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: