Сети ЭВМ: лекция 7 Спектр сигналов с логическим кодированием Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей. - презентация

1 Сети ЭВМ: лекция 7 Спектр сигналов с логическим кодированием Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных Коды, полученные из потенциального путем логического кодирования, обладают более узким спектром, чем манчестерский, даже при повышенной тактовой частоте

2 Сети ЭВМ: лекция 7 Дискретная модуляция аналоговых сигналов В цифровой телефонии широко применяется импульсно-кодовая модуляция, ИКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАМ). Оцифрованные отсчеты сигнала передаются по каналам связи в виде последовательности единиц и нулей. При этом применяются те же методы кодирования, что и в случае передачи изначально дискретной информации - коды 4В/5В или 2B1Q. На приемной стороне линии коды преобразуются в исходную последовательность бит, с помощью ЦАП производится демодуляцию оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстанавливая исходную непрерывную функцию времени. Дискретная модуляции основана на теории отсчетов Котельникова-Найквиста

3 Сети ЭВМ: лекция 7 Дискретная модуляция аналоговых сигналов Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который также называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс (соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи данных между узлами сети С 1985 года применяется стандарт CCITT кодирования голоса, называемый Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коды ADPCM основаны на нахождении разностей между последовательными замерами голоса, которые затем и передаются по сети. В коде ADPCM для хранения одной разности используются 4 бит и голос передается со скоростью 32 Кбит/с

4 Сети ЭВМ: лекция 7 Устройства передачи данных Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) является термин канал связи (channel).

5 Сети ЭВМ: лекция 7 Аналоговые и цифровые линии связи Промежуточная аппаратура решает две основные задачи: улучшение качества сигнала; создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети. В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и цифровые При аналоговом подходе обычно используется техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM). Промежуточная аппаратура образования высокоскоростных цифровых каналов (мультиплексоры, демультиплексоры, коммутаторы) работает по принципу временного мультиплексирования каналов (Time Division Multiplexing, TDM)

6 Сети ЭВМ: лекция 7 Методы коммутации Существуют три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов (circuit switching), коммутация пакетов (packet switching) и коммутация сообщений (message switching). Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса: сети с динамической коммутацией сети с постоянной коммутацией.

7 Сети ЭВМ: лекция 7 Примеры динамической и постоянной коммутации Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов. Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP. Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

8 Сети ЭВМ: лекция 7 Коммутация каналов Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов

9 Сети ЭВМ: лекция 7 Методы мультиплексирования В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются две техники: техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM); техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

10 Сети ЭВМ: лекция 7 Частотное мультиплексирование Три телефонных канала могут быть мультиплексированы с помощью фильтров ограничивают пропускную способность каждого канала в полосе 3 000Гц

11 Сети ЭВМ: лекция 7 Частотное уплотнение Для разделения абонентских каналов используется техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом В канале между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным.

12 Сети ЭВМ: лекция 7 Мультиплексирование с разделением во времени Оцифровка сигнала происходит на АТС куда приходит кабель с аналоговым сигналом с помощью устройства, называемого кодек (codec – coder/decoder). Codec снимает показания с линии 8000 раз в секунду (каждый 125 мкс) с использованием импульсно-кодовой модуляции (РСМ) - основы современных телефонных систем.

13 Сети ЭВМ: лекция 7 Стандарт Т1 Канал Т1 мультиплексирует 24 голосовых канала в течении каждых 125 мксек. Каждый канал оцифровывается последовательно один за другим. Каждый канал несет 8 бит (на три байта один бит сигнальный). Кадр Т1 начинается со специального сигнального бита. Итого Т1 кадр несет 193 бита. Общая скорость передачи такого канала (8000х193 бита) дает 1,544 Мbps. Собственно для данных используется 23 байта и один байт используется для синхронизации

14 Сети ЭВМ: лекция 7 Стандарт Т1 Нет международного стандарта, поэтому в разных странах действуют разные соглашения и приходиться ставить специальные приборы на стыках систем, чтобы согласовать передачу по каналам Е1 и Т1

15 Сети ЭВМ: лекция 7 TDM-коммутация В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия: прием от каждого канала очередного байта данных; составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой; передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной Nx64 Кбит/с.

