Сетевые технологии в автоматизированных системах обработки информации и управления

Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана 
(национальный исследовательский университет)»
А.И. Антонов, В.А. Галкин, А.Н. Аксенов
Сетевые технологии 
в автоматизированных системах 
обработки информации и управления
Учебное пособие

УДК 004.7
ББК 32.971.35
        А64
Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6497/
Факультет «Информатика и системы управления»
Кафедра «Системы обработки информации и управления»
Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия
Антонов, А. И. 
А64
Сетевые технологии в автоматизированных системах обработки информации и управления : учебное пособие / А. И. Антонов, В. А. Галкин, 
 
А. Н. Аксенов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. — 
148, [2] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-5221-7
Изложена теоретическая информация по дисциплине «Сетевые технологии в АСОИУ», предназначенная для самостоятельной проработки студентами материалов лекций. Приведены основные понятия и определения. 
Рассмотрены варианты практической реализации изучаемых технологий. 
В конце каждого модуля учебного пособия даны вопросы и задания для 
самоконтроля, а также список рекомендуемой литературы.
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по направлению 
подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» (профиль 
«Системы обработки информации и управления»).
УДК 004.7
ББК 32.971.35
©	МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
©	Оформление. Издательство 
	
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
ISBN 978-5-7038-5221-7

Предисловие
Учебное пособие подготовлено в виде курса лекций для самостоятельной 
работы студентов в процессе изучения дисциплины «Сетевые технологии 

в АСОИУ», входящей в образовательную программу бакалавриата по направлению подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» (профиль «Системы обработки информации и управления»).
Цель изучения дисциплины — сформировать компетенции, предусмотренные основной профессиональной образовательной программой подготовки бакалавров по направлению 09.03.01.
После изучения дисциплины студенты овладеют следующими навыками: 
•
• развертывания и настройки программного обеспечения магистральных 
телекоммуникационных сетей;
•
• построения модели магистральных систем передачи данных на мультиплексорах SDH, модели схем объединения локальных сетей с помощью различных топологий первичной сети;
•
• развертывания широкополосного оборудования и настройки его программного обеспечения.
Настоящее учебное пособие построено по модульному принципу, где 
каждый модуль представляет собой логически завершенный раздел дисциплины. 
Для каждого модуля приведен набор планируемых результатов обучения, 
заданных программой дисциплины. Достижение этих результатов оценивается преподавателем при промежуточном и итоговом контроле изучения 
дисциплины. 
Прежде чем начать изучать дисциплину «Сетевые технологии в АСОИУ», 
необходимо предварительно получить знания по таким дисциплинам, как 
«Сети и телекоммуникации» и «Схемотехника дискретных устройств».
В свою очередь освоение данной дисциплины необходимо для изучения 
следующих дисциплин образовательной программы: «Беспроводные сети» 

и «Эксплуатация АСОИУ», а также для выполнения и защиты выпускной 
квалификационной работы бакалавра.
В лекциях учебного пособия рассмотрены ключевые, базовые положения 
дисциплины, а также дополнительные темы, которые студенты подготавливают самостоятельно и защищают в виде доклада и презентации. 
Лабораторные работы предназначены для приобретения опыта практической реализации основной профессиональной образовательной программы. 
Самостоятельная работа студентов включает в себя проработку лекционного курса, подготовку рефератов и пр. 
Каждый модуль завершается списком контрольных вопросов, которые 
будут входить в промежуточный контроль. 

Введение
Сети и сетевые технологии играют в настоящее время объединяющую 
роль, обеспечивая людям в любом уголке мира доступ к человеческому общению. Происходящие события становятся известны во всех странах мира за 
считанные секунды. Каждый в состоянии подключиться к Интернету и разместить там свою информацию. Зарождалась эта информационная доступность во второй половине прошлого века. За прошедшее время человеческая 
цивилизация сформировала две важнейшие научно-технические отрасли — 
компьютерную и телекоммуникационную. Около четверти века обе отрасли 
развивались самостоятельно, были разработаны технологии и созданы соответственно компьютерные и телекоммуникационные сети. В результате 
эволюции и взаимопроникновения этих двух сфер возникло то, что мы называем термином «сетевая технология». 
Сетевая технология представляет собой достаточный для построения информационно-вычислительной сети целостный комплекс правил представления и передачи информации, реализуемых в виде «стандартных протоколов», 
а также аппаратных и программных средств, включающих в себя сетевые 
адаптеры с драйверами, кабели и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), 
различные коннекторы (разъемы). «Достаточность» этого комплекса средств 
означает его минимализацию при сохранении возможности построения работоспособной сети. Она должна иметь потенциал совершенствования, например, за счет создания подсетей, требующих применения протоколов 
разного уровня, а также спецкоммуникаторов (маршрутизаторов). Усовершенствованная сеть (создание надстроек над основной сетевой технологией, составляющей ее базис) становится надежной и быстродействующей. Термин 
«сетевая технология» наиболее часто применяют в вышеописанном узком 
смысле, однако зачастую он расширенно трактуется как любой набор средств 
и правил построения сетей определенного типа, например «технология локальных компьютерных сетей». 
Первым прообразом компьютерной сети, но еще не самой сетью стали 

