Федеральное агентство связи
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики»
(СибГУТИ)
Кафедра
Допустить к защите
ПДСиМ
Зав.каф. _____________Шувалов В.П.
ВЫПУСКНАЯ
КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
МАГИСТРА
Разработка алгоритмов автоматизации
проектирования сетей передачи данных уровня
L2 и L3
Магистерская диссертация
по направлению 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологи и системы
связи»
Студент
Дмитриев Е.Н
Руководитель
Шапин А.Г
Новосибирск 2016 г.
/…………………/
/ …………..……/
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики»
(СибГУТИ)
КАФЕДРА
Передачи дискретных сообщений и метрологии
ЗАДАНИЕ
НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ
РАБОТУ МАГИСТРАНТА
СТУДЕНТА
Дмитриева Е.Н
ГРУППЫ
МГ-14
УТВЕРЖДАЮ
«
»
Зав. кафедрой
Новосибирск 2016 г.
20__ г.
/ Шувалов В.П/
1. Тема выпускной квалификационной работы магистранта
Разработка алгоритмов автоматизации проектирование сетей передачи
данных уровня L2 и L3
утверждена приказом СибГУТИ от «20»01.2016г. №10105-16
2.Срок сдачи студентом законченной работы «17»06.2016 г.
3.Исходные данные к работе
1 Создать схему локальной сети с резервированием оборудования
2 Создать программу для расчета количества оборудования
4.Содержание пояснительной записки
(перечень подлежащих разработке вопросов)
Обзорная часть
Физический уровень
Канальный уровень
Сетевой уровень
Транспортный уровень
Сеансовый уровень
Представительный уровень
Стандарты проектирования
Протоколы IEEE 802
Международный телекоммуникационный союз
Классификация сетей передачи данных
Разработка автоматизации проектирование сетей 2 уровня
Анализ распространенных архитектур сетей канального
уровня
Параметризация входных данных
Разработка алгоритма работы программы
Примеры работы программы
Определение локальных сетей и их топология
Дата выдачи задания « »
20 г.
Руководитель _____________________________________
подпись
Задание принял к исполнению « »
20 г.
Студент __________________________________________
подпись
Сроки
выполнения
по разделам
1.03.2015
5.03.2015
7.03.2015
9.03.2015
12.03.2015
15.03.2015
18.03.2015
20.03.2015
26.05.2015
28.05.2015
4.07.2015
5.07.2015
6.10.2015
10.10.2015
25.10.2015
30.10.2015
20.11.2015
АННОТАЦИЯ
Выпускная квалификационная работа Дмитриева Е.Н. по теме «Разработка
алгоритмов автоматизации проектирование сетей передачи данных уровня L2
и L3»
Объём работы - 64 страницы, на которых размещены 15 рисунков. При
написании работы использовалось 37 источников.
Ключевые слова: Сеть передачи данных, проектирование, автоматизация,
локальная есть, ip-телефония.
Работа выполнена СибГУТИ кафедра Передачи дискретных сообщений и
метрологии
Основные результаты
В проекте были разработаны алгоритмы автоматизации проектирование
сетей передачи данных уровня L2 и L3.
В ходе выполение работы было показано, что при построении современных
локальных сетей, нужно знать, сколько требуется оборудования, для
бесперебойной работы сети.
Были рассмотрены наиболее эффективные конфигруации, обладающие
наилучшими параметрами и техническими характеристиками.
Была построена схема локальной офисной сети, разработана программа в
excel, в ней применяются формулы для расчета количество оборудования и
технических параметров сети.
Graduation thesis abstract
Final qualifying work Dmitrieva EN on the theme "Development of design
automation algorithms L2 and L3 level data networks"
Volume of work - 64 pages, 15 figures which are available. 37 sources to use when
writing the work.
Keywords: data network engineering, automation, there is a local, ip-telephony.
This work Sib Guti Department Assists discrete messages and Metrology
Main results *
The draft design automation algorithms level L2 and L3 data networks have been
developed.
During the execution of works it has been shown that in the construction of
modern local networks, you need to know how much equipment is required for the
smooth operation of the network.
the most effective konfigruatsii were considered having the best parameters and
technical characteristics.
scheme of the local office network, has developed a program to excel was built, it
used the formula for calculating the amount of equipment and technical parameters
of the network.
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики»
(СибГУТИ)
ОТЗЫВ
на выпускную квалификационную работу Дмитриева Е.Н.
по теме «Разработка алгоритмов автоматизации проектирование сетей
передачи данных уровня L2 и L3»
Компетенции
Общекультурные
Общепрофессион
альные
Профессиональн
ые
ОК-1 способностью к абстрактному
мышлению, анализу, синтезу
ОК-4 способностью свободно
пользоваться русским и мировым
иностранным языками как средством
делового общения
ОПК-1 готовностью к коммуникации в
устной и письменной формах на
русском и иностранном языках для
решения задач профессиональной
деятельности
ОПК-6 готовностью к обеспечению
мероприятий по управлению качеством
при проведении проектноконструкторских и научноисследовательских работ, а также в
организационно-управленческой
деятельности в организациях отрасли в
соответствии с требованиями действую
ПК-10 готовностью представлять
результаты исследования в форме
отчетов, рефератов, публикаций и
публичных обсуждений,
интерпретировать и представлять
результаты научных исследований, в
том числе на иностранном языке,
готовностью составлять практические
рекомендации
Работа имеет практическую ценность
Работа внедрена
Рекомендую работу к внедрению
Рекомендую работу копубликованию
Работа выполнена с применением ЭВМ
Тема предложена предприятием
Тема предложена студентом
Тема является фундаментальной
Рекомендую студента в аспирантуру
Имеются публикации по теме работы
_________________________
Должность руководителя
подпись
Уровень сформированности
компетенций
высокий средний
низкий
Шапин А.Г,
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и
информатики»
(СибГУТИ)
Форма утверждена научно-методическим
советом университета
протокол № 4 от 18.03.2008 г.
РЕЦЕНЗИЯ
на магистерскую диссертацию
Студента
По специальности (группа, шифр)
Тема магистерской диссертации
Объем диссертации
Заключение о степени соответствия выполненной работы техническому
заданию
Характеристика выполнения основных разделов работы, качество расчетов,
конструктивных решений, практического подтверждения
Научная ценность работы
Общая грамотность, качество оформления текста
Перечень положительных качеств диссертации
Основные замечания и недостатки диссертации
Предполагаемая оценка работы
Рецензент
(должность, уч. степень, подпись, фамилия, имя, отчество (полностью), дата)
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 3
1 Обзорная часть........................................................................................................ 5
1.1 Уровни модели OSI ............................................................................................. 5
1.1.1 Физический уровень ........................................................................................ 5
1.1.2 Канальныйуровень ........................................................................................... 6
1.1.3 Сетевой уровень ............................................................................................... 9
1.1.4 Транспортный уровень .................................................................................. 12
1.1.5 Сеансовый уровень ........................................................................................ 14
1.1.6 Представительский уровень .......................................................................... 15
1.1.7 Прикладной уровень ..................................................................................... 15
1.2 Стандарты проектирования .............................................................................. 16
1.2.1 Протоколы IEEE 802 ...................................................................................... 16
1.2.2 Международный телекоммуникационный союз (ITU) .............................. 19
1.2.3 Американский национальный институт стандартов (ANSI) ..................... 21
1.2.4 ATM Forum ..................................................................................................... 21
1.2.5 Ассоциация электронной промышленности (EIA) ..................................... 21
1.3 Классификация сетей передачи данных ......................................................... 21
2 Разработка инструмента автоматического проектирования сети 2 уровня ... 26
2.1 Анализ распространенных архитектур сетей канального уровня................ 26
2.2 Параметризация входных данных ................................................................... 31
2.3 Разработка алгоритма работы программы ...................................................... 36
2.4 Примеры работы программы ........................................................................... 37
3 Определение локальных сетей и их топология ............................................... 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 56
ПРИЛОЖЕНИЕ А. БИБЛИОГРАФИЯ............................................................ 57
3
ВВЕДЕНИЕ
Часто при выборе определенного сетевого устройства для вашей сети,
можно услышать такие фразы как «устройство уровня L2», или «устройство
L3». В этом случае речь ведется про уровни в сетевой модели OSI.
