Построение сетей на базе коммутаторов и маршрутизаторов

Построение сетей на базе коммутаторов и
маршрутизаторов

2-е издание, исправленное

Васин Н.Н.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Построение сетей на базе коммутаторов и маршрутизаторов/ Н.Н. Васин - М.: Национальный
Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016

В предлагаемом курсе лекций рассматриваются принципы построения компьютерных сетей,
основные технологии локальных сетей, средства межсетевого взаимодействия, функционирование и
основные характеристики коммутаторов и маршрутизаторов.
Рассматриваются семиуровневая модель и модель TCP/IP, прикладной и транспортный уровень,
физический уровень модели. Канальный уровень представлен двумя подуровнями и
соответствующими технологиями локальных сетей. Маршрутизаторы представляют средства
межсетевого взаимодействия, которое базируется на IP-адресах. Принципы маршрутизации
базируются на сетевых протоколах и протоколах маршрутизации. Приведены основные сведения о
протоколах вектора расстояния и состояния канала связи. Излагаются основы и примеры
конфигурирования наиболее широко используемых маршрутизирующих протоколов RIP, EIGRP,
OSPF. Рассмотрены принцип действия и конфигурирование сетевых фильтров. Приведены примеры
конфигурирования коммутаторов, принципы и основы конфигурирования виртуальных локальных
сетей.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2011-2016
(c) Васин Н.Н., 2011-2016

3

Общие сведения о сетевых технологиях

Приведены основные элементы и устройства телекоммуникационных сетей, их
классификация, описание семиуровневой модели взаимодействия открытых систем.

1.1. Основы сетевых технологий

Телекоммуникационные сети представляют собой комплекс аппаратных и
программных средств, обеспечивающих передачу информационных сообщений между
абонентами с заданными параметрами качества. Сообщение – форма представления
информации, удобная для передачи на расстояние. Сообщение отображается
изменением какого-либо параметра информационного сигнала (электромагнитные
сигналы в сетях).

При создании сетей телекоммуникаций невозможно соединить всех абонентов между
собой отдельными (выделенными) линиями связи. Это нецелесообразно экономически
и невыполнимо практически. Поэтому соединение многочисленных абонентов (А),
находящихся на большом расстоянии, обычно производится через транзитные
(телекоммуникационные) узлы (ТУ) связи (рис. 1.1).

Рис. 1.1.  Телекоммуникационная сеть

Таким образом, телекоммуникационная сеть образуется совокупностью абонентов (А)
и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи. Узлы ТУ производят
коммутацию поступившего сообщения с входного порта (интерфейса) на выходной.
Например, в сети на рис. 1.1 при передаче сообщения от абонента А2 абоненту А6
транзитный узел ТУ1 производит коммутацию сообщения с входного интерфейса В на
выходной С, транзитный узел ТУ3 – с входного интерфейса В на выходной Е. При этом
формируется определенный маршрут, по которому передается сообщение. Процесс
формирования маршрута получил название коммутация. Коммутацией также
называют передачу (продвижение) сообщения с входного интерфейса на выходной.

4

В некоторых сетях все возможные маршруты уже созданы и необходимо только
выбрать наиболее оптимальный. Процесс выбора оптимального маршрута получил
название маршрутизация, а устройство, ее реализующее, – маршрутизатор. Выбор
оптимального маршрута узлы производят на основе таблиц маршрутизации (или
коммутации) с использованием определенного критерия – метрики.

Таким образом, различают сети с коммутацией каналов, когда телекоммуникационные
узлы выполняют функции коммутаторов, и с коммутацией пакетов (сообщений),
когда телекоммуникационные узлы выполняют функции маршрутизаторов. В сетях с
коммутацией каналов канал создается до передачи сообщения.

Эти два вида сетей используются для передачи двух различных видов трафика. Сети с
коммутацией каналов обычно передают равномерный (потоковый) трафик – например,
телефонные сети. В сетях передачи данных с пульсирующим трафиком применяется
коммутация пакетов (сообщений), например, в компьютерных сетях.

Различие коммутации пакетов или сообщений состоит в том, что сообщение может
быть очень большим. Поэтому если в нем обнаруживается ошибка, то повторно нужно
передавать все сообщения большого объема. В сетях с коммутацией пакетов большое
сообщение предварительно разбивается на сравнительно небольшие пакеты
(сегменты). Поэтому при потере или искажении части сообщения повторно передается
только потерянный пакет (сегмент).

В настоящее время в соответствии с концепцией Единой сети электросвязи Российской
Федерации создаются сети нового (следующего) поколения (Next Generation Network –
NGN), в которых все виды трафика передаются по единой сети связи в цифровой
форме. Подобные сети также называют мультисервисными (Internet Multi Service –
IMS), в отличие от ранее существовавших моносервисных сетей.

В сетях NGN обеспечивается слияние ( конвергенция ) всех существующих сетей в
единую информационную сеть для передачи мультимедийной информации.
Пользователи такой сети должны иметь широкий выбор услуг с гарантированным
качеством, что обеспечивается соответствующим уровнем управления, транспортным
уровнем и уровнем доступа пользователей к мультисервисной сети (рис. 1.2).