в 1960–1980-х годах многотерминальные системы. Представляя собой совокупность монитора и клавиатуры, расположенных на значительных расстояниях от больших ЭВМ и соединенных с ними посредством телефонных модемов или благодаря выделенным каналам, терминалы выходили из помещений 
информационно-вычислительных центров (ИВЦ) и рассредоточивались по 
всему зданию. Кроме оператора самой ЭВМ на ИВЦ, все пользователи терминалов получали возможность вводить с клавиатуры свои задания и наблюдать за их выполнением на мониторе, осуществляя и некоторые операции 
управления заданиями. Такие системы, реализующие как алгоритмы разде

Введение
ления времени, так и пакетной обработки, называли «системами удаленного 
ввода заданий». 
Вслед за многотерминальными системами в конце 1960-х годов был создан и первый тип сетей — глобальные компьютерные сети (ГКС). Они связали суперкомпьютеры, существовавшие в единичных экземплярах и хранившие уникальные данные и программное обеспечение (ПО), с большими ЭВМ, 
находившимися от них на расстоянии в тысячи километров, посредством 
телефонных сетей и модемов. Эта сетевая технология была ранее апробирована в многотерминальных системах. Первой ГКС в 1969 г. стала ARPANET
, 
работавшая в минобороны США и объединявшая разнотипные компьютеры 
с разными операционными системами (ОС). Они были оснащены дополнительными модулями для реализации коммуникационных сетевых протоколов, 
общих для всех входящих в сеть компьютеров. Именно на ней были разработаны основы сетевых технологий, применяемые и в настоящее время. 
В устройстве ГКС использовали старые телефонные сети, так как прокладывать новые линии большой протяженности было очень дорого. Поэтому многие годы использовали аналоговые телефонные каналы для передачи 
в данный момент времени только одного разговора. Цифровые данные передавали с очень низкой скоростью (десятки Кбит в секунду), а возможности 
в целом ограничивались передачей файлов данных и электронной почтой. 
Однако, унаследовав телефонные линии связи, ГКС не взяли их основную 
технологию, основанную на принципе коммутации каналов, а использовали 
новые технологии, базирующиеся на принципе пакетной коммутации, при 
которой данные в виде небольших порций-пакетов с постоянной скоростью 
выдаются в некоммутируемую сеть и принимаются их адресатами в сети по 
адресным кодам, встроенным в заголовки пакетов. 
Появление в конце 1970-х годов большой интегральной схемы (БИС) 
привело к созданию мини-ЭВМ с невысокой стоимостью и богатыми функциональными возможностями. Они стали реально конкурировать с большими ЭВМ. Широкую популярность приобрели мини-ЭВМ семейства PDP-11. 
Их стали устанавливать повсеместно для управления производственными 
процессами и отдельными технологическими установками, а также в отделы 
управления предприятий для выполнения офисных задач. Возникла концепция распределенных по всему предприятию компьютерных ресурсов, хотя 
все мини-ЭВМ все еще работали автономно. К середине 1980-х годов были 
внедрены технологии объединения мини-ЭВМ в сети, основанные на коммутации пакетов данных, как и в ГКС. Это решило задачу построения локальной сети (LAN-сеть). Для ее создания нужно было только приобрести 
сетевые адаптеры под выбранную LAN-технологию (например, Ethernet) и 
стандартную кабельную систему, установив на ее кабели коннекторы (разъемы) и соединив адаптеры с мини-ЭВМ и между собой посредством этих 
кабелей. Далее на ЭВМ-сервер устанавливали одну из ОС, предназначенную 
для организации LAN-сети. Если появление мини-ЭВМ позволило распределить компьютерные ресурсы равномерно по территориям предприятий, то 
появление в начале 1990-х годов персональных компьютеров (ПК) обусло

