Сети передачи данных. В 2 ч. Ч. 1

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Ф.М. ДОСТОЕВСКОГО

А.В. Пролубников

СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Учебное пособие

В двух частях

Часть I

Омск

2020

УДК 49.37.29
ББК 32.973.202я73
П809

Рецензенты:
канд. физ.-мат. наук, доц. И.А. Латыпов;
канд. техн. наук, доц. Е.В. Щерба

Пролубников, А. В.

П809
Сети передачи данных : учебное пособие : в 2 ч.
/ А. В. Пролубников. — Омск : Изд-во Ом. гос. ун-та,
2020 —
.
ISBN 978-5-7779-2465-0

Ч. I. — 2020. — 116 с.
ISBN 978-5-7779-2466-7

Содержит материал для проведения лекционных занятий
и практикума по курсам, в рамках которых изучаются локальные и глобальные сети передачи данных. Изложены принципы работы локальных и глобальных вычислительных сетей, маршрутизируемых протоколов и протоколов маршрутизации.
Для студентов, изучающих сетевые технологии.

УДК 49.37.29
ББК 32.973.202я73

c○ Пролубников А.В., 2020

ISBN 978-5-7779-2466-7 (ч. I)
c○ ФГБОУ ВО «ОмГУ
ISBN 978-5-7779-2465-0
им. Ф.М. Достоевского», 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5

1. Сети передачи данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6

1.1. Локальные и глобальные сети передачи данных . . . . . . . . . . .
6
1.2. Физические и логические cетевые топологии
локальных сетей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.3. Сетевые модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
1.3.1. OSI-модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
1.3.2. TCP/IP-модель. Интернет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19

2. Работа с IOS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22

3. Передача данных в локальных сетях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28

3.1. Принципы организации сетей Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.2. Формат кадра Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
3.3. Коммутация в Ethernet-сетях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
3.4. Виртуальные локальные сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37

4. Протоколы межсетевого уровня TCP/IP-стека . . . . . . . . . .
42

4.1. IP-адресация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.2. Посылка данных в локальной IP-сети. Протокол ARP . . . . .
45
4.3. Заголовок IP-пакета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
4.4. Протокол ICMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
4.5. Протокол IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52

5. Протоколы транспортного уровня TCP/IP-стека . . . . . . . .
56

5.1. Порты. Сокеты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
5.2. Протокол TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
5.2.1. Заголовок сегмента TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.2.2. Управление передачей данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
5.2.3. Работа TCP-модуля как функционирование
конечного автомата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
5.2.4. Специальные алгоритмы, используемые
в реализациях TCP-модулей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
5.3. Протокол UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70

3

6. Маршрутизатор как специализированная ЭВМ . . . . . . . . .
72

6.1. Компоненты маршрутизатора и его программное
обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
6.2. Интерфейсы маршрутизатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
6.3. Подключение локальной сети к Интернету . . . . . . . . . . . . . . . .
75
6.4. Конфигурирование интерфейсов маршрутизатора . . . . . . . . .
77

7. Маршрутизация IP-пакетов в Интернете . . . . . . . . . . . . . . . .
79

7.1. Маршруты и протоколы маршрутизации . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
7.2. Статические маршруты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
7.3. Протокол маршрутизации RIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
7.4. Классовая и бесклассовая маршрутизации . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
7.5. Суммирование маршрутов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
7.6. Суммирование маршрутов в RIPv2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
7.7. Циклы маршрутизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
7.8. Протокол маршрутизации OSPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
7.8.1. Принципы работы OSPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
7.8.2. Обнаружение соседей и установление отношения
смежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
7.8.3. OSPF в сетях с множественным доступом . . . . . . . . . . .
97
7.8.4. Синхронизация баз данных OSPF. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
7.8.5. Граничные маршрутизаторы OSPF-системы. . . . . . . . . 101
7.8.6. Перераспределение маршрутов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.8.7. Сообщения о состоянии соединений и типы
областей OSPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.8.8. Тупиковые области OSPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.8.9. Распространение маршрута по умолчанию в OSPF
и RIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.8.10. Суммирование маршрутов в OSPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.9. Маршрутизация данных виртуальных локальных сетей . . . . 108
7.10. Другие протоколы маршрутизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Список использованной и рекомендуемой литературы . . . . . 113

