой подсети имеет IP-адрес 192.168.0.1, во второй подсети — 192.168.1.1. В первой подсети имеются 2 узла: узел A (192.168.0.5) и узел B (192.168.0.7). Во второй подсети имеется узел C с IP-адресом 192.168.1.10. Если узел A будет отправлять пакет узлу B, то сначала он вычислит, что узел B находится в той же подсети, что и узел A (т.е. в локальной подсети), затем узел A выполнит ARP-запрос для IP-адреса 192.168.0.7. После этого содержимое IP-пакета будет передано на канальный уровень, и информация будет передана сетевым адаптером узла A сетевому адаптеру узла B. Это пример прямой доставки данных (или прямой маршрутизации, direct delivery).  Если узел A будет отправлять пакет узлу C, то сначала он вычислит, что узел C находится в другой подсети (т.е. в удаленной подсети). После этого узел A отправит пакет узлу, который в его конфигурации указан в качестве основного шлюза (в данном случае это интерфейс маршрутизатора с IP-адресом 192.168.0.1). Затем маршрутизатор с интерфейса 192.168.1.1 выполнит прямую доставку узлу C. Это пример непрямой доставки (или косвенной маршрутизации, indirect delivery) пакета от узла A узлу C. В данном случае процесс косвенной маршрутизации состоит их двух операций прямой маршрутизации. В целом процесс IP-маршрутизации представляет собой серии отдельных операций прямой или косвенной маршрутизации пакетов. Каждый сетевой узел принимает решение о маршрутизации пакета на основе таблицы маршрутизации, которая хранится в оперативной памяти данного узла. Таблицы маршрутизации существуют не только у маршрутизаторов с несколькими интерфейсами, но и у рабочих станций, подключаемых к сети через сетевой адаптер. Таблицу маршрутизации в системе Windows можно посмотреть по команде route print. Каждая таблица маршрутизации содержит набор записей. Записи могут формироваться различными способами: • записи, созданные автоматически системой на основе конфигурации протокола TCP/IP на каждом из сетевых адаптеров; • статические записи, созданные командой route print или в консоли службы Routing and Remote Access Service; • динамические записи, созданные различными протоколами маршрутизации (RIP или OSPF).