Устройства уровня L2 работают на канальном уровне и выполняют
физическую адресацию. Работа на этом уровне выполняется с кадрами, или
как иногда еще называют «фреймами». На этом уровне нет никаких ipадресов, устройство идентифицирует получателя и отправителя только по
MAC-адресу и передает кадры между ними. Такие устройства как правило
называют коммутаторами, иногда уточняя, что это «коммутатор уровня L2»
Устройства уровня L3 работают на сетевом уровне, который
предназначен для определения пути передачи данных, и понимают ip-адреса
устройств, определяют кратчайшие маршруты. Устройства этого уровня
отвечают за установку разного типа соединений (PPPoE и тому подобных).
Эти устройства обычно называют маршрутизаторами, хотя часто говорят и
«коммутатор уровня L3»
Целью
данной
магистерской
диссертации
является
разработка
алгоритмов автоматизации проектирование сетей передачи данных уровня L2
и L3.
Задачами данной магистерской диссертацииявляются:
изучение предметной области;
разработка модели процессов;
разработка постановки задачи автоматизации;
обоснование выбора основных проектных решений;
разработка
информационного,
математического,
и
технического
обеспечения;
В процессе проектирования планируется использовать современные
методологии проектирования ПО. В обзорной части дается описание
предметой области. В проектной части необходимо рассмотреть вопрос
4
выбора методологии, описывающей жизненный цикл ПО, в соответствии с
которой составить план разработки и внедрения системы.
Планируется
выполнить
разработку
математического и технического обеспечения системы.
информационного,
5
1 Обзорная часть
1.1 Уровни модели OSI
1.1.1 Физический уровень
Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по
физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая
пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому
уровню
имеют
отношение характеристики физических
сред
передачи
данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое
сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики
электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например,
крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого
сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь
стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах,
подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня
выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.
Примером
протокола
физического
уровня
может
служить
спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве
используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с
волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину
физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления
данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и
электрических сигналов.
Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего
канального уровня и преобразует их в оптические или электрические
сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются
через
среду
передачи
на
приемный
узел.
Механические
и
6
электрические/оптические свойства среды передачи определяются на
физическом уровне и включаютя:
Тип кабелей и разъемов
Разводку контактов в разъемах
Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1
К числу наиболее распространенных спецификаций физического
уровня относятся:
EIA-RS-232-C,
CCITT
V.24/V.28
-
механические/электрические
характеристики несбалансированного последовательного интерфейса.
EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механические, электрические и
оптические
характеристики
сбалансированного
последовательного
интерфейса.
IEEE 802.3 -- Ethernet
1.1.2 Канальныйуровень
На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не
учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются
(разделяются)
попеременно
несколькими
парами
взаимодействующих
компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной
из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности
среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация
механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном
уровне
биты
группируются
в
наборы,
называемые кадрами
(frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого
кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец
каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму,
обрабатывая все
байты кадра определенным способом и
добавляя
контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова
вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с
7
контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается
правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то
фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать
ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных
кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является
обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого
уровня она отсутствует, например, в Ethernet и frame relay.
В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях,
заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их
адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между
любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с
совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для
которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым
протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина,
кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и
коммутаторов.
Примерами
протоколов
канального
уровня
являются
протоколы Ethernet.
В локальных сетях протоколы канального уровня используются
компьютерами,
компьютерах
мостами,
функции
коммутаторами
канального
уровня
и
маршрутизаторами.
реализуются
В
совместными
усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией,
канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между
двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией
связи. Примерами протоколов «точка-точка» (как часто называют такие
протоколы) могут служить широко распространенные протоколы РРР и LAPB. В таких случаях для доставки сообщений между конечными узлами через
всю сеть используются средства сетевого уровня. Именно так организованы
сети Х.25. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом
виде выделить трудно, так как в одном и том же протоколе они
8
объединяются с функциями сетевого уровня. Примерами такого подхода
могут служить протоколы технологий ATM и frame relay.
В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный и
законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В
некоторых
случаях
протоколы
канального
уровня
оказываются
самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу
поверх
них
непосредственно
протоколов
прикладного
уровня
или
приложений, без привлечения средств сетевого и транспортного уровней.
Например, существует реализация протокола управления сетью SNMP
непосредственно поверх Ethernet, хотя стандартно этот протокол работает
поверх сетевого протокола IP и транспортного протокола UDP. Естественно,
что применение такой реализации будет ограниченным — она не подходит
для составных сетей разных технологий, например Ethernet и Х.25, и даже
для такой сети, в которой во всех сегментах применяется Ethernet, но между
сегментами существуют петлевидные связи. А вот в двухсегментной сети
Ethernet, объединенной мостом, реализация SNMP над канальным уровнем
будет вполне работоспособна.
Тем не менее для обеспечения качественной транспортировки
сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального
уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой
задачи возлагается на два следующих уровня — сетевой и транспортный.
Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров
данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует
сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации
IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление
логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC
обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует
доступ к разделяемой физической среде.
Наиболее часто используемые на уровне 2 протоколы включают:
HDLC для последовательных соединений
9
IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x
Ethernet
1.1.3 Сетевой уровень
Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой
транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети
могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений
между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей.
Функции
сетевого
уровня
достаточно
разнообразны.
Начнем
их
рассмотрение на примере объединения локальных сетей.
Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку
данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой
топологией, например топологией иерархической звезды. Это очень жесткое
ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой,
например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть,
или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между
узлами. Можно было бы усложнять протоколы канального уровня для
поддержания петлевидных избыточных связей, но принцип разделения
обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы с одной
стороны сохранить простоту процедур передачи данных для типовых
топологий, а с другой допустить использование произвольных топологий,
вводится дополнительный сетевой уровень.
На
значением.
сетевом
В
уровне
данном
сам
случае
термин сеть наделяют
под
сетью
понимается
специфическим
совокупность
компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из
стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один
из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.
Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим
канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается
10
сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора
маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей
между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в
протоколах канального уровня.
Сети
соединяются
называемыми
между
собой
специальными
маршрутизаторами. Маршрутизатор
устройствами,
— это
устройство,
которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее
основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы
передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю,
находящемуся
в
другой
сети,
нужно
совершить
некоторое
количество транзитных передач между сетями, или хопов (от hop —
прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом,
маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через
которые проходит пакет.
На рис. 1.1 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами.
Между узлами А и В данной сети пролегают два маршрута: первый через
маршрутизаторы 1 и 3, а второй через маршрутизаторы 1, 2 и 3.
Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее
решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема
осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто
критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому
маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и
интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени.
Некоторые
алгоритмы
маршрутизации
пытаются
приспособиться
к
изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе
средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может
осуществляться и по другим критериям, например надежности передачи.
В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи
сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы сейчас
рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой
11
уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения
адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути
нежелательного трафика между сетями.
Рисунок 1.1 - Пример составной сети
Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets). При
организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие
«номер сети». В этом случае адрес получателя состоит из старшей части —
номера сети и младшей — номера узла в этой сети. Все узлы одной сети
должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину «сеть»
на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть
— это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же
номер сети.
На сетевом уровне определяются два вида протоколов. Первый вид —
сетевые протоколы (routed protocols) — реализуют продвижение пакетов
через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о
протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и
другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной
12
информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols).
