Сети передачи данных

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

ФАКУЛЬТЕТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ (ФДО)

А. В. Пуговкин

СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Учебное пособие

Томск
2015

УДК
004.7(075.8)
ББК
32.973.202я73
П 880

Рецензенты:
БогомоловС. И., канд. техн. наук, доцент кафедры телекоммуникаций и основ
радиотехники ТУСУРа;
Бацула А. П., канд. техн. наук, советник генерального директора
научно-производственной фирмы «Микран».

Пуговкин А. В.
П 880
Сети передачи данных : учебное пособие / А. В. Пуговкин. — Томск :
факультет дистанционного обучения ТУСУРа, 2015. — 138 с.

Рассмотрены основные вопросы построения и функционирования сетей передачи дискретных сообщений (компьютерных сетей), технология
передачи и коммутации пакетов, даны материалы по локальным вычислительным сетям Ethernet, по межсетевому взаимодействию (протоколы
ТСР/IP, PPP), сетям доступа, включая радиодоступ и волоконно-оптические
сети, по интеграции служб и услуг.
Для студентов очной и заочной форм обучения, а также студентов,
обучающихся с применением дистанционных образовательных технологий, изучающих дисциплины «Системы и сети передачи дискретных сообщений», «Сети ЭВМ и телекоммуникации» и др.

УДК
004.7(075.8)
ББК
32.973.202я73

Пуговкин А. В., 2015

Оформление.
ФДО, ТУСУР, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
5

1
Общие принципы построения сетей
9
1.1
Основные определения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2
Взаимодействие компьютеров. Топологии сетей . . . . . . . . . . . . .
10
1.3
Взаимодействие компьютеров. Адресация . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.4
Организация каналов передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1.5
Структуризация и объединение сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15

2
Локальные вычислительные сети (ЛВС)
18
2.1
Общие понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.2
Управление доступом к сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.3
Принцип распределения адресов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
2.4
Ethernet — базовая технология ЛВС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.4.1
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.4.2
Стандарты Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.4.3
Способы линейного кодирования в Ethernet . . . . . . . . . . .
26
2.4.4
Алгоритм доступа к сети Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.4.5
Форматы кадров Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.5
Схемы и оборудование сетей Ethernet
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
2.5.1
Стандарт 10Base-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
2.5.2
Стандарт 10Base-FL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.5.3
Общие характеристики стандарта Ethernet . . . . . . . . . . . .
35
2.6
Производительность сети Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.7
Fast Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
2.8
Коммутируемый Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
2.9
Gigabit Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.10 10 Gigabit Ethernet (10GE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53

3
Технологии глобальных сетей
55
3.1
Общие понятия и принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
3.2
Реализация функций канального уровня в глобальных сетях . . . . .
58
3.2.1
Протокол SLIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.2.2
Протоколы HDLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.3
PPP-протокол . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60

4
IP-сети
64
4.1
Общие положения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
4.2
Адресация в IP-сетях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71

Оглавление

4.3
Подсети и маски
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
4.4
Распределение IP-адресов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
4.5
Связь IP-адресов с другими системами адресации . . . . . . . . . . . .
79
4.6
Протоколы маршрутизации в IP-сетях . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
4.7
Виртуальные частные сети на базе стека протоколов TCP/IP . . . . .
85

5
Сети доступа
90
5.1
Понятие сетей доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
5.2
Доступ через телефонные сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
5.3
Цифровые сети доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
5.3.1
Абонентские линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
5.3.2
Цифровые коммутируемые линии . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
5.3.3
Цифровые линии хDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
5.3.4
Системы передачи (соединительные линии) . . . . . . . . . . . 100
5.3.5
Узлы доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4
Доступ к сетям передачи данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.1
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.2
Интерфейс V.35
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4.3
Оптоволоконные сети доступа
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.5
Радиодоступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.5.1
Общие принципы беспроводных сетей . . . . . . . . . . . . . . 112
5.5.2
Стандарты IEEE 802.11 (Wi-Fi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6
Интеграция телекоммуникационных сетей и услуг
120
6.1
Общие соображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2
Интеграция услуг в сетях передачи данных . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.3
Сети MPLS и NGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Заключение
130