16 Сети ЭВМ: лекция 7 TDM и STDM Сети, использующие технику TDM, требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники синхронный режим передач (STM - Synchronous Transfer Mode). Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом теряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между различными каналами в оборудовании TDM невозможно Модификация техники TDM называется статистическим разделением канала во времени (Statistical TDM, STDM) – позволяет с помощью временно свободных тайм-слотов одного канала увеличить пропускную способность остальных

17 Сети ЭВМ: лекция 7 Коммутация пакетов Основной особенностью коммутации каналов является то, что канал точка-точка создается до того как данные начнут передаваться

18 Сети ЭВМ: лекция 7 Коммутация пакетов Коммутация пакетов это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного графика. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами

19 Сети ЭВМ: лекция 7 Коммутация пакетов Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки

20 Сети ЭВМ: лекция 7 Коммутация пакетов Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета

21 Сети ЭВМ: лекция 7 Коммутация пакетов Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки

22 Сети ЭВМ: лекция 7 Два режима работы сети с коммутацией пакетов Дейтаграммный режим - при его использовании коммутатор может изменить маршрут какого-либо пакета в зависимости от состояния сети Режим передачи пакетов по виртуальному каналу - перед тем, как начать передачу данных между двумя конечными узлами, должен быть установлен виртуальный канал, который представляет собой единственный маршрут, соединяющий эти конечные узлы. Виртуальный канал может быть динамическим или постоянным Коммутаторы распознают принадлежность пакета к виртуальному каналу по специальной метке номеру виртуального канала, а не анализируют адреса конечных узлов, как это делается при дейтаграммном методе.

23 Сети ЭВМ: лекция 7 Основные отличия методов коммутации При коммутации каналов создается линия, пропускная способность которой полностью резервируется за двумя абонентами; при коммутации пакетов физическая линия может быть использована разными пакетами; При коммутации каналов гарантировано что все данные поступят абоненту и в том порядке, в каком их послали; при коммутации пакетов пакеты могут быть направлены не по назначению, порядок их поступления абоненту не гарантируется (если при этом не создаются виртуальные каналы); Коммутация каналов абсолютно прозрачна для абонентов; при коммутации пакетов формат и способ кодировки пакетов задан заранее. При коммутации пакетов плата взимается за время соединения и число переданных пакетов; при коммутации каналов плата берется исключительно за время и протяженность соединения.

24 Сети ЭВМ: лекция 7 Коммутация сообщений Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сетями с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты

25 Сети ЭВМ: лекция 7 Функциональные устройства сети Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) - это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи.

26 Сети ЭВМ: лекция 7 Функции сетевого адаптера Преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно Оформление передаваемой информации в виде кадра определенного формата. Получение доступа к среде передачи данных. При использовании индивидуальных линий связи в функции сетевого адаптера часто входит установление соединения с коммутатором сети. Синхронизация битов, байтов и кадров. Кодирование последовательности бит кадра последовательностью электрических сигналов при передаче данных и декодирование при их приеме

27 Сети ЭВМ: лекция 7 Типы сетевых адаптеров Сетевые адаптеры различаются по типу и разрядности используемой в компьютере внутренней шины данных - ISA, EISA, PCI, MCA. Сетевые адаптеры различаются также по типу принятой в сети сетевой технологии - Ethernet, Token Ring, FDDI и т.п. Сетевой адаптер может поддерживать как одну, так и одновременно несколько сред. Трансивер (приемопередатчик, transmitter+receiver) - это оконечное устройство сетевого адаптера, выходящее на кабель. В первом стандарте Ethernet, работающем на толстом коаксиале, трансивер располагался непосредственно на кабеле Конвертор - согласовывает выход приемопередатчика, предназначенного для одной среды, с другой средой передачи данных