С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о
топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются
программными модулями операционной системы, а также программными и
аппаратными средствами маршрутизаторов.
На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые
отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в
локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами
разрешения адресов — Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят
не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не
изменяют их сути.
Примерами
протоколов
сетевого
уровня
являются
протокол
межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена
пакетами IPX стека Novell.
Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом
уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MACадресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную
передачу пакетов на транспортный уровень.
Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:
IP - протокол Internet
IPX - протокол межсетевого обмена
X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2)
CLNP - сетевой протокол без организации соединений
1.1.4 Транспортный уровень
На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или
утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства
обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь
13
дело с надежным соединением. Транспортный уровень (Transport layer)
обеспечивает приложениям или верхним уровням стека — прикладному и
сеансовому — передачу данных с той степенью надежности, которая им
требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых
транспортным
уровнем.
предоставляемых
услуг:
Эти
виды
сервиса
срочностью,
отличаются
возможностью
качеством
восстановления
прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких
соединений между различными прикладными протоколами через общий
транспортный протокол, а главное — способностью к обнаружению и
исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование
пакетов.
Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной
стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается
самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный,
уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько
надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая
уровнями, расположенными ниже транспортного — сетевым, канальным и
физическим. Так, например, если качество каналов передачи связи очень
высокое
и
вероятность
возникновения
ошибок,
не
обнаруженных
протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться
одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных
многочисленными
проверками,
квитированием
и
другими
приемами
повышения надежности. Если же транспортные средства нижних уровней
изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее
развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя
максимум средств для обнаружения и устранения ошибок, — с помощью
предварительного установления логического соединения, контроля доставки
сообщений по контрольным суммам и циклической нумерации пакетов,
установления тайм-аутов доставки и т. п.
14
Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше,
реализуются
программными
средствами
конечных
узлов
сети
—
компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера
транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека
TCP/IP и протокол SPX стека Novell.
Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым
транспортом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают
задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества в
составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями.
Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных
сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.
Транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые
фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.
Наиболее
распространенные
протоколы
транспортного
уровня
включают:
TCP - протокол управления передачей
NCP - Netware Core Protocol
SPX - упорядоченный обмен пакетами
TP4 - протокол передачи класса 4
1.1.5 Сеансовый уровень
Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом:
фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент,
предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять
контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было
вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала.
На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он
редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня
часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном
протоколе.
15
Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными
между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно
являются составной частью функций трех верхних уровней модели.
1.1.6 Представительский уровень
Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой
представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее
содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая
прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню
другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных
уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных
или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На
этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных,
благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для
всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол
Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен
сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.
Уровень представления отвечает за возможность диалога между
приложениями
на
разных
машинах.
Этот
уровень
обеспечивает
преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного
уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня
представления обычно являются составной частью функций трех верхних
уровней модели.
1.1.7 Прикладной уровень
Прикладной уровень (Application layer) — это в действительности
просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи
сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры
или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную
16
работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица
данных,
которой
оперирует
прикладной
уровень,
обычно
называется сообщением (message).
Существует очень большое разнообразие служб прикладного уровня.
Приведем в качестве примера хотя бы несколько наиболее распространенных
реализаций файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare,
SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.
Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами
этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и
управление сетью.
К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней
относятся:
FTP - протокол переноса файлов
TFTP - упрощенный протокол переноса файлов
X.400 - электронная почта
Telnet
SMTP - простой протокол почтового обмена
CMIP - общий протокол управления информацией
SNMP - простой протокол управления сетью
NFS - сетевая файловая система
1.2 Стандарты проектирования
1.2.1 Протоколы IEEE 802
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) является
профессиональной
организацией
(США),
определяющей
стандарты,
связанные с сетями и другими аспектами электронных коммуникаций.
Группа IEEE 802.X содержит описание сетевых спецификаций и содержит
стандарты, рекомендации и информационные документы для сетей и
телекоммуникаций.
17
Публикации
IEEE
являются
результатом
работы
различных
технических, исследовательских и рабочих групп.
Рекомендации IEEE связаны главным образом с 2 нижними уровнями
модели OSI - физическим и канальным. Эти рекомендации делят канальный
уровень на 2 подуровня нижний - MAC (управление доступом к среде) и
верхний - LLC (управление логическим каналом).
Часть стандартов IEEE (802.1 - 802.11) была адаптирована ISO (8801-1 8802-11, соответственно), получив статус международных стандартов. В
литературе, однако, гораздо чаще упоминаются исходные стандарты, а не
международные (IEEE 802.3, а не ISO/IEC 8802-3).
Ниже приведено краткое описание стандартов IEEE 802.X:
802.1 - задает стандарты управления сетью на MAC-уровне, включая
алгоритм Spanning Tree. Этот алгоритм используется для обеспечения
единственности пути (отсутствия петель) в многосвязных сетях на основе
мостов и коммутаторов с возможностью его замены альтернативным путем в
случае выхода из строя. Документы также содержат спецификации сетевого
управления и межсетевого взаимодействия.
802.2 - определяет функционирование подуровня LLC на канальном
уровне модели OSI. LLC обеспечивает интерфейс между методами доступа к
среде и сетевым уровнем. Прозрачные для вышележащих уровней функции
LLC
включают
кадрирование,
адресацию,
контроль
ошибок.
Этот
подуровень используется в спецификации 802.3 Ethernet, но не включен в
спецификацию Ethernet II.
802.3 - описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей с
немодулированной передачей (baseband networks), использующих шинную
топологию и метод доступа CSMA/CD. Этот стандарт был разработан
совместно с компаниями Digital, Intel, Xerox и весьма близок к стандарту
Ethernet. Однако стандарты Ethernet II и IEEE 802.3 не полностью идентичны
и для обеспечения совместимости разнотипных узлов требуется применять
18
специальные меры. 802.3 также включает технологии Fast Ethernet
(100BaseTx, 100BaseFx, 100BaseFl).
802.5 - описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей с
кольцевой
топологией
и
передачей
маркеров.
Этому
стандарту
соответствуют сети IBM Token Ring 4/16 Мбит/с.
802.8 - отчет TAG по оптическим сетям. Документ содержит
обсуждение использования оптических кабелей в сетях 802.3 - 802.6, а также
рекомендации по установке оптических кабельных систем.
802.9 - отчет рабочей группы по интеграции голоса и данных (IVD).
Документ задает архитектуру и интерфейсы устройств для одновременной
передачи данных и голоса по одной линии. Стандарт 802.9, принятый в 1993
году, совместим с ISDN и использует подуровень LLC, определенный в
802.2, а также поддерживает кабельные системы UTP (неэкранированные
кабели из скрученных пар).
802.10 - в этом отчете рабочей группы по безопасности ЛВС
рассмотрены вопросы обмена данными, шифрования, управления сетями и
безопасности в сетевых архитектурах, совместимых с моделью OSI.
802.11
-
имя
рабочей
группы,
занимающейся
спецификацийе
100BaseVG Ethernet 100BaseVG. Комитет 802.3, в свою очередь, также
предложил спецификации для Ethernet 100 Мбит/с
Отметим, что работа комитета 802.2 послужила базой для нескольких
стандартов (802.3 - 802.6, 802.12). Отдельные комитеты (802.7 - 802.11)
выполняют в основном информационные функции для комитетов, связанных
с сетевыми архитектурами.
Отметим также, что разные комитеты 802.X задают разный порядок
битов при передаче. Например, 802.3 (CSMA/CD) задает порядок LSB, при
котором передается сначала наименее значимый бит (младший разряд), 802.5
(token ring) использует обратный порядок - MSB, как и ANSI X3T9.5 комитет, отвечающий за архитектурные спецификации FDDI. Эти два
варианта порядка передачи известны как "little-endian" (канонический) и "big-
19
endian" (некононический), соответственно. Эта разница в порядке передачи
имеет существенное значение для мостов и маршрутизаторов, связывающих
различные сети.
