Информационные и телекоммуникационные сети


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



А.С. ЗЕНЗИН





                ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ




Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия для магистрантов первого года обучения ФТФ











НОВОСИБИРСК
2011

УДК 004.738(075.8) 3-561




Рецензенты:

Е.А. Титов, д-р физ.-мат. наук, проф.
А.И. Валишев, канд. техн. наук, директор ВКИ НГУ





      Зензин А.С.
3-561 Информационные и телекоммуникационные сети : учеб.

       пособие / А.С. Зензин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. -80 с.

         ISBN 978-5-7782-1601-3


         Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 010700 «Физика», при изучении дисциплины «Компьютерные технологии в науке и образовании». Пособие дает базовые знания в области компьютерных сетей и телекоммуникационных технологий, на основе которых реализуются современные распределенные компьютерные системы.




Работа подготовлена на кафедре лазерных систем






УДК 004.738(075.8)



ISBN 978-5-7782-1601-3

                     © Зензин А.С., 2011

© Новосибирский государственный технический университет, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ


Условные обозначения..........................................5

Предисловие..........................................7
1. ВВЕДЕНИЕ И ОБЗОР..................................9
 1.1. Причины и история появления компьютерных сетей.9

  1.2. Коммутация каналов и коммутация пакетов.........12

  1.3. Взаимное соединение сетей............................14

 1.4. Многоуровневые архитектуры связи..............16
 1.5. Выводы........................................18
2. МНОГОУРОВНЕВАЯ АРХИТЕКТУРА СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ..............................................20
 2.1. Архитектура OSI/ISO и протоколы...............20
 2.2. Единое воззрение на протокол OSI..............28
 2.3. Выводы........................................33

3. УРОВЕНЬ КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ...................36
 3.1. Методы построения протоколов канального уровня.36
 3.2. Протокол HDLC..................................40
 3.3. Выводы.........................................46
4. РЕКОМЕНДАЦИЯ Х.25................................48
 4.1. Протокол Х.25..................................48
 4.2. Механизм управления потоком в протоколе Х.25...51
 4.3. Выводы.........................................53

3

5. СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ...............................55
 5.1. Функция выборов маршрутов..................55
 5.2. Выбор кратчайших путей.....................58
 5.3. Выводы.....................................63
6. СЕМЕЙСТВО ПРОТОКОЛОВ TCP/IP...................64

  6.1. Протоколы IP, ICMP, ARP и RARP. ARPANET........64
  6.2. Транспортный уровень - протокол TCP............65
  6.3. Протоколы TELNET, FTP, SMTP, NFS................66
  6.4. Выводы..........................................67

7. МЕХАНИЗМЫ ДОСТУПА К СЕТИ............................68
 7.1. Опрос и случайный доступ в сетях передачи данных.68
 7.2. Семейство стандартов 802.........................72
 7.3. Выводы...........................................77
Библиографический список...............................79

      УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ                                     
АТС   - автоматическая телефонная станция                      
ВК    - вычислительный комплекс                                
ВТ    - вычислительная техника                                 
ГВМ   - главная ЭВМ                                            
гвс   - глобальная вычислительная сеть                         
ЛВС   - локальная вычислительная сеть (см. LAN)                
мккт  - международный консультативный комитет по телегра-      
т     фии и телефонии (см. COTTT)                              
мос   - международная организация по стандартизации (см. ISO)  
ОС    - операционная система                                   
ПАД   - пакетный адаптер данных (см. PAD)                      
ПЭВМ  - персональная ЭВМ                                       
САПР  - система автоматизированного проектирования             
спд   - система передачи данных                                
СУБД  - система управления базами данных                       
тм    - терминальная ЭВМ                                       
УАТС  - учрежденческая автоматическая телефонная станция       
ЦКП   - центр коммутации пакетов                               
цсио  - цифровая сеть интегрального обслуживания (см. ISDN)    
эдо   - электронная доска объявлений                           
эп    - электронная почта                                      
ANSI  - American National Standards Institute                  
ASCII - American Standard Code for Information Interchange     
CCITT - Comite CoNsultatifINterNatioNale de Telegraphique et   
      TelephoNigue (cm. MKKTT)                                 
DCE   - Data Circuit terminating Equipment (линейное устройство
      передачи данных)                                         
DNA   - Digital Networking Arhitecture                         
DTE   - Data Terminal Equipment (оконечное устройство переда-  
      чи данных)                                               
ECMA  - European Computer Manufactures Association             
IEC   - International Electrotechnical Commission              
IEEE  - The Institute ofElectrical and Electronic Engineers    
ISDN  - INtegrated Services Digital Network (см. ЦСИО)         
ISO   - International Standards Organization (см. MOC)         

5

LAN    - Lokal Area Network (см. ЛВС)                     
MAN    - Metropolitan Area Network                        
NAPL   - North American Presentation Level Protocol Syntax
PS     - Network File System                              
NFS    - Optical Character Recognition                    
OSR    - Open Systems Interconnection                     
OSI    - Packet Assembler/Diassembler                     
PAD    - Standard Generalized Markup Language             
SGML   - System Network Architecture                      
SNA    - Struktured Query Language                        
SQL    - Transmission Control Protocol/Internet Protocol  
TCP/IP - Wide Area Network                                
WAN                                                       