5

Рис. 1.2.  Уровни мультисервисной сети NGN

Транспортный уровень сети NGN создается на базе IP-сетей с распределенной
коммутацией пакетов. Доступ к транспортной сети обеспечивается через
соответствующие устройства и шлюзы.

Сети следующего поколения NGN обеспечивают широкий набор услуг с гибкими
возможностями по их управлению. Телекоммуникационные сети нового поколения
используются для передачи различных видов информации: дискретных данных, аудиои видеоинформации. Услуга передачи указанной триады (голоса, данных и
видеоинформации) по единой мультисервисной сети получила название Triple Play.

На рис. 1.3 приведен пример структурной схемы сети телекоммуникаций, в которой
пользователи (абоненты) через сети доступа подключаются к магистральной сети,
обеспечивающей транспорт сообщений. В ряде случаев абонентам удобно
объединяться в локальные сети, функционирующие в рамках ограниченного
пространства (аудитория, здание, группа зданий).

6

Рис. 1.3.  Структурная схема телекоммуникационной сети

Для создания маршрута в разветвленной сети необходимо задавать адреса источника и
получателя сообщения. Различают физические и логические адреса. Логические адреса
принадлежат пользователям (абонентам), а физические обычно адресуют
соответствующие интерфейсы телекоммуникационных узлов и абонентских устройств.

1.2. Классификация сетей передачи данных

Методы и устройства, используемые в вычислительных (компьютерных) сетях
передачи данных, широко применяются при создании сетей NGN. Поэтому в
настоящем курсе лекций основное внимание уделено аппаратным и программным
средствам вычислительных (компьютерных) сетей, т. е. сетей передачи данных, на базе
которых и создаются современные мультисервисные сети. В сетях передачи данных
(компьютерных или вычислительных) поток может быть представлен различными
информационными единицами: битами, байтами, кадрами, пакетами, ячейками,
образующими информационный поток. Сети передачи данных, как правило, относятся
к сетям с коммутацией пакетов.

Согласно одной из классификаций сети передачи данных подразделяются на
локальные и глобальные (рис. 1.4). Сеть может размещаться на ограниченном
пространстве, например, в отдельном здании, в аудитории. При этом она называется
локальной вычислительной сетью – ЛВС (Local Area Network – LAN ). Основными
технологиями локальных вычислительных сетей, которые применяются в настоящее
время, являются Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Другие технологии ЛВС
(Token Ring, 100VG-AnyLAN, FDDI и др.) используются редко.

Рис. 1.4.  Классификация сетей передачи данных

Совокупность нескольких локальных сетей называют составной, распределенной или
глобальной сетью (Internetwork, Internet). В составную сеть могут входить подсети
(Subnet) различных технологий. Крупные фирмы (корпорации) создают свои
собственные корпоративные сети (Intranet), которые используют технологии как
глобальных, так и локальных сетей. Таким образом, объединение пользователей,
расположенных на широком географическом пространстве, например в разных
городах, для совместного использования информационных данных, производится с
помощью глобальных вычислительных сетей – ГВС (Wide Area Network – WAN ).

7

Глобальные сети передачи данных часто классифицируют (рис. 1.4) на:

сети с коммутацией каналов;
сети, использующие выделенные линии;
сети с коммутацией пакетов.

Сети с коммутацией каналов и с использованием выделенных линий строят на основе
различных сетевых технологий. При этом применяются следующие технологии и
линии связи:

цифровые линии, которые бывают постоянные, арендуемые, а также
коммутируемые. В цифровых линиях применяют технологии плезиохронной
цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH ), синхронной
цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy – SDH ), а также технологии
оптических линий связи спектрального уплотнения по длине волны (Wave-length
Division Multiplexing – WDM, Dense WDM – DWDM );
цифровые сети интегральных служб с коммутацией каналов (Integrated Services
Digital Network – ISDN );
цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Line – DSL );
аналоговые выделенные линии и линии с коммутацией каналов (dialup) с
применением модемов, т. е. аналоговые АТС.

Технологии PDH и SDH характеризуются высокой скоростью передачи данных.
Например, скорость передачи данных по сетям технологии PDH составляет от 2 Мбит/
с до 139 Мбит/с; технологии SDH – от 155 Мбит/с до 2,5 Гбит/с и выше. Дальнейшее
увеличение скорости передачи данных достигнуто в системах со спектральным
уплотнением по длине волны (технологии WDM и DWDM) на волоконно-оптических
кабелях. Основными аппаратными средствами высокоскоростных технологий с
коммутируемыми цифровыми линиями являются мультиплексоры ( MUX ).

Широкое распространение в настоящее время получили сети с коммутацией пакетов, в
которых применяются следующие сетевые технологии:

сети на основе технологии виртуальных каналов (X.25; сети трансляции кадров
FR – Frame Relay; сети ATM – Asynchronous Transfer Mode);
сети технологии IP, использующие дейтаграммный метод передачи сообщений.