1.2.2 Международный телекоммуникационный союз (ITU)
ITU представляет собой международную организацию в области
стандартизации при ООН, ответственную за разработку стандартов для
телекоммуникационного оборудования и услуг.
ITU включает три подразделения:
ITU-T
(телекоммуникационный
сектор,
ранее
Международный
консультативный комитет по телефонной и телеграфной связи - CCITT)
отвечает за коммуникационные стандарты. Эта группа является наиболее
активным разработчиком стандартов в сфере передачи данных по сетям.
CCIR - международный консультативный комитет по радиосвязи.
IFRB - международный комитет по регистрации частот, отвечающий за
выделение радиочастот для телекоммуникаций.
Ниже приведен список наиболее распространенных стандартов ITU:
V.11 - электрические характеристики сбалансированных устройств при
скоростях до 10 Мбит/с. Совместим с RS-422.
V.22 - работа синхронных и асинхронных модемов по выделенным и
коммутируемым линиям при скоростях до 1200 бит/с.
V.22bis - работа синхронных и асинхронных модемов по выделенным и
коммутируемым линиям при скоростях до 2400 бит/с с возможностью
снижения до 1200 бит/с.
V.24 - устройства физического обмена данными для подключения
компьютерного оборудования. RS-232D является частью V.24. V.28
определяет электрические параметры устройства.
20
V.25bis - процедура автоматических звонков (соединений) и ответа,
реализующая командный протокол, подобный набору команд Hayes AT, но
ориентированных на поддержку систем международной связи.
V.28 - электрические характеристики несбалансированного устройтсва
обмена,
используемого
совместно
с
физическим
устройством
V.24.
Напряжение от 5 до 15 В определяет двоичный 0; от -5 до -15 - двоичную 1.
Стандарт совместим с RS-232D.
V.32 - работа синхронных и асинхронных модемов по выделенным и
коммутируемым линиям при скоростях до 9600 и 4800 бит/с.
V.32ter - версия стандарта V.32, предложенная AT&T для скорости
19200 бит/с с возможностью снижения до максимальной поддерживаемой
линией и устройствами скорости.
V.32 bis - работа синхронных и асинхронных модемов по выделенным
и коммутируемым линиям при скоростях до 14400 бит/сс возможностью
снижения до максимальной поддерживаемой линией и устройствами
скорости.
V.35 - физическое устройство обмена данными для подключения
компьютерного оборудования при скоростях до 48 Кбит/с взамен устаревших
V.36 и V.37. Сейчас V.35 является базовым термином для описания
физического соединения и электрических параметров при скоростях до 2
Мбит/с.
V.42 - Стандарт CCITT для контроля ошибок при связи асинхронных
модемов. Определяет протокол LAP-M.
V.42bis - Стандарт CCITT для встроенного в модемы протокола
коррекции ошибок и компрессии данных.
V.34 - работа синхронных и асинхронных модемов по выделенным и
коммутируемым линиям при скоростях до 28800 бит/с.
21
1.2.3 Американский национальный институт стандартов (ANSI)
Представляет США в ISO. К числу наиболее важных стандартов ANSI
относится FDDI.
1.2.4 ATM Forum
Некоммерческая организация (консорциум), задачей которой является
обеспечение интероперабельности оборудования на базе международных
стандартов и обеспечение кооперации производителей оборудования. К
числу наиболее важных стандартов ATM Forum относятся:
Эмуляция ЛВС (ATMLANEmulationv. 1.0)
Спецификация основанного на кадрах взаимодействия пользовательсеть (FUNI)
UNI 3.0, 3.1 и 4.0
1.2.5 Ассоциация электронной промышленности (EIA)
Наиболее важные стандарты EIA:
Интерфейс RS-232D
Кабельные системы EIA/TIA-568
1.3 Классификация сетей передачи данных
Методы
и
устройства,
используемые
в
вычислительных
(компьютерных) сетях передачи данных, широко применяются при создании
сетей NGN. Поэтому в настоящем курсе лекций основное внимание уделено
аппаратным и программным средствам вычислительных (компьютерных)
сетей, т. е. сетей передачи данных, на базе которых и создаются современные
мультисервисные сети. В сетях передачи данных (компьютерных или
вычислительных)
поток
может
информационными
единицами:
быть
битами,
представлен
байтами,
различными
кадрами,
пакетами,
22
ячейками, образующими информационный поток. Сети передачи данных, как
правило, относятся к сетям с коммутацией пакетов.
Согласно
одной
подразделяются
из
классификаций
сети
на локальные и глобальные(рис.
передачи
1.2).
Сеть
данных
может
размещаться на ограниченном пространстве, например, в отдельном здании,
в аудитории. При этом она называется локальной вычислительной сетью –
ЛВС (Local Area Network – LAN ). Основными технологиями локальных
вычислительных сетей, которые применяются в настоящее время, являются
Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Другие технологии ЛВС (Token Ring,
100VG-AnyLAN, FDDI и др.) используются редко.
Рисунок 1.2 - Классификация сетей передачи данных
Совокупность
нескольких
локальных
называют составной, распределенной или глобальной
сетей
сетью (Internetwork,
Internet). В составную сеть могут входить подсети(Subnet) различных
технологий.
Крупные
фирмы
(корпорации)
создают
свои
собственные корпоративные сети (Intranet), которые используют технологии
как глобальных, так и локальных сетей. Таким образом, объединение
пользователей, расположенных на широком географическом пространстве,
например
в
информационных
разных
городах,
данных,
для
производится
совместного
с
помощью
вычислительных сетей – ГВС (Wide Area Network – WAN ).
использования
глобальных
23
Глобальные сети передачи данных часто классифицируют (рис. 1.2) на:
сети
с
коммутацией
каналов; сети,
использующие
выделенные
линии; сети с коммутацией пакетов.
Сети с коммутацией каналов и с использованием выделенных линий
строят на основе различных сетевых технологий. При этом применяются
следующие технологии и линии связи:
цифровые линии, которые бывают постоянные, арендуемые, а также
коммутируемые. В цифровых линиях применяют технологии плезиохронной
цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH), синхронной
цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy – SDH ), а также
технологии оптических линий связи спектрального уплотнения по длине
волны
(Wave-length
Division
Multiplexing
–WDM,
Dense
WDM
–
DWDM ); цифровые сети интегральных служб с коммутацией каналов
(Integrated Services Digital Network – ISDN ); цифровые абонентские линии
(Digital Subscriber Line – DSL );аналоговые выделенные линии и линии с
коммутацией каналов (dialup) с применением модемов, т. е. аналоговые АТС.
Технологии PDH и SDH характеризуются высокой скоростью передачи
данных. Например, скорость передачи данных по сетям технологии PDH
составляет от 2 Мбит/с до 139 Мбит/с; технологии SDH – от 155 Мбит/с до
2,5 Гбит/с и выше. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных
достигнуто в системах со спектральным уплотнением по длине волны
(технологии WDM и DWDM) на волоконно-оптических кабелях. Основными
аппаратными средствами высокоскоростных технологий с коммутируемыми
цифровыми линиями являются мультиплексоры ( MUX ).
Широкое распространение в настоящее время получили сети с
коммутацией
пакетов,
в
которых
применяются
следующие
сетевые
технологии:
сети
на
основе
технологии виртуальных
каналов
(X.25; сети
трансляции кадров FR – Frame Relay; сети ATM – Asynchronous Transfer
24
Mode); сети технологии IP, использующие дейтаграммный методпередачи
сообщений.
В
сетях
с
коммутацией
пакетов
могут
использоваться
технологии виртуальных каналов, применяемые в сетях X.25, Frame Relay,
ATM, или технологии передачидейтаграммных сообщений – сети IP в
зависимости от предъявляемых требований.