        ПРЕДИСЛОВИЕ

   Бурное развитие электронных коммуникаций, являющихся основой современных информационных и автоматизированных систем, базируется на эволюции информационных, компьютерных и телекоммуникационных технологий. Компьютерные сети как основа реализации распределенных систем различного назначения используют средства передачи информации между компьютерами с применением методов кодирования и мультиплексирования данных - методов, получивших развитие в различных телекоммуникационных системах, что подчеркивает интеграцию в них телекоммуникационных и информационных услуг в единый комплекс.
   Системы автоматизации в экспериментальной физике широко используют различные технологии построения распределенных компьютерных систем. Требования Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по подготовке магистров направления 010700 - «Физика» включают подготовку физиков-экспериментаторов по дисциплине «Компьютерные технологии в науке и образовании», подразделом которой является курс «Информационные и телекоммуникационные сети». Предлагаемый курс дает базовые знания в области компьютерных сетей и телекоммуникационных технологий, на основе которых реализуются современные распределенные компьютерные системы, а также возможность дальнейшего самостоятельного повышения профессионального уровня.
   За основу данного учебного пособия взят курс Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) «Сети связи: протоколы, моделирование и анализ», читаемый профессором М. Шварцем [1]. Исходный курс сокращен и урезан таким образом, чтобы от изучающих его не требовалось углубленных знаний в теории вероятностей, статистической математике и теории графов. Вместе с тем сохранены основной материал, направленность и текст книг профессора М. Шварца и его двухтомник рассматривается в качестве основного учебника. Пособие полезно и для самостоятельного изучения.

7

   В разделе 1 дается общее введение в телекоммуникационные сети, определяются понятия сетей с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов.
   В разделе 2 подробно рассматривается эталонная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем - OSI, разработанная в ISO.
   Раздел 3 посвящен рассмотрению уровня канала передачи данных, который обеспечивает надлежащий и правильный обмен кадрами данных между соседними узлами сети.
   В разделе 4 рассматриваются рекомендации Х.25 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ), представляющие собой протокол обмена в сети с коммутацией пакетов между устройством передачи данных пользователя и линейным оборудованием сети.
   В разделе 5 рассматривается сетевой уровень, в функции которого входит управление потоком, контроль перегрузок и маршрутизация пакетов, передаваемых в сети.
   В разделе 6 рассматривается набор протоколов TCP/IP, соответствующих уровням 2-7-эталонной модели, позволяющий объединить любое количество гетерогенных сетей (высокоскоростных локальных, радио, с коммутацией пакетов и т. д.).
   В разделе 7 рассматриваются механизмы доступа к сети (опрос и случайный доступ) и стандарты на протоколы доступа серии 802.
   Завершает пособие компактный список литературы, минимально необходимой для первоначального изучения предмета.

        1. ВВЕДЕНИЕ И ОБЗОР

   В данном разделе показана необходимость создания сетей, обеспечивающих возможность связи любых абонентов (пользователей) сети между собой взамен установления большого количества прямых соединений типа «каждый с каждым».
   Выделяются два основных способа организации обмена в сети -с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов (сообщений), а также и два метода передачи для последнего способа - организацией виртуального канала между абонентами или передачей дейтаграмм.
   Рассматривается концепция многоуровневой архитектуры связи, связанной с выделением задач по организации, проведению и прекращению обмена, обеспечивающих современную и правильную передачу данных в сети связи, и протоколов высокого уровня, обеспечивающих надлежащее представление данных для правильного их восприятия оконечным пользователем.
   Даются начальные сведения об эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI/ISO, в которой упомянутые задачи решаются с помощью семи различных уровней протоколов, таких, что каждый уровень предоставляет услугу вышестоящему.

        1.1. Причины и история появления компьютерных сетей

   Почему задача развертывания сетей, и в том числе компьютерных сетей, ставится на первое место? Можно представить себе непосредственные соединения небольшого числа пользователей между собой. Но рассмотрим задачу непосредственного соединения сотен, тысяч или миллионов пользователей, которые желают связываться друг с другом. Такая полносвязная технология требует для каждой пары пользователей (например, компьютеров) выделения отдельной физической линии связи. Для связи N узлов требуется N(N - 1)/2 линий связи [2]. Очевидно, это задача непреодолимой трудности. Но ведь можно не установить прямые соединения, даже если это и осуществимо, так как многие из них будут использоваться очень редко. Кроме того, любая новая пара


9

пользователей, желающих связываться, может потребовать установления нового прямого соединения. Поэтому концепция сети возникает совершенно естественно. Сеть должна состоять по существу из сетевых коммутационных средств, или узлов, соединенных между собой линиями передачи. Эти линии могут быть проводными, кабельными, радио, спутниковыми или световодными. На рис. 1.1 показан простой пример сети.