Литература
131

Глоссарий
133

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерные сети или сети передачи дискретных сообщений — такой же атрибут современного общества, как и авиация, автомобильный транспорт, банковская система и т. п. [1–3]. Они позволяют не только общаться своим абонентам, но
и получать разнообразную информацию, совершать сделки, выполнять финансовые
операции, проводить дистанционное обучение и многое, многое другое.
Начало развитию компьютерных сетей было положено в 60-е годы, когда к мощным компьютерам стали подключать несколько удаленных абонентских терминальных устройств, расположенных как в одном здании, так и на больших расстояниях.
Здесь для соединения использовались либо местные коаксиальные линии, либо телефонная сеть и модемы. С появлением мини-ЭВМ и персональных компьютеров
в 70-е — 80-е годы их стали объединять для совместной работы. Тогда появились
и утвердились такие технологии локальных сетей, как Ethernet, Token Ring и др.
Вместе с локальными сетями развивались и сети глобального масштаба. Совершенствование телекоммуникаций от аналоговых систем связи на многоканальных электрических кабелях до цифровых систем передачи и распределения на
волоконно-оптических линиях породило быстрое внедрение конкуренции и сменяемость технологий глобальных сетей. Созданная для низкоскоростных ненадежных телефонных сетей технология Х.25 сменилась технологией Frame Relay, а та,
в свою очередь, так и не успев стать массовой, уступила место целому созвездию:
IP, Gigabit Ethernet, ATM, которые не только жестко конкурируют, но и дополняют
друг друга.
Классификацию компьютерных сетей (сетей передачи данных — СПД) можно
проводить по различным признакам. Наиболее распространено деление сетей по
территориальному признаку:

1. Локальные вычислительные сети (ЛВС) — сети масштаба предприятия, покрывающие небольшую территорию размером не более 2–3 км.

2. Региональные сети, покрывающие территорию города или области.

3. Глобальные вычислительные сети (ГВС) — сети масштаба государства или
мировые сети.

Компьютерные сети можно различать по типу применяемой технологии: IP,
ATM, NGN, однако возможность инкапсуляции и конвертации протоколов позволяет строить многопротокольные сети.

Введение

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Основным технологическим отличием СПД от телефонных сетей
является применение способа коммутации пакетов.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Суть его заключается в следующем. Сообщение сначала преобразуется в цифровую форму, а потом разбивается на части (пакеты). Каждый пакет может передаваться самостоятельно, поскольку в его составе содержится адресная информация
пункта назначения. Рисунок 1 иллюстрирует один из способов коммутации пакетов
(дейтаграммный). Здесь пакеты с номерами 1, 2, 3, 4 поступают на узел коммутации A, который определяет оптимальный (кратчайший) путь ACDB и отправляет по
нему пакет 1. При поступлении пакета 2 ситуация в сети изменилась, путь ACDB
не обеспечивает быстрого прохождения, и узел A отправляет пакет 2 по другому
пути (AFDB). К моменту окончания пакета 2 ситуация в сети восстанавливается,
и пакеты 3, 4 снова идут по пути ACDB. Может получиться так, что к узлу B
пакеты придут не в той последовательности, в которой были отправлены. Узел B
восстанавливает порядок следования пакетов.

Рис. 1 – Коммутация пакетов

Основные процедуры при передаче пакетов:

разбиение сообщения на пакеты;

запись пакетов в узлах;

маршрутизация пакетов в соседние свободные узлы.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Достоинства технологии коммутации пакетов:

высокая загрузка канала (до 100%) обеспечивается тем, что
любые паузы в сообщении одного абонента могут быть
заполнены пакетами информации других абонентов;

возможность многоадресной передачи, так как в заголовке
пакета может содержаться разное количество адресов.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Недостатки способа коммутации пакетов:

перезапись информации в узлах, что увеличивает задержку передаваемых
сигналов;

Введение
7

переменная скорость передачи и переменная задержка, что также связано с буферизацией информации, ограниченным объемом памяти запоминающих устройств и с возможностью различных путей распространения
информации.
На рисунке 2 приведена типичная структура пакета. Он ограничен с двух сторон флагами. Чаще всего это комбинация из восьми бит (например, 011111110).
Адресное поле содержит информацию об адресах отправителя и получателя. В поле управления указывается тип пакета, его размер и формат, указания по обработке
сигнала и т. п.

