Конспект лекций по учебной дисциплине системы и сети пакетной коммутации (наименование учебной дисциплины) по специальности




страница1/17
Дата21.05.2017
Размер4 Mb.
Просмотров1585
Скачиваний1
ТипКонспект лекций
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

1
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
Кафедра ___систем связи________________________________________
(наименование кафедры)



КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

Системы и сети пакетной коммутации
(наименование учебной дисциплины)


по специальности (направлению подготовки): направление 210400 – Телекоммуникации специальности: 210404 - Многоканальные телекоммуникационные системы

210406 - Сети связи и системы коммутации
210401 - Физика и техника оптической связи
210403 - Защищенные системы связи
090106 – Информационная безопасность телекоммуникационных систем наименование специальности (направления подготовки)





Самара
2012

2
УДК 681.3 621.395
Васин Н.Н.
Системы и сети пакетной коммутации. Конспект лекций. – Самара: ФГОБУ ВПО ПГУТИ,
2012. – 283 с.

Рассматриваются принципы построения систем и сетей телекоммуникаций, основные технологии локальных сетей, принципы и средства межсетевого взаимодействия, принципы построения и функционирования глобальных сетей.
Описано функционирование и основные характеристики коммутаторов и маршрутизаторов, приводятся примеры конфигурирования устройств их проверки и отладки.


Данное учебное издание рекомендуется Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики» к использованию в образовательных учреждениях, реализующих образовательные программы высшего профессионального образования, по дисциплинам
«Сети связи», «Системы коммутации», «Сети связи и системы коммутации», «Системы и сети передачи информации на базе коммутаторов и маршрутизаторов» по специальностям
210406 «Сети связи и системы коммутации» и 210404 «Многоканальные телекоммуникационные системы» направления подготовки дипломированных специалистов 210400 «Телекоммуникации» и направлению подготовки бакалавров 210700
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

Руководитель уполномоченного
Учреждения, выдавшего рецензию

А.С. Аджемов
Регистрационный номер рецензии № 1545 от 31.10.2011 г.
(присвоенный базовой организацией)




Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»


Васин Н.Н., 2012

3
ОГЛАВЛЕНИЕ

стр
Предисловие
6
Введение
7
Раздел 1. Основы построения сетей
9
Лекция 1. Общие сведения о сетевых технологиях
9 1.1. Основы сетевых технологий

9 1.2. Классификация сетей передачи данных

15 1.3. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем

18
Краткие итоги лекции 1 26
Вопросы по лекции 1 27
Упражнения
27
Лекция 2. Верхние уровни моделей OSI, TCP/IP
28 2.1. Уровень приложений
28 2.2. Транспортный уровень моделей OSI, TCP/IP
37
Краткие итоги лекции 2 48
Вопросы по лекции 2 49
Упражнения
49
Лекция 3. Физический уровень модели OSI

50 3.1. Медные кабели
50 3.2. Волоконно-оптические кабели
53 3.3. Беспроводная среда

57 3.4. Топология сетей

59
Краткие итоги лекции 3 63
Вопросы по лекции 3 64
Упражнения
64
Контрольный тест по разделу 1 65
Раздел 2. Локальные сети
72
Лекция 4. Канальный уровень
72 4.1. Подуровни LLC и МАС
72 4.2. Локальные сети технологии Ethernet
77 4.3. Коммутаторы в локальных сетях
80
Краткие итоги лекции 4 88
Вопросы по лекции 4 89
Упражнения
89
Лекция 5. Ethernet-совместимые технологии
90 5.1. Технология Fast Ethernet
90 5.2. Технология
Gigabit Ethernet
90 5.3.
Технология
10-Gigabit Ethernet

101
Краткие итоги лекции 5 104
Вопросы по лекции 5 105
Упражнения
105
Контрольный тест по разделу 2 106
Раздел 3. Принципы и средства межсетевого взаимодействия
111
Лекция 6. Адресация в IP-сетях
111 6.1. Адресация и маршрутизация
111 6.2. Логические адреса версии IPv4 114 6.3. Формирование подсетей
116 6.4. Частные и общедоступные адреса
123 6.5. Адреса версии IPv6 125

4 6.6. Назначение IP-адресов
128
Краткие итоги лекции 6 131
Вопросы по лекции 6 132
Упражнения
132
Лекция 7. Функции маршрутизаторов
133 7.1. Маршрутизаторы в сетевых технологиях
133 7.2. Принципы маршрутизации

137 7.3. Протокол ARP
140 7.4. Таблицы маршрутизации
143 7.5. Передача данных в сетях с маршрутизаторами
146
Краткие итоги лекции 7 151
Вопросы по лекции 7 152
Упражнения
152
Лекция 8. Протоколы сетевого уровня
153 8.1. Сетевые протоколы
153 8.2. Основные параметры протоколов маршрутизации
157 8.3. Протоколы вектора расстояния и состояния канала
162 8.4. Протокол RIP
165
Краткие итоги лекции 8 169
Вопросы по лекции 8 170
Упражнения
171
Контрольный тест по разделу 3 171
Раздел 4. Протоколы маршрутизации
181
Лекция 9. Основы конфигурирования маршрутизаторов
181 9.1. Режимы конфигурирования маршрутизаторов