Технологии виртуальных каналов предусматривают предварительное
соединение
конечных
прокладывается
узлов
маршрут
(источника
(виртуальный
и
назначения),
канал),
по
при
которому
этом
затем
передаются данные. Получение данных подтверждается приемной стороной.
Технология X.25 ориентирована на ненадежные аналоговые линии связи,
поэтому характеризуется низкой скоростью передачи данных (до 48 Кбит/с).
Однако данная технология применяется до настоящего времени, например в
сетях банкоматов, из-за своей высокой надежности при ненадежных линиях.
Технология Frame Relay обеспечивает более высокую по сравнению с Х.25
скорость передачи данных – до 2-4 Мбит/с. Но линии связи должны быть
более надежными по сравнению с Х.25. Наибольшую скорость передачи
данных (155 Мбит/c, 620 Мбит/c, а также 2,4 Гбит/c) обеспечивают сети
АТМ. Однако развитие этих сетей сдерживает их высокая стоимость.
Сети технологии IP являются дейтаграммными, когда отсутствует
предварительное соединение конечных узлов и нет подтверждения приема
сообщения.
Поэтому
отдельные
части
большого
сообщения
могут
передаваться по разным маршрутам, и потеря отдельной части сообщения
может остаться незамеченной. Такой метод характеризуется высокой
скоростью передачи, но низкой надежностью, поскольку нет подтверждения
принятых данных. Высокую надежность обеспечивает протокол управления
передачей TCP (Transmission Control Protocol). Набор (стек) протоколов
TCP/IP обеспечивает компромиссное решение по цене, скорости и
надежности передачи данных. Поэтому на базе протоколов TCP/IP создается
25
транспортный уровень мультисервисных сетей следующего поколения NGN
с распределенной коммутацией пакетов.
Следует отметить еще одну сетевую технологию, которая стремительно
развивается в последнее время, – это технология виртуальных частных сетей
(Virtual Private Network –VPN ). Данная технология задействует сеть общего
пользования Интернет, в которой формирует защищенные каналы связи с
гарантированной полосой пропускания. Таким образом, при экономичности
и
доступности
сети
VPN
обеспечиваютбезопасность
и
качество передаваемых сообщений. Используя VPN, сотрудники фирмы
могут получить безопасный дистанционный доступ к корпоративной
(частной) сети компании через Интернет.
26
2 Разработка инструмента автоматического
проектирования сети 2 уровня
2.1 Анализ распространенных архитектур сетей канального уровня
Рисунок 2.1 Схема офисной сети
Специфика локальных сетей также нашла свое отражение в делении
канального уровня на два подуровня, которые часто называют также
уровнями. Канальный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях
на два подуровня:
1.
логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);
2.
управление доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Уровень MAC появился через существование в локальных сетях среды
передачи данные. Именно этот уровень обеспечивает корректное общее
использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным
алгоритмом в распоряжение той или другой станции сети. После того как
доступ к среде получен, ею может пользоваться больше высокий уровень уровень LLC, который организует передачу логических единиц данных,
кадров информации, с разным уровнем качества транспортных услуг. В
27
современных
локальных
сетях
получили
распространение
несколько
протоколов уровня MAC, что реализуют разные алгоритмы доступа к среде.
Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как
Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN.
Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с
разной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с
прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой
протокол спрашивает у канального уровня нужную ему транспортную
операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько
режимов работы, которые отличаются наличием или отсутствием на этом
уровне
процедур
перекручивания,
возобновления
то
есть
кадров
транспортных
в
случае
услуг,
их
которые
потери
или
отличаются
качеством, этого уровня.
Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый
протокол уровняMAC может применяться с любым протоколом уровня LLC,
и наоборот.
Обратимся
к
рисунку
2.2,
на
котором
показана
концепция
функционирования сети. Клиент обращается в центр обслуживания
пользователей, где заключает договор на оказание услуг связи. При этом он
выбирает себе логин, получает пароль и сетевой адрес, сообщает свои
паспортные данные, а также ему присваивается статус, подразумевающий
право доступа в сеть. Все эти данные заносятся в базу данных пользователей.
Сетевой
адрес
жестко
закреплен
за
каждым
абонентом,
чтобы
пользовательские приложения имели возможность продолжения сеанса связи
при следующем вхождении в сеть. Но в то же время этот адрес не
прошивается
в
оборудование,
чтобы
абоненты
имели
возможность
использовать и другие сети. В базу данных занесен администратор, имеющий
неограниченные права использования и управления сетью. Точка доступа
связывается с модемами пользователей через радиоинтерфейс, с базой
данных по магистральной линии связи, а также имеет канал в Интернет через
28
Ethernet.
Администратор
проводит
обслуживание
точки
доступа
по
радиоканалу. Для вхождения в сеть пользователям будет необходимо
проходить аутентификацию, вводя свой логин и пароль. Для эффективного
использования ресурсов сети точка доступа собирает статистику, которую
обрабатывает администратор. Статистика включает в себя логин, время входа
и выхода из сети, входящий и исходящий трафик, идентификатор
оборудования. Используя эти данные, можно будет оптимизировать нагрузку
на сеть.
Абонентско
е
Абонентско
е
Моде
Моде
Точка
доступа
Центр
обслуживан
ия
База данных
пользовател
Регистр
статистики
Администрат
Интернет
Рисунок 2.2 - Концепция функционирования сети
Рассмотрим работу сети на сетевом уровне. Пользовательское
приложение формирует данные для передачи другому пользователю. Эти
данные разбиваются на блоки. Сетевой уровень переводит адрес получателя
из логического в физический. Коммутация терминалов осуществляется с
помощью точки доступа. К пользовательским данным добавляется служебная
информация, образуя пакет сетевого уровня. Как только появляется
возможность, т.е. точка доступа предоставила временной интервал для
29
передачи, этот пакет передается получателю. Обратимся к связанной
диаграмме состояний системы, отображенной на рисунке 2.3.
Включение
Выключение
Поиск SCH
Синхронизация
Проверка id сети
Заявка регистрации
Переход на ACH
Аутентификация
Передача
синхропоследовательност
Передача
id сети
Прием заявок
регистрации
Выделение ACH
Проверка
подлинности
пользователя
Дежурный прием
Свой id в эфире
Точка
доступа
Транспортный
уровень
Необходим TCH
Отмена
передачи
Готовность
Согласование
мощности
эквалайзинг
Отправка id получателя
Готовность приема
Прием
Согласование мощности
эквалайзинг
Отправка ACK/NACK
Передача
Выполнение операции
Получение ACK/NACK
Невыполнение операции
Рисунок 2.3 - Связанная диаграмма состояний системы
Данные между терминалами передаются напрямую. Точка доступа
лишь распределяет канальный ресурс, беря на себя, таким образом, функции
управления. Рассмотрим основные режимы работы системы.
30
1. Вхождение в сеть. После включения и инициализации терминала
происходит поиск сигнала синхронизации, по которому подстраивается
тактовый генератор. Если SCH не найден, терминал отключается. Из BCCH
выделяется id сети и структура кадров и мультикадров. При выделении
«родного» id терминал передает по RACH заявку регистрации. Если на ТД
возникает коллизия, она уведомляет об этом по каналу AGCH. Терминалы
генерируют случайное число, в зависимости от которого совершают
повторную заявку, уменьшая вероятность повторной коллизии. ТД отвечает
на заявку регистрации по каналу AGCH указанием канала ACH (канал
аутентификации), по которому производится аутентификация. В случае
успешного ее прохождения терминал переходит в режим дежурного приема.
2. Дежурный прием. Терминал прослушивает SCH, BCCH, AskCH.
Остальное
время
«спит»,
т.е.
переходит
в
режим
пониженного
энергопотребления на интервал, в течение которого будет идти обмен
данными.