28 Сети ЭВМ: лекция 7 Функциональные устройства сети Узел (Node) - любое устройство, подключенное к сети (рабочая станция, сервер, повторитель и т.д.) Рабочая станция (Workstation) - это персональный компьютер, подключенный к сети, на котором пользователь сети выполняет свою работу. Пользователю рабочей станции доступны ресурсы сети. Удаленная Рабочая Станция (Remote Workstation) - рабочая станция, подключенная к локальной сети через медленную линию связи, отличную от используемой в локальной сети (например, телефонную линию). Сервер Сети (Server) - компьютер, подключенный к сети и выполняющий для пользователей сети определенные услуги. Например, хранение данных общего пользования, печать, удаленную обработку заданий.

29 Сети ЭВМ: лекция 7 Типы серверов Файловый Сервер (File Server) - компьютер, хранящий данные пользователей сети и обеспечивающий доступ пользователей к этим данным. Файловый сервер выполняет следующие функции: хранение данных; архивирование данных; согласование изменений данных, выполняемых разными пользователями; передача данных. Сервер Баз Данных (чаще всего SQL-Server) - компьютер, выполняющий функции хранения, обработки и управления файлами баз данных. Сервер баз данных выполняет следующие функции: хранение, поиск и обновление записей баз данных; обеспечение защиты данных; согласование изменений данных, выполняемых разными пользователями; обработка транзакций от клиентских приложений; взаимодействие с другими серверами баз данных. Сервер Прикладных Программ (App1ication Server) - компьютер, который используется для выполнения прикладных программ пользователей. Типичный пример - web-сервер.

30 Сети ЭВМ: лекция 7 Типы серверов Коммуникационный Сервер (Communications Server) - устройство или компьютер, который предоставляет пользователям локальной сети прозрачный доступ к последовательным портам ввода-вывода коммуникационного сервера. С помощью коммуникационного сервера можно создать разделяемый модем Сервер Удаленного Доступа (Remote Access Server) - устройство или компьютер, позволяющий выполнять удаленную обработку заданий. Это может быть компьютер, к которому подключены модемы для связи с удаленными рабочими станциями. Сервер Печати (Print Server) - устройство или компьютер, к которому подключены устройства печати, доступные пользователям сети Сервер Резервного Копирования Данных (BackUp Server) - устройств или компьютер, который решает задачи создания, хранения, восстановления копий данных, расположенных на файловых серверах и рабочих станциях

31 Сети ЭВМ: лекция 7 Коммуникационные элементы сети Повторитель (Repeater) - устройство, позволяющее расширить сеть подключением дополнительных сегментов кабеля. Повторитель выполняет свои функции на физическом уровне, поэтому он зависит от типа локальной сети (ARCNET, Ethernet) и полностью прозрачен для протоколов, использующихся в соединяемых сегментах Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счет этого появляется возможность увеличивать общую длину кабеля между самыми удаленными в сети станциями

32 Сети ЭВМ: лекция 7 Концентратор (HUB) Многопортовый повторитель называют концентратором (hub, concentrator), что отражает тот факт, что данное устройство реализует не только функцию повторения сигналов, но и концентрирует в одном центральном устройстве функции объединения компьютеров в сеть.

33 Сети ЭВМ: лекция 7 Концентратор (HUB) Концентраторы и повторители, которые используются для добавления новых физических сегментов, являются средством физической структуризации сети. Какую бы сложную структуру не образовывали концентраторы, например, путем иерархического соединения, все компьютеры, подключенные к ним, образуют единый логический сегмент

34 Сети ЭВМ: лекция 7 Свойства и функции концентраторов Концентраторы, централизующих соединения между отдельными сетевыми устройствами, потенциально позволяют улучшить управляемость сети и ее эксплуатационные характеристики (модифицируемость, ремонтопригодность и т.п.). Дополнительные функции: объединение сегментов с различными физическими средами (например, коаксиал, витая пара и оптоволокно) в единый логический сегмент. автосегментация портов - автоматическое отключение порта при его некорректном поведении (повреждение кабеля) поддержка между концентраторами резервных связей защита передаваемых по сети данных от несанкционированного доступа (например, путем искажения поля данных в кадрах, повторяемых на портах, не содержащих компьютера с адресом назначения). поддержка средств управления сетями - протокола SNMP, баз управляющей информации MIB.