4

Предисловие

Учебное пособие «Сети передачи данных» содержит материал для проведения лекционных занятий и практикума по курсам,
в рамках которых изучаются локальные и глобальные сети передачи данных. В основном, в пособии рассматриваются устройства
и протоколы трёх уровней сетевой OSI-модели — канального, сетевого и транспортного.
В пособии изложены принципы работы локальных сетей, рассмотрены их возможные физические и логические топологии, приведены критерии, исходя из которых оценивается локальная сеть
(пропускная способность, производительность и пр.). Изложены
принципы работы наиболее распространённой технологии организации локальных сетей — Ethernet. Рассматриваются вопросы, связанные с реализацией широковещательной передачи данных, виртуальных локальных сетей.
Пакетная коммутация является главной технологической разработкой, обеспечивающей функционирование глобальной сети
Интернет. В пособии рассмотрены протоколы стека протоколов
TCP/IP, обеспечивающих её функционирование. Даётся представление об организации маршрутизации в глобальных сетях. Изучаются протоколы маршрутизации RIP и OSPF — протоколы, реализующие два возможных подхода к организации маршрутизации
в глобальных сетях — маршрутизации по вектору расстояний (RIP)
и маршрутизации по состоянию соединений сети (OSPF).
Несмотря на то, что существуют различия в терминологии для
различных источников, в основном используемые термины общеупотребимы. Для устранения разночтений приводятся написания
терминов и аббревиатур на английском языке.

5

1. СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

1.1. Локальные и глобальные сети передачи данных

Под сетью понимаются ЭВМ, обменивающиеся информацией
через среду передачи данных, используя для этого сетевые устройства, обеспечивающие передачу данных между ними. Набор используемых при этом правил, алгоритмов и форматов передаваемых данных задаётся используемыми сетевыми протоколами.
Рассматриваемые нами далее сети — это сети двух типов: локальные и глобальные. Локальные сети — это сети, ограниченные
географически. Например, локальной является сеть компьютерного класса или сеть какой-либо организации. Глобальная сеть географически неограничена. Примером такой сети может служить
сеть Интернет, являющаяся объединением локальных сетей, поддерживающих обмен данными по протоколам Интернета.
Сетевые протоколы могут быть подразделены на два класса:
а) маршрутизируемые протоколы,
б) протоколы маршрутизации.
С помощью маршрутизируемых протоколов передаются пользовательские данные — данные запущенных на ЭВМ приложений.
Протоколы маршрутизации передают в сети информацию, исходя
из которой пользовательские данные доставляются от отправителя
к получателю специализированными ЭВМ, называемыми маршрутизаторами.
Сетевые протоколы также могут быть разделены на два класса,
исходя из типа сетей, работу которых они обеспечивают:
а) протоколы локальных сетей,
б) протоколы глобальных сетей.
Локальные сети объединяются в глобальные с помощью маршрутизаторов и могут быть организованы множеством образов с исполь
6

зованием различных протоколов. При этом для передачи данных
в глобальной сети используется один протокол. В сети Интернет
для этого используется протокол IP (Internet Protocol).
Сеть удобно ассоциировать с графом сети, вершины которого
представляют сетевые устройства, а рёбра — физические или логические соединения между сетевыми устройствами.