3. Передача. Во время опроса точкой доступа терминал получает
возможность передачи необходимой информации. Он отвечает номером
получателя на максимально допустимом уровне мощности. При отсутствии
подтверждения передача отменяется, а ТД исключает получателя из списка
активных. В случае подтверждения готовности приемника передается
преамбула для согласования мощности и настройки эквалайзера, начинается
передача на выделенный интервал времени. По окончании принимается
сигнал ACK / NACK и терминал переходит в режим дежурного приема.
4. Прием. Терминал слышит свой номер в эфире, отвечает готовностью,
согласовывает мощность, настраивает эквалайзер и начинает прием. После
окончания приема отсылает ACK / NACK и переходит в режим дежурного
приема.
5. Выход из сети. При поступлении команды выключения питания
терминал посылает по каналу случайного доступа уведомление о выходе из
сети и отключает питание. Если уведомление не было принято точкой
31
доступа, терминал будет исключен из списка активных либо при опросе,
либо его вызове другим терминалом.
Обратимся к рисунку 2.4, на котором представлена последовательность
взаимодействия двух терминалов и точки доступа. Допустим, терминал 1
(далее Т1) находится в сети и ему требуется передать информацию
терминалу 2 (далее Т2), когда тот зайдет в сеть. Т2 посылает заявку
регистрации точке доступа (далее ТД), которая отвечает ему выделением
канала
аутентификации,
аутентификации.
Затем
по
ТД
которому
производит
производится
опрос,
процедура
давая
терминалам
возможность получить канал трафика. Т1 сообщает о необходимости
передачи данных, Т2 уведомляет о готовности, после чего ТД выделяет
канальный ресурс. Далее следует непосредственная передача информации от
Т1 к Т2.
Ответ
Терминал 1
Передача
Терминал 2
Заявка
регистрации
Аутентиф
икация
Готовно
сть
Прием
Точка Доступа
Выделение
ACH
Аутентиф
икация
Выделение
TCH
Опрос
Рисунок 2.4 - Последовательность взаимодействия терминалов и точки
доступа
2.2 Параметризация входных данных
Параметры
описывающие
компьютерной
сети
представляют
структурно-функциональную
собой
организацию
величины,
сети
и
ее
взаимодействие с внешней средой, в том числе, создаваемую в сети нагрузку.
32
Характеристикикомпьютерной сети описывают её эффективность и
зависят от параметров.
Характеристики определяются в процессе эксплуатации сети путем
измерений с помощью специальных измерительных средств - сетевых
мониторов и в процессе решения задач системного анализа как функции
параметров, т.е. являются вторичными по отношению к параметрам.
Все параметры компьютерной сети можно разделить на три группы:
1) структурные параметры,описывающие состав и структуру сети;
2) функциональные параметры,описывающие стратегию управления
передачей данных в компьютерной сети и стратегию управления обработкой
данных в узлах;
3) нагрузочные параметры,описывающие взаимодействие сети с
внешней средой, то есть нагрузку, создаваемую в сети решаемыми
прикладными задачами и передаваемыми в вычислительной сети данными.
В
качестве
структурных
параметров
компьютерных
сетей
используются:
• количество узлов, входящих в состав сети, и их взаимосвязь
(топология сети);
• типы узлов, состав и количество оборудования (ЭВМ и сетевых
устройств);
• технические данные устройств (производительность ВС и сетевых
устройств - маршрутизаторов и коммутаторов, пропускные способности
каналов связи и т.п.).
К функциональным параметрам компьютерных сетей относятся:
• способ коммутации;
• метод доступа к каналу связи;
• алгоритм выбора маршрута передачи данных в сети;
• распределение прикладных задач по узлам сети;
• режим функционирования ВС;
• последовательность выполнения прикладных задач в ВС;
33
• приоритеты задач и т.д.
В качестве нагрузочных параметров компьютерных сетей могут
использоваться:
• число типов потоков данных (аудио, видео, компьютерные данные);
• интенсивности поступления сообщений (пакетов, кадров) разных
типов в сеть или к отдельным ресурсам (узлам и каналам связи);
• длина передаваемых по сети блоков данных (пакетов, кадров);
• число типов прикладных задач;
• ресурсоемкость каждой задачи и т.д.
Характеристики компьютерных сетей - это совокупность показателей
эффективности (качества) сети.
Характеристики компьютерных сетей можно разделить на две группы:
• качественные;
• количественные.
Примерами качественных характеристик могут служить:
• операционные возможности сети, представляющие собой
перечень услуг (сервисов) по передаче и обработке данных,
предоставляемых пользователям сети, таких как передача данных
между
удаленными пользователями сети, доступ к удаленным файлам, доступ
к
разнообразным
вычислительным
средствам,
в
том
числе,
к
высокопроизводительным ВС, электронная почта, возможность передачи по
сети разнообразных данных (речь, аудио, видео) и т.д.;
• масштабируемость - способность сети при ее наращивании (при
увеличении ресурсов) линейно увеличивать свою производительность,
которую
можно
оценить
количественно
через
отношение
прироста
производительности системы к приросту ресурсов: чем ближе это отношение
к единице, тем выше масштабируемость;
34
• управляемость - возможность администрирования с целью выявления
и разрешения возникающих в сети проблем, а также планирования развития
и модернизации сети;
• гибкость - сохранение качества функционирования сети при
изменении её состава и конфигурации в результате выхода из строя
оборудования или добавления новых устройств.
Количественные
характеристики
компьютерных
сетей
можно
разделить на две группы:
• глобальные,определяющие наиболее важные свойства сети как
целостного объекта;
• локальные,определяющие свойства отдельных устройств или частей
сети
и
позволяющие
получить
более
детальное
представление
об
эффективности сети.
К глобальным характеристикам относятся:
• характеристики производительности;
• характеристики оперативности;
• характеристики надежности;
• стоимостные характеристики;
• прочие характеристики (энергопотребления, массогабаритные и т.п.).
Характеристики производительности
Производительность
компьютерной
сети-
мера
мощности
сети,
определяющая количество работы, выполняемой сетью в единицу времени.
Понятие производительности охватывает широкую номенклатуру
показателей эффективности компьютерной сети, определяющих качество
функционирования как сети в целом, так и отдельных ее подсистем и
элементов - технических и программных средств.
Производительность
сети
зависит,
в
первую
очередь,
от
производительности отдельных ее элементов, называемой скоростью работы
или быстродействием устройств, например, скорость передачи данных по
каналам связи, измеряемая объёмом данных, передаваемых за единицу
35
времени, быстродействие ЭВМ или, точнее, процессора, измеряемое числом
команд, выполняемых в единицу времени, и т.п.
Для
оценки
производительности
компьютерной
сети
в
целом
используется следующая совокупность показателей:
• производительность СТК(сети передачи данных), измеряемая числом
сообщений (пакетов, кадров, бит) передаваемых по сети за единицу времени;
•
производительность
СВТ(средств
обработки
данных),
представляющая собой суммарную производительность всех средств ВТ
(ЭВМ и систем), входящих в состав сети.
Производительность СТК (коммуникационная мощность)может быть
задана следующими показателями:
• максимальная или предельная производительность, называемая
пропускной способностью сети передачи данныхи измеряемая количеством
пакетов (кадров), передаваемых в сети за единицу времени;
• реальная или фактическая производительность сети передачи данных,
которая может быть задана как среднее значение на некотором интервале
времени или как мгновенное значение в конкретный момент времени.
Производительность
СВТ
(вычислительная
мощность)в
целом
складывается из производительностей ВС, выполняющих обработку данных
в сети.
Наиболее
важным
показателем
производительности
ВС,
как
совокупности технических и программных средств, является системная
производительность .измеряемая числом задач, выполняемых системой за
единицу времени.
Очевидно, что системная производительность зависит от режима
функционирования,
реализуемого
управляющими
программами
операционной системы, и класса решаемых задач, т.е. вычислительной
нагрузки.
36
2.3 Разработка алгоритма работы программы
Основное назначение компьютерных сетей - совместное использование
ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной формы, так
и за ее пределами.