35 Сети ЭВМ: лекция 7 Временное мультиплексирование При мультиплексировании с разделением по времени каждое устройство или входящий канал получают в свое распоряжение всю пропускную способность линии, но только на строго определенный промежуток времени каждые 125 мкс

36 Сети ЭВМ: лекция 7 Инверсное мультиплексирование В случае, когда организации необходимо иметь линию определенной пропускной способности, а предлагаемые емкости слишком малы (например, Е-1), тогда пригодится устройство под названием инверсный мультиплексор. Данное устройство позволяет распределять входящий поток данных между несколькими исходящими линиями с меньшей емкостью, чем совокупный объем получаемых данных в единицу времени

37 Сети ЭВМ: лекция 7 Мост и коммутатор Мост (Bridge), а также его быстродействующий функциональный аналог коммутатор (switch), делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Для этого мост использует адреса приемника и источника из заголовка канального уровня (data link) принятого пакета – это физические адреса. Мост выполняет свои функции на подуровне контроля доступа к среде передачи (MAC), если не применяется трансляция протоколов на канальном уровне. Мост зависит от типа локальной сети (IBM Token Ring, Ethernet) и полностью прозрачен для протоколов, использующихся в соединяемых сегментах.

38 Сети ЭВМ: лекция 7 Мост и коммутатор Во время работы для каждого сегмента мост составляет список адресов станций, расположенных в сегменте (по полю адреса источника).

39 Сети ЭВМ: лекция 7 Мост и коммутатор При обработке каждого пакета обычный мост сначала принимает пакет, записывает его в буферную память, определяет сегмент, в который он должен его ретранслировать, и только после этого передает пакет в выбранный сегмент

40 Сети ЭВМ: лекция 7 Мост и коммутатор Другой тип мостов "Translational bridging" (трансляционное соединение) обеспечивает трансляцию между форматами и принципами передачи различных типов сред (обычно Ethernet и Token Ring).

41 Сети ЭВМ: лекция 7Коммутатор Разница между мостом и коммутатором состоит в том, что мост в каждый момент времени может осуществлять передачу кадров только между одной парой портов, а коммутатор одновременно поддерживает потоки данных между всеми своими портами

42 Сети ЭВМ: лекция 7 Методы коммутации Обычно различают четыре различные технологии: конфигурационную коммутацию, коммутацию кадров, коммутацию ячеек и преобразование между кадрами и ячейками. Конфигурационная коммутация известна также как коммутация портов, при этом конкретный порт на модуле коммутатора приписывается к одному из внутренних сегментов сети Коммутация кадров, или коммутация в локальной сети, использует стандартные форматы кадров Ethernet (или Token Ring Коммутация ячеек применяется в ATM. Использование небольших ячеек фиксированной длины дает возможность создать недорогие высокоскоростные коммутирующие структуры на аппаратном уровне

43 Сети ЭВМ: лекция 7 Обработка кадров То, как мост поступает с кадром, зависит от того, из какой сети кадр получен и кому он адресуется: 1. Если отправитель и получатель находятся в одной сети, то кадр отбрасывается. 2. Если отправитель и получатель находятся в разных сетях, то кадр пересылается в сеть, через которую он может достигнуть получателя. 3. Если получатель неизвестен, то кадр рассылается во все сопредельные сети За простоту принципа работы прозрачного моста/коммутатора приходится расплачиваться ограничениями на топологию сети, построенной с использованием устройств данного типа - такие сети не могут иметь замкнутых маршрутов - петель