Введение
вило их постепенное проникновение сначала на рабочее место, а затем и 

в частную жизнь работника. Относительная дешевизна и высокая надежность 
работы ПК дали мощный толчок развитию LAN-сетей, а затем привели к 
возникновению глобальной компьютерной сети — Интернета, охватившей 
сегодня все страны мира. Объем Интернета каждый месяц увеличивается на 
7...10 %. Он представляет собой ядро, связующее локальные и глобальные 
сети предприятий и учреждений во всем мире. Если на первом этапе через 
Интернет в основном передавались файлы данных и сообщения электронной 
почты, то сегодня он обеспечивает удаленный доступ к распределенным 
информационным ресурсам и электронным архивам, коммерческим и 

некоммерческим информационным службам многих стран. Его архивы свободного доступа содержат сведения практически по всем областям знания и 
деятельности человека — от новых направлений в науке до прогнозов 

погоды. Среди них выделяют базовые технологии, на которых может быть 
построен базис любой конкретной сети. В качестве примера можно привести 
такие известные LAN-технологии, как Ethernet (1980), Token Ring (1985) и 
FDDI (конец 1980-х годов). В конце 1990-х годов в лидеры технологии LANсетей вышла технология Ethernet, объединившая классический его вариант 
со скоростью передачи данных до 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet (до 

100 Мбит/c) и Gigabit Ethernet (до 1000 Мбит/c). Все Ethernet-технологии 
имеют близкие принципы работы, упрощающие их обслуживание, и объединение построенных на их основе LAN-сетей. В тот же период в ядра практически всех компьютерных ОС их разработчиками стали встраиваться сетевые функции, реализующие вышеперечисленные сетевые информационные 
технологии. Появились даже специализированные коммуникационные ОС, 
например IOS компании Cisco Systems. 
Технологии ГКС на аналоговых телефонных каналах из-за большого 
уровня искажений в них отличались сложными алгоритмами контроля 

и восстановления данных (например, технология X.25 начала 1970-х годов). 
Более современные сетевые технологии — Frame Relay, ISDN, ATM. ISDN  — 
аббревиатура, означающая цифровую сеть с интеграцией услуг; технология 
ISDN позволяет проводить удаленные видеоконференции. Удаленный доступ 
обеспечивается установкой адаптеров ISDN, работающих во много раз быстрее любых модемов. Имеется и специальное ПО, позволяющее популярным 
ОС и браузерам работать с ISDN. Но дороговизна оборудования и необходимость прокладывать специальные линии связи тормозят развитие этой 
технологии. Технологии глобальных сетей прогрессировали вместе с телефонными сетями. После появления цифровой телефонии была разработана 
спецтехнология Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH), поддерживающая 
скорости до 140 Мбит/с и используемая для создания предприятиями их 
собственных сетей. Новая технология Synchronous Digital Hierarchy (SDH) 

в конце 1980-х  годов расширила пропускную способность цифровых телефонных каналов до 10 Гбит/c, а технология Dense Wave Division Multiplexing 
(DWDM) — до сотен гигабит в секунду и даже до нескольких терабит в cекунду.

МОДУЛЬ 1. Глобальные сети
Глобальная сеть — любая сеть связи, которая охватывает всю Землю. 
Термины, используемые в этом модуле, применяют в большей степени 

к двунаправленным сетям связи, а также к базе технологий сетей. Ранние 
сети (международные почтовые отправления) и однонаправленные сети связи (радио и телевидение) не рассматриваются. Первая глобальная сеть была 
создана с помощью электрического телеграфа и получила размах в 1899 г. 
Телефонные сети были вторыми после телеграфных и достигли глобального 
статуса в 1950-х годах. Построение глобальных сетей требует огромных дорогостоящих усилий в течение многих десятилетий. Разрабатываемые соединения, переключаемые и направляющие устройства, разбивка физических 
носителей информации, таких как наземные и подводные кабели и наземные 
станции, должны быть введены в эксплуатацию. Кроме того, вовлекаются 
протоколы международной коммуникации, законодательство и соглашения.
Лекция 1. Первичные сети
Глобальные сети обычно разворачивают на цифровых телекоммуникационных каналах, выделенных из телефонной сети. Они предоставляют пользователям определенную пропускную способность, которая может достигать 
сотен мегабит в секунду. Такие каналы передачи данных называются выделенными линиями (leased lines). Они — неотъемлемая часть любой глобальной 
сети.
Хотя выделенные линии считаются цифровыми линиями связи для сетей, 
на самом деле их создавали как каналы передачи оцифрованных голосовых 
сигналов. Преобразование голосовых сигналов в цифровой формат предоставило многочисленные преимущества, среди которых восстановление ослабленных сигналов и эффективная агрегация нескольких потоков данных 