Сетевые устройства.
Сетевые устройства — это устройства,
функционирование которых обеспечивает работу сетей предачи
данных. Какие-то из этих устройств используются только как физические передатчики и преобразователи информации. Другие используют в своей работе программное обеспечение для формирования передаваемых данных, их обработки и передачи по сети.
Дадим наименования и краткие описания основных сетевых
устройств, которые будем использовать в этом учебном пособии.
Для передачи данных между устройствами используется среда передачи данных — физическая среда распространения сигнала,
передающего закодированные данные. Примерами среды передачи
данных могут служить медные провода, оптоволокно, окружающая среда и др.
Для подключения сетевого устройства к сети используется сетевой интерфейс, через который устройством через среду передачи
данных передаются и получаются данные.
Хостом будем называть любое сетевое устройство, обладающее
уникальным идентификатором в сети — адресом, и которое может
генерировать, передавать и получать данные.
Примером адресации в сетях может служить IP-адрес —
32-битный адрес, уникальным образом идентифицирующий хост,
подключённый к сети Интернет. IP-адресация — пример логической адресации хостов, при которой адрес присваивается хосту исходя из его местоположения и нужд пользователей сети.
Для передачи данных в своих локальных сетях хосты идентифицируются по 48-битному MAC-адресу, уникальному для каждого
интерфейса. MAC-адрес задаётся интерфейсу его производителем

7

и является физическим адресом. Некоторые сетевые устройства могут обладать несколькими IP- и MAC-адресами, которые должны
быть уникальны для тех сетей, в которых они адресуют принадлежащее этим сетям устройство.
Рабочей станцией будем называть любой компьютер (персональный компьютер, ноутбук и пр.), подключённый к локальной
сети. Рабочая станция являтся хостом в соответствии с принятой
нами терминологией.
Коммутатор — устройство, соединяющее сетевые устройства
и реализующее функции управления потоком передаваемых данных и регенерацией (усилением) сигнала. Коммутатор не является
хостом в соответствии с принятой нами терминологией. При этом
коммутатор может обладать IP- и MAC-адресами, которые используются для соединения с коммутатором с целью его конфигурирования.
Для объединения ЭВМ в сеть и объединения сегментов сети
в общую сеть может использоваться концентратор — устройство,
реализующее соединение сетевых устройств с регенерацией (усилением) сигнала. Концентратор не является хостом в соответствии
с принятой нами терминологией.
Маршрутизатор — специализированная ЭВМ для передачи информации о соединениях и маршрутах в сети, использующих для
этого протоколы маршрутизации. С помощью маршрутизаторов
отдельные локальные сети объединяются в общую сеть, и хосты
из этих сетей могут обмениваться информацией друг с другом.
Маршрутизатор является хостом в соответствии с принятой нами
терминологией.
В том случае, если для изложения материала нам нет необходимости различать конкретный тип сетевого устройства, будем называть его узлом сети.
Под сетевым сегментом нами далее будет пониматься некоторая обособленная связная часть сети.

8

1.2. Физические и логические cетевые топологии
локальных сетей

Под топологией сети понимается физический или логический
способ её организации. Физическая топология описывает, как физически организовано соединение сетевых устройств в сети, тогда
как логическая топология описывает логическую организацию передачи данных в ней, т. е. задаёт алгоритм передачи данных между
сетевыми устройствами.

Физические топологии.
Рассмотрим наиболее распространённые физические топологии локальных сетей и укажем некоторые
важнейшие их преимущества и недостатки.
В изображении топологий сетей нами используются обозначения
сетевых устройств, представленные на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Используемые обозначения

Топология звезда задаёт такой способ физического соединения
рабочих станций, при котором все они соединены с объединяющим их в сеть концентратором или коммутатором. Граф такой
сети изображён на рис. 1.2. Расширенной звездой называется физическая топология, реализуемая соединением отдельных сетевых
сегментов по топологии «звезда», притом что каждый из сегментов
сам имеет физическую топологию «звезда». Пример такой топологии представлен на рис. 1.3.

9

Рис. 1.2. Топология «звезда»

Физическая топология такого типа проста в реализации и наиболее распространена среди локальных сетей, поскольку благодаря
ей обеспечивается лёгкость подключения рабочих станций и отдельных сетевых сегментов к сети. При подключении к локальной
сети с такой физической топологией новых рабочих станций или
сетевых сегментов не происходит временного прекращения функционирования сети.
Критическим фактором для устойчивого функционирования сети с такой топологией является устойчивое функционирование узла, соединяющего хосты или сетевые сегменты в единую сеть, т. е.
коммутатора или концентратора. При выходе этого узла из строя
выходит из строя вся сеть. Это является главным недостатком топологии «звезда».

Рис. 1.3. Топология «расширенная звезда»

10