181 9.2. Создание начальной конфигурации маршрутизатора
186 9.3. Конфигурирование интерфейсов
190
Краткие итоги лекции 9 194
Вопросы по лекции 9 195
Упражнения
195
Лекция 10. Конфигурирование маршрутизации
196 10.1. Конфигурировании статической маршрутизации
196 10.2. Конфигурирование конечных узлов и верификация сети
203 10.3. Динамическая маршрутизация. Конфигурирование протокола RIP
205
Краткие итоги лекции 10 211
Вопросы по лекции 10 212
Упражнения
212
Контрольный тест по разделу 4 213
Раздел 5. Особенности конфигурирования маршрутизаторов
223
Лекция 11. Особенности протоколов вектора расстояния
223 11.1. Протокол RIP
223 11.2. Общие сведения о протоколе EIGRP

228 11.3. Конфигурирование протокола EIGRP
232
Краткие итоги лекции 11 240
Вопросы по лекции 11 241
Упражнения
241
Лекция 12. Протокол маршрутизации OSPF
243 12.1. Общие сведения о протоколе OSPF
243 12.2. Конфигурирование протокола OSPF
249
Краткие итоги лекции 12 255
Вопросы по лекции 12 256
Упражнения
256

5
Контрольный тест по разделу 5 257
Раздел 6. Вопросы безопасности сетей на маршрутизаторах и коммутаторах
265
Лекция 13. Сетевые фильтры
265 13.1. Функционирование списков доступа
265 13.2. Конфигурирование стандартных списков доступа
269 13.3. Конфигурирование расширенных списков доступа
272
Краткие итоги лекции 13 275
Вопросы по лекции 13 276
Упражнения
276
Лекция 14. Безопасность коммутаторов
278 14.1. Общие вопросы конфигурирования коммутаторов
278 14.2. Конфигурирование интерфейсов коммутаторов, адресация
281 14.3. Управление таблицей коммутации
283 14.4. Конфигурирование безопасности на коммутаторе
285
Краткие итоги лекции 14 288
Вопросы по лекции 14 289
Упражнения
289
Лекция.15. Виртуальные локальные сети
290 15.1. Общие сведения о виртуальных сетях
290 15.2. Конфигурирование виртуальных сетей
296 15.3. Маршрутизация между виртуальными локальными сетями
302
Краткие итоги лекции 15 307
Вопросы по лекции 15 308
Упражнения
308
Контрольный тест по разделу 6 309
Раздел 7. Глобальные сети
317
Лекция 16. Технологии глобальных сетей
317 16.1. Общие сведения о глобальных сетях
317 16.2. Протоколы соединений «точка-точка»
324 16.3. Многопротокольная коммутация на основе меток
329
Краткие итоги лекции 16 335
Вопросы по лекции 16 336
Упражнения
336
Контрольный тест по разделу 7 337
Заключение
340
Список литературы
341
Глоссарий
342
Список терминов и сокращений
354

6


7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий курс лекций предназначен для студентов по направлению подготовки дипломированных специалистов 210400 «Телекоммуникации» специальностей 210404 - Многоканальные телекоммуникационные системы,
210406 - Сети связи и системы коммутации, а таже направлению подготовки бакалавров 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
Он может быть полезен для студентов специальностей 090106 -
Информационная безопасность телекоммуникационных систем, 210403 -
Защищенные системы связи, а также для слушателей курсов, обучающихся по программе Академии Cisco для получения международного индустриального сертификата CCNA .
Вопросам создания компьютерных сетей посвящен достаточно обстоятельный учебник [1], который выдержал ряд изданий. Однако большой объем учебника затрудняет пользование им студентам и слушателям краткосрочных курсов. Кроме того, в учебнике не рассматриваются вопросы и примеры конфигурирования аппаратных средств сетей связи, что стало актуально в последнее время.
В учебниках [2, 3] излагаются материалы по созданию сетей и систем практически всех видов. Однако вопросы конфигурирования аппаратных средств не рассматриваются, поскольку оборудование, выпускаемое различными фирмами, существенно различается.
При создании сетей передачи данных наиболее широко в настоящее время используются аппаратные средства компании Cisco. Вопросы конфигурирования, отладки и проверки оборудования в таких сетях рассматриваются в учебных руководствах [4, 5], которые являются узкоспециализированными и характеризуются очень большим объемом.
Поэтому возникла необходимость в компактном курсе лекций для обучения студентов технологиям сетей передачи данных. Учебное пособие
[6] издано малым тиражом, поэтому предпринята попытка создания курса лекций, в котором отражен переработанный и дополненный материал пособия [7].
Автор выражает благодарность сотрудникам компании Cisco
Овсянникову С.В., Разумовскому Д.В., Турилину А.С. за помощь в редактировании терминов и сокращений, встречающихся в курсе лекций.