44 Сети ЭВМ: лекция 7Маршрутизатор Маршрутизатор (Router) - устройство, соединяющее сети разного типа, но использующие одну сетевую операционную систему или протокол обмена данными. Маршрутизатор выполняет свои функции на сетевом уровне, поэтому он зависит от протоколов обмена данными, но не зависит от типа (стандарта) локальной сети. Для межсетевого обмена протоколы сетевого уровня используют логические адреса для определения каждой сети - Адрес Сети (Network Address)

45 Сети ЭВМ: лекция 7 Два способа передвижения информации Маршрутизация и объединение по мостовой схеме используют различную информацию в процессе ее перемещения от источника к месту назначения

46 Сети ЭВМ: лекция 7Сравнение Мосты и коммутаторы неприемлемы для крупных сетей, поскольку они пропускают широковещательный трафик и все пакеты с неизвестными адресами Маршрутизаторы вносят изменения в принятые кадры ЛВС и передают их после обработки в сеть, где расположен адресат. Маршрутизаторы имеют преимущества перед мостами с точки зрения обработки широковещательного трафика, позволяя изолировать его внутри одной ЛВС. Маршрутизаторы зачастую не могут обеспечить потребностей современных приложений с точки зрения обеспечения пропускной способности и качества обслуживания

47 Сети ЭВМ: лекция 7 Компоненты маршрутизации Маршрутизация включает в себя два основных компонента: определение оптимальных маршрутов передачи данных и транспортировка информационых групп (пакетов) через объединенную сеть

48 Сети ЭВМ: лекция 7 Определение маршрута Определение маршрута может базироваться на различных показателях (или метриках) величинах, определяемых из алгоритмических вычислений по отдельной переменной (например, длина маршрута) или по комбинации показателей

49 Сети ЭВМ: лекция 7 Транспортировка (коммутация) пакетов Алгоритмы коммутации сравнительно просты и в основном одинаковы для большинства протоколов маршрутизации. Получив определенным способом адрес роутера, хост-источник отправляет пакет, адресованный специально в физический адрес роутера (уровень МАС), однако с адресом протокола (сетевой уровень) хоста пункта назначения

50 Сети ЭВМ: лекция 7 Объединенная сеть Домен маршрутизации - это часть объединенной сети, находящейся под общим административным управлением и регулируемой определенным набором административных руководящих принципов

51 Сети ЭВМ: лекция 7Шлюз Шлюз (Gateway) - устройство, позволяющее организовать обмен данными между сетевыми объектами, использующими различные протоколы обмена данными. Шлюз выполняет свои функции на уровнях выше сетевого. Он не зависит от используемой передающей среды и сетевой операционной системы, но зависит от используемых протоколов обмена данными. Как правило, шлюз выполняет преобразования между какими-либо двумя протоколами (например, NetWare - TCP/IP, DECnet - SNA и т.п.). Некоторые устройства, выполняющие функции шлюза, называют Устройствами О6служивания Канала или Устройствами О6служивания Цифрового Канала (Channel Service Unit/Digital Service Unit -CSU/DSU).

52 Сети ЭВМ: лекция 7 Пример использования шлюза Обмен данными между узлами, использующими различные протоколы обмена данными Протоколы IPX / SPX Файловый сервер Протоколы обмена данными IPX / SPX Протоколы TCP / IP Шлюз Net Ware / TCP / IP UNIX - host Протоколы обмена данными TCP / IP Рабочая станция GATEWAY

53 Сети ЭВМ: лекция 7 Пример использования шлюза Соединение двух сетей, использующих различные протоколы обмена данными GATEWAY Локальная сеть Token Ring Протоколы обмена данными IPX / SPX Адрес сети: B Локальная сеть Ethernet Протоколы обмена данными TCP / IP Адрес сети: А

54 Сети ЭВМ: лекция 7 Пример использования шлюза Соединение нескольких сетей с использованием протокола Х.25 GATEWAY Локальная сеть ARCNET Сетевая операционная система Net Ware Протоколы обмена данными IPX / SPX Локальная сеть Ethernet Сетевая операционная система Net Ware Протоколы обмена данными IPX / SPX GATEWAY Протокол обмена данными Х 25