В сетях с коммутацией пакетов могут использоваться технологии виртуальных
каналов, применяемые в сетях X.25, Frame Relay, ATM, или технологии передачи
дейтаграммных сообщений – сети IP в зависимости от предъявляемых требований.

Технологии виртуальных каналов предусматривают предварительное соединение
конечных узлов (источника и назначения), при этом прокладывается маршрут
(виртуальный канал), по которому затем передаются данные. Получение данных
подтверждается приемной стороной. Технология X.25 ориентирована на ненадежные
аналоговые линии связи, поэтому характеризуется низкой скоростью передачи данных
(до 48 Кбит/с). Однако данная технология применяется до настоящего времени,

8

например в сетях банкоматов, из-за своей высокой надежности при ненадежных
линиях. Технология Frame Relay обеспечивает более высокую по сравнению с Х.25
скорость передачи данных – до 2-4 Мбит/с. Но линии связи должны быть более
надежными по сравнению с Х.25. Наибольшую скорость передачи данных (155
Мбит/c, 620 Мбит/c, а также 2,4 Гбит/c) обеспечивают сети АТМ. Однако развитие
этих сетей сдерживает их высокая стоимость.

Сети технологии IP являются дейтаграммными, когда отсутствует предварительное
соединение конечных узлов и нет подтверждения приема сообщения. Поэтому
отдельные части большого сообщения могут передаваться по разным маршрутам, и
потеря отдельной части сообщения может остаться незамеченной. Такой метод
характеризуется высокой скоростью передачи, но низкой надежностью, поскольку нет
подтверждения принятых данных. Высокую надежность обеспечивает протокол
управления передачей TCP (Transmission Control Protocol). Набор (стек) протоколов
TCP/IP обеспечивает компромиссное решение по цене, скорости и надежности
передачи данных. Поэтому на базе протоколов TCP/IP создается транспортный
уровень мультисервисных сетей следующего поколения NGN с распределенной
коммутацией пакетов.

Следует отметить еще одну сетевую технологию, которая стремительно развивается в
последнее время, – это технология виртуальных частных сетей (Virtual Private Network
– VPN ). Данная технология задействует сеть общего пользования Интернет, в которой
формирует защищенные каналы связи с гарантированной полосой пропускания. Таким
образом, при экономичности и доступности сети VPN обеспечивают безопасность и
качество передаваемых сообщений. Используя VPN, сотрудники фирмы могут
получить безопасный дистанционный доступ к корпоративной (частной) сети
компании через Интернет.

1.3. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем

Сложность сетевых структур и разнообразие телекоммуникационных устройств,
выпускаемых различными фирмами, привели к необходимости стандартизации как
устройств, так и процедур обмена данными между пользователями. Международная
организация стандартов (International Standards Organization – ISO ) создала эталонную
модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model –
OSI ), которая определяет концепцию и методологию создания сетей передачи данных.
Модель описывает стандартные правила функционирования устройств и программных
средств при обмене данными между узлами (компьютерами) в открытой системе.
Открытая система состоит из программно-аппаратных средств, способных
взаимодействовать между собой при использовании стандартных правил и устройств
сопряжения (интерфейсов).

Модель ISO/OSI включает семь уровней. На рис. 1.5 показана модель взаимодействия
двух устройств: узла источника (source) и узла назначения (destination). Совокупность
правил, по которым происходит обмен данными между программно-аппаратными
средствами, находящимися на одном уровне, называется протоколом. Набор
протоколов называется стеком протоколов и задается определенным стандартом.

9

Взаимодействие между уровнями определяется стандартными интерфейсами.

Рис. 1.5.  Семиуровневая модель ISO/OSI

Взаимодействие соответствующих уровней является виртуальным, за исключением
физического уровня, на котором происходит обмен данными по кабелям,
соединяющим компьютеры. На рис. 1.5 приведены также примеры протоколов,
управляющих взаимодействием узлов на различных уровнях модели OSI.
Взаимодействие уровней между собой внутри узла происходит через межуровневый
интерфейс, и каждый нижележащий уровень предоставляет услуги вышележащему.

Виртуальный обмен между соответствующими уровнями узлов A и B (рис. 1.6)
происходит определенными единицами информации. На трех верхних уровнях – это
сообщения или данные (Data), на транспортном уровне – сегменты (Segment), на
сетевом уровне – пакеты (Packet), на канальном уровне – кадры (Frame ) и на
физическом – последовательность битов.

Для каждой сетевой технологии существуют свои протоколы и свои технические
средства, часть из которых имеет условные обозначения, приведенные на рис. 1.5.
Данные обозначения введены фирмой Cisco и стали общепринятыми. Среди
технических средств физического уровня следует отметить кабели, разъемы,
повторители сигналов (repeater), многопортовые повторители или концентраторы
(hub), преобразователи среды (transceiver), например, преобразователи электрических
сигналов в оптические и наоборот. На канальном уровне – это мосты (bridge),
коммутаторы (switch). На сетевом уровне – маршрутизаторы (router). Сетевые карты
или адаптеры (Network Interface Card – NIC) функционируют как на канальном, так и
на физическом уровне, что обусловлено сетевой технологией и средой передачи
данных.

10