В настоящее время компьютерные сети применяются в различных
областях деятельности.
При оптимизации сетей во многих случаях предпочтительным
оказывается
использование
математического
моделирования
и
проектирования сетей
Для исследования таких сложных сетей необходимо осуществлять
создание стохастических графов с числом вершин, составляющих от
нескольких сотен, до нескольких тысяч. Могут быть выделены несколько
основных подходов при проектироваемм. Они связаны с генерацией
случайного графа с известным заранее числом вершин и заданными
вероятностными свойствами.
Настоящая работа посвящена разработке алгоритма проектирования
сетей с использованием параллельных вычислений.
При решении задачи мы считали, что рассматриваемая сложная
компьютерная сеть была статистически однородной, то есть, количество
ребер между двумя блоками сети одинакового размера является одинаковым;
в таком случае, можно утверждать, что для любой пары блоков ребра можно
сгенерировать независимо.
Сначала инициализируются блоки сети. Затем генерируются связи
между вершинами из разных блоков. Наконец, происходит генерация ребер
между вершинами каждого из блоков.
Для систем с разделенной памятью реализация параллельного
алгоритма
определяет
необходимость
физического
распределения
фрагментов сети между вычислителями, с последующей организацией
обменов между узлами в соответствии с заданным расписанием.
37
В результате было проведено проектирование сетей на основе
статистических распределений.
2.4 Примеры работы программы
Можно ли облегчить работу по проектированию локальной сети,
сделать ее более простым занятием? При большом количестве сред
разработки
можно
ли
использовать
их
возможности
для
создания
приложения, позволяющего упростить и автоматизировать проектирование
локальной сети в помещении.
1.
Были определены задачи, которые должна решать будущая
программа: добавление различных объектов (маршрутизатор, коммутатор,
воип шлюз), выбор был сделан в пользу MicrosoftExcel
2.
Присутствует графический интерфейс приложения. Поскольку
пользователь должен вводить данные, а также видеть получаемый результат,
были созданы кнопки и поля для ввода, и поля для вывода.
3.
С помощью формул MicrosoftExcel производится расчет.
4.
Был проанализирован полученный результат: в программе
удалось реализовать возможность проектирования локальной сети в
помещении, проводить расчёт количества оборудования , нужен ли VLAN
пользовательский и VLAN телефонии.
Далее показаны рисунки программы рис. 2.5-2.7.
38
Рисунок 2.5 -Входные данные
39
Рисунок 2.6 - Оборудование
40
Рисунок 2.7 -VLAN
49
Формулы
программы:
=ЕСЛИ('Входные
данные'!B4="Да";2;1),
=ОКРУГЛВВЕРХ('Входныеданные'!B2/Оборудование!B3;0),
=ОКРУГЛВВЕРХ('Входныеданные'!B3/B4;0),=ЕСЛИ(Оборудование!C2>0;1;0),
=ЕСЛИ(Оборудование!C4>0;1;0)
50
3 Определение локальных сетей и их топология
Чаще всего термин "локальные сети" или "локальные вычислительные
сети" (LAN, Local Area Network) понимают буквально, то есть это такие сети,
которые
имеют
расположенные
небольшие,
локальные
компьютеры.
Однако
размеры,
достаточно
соединяют
близко
посмотреть
на
характеристики некоторых современных локальных сетей, чтобы понять, что
такое определение не точно. Например, некоторые локальные сети легко
обеспечивают связь на расстоянии нескольких десятков километров.
По сути, компьютеры, связанные локальной сетью, объединяются в один
виртуальный компьютер, ресурсы которого могут быть доступны всем
пользователям, причем этот доступ не менее удобен, чем к ресурсам, входящим
непосредственно в каждый отдельный компьютер. Под удобством в данном
случае понимается высокая реальная скорость доступа, скорость обмена
информацией между приложениями, практически незаметная для пользователя.
При таком определении становится понятно, что ни медленные глобальные
сети, ни медленная связь через последовательный или параллельный порты не
попадают под понятие локальной сети. Из данного определения следует, что
скорость передачи по локальной сети обязательно должна расти по мере роста
быстродействия наиболее распространенных компьютеров. Именно это и
наблюдается: если еще десять лет назад вполне приемлемой считалась скорость
обмена в 10 Мбит/с, то сейчас уже среднескоростной считается сеть, имеющая
пропускную способность 100 Мбит/с, активно разрабатываются, а кое-где
используются средства для скорости 1000 Мбит/с и даже больше.
Таким образом, главное отличие локальной сети от любой другой —
высокая скорость передачи информации по сети.
По локальной сети может передаваться самая разная цифровая
информация: данные, изображения, телефонные разговоры, электронные
письма и т.д. Чаще всего локальные сети используются для разделения
(совместного использования) таких ресурсов, как дисковое пространство,
51
принтеры и выход в глобальную сеть, но это всего лишь незначительная часть
тех возможностей, которые предоставляют средства локальных сетей.
Например,
они
позволяют
осуществлять
обмен
информацией
между
компьютерами разных типов. Полноценными абонентами (узлами) сети могут
быть не только компьютеры, но и другие устройства, например, принтеры,
плоттеры, сканеры. Локальные сети дают также возможность организовать
систему параллельных вычислений на всех компьютерах сети, что многократно
ускоряет решение сложных математических задач. С их помощью, как уже
упоминалось, можно управлять работой технологической системы или
исследовательской установки с нескольких компьютеров одновременно.
Под
топологией
компьютерной
сети
(компоновкой,
обычно
понимается
конфигурацией,
физическое
структурой)
расположение
компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями
связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к
локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить.
Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого
кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом,
надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать
топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях
основных топологий, их достоинствах и недостатках надо.
Существует три базовые топологии сети: шина, звезда и кольцо.
52
Рисунок 3.1
•
Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной
линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается
всем остальным компьютерам.
•
Звезда
(star)
—
к
одному
центральному
компьютеру
присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них
использует отдельную линию связи . Информация от периферийного
компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального —
одному или нескольким периферийным.
•
Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в
кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном
53
направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одному
компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от
предыдущего в цепочке компьютера. [3]
На сегодняшний день наиболее распространенной топологией является
звезда.
Однако
вместо
центрального
компьютера
используется,
так
называемый, концентратор (хаб). Такая звезда называется пассивной.
Возможности программы
Пример построения сети из двух ПК и коммутатора
Рисунок 3.2
На рисунке: Схема из двух ПК и концентратора
Построим простейшую локальную сеть и посмотрим, как она работает.
Для этого выполните команду Файл > Новый и нарисуйте схему сети как на
рисунке.
После рисования двух ПК и концентратора создадим их соединение.
Рисунок 3.3
54
В процессе рисования связей между устройствами вам потребуется
выбрать соединяемые интерфйсы и нажать на кнопку Соединить.
Теперь добавляем сетевую карту (интерфейс) и настраиваем ее.
Рисунок 3.4
На рисунках: Добавляем интерфейс, настраиваем IP-адрес ПК
Сеть создана и настроена. Отравляем данные по протоколу TCP.
Рисунок 3.5
Если вы где-то ошиблись, то появиться соответствующее сообщение, а
если все верно – то анимация движущихся по сети пакетов.
Само собой, что в программе можно строить сети более сложные, чем мы
рассмотрели выше.
55
Рисунок 2.13
56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В проекте были разработаны алгоритмы автоматизации проектирование сетей
передачи данных уровня L2 и L3.
В ходе выполение работы было показано, что при построении современных
локальных сетей, нужно знать, сколько требуется оборудования, для
бесперебойной работы сети.
Были рассмотрены наиболее эффективные конфигруации, обладающие
наилучшими параметрами и техническими характеристиками.
Была построена схема локальной офисной сети, разработана программа в excel,
в ней применяются формулы для расчета количество оборудования и
технических параметров сети.