Рис. 1.1. Пример сети

   Понятно, что сеть этого типа в принципе может обслужить столько пользователей, сколько можно подключить к коммутационным (транзитным) узлам. Соединение между пользователями устанавливается по тому или иному маршруту, скоммутированному в коммутационных узлах сети. Таким образом, передача данных между не связанными непосредственно друг с другом пользователями реализуется путем соединения узлов сети, которое называют коммутацией. Коммутация выполняется формированием пути передачи данных между интерфейсами, входящими в состав отдельных коммутационных узлов. Рассматриваемая сеть, когда ее оборудование в основном сосредоточено в коммутационных узлах, позволяет соединять многих пользователей друг с другом достаточно эффективным по стоимости способом с предоставлением дополнительных возможностей и услуг, которые не могут быть реализованы каждым отдельным пользователем за приемлемую стоимость. Такого вида сеть может быть предназначена для передачи речи, данных или и того, и другого.


10

   Хронологически первыми из компьютерных сетей появились глобальные сети (Wide Area Network, WAN), т. e. сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, находящиеся в разных городах и странах [2]. Такие сети позволяли пользователям получить удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных суперкомпьютеров. В первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие ставшие впоследствии стандартными сетевые службы. В этих сетях впервые предложены и отработаны главные идеи, лежащие в основе современных вычислительных сетей: многоуровневость коммутационных протоколов, концепции коммутации и маршрутизации пакетов.
   В течение многих лет глобальные компьютерные сети строились на основе телефонных каналов тональной частоты телекоммуникационных сетей, способных в каждый момент времени вести передачу только одного разговора в аналоговой форме. Эти каналы ограничивали скорость передачи дискретных компьютерных данных десятками килобит в секунду, поэтому набор предоставляемых услуг в сетях такого типа обычно ограничивался передачей файлов и электронной почтой. Кроме того, низкое качество каналов связи со значительными искажениями, вносимыми в передаваемый сигнал, требовало использования протоколов сетей, отличающихся сложными процедурами контроля и восстановления данных. Типичным примером таких сетей являются сети Х.25, разработанные в 1970-х годах, когда низкоскоростные аналоговые каналы преобладали в схемах соединений компьютеров и коммутаторов глобальных вычислительных сетей.
   С начала 1970-х годов телефонные сети переходили на высокоскоростные цифровые каналы, соединившие автоматические телефонные станции (АТС). Цифровые каналы позволяют одновременно соединять десятки и сотни абонентов, в которых передача голоса и другой информации осуществляется в цифровой форме. Прогресс телекоммуникационных технологий во многом определил динамику развития глобальных компьютерных сетей. В настоящее время по разнообразию и качеству предоставляемых услуг они стали сравнимы с другими сетями, долгое время лидировавшими в этом отношении.
   Меньшими по масштабу являются городские сети, или сети мегаполисов (Metropolitan Area Network, MAN). Первоначально они были ориентированы только на передачу данных, но сегодня поддерживают широкий спектр услуг, в том числе мультимедийный трафик. Сети MAN используют современные высокоскоростные цифровые линии

11

связи, позволяют связывать между собой глобальные и локальными сети и обеспечивают поддержку широкого набора коммутационного оборудования, в том числе офисные АТС.
   Появление доступных мини-ЭВМ в 1970-х годах стимулировало развитие задач по интегрированию вычислительных ресурсов локальных пользователей, связанных общими проектами, бизнес-процессами, технологическими задачами и т.п., что в свою очередь вызвало разработку широкого класса программных и аппаратных средств для соединения ЭВМ в сети. С появлением в 1980-х годах персональных компьютеров многие задачи объединения ЭВМ в сети были унифицированы и утвердились стандартные сетевые технологии - Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, FDDI. Сети, построенные на стандартных сетевых технологиях и объединяющие компьютеры, сосредоточенные на небольшой территории, обычно в радиусе 1...2 км, получили название локальных сетей (Local Area Network, LAN). Все стандартные технологии локальных сетей опирались на тот же принцип коммутации, который был с успехом опробован и доказал свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных сетях, - принцип коммутации пакетов.


        1.2. Коммутация каналов и коммутация пакетов

   Существует два основных способа обмена данными в компьютерных сетях - с использованием коммутации каналов и с использованием коммутации пакетов.
   Традиционным принципом коммутации в мире телекоммуникаций является коммутация канапов (цепей). В этом случае между любой парой или группой пользователей, желающих связаться друг с другом, устанавливается отдельный путь передачи, который удерживается столько времени, сколько требует передача. Примером такого вида сетей могут служить привычные нам телефонные сети, широко используемые и для связи с компьютерами.
   Наиболее типичные виды нагрузки в компьютерных сетях создают: передача данных в интерактивном режиме, когда между терминалами или между терминалами и компьютерами передаются короткие пачки сообщений, содержащих 400.1000 знаков; а также передача файлов, когда между компьютерами или между накопителями массивов данных передается порядка нескольких миллионов знаков (байт).


12