Рис. 2 – Структура пакета

В информационном поле передаются непосредственно данные, а контрольное
поле предназначено для процедуры обнаружения ошибок посредством передачи
определенных кодовых комбинаций, которые проверяются на приемном конце.
Метод коммутации пакетов обеспечивает высокую надежность передачи информации и высокую степень загрузки канала. Это предопределило его широкое
применение как для передачи данных, так и в системах передачи речи и сигнализации. IP-телефония — это пример пакетной передачи речи, а ОКС-7 — современная
система сигнализации, использующая технологию коммутации пакетов. Сети следующего поколения NGN (Next Generation Networks) также используют принцип
коммутации пакетов.
В качестве примера того, что нам предстоит изучать, рассмотрим сеть передачи
данных масштаба области (рис. 3).

Рис. 3 – СПД масштаба области: М — маршрутизатор; УК — узел коммутации;
МОД — модем; MUX — мультиплексор

Здесь опорная сеть синхронной цифровой иерархии SDH на основе одномодовой волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и узлов коммутации (АТС)
предоставляет свои услуги СПД, т. е. сеть передачи данных является наложенной.
Мультиплексоры ввода-вывода, входящие в состав УК, одним из своих портов подключены к маршрутизаторам, которые и обеспечивают коммутацию пакетов по

Введение

IP-технологии. К другим портам маршрутизаторов подключены абоненты: ЛВС,
модемные пулы, абоненты «on line», работающие в режиме постоянного подключения по выделенной линии. Эти подключения возможны как по ВОЛС, так и по
медным кабелям с помощью модемов.
Один из узлов маршрутизации обеспечивает связь с сетью России, а также
с другими операторами и с районами области.

Соглашения, принятые в книге

Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пиктограммы и специальное выделение важной информации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Этот блок означает внимание. Здесь выделена важная информация,
требующая акцента на ней. Автор здесь может поделиться с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых ошибок.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные вопросы по главе
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
СЕТЕЙ

1.1 Основные определения

Начальным этапом изучения является формулирование некоторых основных
определений.
Сеть передачи данных — выделенная или наложенная система телекоммуникаций, которая через узлы маршрутизации (коммутации) и сеть доступа позволяет абонентам обмениваться различной информацией, представленной в цифровой
форме в виде последовательного набора фрагментов сообщения (пакетов). Другое
определение сети является более узким и направлено только на вычислительные
способности распределенных систем.
Компьютерная сеть — система распределенной обработки информации, состоящая из территориально разнесенных компьютеров, взаимодействующих между
собой с помощью средств связи.
Есть и другие определения сетей, но мы будем пользоваться первым, более
общим, так как в его основе лежит именно телекоммуникационная составляющая,
не зависящая от прикладных процессов.
Сеть доступа — набор технических и программных средств (мультиплексоры,
модемы, линии связи, протоколы и др.), обеспечивающих абонентам выход в СПД.
Узел коммутации, или сетевой узел, — элемент сети, где происходит перераспределение потоков данных по различным направлениям. При этом не конкретизируется, на базе каких протоколов и аппаратных средств (хаб, коммутатор, маршрутизатор и т. п.) это реализуется.
Маршрутизатор (узел маршрутизации), router — узел, управляющий пересылкой данных по сети с использованием системы адресов третьего сетевого уровня
семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС).

Глава 1. Общие принципы построения сетей

Протокол — набор правил для одной из коммутационных функций. Например,
PPP (Point to Point Protocol) — протокол для организации канала передачи данных
в режиме «точка-точка», а IP (Internet Protocol) — набор правил для маршрутизации
данных.
Стек протоколов — набор организованных по уровням ЭМВОС протоколов,
которые, работая совместно, позволяют прикладным процессам обмениваться данными. Например, стеком протоколов являются PPP, IP, TСP.
Пакет, или элемент данных протокола, — передающийся по сети форматированный элемент данных, который включает в себя полезную и служебную информацию.
Xocт — компьютер, который выполняет как приложения, так и сетевые функции
и является конечной точкой сети. Как персональные компьютеры, так и мини-ЭВМ
и большие ЭВМ попадают под определение хоста.