57
ПРИЛОЖЕНИЕ А. БИБЛИОГРАФИЯ
1. Авен О. И. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем /
О. И. Авен, Н. Н. Турин, Я. А. Коган. М.: Наука, Главная редакция физикоматематической литературы, 1982. - 464 с.
2. Айвазян С.А. Прикладная статистика. Исследование зависимостей./ С.
А. Айвазян, И. С. Енюков, Л. Д. Мешалкин М.: Финансы и статистика, 1985.198 с.
3. Айвазян С.А. Прикладная статистика. Основы моделирования и
первичная обработка данных / С. А. Айвазян, И. С. Енюков, Л. Д. Мешалкин М.: Финансы и статистика, 1983. 216 с.
4. Аоки М. Введение в методы оптимизации./ М. Аоки Перев. с англ., -М.:
Наука, 1977.-344 с.
5. Баранов И. Ю. Исследование гибкого инструментального комплекса
для
интеллектуальной
системы
административного
управления
в
корпоративных АСУП: автореф. дис. канд. тех. наук: 05.13.06 / И. Ю. Баранов;
Орел-ГТУ.-Орел, 2006.- 18 с.
6. Артемов С. П. Проблемы автоматизации зданий и производственных
процессов. // В кн.: Информационные управляющие системы // Межвузовский
сборник научных трудов. Пермь: ПТГУ, НИИУМС, 1999.
7. Башарин Г. П. Теория сетей массового обслуживания / Г. П. Башарин М.: Наука, 1983.-145 с.
8. Белоцерковский Д. Л. Новый алгоритм генерации остовных двусвязных
подграфов для; оптимизации топологии сетей передачи данных / Д. Л. Белоцерковский, В. М; Вишневский // Автоматика,и телемеханика, 1997. №1. -С.
108-120:.
9. Бейнер Р. Л. Программное обеспечение без ошибок / Р. Л. Бейнер. -М.:
Радио и связь, 1996. 173 с.
10.
Блэк 10. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы: Пер. с
англ. /Ю: Блэк. М.: Мир, 1990: - 506 е.
58
11.
Гнеденко Б. В. Введение в теорию массового обслуживания / Б. В.
Гнеденко, И. Н. Коваленко. М.: Наука, 1987. - 224 с.
12.
Вишневский
В.
М.
Математические
модели
исследованиям
алгоритмов маршрутизации в сетях передачи данных / В. М. Вишневский, Е. В.
Левнер, Е. Б. Федотов // Информационные процессы, 2001. Т. 1, № 2. - С. 103126.
13.
ГОСТ
24.701-86.
Надежность
автоматизированных
систем
управления. Основные положения: М:: ИПК: Изд. стандартов, 2002. - 174 с. С.54-64.
14.
ГОСТ 28806-90. Качество программных средств. Термины и
определения. М.: Госстандарт СССР: Изд. стандартов, 1990: — 44 с.
15.
ГОСТ 28195-89. Оценка качества программных средств. Общие
положения.-М.: Гос. комитет СССР по стандартам: Изд. стандартов, 1989.-38с.
16.
ГОСТ
34.003-90.
Информационная
технология.
Комплекс
стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы.
Термины и определения. М.: ИПК: Изд. стандартов, 2002. 174 с. - С. 78-91.
17.
ГОСТ 34.603-92. Информационная технология. Виды испытаний
автоматизированных систем. М.: ИПК: Изд. стандартов, 2002. - 174 с. -С.117121.
18.
ГОСТ
34.601-90.
Информационная
технология.
Комплекс
стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы.
Стадии создания. М.: ИПК: Изд. стандартов, 2002. - 174 с. - С. 100-105.
19.
ГОСТ 34.90-93. Информационная технология. Передача данных и
обмен информацией между системами. Протокольные комбинации для
обеспечения и поддержки услуг сетевого уровня ВОС. М.: Госстандарт России:
Изд. стандартов, 1993. — 55 с.
20.
ГОСТ Р 34.90-93 Информационная технология. Передача данных и
обмен информацией между системами. Протокольные комбинации для
обеспечения и поддержки услуг сетевого уровня ВОС. М.: Госстандарт России:
Изд. стандартов, 1993. -43 с.
59
21.
ГОСТ
43003-90.
Информационная
технология.
Комплект
стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения. М.:
Госстандарт России: Изд. стандартов, 1992. - 35 с.
22.
ГОСТ Р ИСО/МЭК 10172-99. Информационная технология.
Передача данных и обмен информацией между системами. Спецификация
взаимодействия между протоколами сетевого и транспортного уровней. М.:
Госстандарт России: Изд. стандартов, 1999. - 60 с.
23.
ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 10172-99. Информационная технология.
Передача данных и обмен информацией между системами. Спецификация
взаимодействия между протоколами сетевого и транспортного уровней. М.:
Госстандарт России: Изд. стандартов, 1999. - 46 с.
24.
ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93. Информационная технология. Оценка
программной продукции. Характеристики качества и руководства по их
применению. -М.: Госстандарт России: Изд. стандартов, 1993. 64 с.
25.
Грошев А. С. Базы данных: Учеб. пособие / А. С. Грошев.
Архангельск: Изд. АрГТУ, 2005. - 124 с.
26.
Еременко
информационного
В.
обмена
Т.
Математическое
в
распределенных
моделирование
процессов
управляющих
системах:
Монография / В. Т. Еременко. Под общ. ред. проф. И. С. Константинова. - М.:
Машиностроение, 2004. - 224 с.
27.
Гуляев Ю. В. Развитие и применение открытых систем в
Российской Федерации / Ю. В. Гуляев, А. Я. Олейников, Е. Н. Филинов //
Информационные технологии и вычислительные системы,1995. 4.1. - С.32-43.
28.
Еременко В. Т. Методика анализа гарантированности реализаций
профилей протоколов информационного обмена / В. Т. Еременко // Вестник
компьютерных и информационных технологий. М.: Машиностроение, 2004. №2.-С. 47-48.
29.
Еременко В. Т. Функциональная стандартизация протоколов
информационного обмена в распределенных управляющих системах: автореф.
дис. д-ра техн. наук: 05.13.06 / В. Т. Еременко; ОрелГТУ. Орел, 2005. - 32 с.
60
30.
Еременко В. Т. Методологический аспект построения теории
функциональной стандартизации протоколов информационного обмена / В. Т.
Еременко // Вестник компьютерных и информационных технологий. М.:
Машиностроение, 2004. -№ 1. С. 14-17.
31.
Зайцев С. С. Сервис открытых информационно-вычислительных
сетей: Справочник / С. С. Зайцев, М. И. Кравцунов, С. В. Ротанов. М.: Радио и
связь, 1990. - 235 с.
32.
Злотников Ю. С. Протоколы информационного обмена в цифровых
сетях связи с интеграцией служб / Ю. С. Злотников // Зарубежная
радиоэлектроника, 1990. № 10. - С. 46-65.
33.
Зарубин В. С. Математическое моделирование в технике: Учеб. для
вузов / Под ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. 2-е изд., стереотип. - М.: Изд.
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 496 с.
34.
Ивченко Г. И. Теория массового обслуживания / Г. И. Ивченко, В.
А. Каштанов, И. Н. Коваленко. М., 1982. - 326 с.
35.
Карпов Ю. Г. О свойстве когерентности протоколов / Ю. Г. Карпов
// Автоматика и вычислительная техника, 1987. № 4. - С. 38-40.
36.
Камалова Л. 3. Системное моделирование интеллектуальных ИУС
(на примере машиностроительного предприятия): дис. канд. техн. наук:
05.13.06: защищена 5.08.2000: утв. 15.12.2000 / Камалова Лира Закиевна. -Уфа,
2000. 139 с. - Библиогр.: С.102-111.
37.
Касьянов
В.П.
Графы
в
программировании:
обработка,
визуализация и применение / В. И. Касьянов, В. А. Евстигнеев. — СПб: БХВПетербург, 2003.- 1004с.