в общей среде передачи (такое объединение называют мультиплексированием).
Со временем произошло радикальное изменение способа использования 
выделенных цифровых линий. Этому способствовало сочетание трех факторов, а именно:
•
• возросшая доля цифрового оборудования передачи данных в телекоммуникационной инфраструктуре;
•
• разработка механизмов поддержки для цифровой телефонии;

Модуль 1. Глобальные сети
•
• возникшая у пользователей необходимость в высокопроизводительных 
соединениях для передачи данных.
С возникновением распределенных сетевых технологий выделенные линии стали использовать в качестве каналов передачи данных. Переход от 
оцифрованных речевых сигналов к оцифрованным данным был совершенно 
естественным: двоичные цифры остаются двоичными цифрами независимо 
от того, что они обозначают.
Выделенные линии были изначально разработаны для объединения множества голосовых каналов в одном высокопроизводительном канале. Для 
выполнения этой функции был необходим механизм, который принимает 
несколько входящих потоков данных, регламентирует их передачу по общей 
линии связи и снова разделяет на отдельные компоненты для последующей 
передачи конкретному получателю.
Процедура мультиплексирования может быть выполнена двумя методами:
1) путем разделения доступной полосы пропускания во времени — временное уплотнение каналов;
2) путем разделения доступной полосы частот на поддиапазоны — час- 
тотное уплотнение каналов.
Временное уплотнение каналов (Time Division Multiplexing, TDM) характеризуется разделением доступной полосы пропускания на элементарные 
интервалы времени. Устройство связи может монополизировать всю полосу 
частот на период элементарного интервала. Эти интервалы времени распределяются между устройствами в соответствии с заранее известным алгоритмом. 
Методика TDM является эффективной, поскольку передающим станциям 
разрешается использовать всю полосу частот. Если станция не собирается 
передавать данные, ее элементарный интервал времени отводится другой 
станции, которой необходимо передать данные. Таким образом, повышается 
эффективность применения доступной полосы частот канала передачи.
Однако методика TDM перегружает трафик сигналами синхронизации. 
В случае нарушения синхронизации передаваемые данные повреждаются. 
Существует два основных метода синхронизации передачи в линии с TDM:
•
• введение битов синхронизации;
•
• введение каналов синхронизации.
Оба метода используют в современных выделенных линиях. Европейский 
стандарт цифровых сообщений предполагает использование метода добавления синхронизирующего канала, тогда как в Северной Америке приме-•
няют метод дополнительных битов.
Аналогично другим стандартным сетевым технологиям выделенные линии 
характеризуются стандартизованными схемами передачи. Такие схемы определяют скорость передачи и тип среды, а также форматы кадровой синхронизации и методики мультиплексирования.
Существует множество схем, различающихся географией разработки 
•
и технологией. Чаще всего встречаются следующие стандарты:
•
• номенклатура каналов ANSI;
•
• номенклатура каналов ITU;

Лекция 1. Первичные сети
•
• система оптической связи SONET
;
•
• система сигналов синхронной передачи SONET
.
Американский институт национальных стандартов (ANSI) занимался разработкой стандартов для передачи цифровых сигналов еще в начале 1980-х 
годов. Это семейство стандартов называется номенклатурой цифровых каналов 
(Digital Signal Hierarchy, DSH). В его состав входят пять спецификаций, пронумерованных от DS-0 до DS-4. Эти спецификации и соответствующие им 
скорости передачи и число поддерживаемых голосовых каналов приведены в 
табл. 1.1.
Таблица 1.1
Номенклатура цифровых каналов
Стандарт цифровой передачи
Скорость передачи
Количество голосовых каналов
64 Кбит/с
1
1,544 Мбит/с
3,152 Мбит/с
6,312 Мбит/с
24
48
96
44,736 Мбит/с
672
DS-0
DS-1
DS-1C
DS-2
DS-3
DS-4
274,176 Мбит/с
4032
Первичные сети предназначены для создания коммутируемой телекоммуникационной инфраструктуры, с помощью которой можно достаточно 
быстро и гибко организовать постоянный канал с двухточечной топологией 
между двумя пользовательскими устройствами, подключенными к такой сети. 
На основе каналов, образованных первичными сетями, работают компьютерные и телефонные сети.
Существует три поколения технологий цифровых первичных сетей:
•
• технология плезиохронной («плезио» означает «почти», т. е. почти 
синхронной) цифровой иерархии (Plesiochronic Digital Hierarchy, PDH); 
•
• технология синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital 
Hierarchy, SDH), в США технологии SDH соответствует стандарт SONET
; 
•
• технология уплотненного волнового мультиплексирования (DWDM).
Особенности технологии PDH. При использовании цифровых методов 
временного мультиплексирования на первом уровне мультиплексор использует в качестве входных сигналов сигналы DS0 со скоростью передачи 