1.2 Взаимодействие компьютеров. Топологии сетей

Самым простым вариантом является связь двух компьютеров. Это взаимодействие может быть организовано различными способами, в зависимости от выбранной технологии на первом и втором уровнях ЭМВОС [1, 4]. Наиболее распространенные в настоящее время варианты приведены на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 – Варианты взаимодействия компьютеров

Системный блок компьютера передает данные другому компьютеру сначала по
многоразрядным параллельным шинам к контроллерам, обеспечивающим передачу
в линии связи. Такими контроллерами могут быть контроллер СОМ-порта с интерфейсом RS-232C, контроллер на основе протокола V.35, сетевая карта Ethernet
c выходным портом RJ-45. Каждый из этих контроллеров организует свой режим
передачи:

1.2 Взаимодействие компьютеров. Топологии сетей
11

сетевая карта — полудуплексный или дуплексный Ethernеt по витой паре
или волоконно-оптической линии связи;

СОМ-порт и порт RS-232C — соединение по коммутируемой линии (dial up)
с помощью модемов серии V.24 и т. п.;

интерфейс V.35 с помощью соответствующих модемов и выделенной линии — постоянное соединение в синхронном или асинхронном режиме передачи.
Эти варианты соединения двух компьютеров являются основой для создания
сетей, когда число взаимодействующих хостов больше и значительно много больше двух. Способ организации физических или логических связей компьютеров
называется топологией сети.
Рассмотрим основные топологии (рис. 1.2).

Рис. 1.2 – Основные топологии компьютерных сетей: a) шина; б) звезда;
в) кольцо; г) комбинированная

Топология «шина» — одна из первых, когда к общей линии на некотором расстоянии друг от друга подключены компьютеры. Поскольку между ними нет никакой развязки, в определенный момент времени осуществлять передачу данных
может только один абонент, который выходит на передачу, убедившись, что линия
свободна. Все остальные прослушивают линию, дожидаясь, когда она освободится.
Такой режим передачи и приема является полудуплексным, и он может сопровождаться конфликтами (коллизиями), когда на режим передачи одновременно выходит
несколько абонентов. Такой метод доступа абонентов к сети носит название «Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий» — МДКН/ОК.
В топологии «шина» отсутствует ведущий узел сети — все абоненты равноправны, а добавление новых абонентов до поры до времени осуществляется довольно

Глава 1. Общие принципы построения сетей

просто. Здесь не страшны повреждения отдельных станций, все остальные при
этом продолжают работать в нормальном режиме.
Топология «шина» помимо ситуации с коллизиями имеет и другие существенные недостатки. Так, в центральной линии при подключении к ней компьютеров
возникают неоднородности, от которых отражаются электромагнитные волны, что
приводит к появлению ложных сигналов, интерференция падающих и отраженных
волн создает в линии большие неравномерности по уровню сигнала. К таким же
эффектам приводит и несогласование центральной линии на ее концах и короткое
замыкание в любой точке.
Размер сети не может быть большим по двум основным причинам:
1. Затухание сигнала в физической линии.

2. Конечная скорость распространения волны в линии приводит к тому, что
информация о возникшем конфликте не успевает дойти до станции, отправившей пакет, и она начинает передавать следующий пакет, в то время как
предыдущий оказался испорченным.
Топология «звезда» может быть реализована в двух вариантах: пассивная и активная. Пассивная звезда в центре имеет многопортовый повторитель (концентратор, хаб), который любой пакет, приходящий на один из своих портов, ретранслирует на все остальные порты. Поэтому по своим сетевым возможностям пассивная
звезда ничем не отличается от «шины».
В центре активной звезды стоит коммутатор, который наделен функциями
управления: дает разрешение на передачу, осуществляет адресное соединение и т. д.
В топологии «кольцо», как правило, используют два кабеля между узлами: на
передачу и на прием. Все узлы равноправны и обладают свойствами регенератора,
это позволяет строить довольно протяженные сети. Кольцевая топология обладает
высокой надежностью и устойчивостью к перегрузкам. При разрыве кольца (повреждение кабеля или узла) пакеты могут быть направлены в обратном направлении
(в «обход»).

1.3 Взаимодействие компьютеров. Адресация

При объединении компьютеров в сети возникает задача их идентификации. Она
решается с помощью системы адресов.
Требования к адресу следующие:
1. Уникальность в мировой системе.

2. Иерархичность структуры адресов.

3. Компактность записи.

4. Удобство для пользователя при опознавании адреса.

5. Минимизация труда администратора при составлении адресных таблиц.
Крайне необходимо, чтобы этот процесс шел автоматически.
Удовлетворить всем этим требованиям с помощью одной системы адресации
невозможно, поэтому в настоящее время используют сразу три системы:
1. Аппаратные адреса — уникальные цифровые адреса сетевых карт, которые
задаются их производителями. Эти адреса функционируют на канальном уровне