64 Кбит/с. Формируется первичный цифровой поток данных со скоростью 
n ∙ 64 Кбит/с. Так, для американской системы (АС) мы имеем информационный поток 24 ∙ 64 = 1536 Кбит/с, а для европейской системы (ЕС) — 

30 ∙ 64 = 1920 Кбит/с, к которым добавляются канал 8 Кбит/с (АС) или два 
канала DS0 (ЕС), необходимых для осуществления синхронизации, сигнализации и контроля ошибок (CRC). В результате первичный поток состоит 
из повторяющихся групп, каждая из которых приобретает структуру фрейма 
(или цикла). В АС формируется фрейм Т1 (1544 Кбит/с), а в ЕС — фрейм E1 
(2048 Кбит/с).

Модуль 1. Глобальные сети
Если считать этот уровень мультиплексирования первичным в схеме последовательного каскадного мультиплексирования разных (вторичного, 
третичного и т. д.) уровней, использующих мультиплексоры типа m : 1, l : 1, 
k : 1, ..., то можно сформировать разные иерархические наборы цифровых 
скоростей передачи, или цифровые иерархии. Они позволяют довести процесс 
мультиплексирования, или уплотнения каналов, до необходимого уровня, 
дающего требуемое число каналов DS0 на выходе путем выбора коэффициентов мультиплексирования m, l, k, ... для последовательных каскадов.
Схемы плезиохронной цифровой иерархии. Три такие иерархии были разработаны в начале 1980-х годов. 
В первой из них, принятой в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала (ПЦК) (DS1) была принята скорость T1 = 

= 1544 Кбит/с (коэффициент первичного мультиплексирования n = 24, т. е. 
двадцать четыре DS0 по 64 Кбит/с могли быть использованы для передачи 
голоса или данных). 
Во второй, принятой в Японии, в качестве скорости ПЦК была использована та же скорость 1544 Кбит/с. 
В третьей, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве скорости 
ПЦК была принята скорость 2048 Кбит/с (т. е. коэффициент первичного 
мультиплексирования n = 30 — тридцать DS0 по 64 Кбит/с, использовали 
для передачи голоса и данных). Два дополнительных тайм-слота (0 и 16), как 
указывалось выше, предназначались для синхронизации (0) и сигнализации 
(16) или управления. В ряде случаев для передачи голоса и данных допустимо использовать и 16 тайм-слот (в качестве 31 канала). В этом случае применяют другой (дополнительный) формат фрейма Е1, при котором для 
синхронизации и сигнализации используют только один канал (0 тайм-слот). 
Этот формат, позволяя увеличить информационную емкость канала в целом, 
может привести к нестыковке форматов фреймов (из-за использования разных методов сигнализации) на разных участках сети.
Первая иерархия (американская система иерархии — АС) давала последовательности каналов вида: DS1 — DS2 — DS3 — DS4 или скоростей 

с номинальными значениями в виде ряда: 1544 — 6312 — 44736 — 274176 Кбит/с 
(или приближенно 1,5 — 6 — 45 — 274 Мбит/с), что c учетом скорости DS0 
(одинаковой для всех трех иерархий) соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n = 24, m = 4, l = 7, k = 6. Указанная иерархия позволяет 
передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0. 
Первая иерархия DS0 — DS4 — цифровые каналы 0, 1, 2, 3 и 4-го уровней 
иерархии. В терминологии, используемой в связи, это, соответственно, 

основной цифровой канал (ОЦК), первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК), третичный цифровой канал (ТЦК) и четверичный цифровой канал (ЧЦК).
Вторая иерархия давала последовательности вида DS1 — DS2 — DSJ3 — 
DSJ4 — DSJ5 или скоростей 1544 — 6312 — 32 064 — 97 728 — 397 200 Кбит/с 
(приближенно 1,5 — 6 — 32 — 98 — 397 Мбит/с), что c учетом скорости DS0 
соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: n = 24, m = 4, l = 5,