8
Об авторе

Васин Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор.
Заведующий кафедрой систем связи ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики».
Инструктор сетевой Академии CISCO (CCNA).
Область научных интересов – обработка измерительных сигналов.
Адрес: 443010, г. Самара, ул. Л. Толстого, дом 23, ПГУТИ, кафедра систем связи, т. (8-846) 332-08-05, 339-11-26.


9
ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время Интернет является глобальной сетью передачи данных на земле, которая создала единое информационное пространство.
Интернет состоит из множества больших и малых сетей, а также индивидуальных компьютеров, которые связаны между собой. Основу
Интернета составляют IP –технологии.
Современные тенденции развития систем и сетей телекоммуникаций предполагают предоставление разных видов услуг: обмен данными, передача аудио- и видеоинформации по единой мультисервисной сети связи. Для этой цели создаются сети нового поколения Next Generation Network – NGN.
Передача данных по сети Интернет реализуется, главным образом, на базе протокола TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol –
Протокол управления передачей/Межсетевой протокол). TCP/IP – это набор протоколов или правил, которые были развиты, чтобы позволить компьютерам совместно использовать ресурсы сети.
Наиболее распространенным оборудованием в сетях TCP/IP являются коммутаторы и маршрутизаторы фирмы Cisco. Сведения о создании сетей на таком оборудовании, функционировании аппаратуры и конфигурировании разбросаны по многим источникам. Поэтому в настоящем курсе лекций вопросы конфигурирования сетевых устройств рассматриваются на примере оборудования фирмы Cisco, которое используется в Самарском региональном техническом тренинг центре (СРТТЦ), на базе которого функционирует Академия Cisco – учебный центр международного стандарта, и на кафедре систем связи ПГУТИ, где работает автор.
При использовании реального оборудования, например, из 4 маршрутизаторов и 4 коммутаторов группа студентов из 6 – 7 человек вынуждена конфигурировать один маршрутизатор, что снижает эффективность обучения. Для устранения данного недостатка в дополнение к существующему оборудованию используются программные имитаторы функционирования сети. Ранее это был симулятор RouterSim CCNA3.0 [7]. В настоящее время Международная Академия Cisco предоставляет каждому слушателю курсов CCNA симулятор Packet Tracer, имеющий очень широкие возможности по моделированию сети. Конфигурирование маршрутизаторов и коммутаторов с использованием симулятора почти ничем не отличается от

10 работы с реальным оборудованием. При этом на каждом компьютере с установленным симулятором можно конфигурировать достаточно сложную сеть, включающую несколько маршрутизаторов, коммутаторов и компьютеров, а также некоторые другие сетевые устройства, такие как сетевые серверы, IP телефоны. Данный комплекс позволяет студентам и слушателям локальной академии
Cisco полноценно освоить программирование аппаратуры Cisco без риска повредить реальную аппаратуру сетевого комплекса. На реальном же оборудовании проводится закрепление полученных знаний и навыков.
В предлагаемом курсе лекций рассматриваются принципы построения сетей передачи данных, основные технологии локальных сетей, принципы и средства межсетевого взаимодействия, функционирование и основные характеристики коммутаторов и маршрутизаторов, конфигурирование и маршрутизацию сетей и устройств. Теоретический материал закрепляется в ходе проведения лабораторных работ.

11
Раздел 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ

Лекция 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Краткая аннотация лекции: приведены основные элементы и устройства
телекоммуникационных сетей, их классификация, описание семиуровневой модели взаимодействия открытых систем.
Цель лекции: изучить основную терминологию сетевых технологий, функции уровней модели OSI.

1.1. Основы сетевых технологий

Телекоммуникационные сети представляют комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих передачу информационных сообщений между абонентами с заданными параметрами качества. 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 между собой, обычно производится через транзитные
(телекоммуникационные) узлы (ТУ) связи (рис.1.1).
ТУ1
А1
Маршрут
Маршрут
Интерфейс
Интерфейс
Маршрут
A
A
A
B
B
B
C
C
C
D
D
E
А2
А3
А4
А5
А6
ТУ2
ТУ3

Рис.1.1. Телекоммуникационная сеть
Таким образом,
телекоммуникационная
сеть образуется совокупностью абонентов (А) и узлов связи, соединенных линиями

12
(каналами) связи. Узлы ТУ производят коммутацию поступившего сообщения с входного порта (интерфейса) на выходной. Например, в сети 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.
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. 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 сообщение 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 сетях с коммутацией каналов предварительно устанавливается соединение между абонентами (создается канал связи), затем по созданному каналу передаются сообщения. Поскольку канал связи полностью выделяется паре абонентов, то для него можно задать требуемые параметры и характеристики, обеспечив значения задержки и вариации задержек –
джиттера.
Так как скоммутированный канал связи выделяется в полное распоряжение пары абонентов, то он используется не эффективно. Паузы между словами и, особенно, между фразами могут быть достаточно большими. Коэффициент использования канала обычно оценивают

13 значением 0,25. В отличие от сетей с коммутацией каналов сети с коммутацией пакетов могут более эффективно использовать свои ресурсы.
Сети с коммутацией пакетов или сообщений (компьютерные сети) первоначально создавались для передачи данных, поэтому значения задержки и джиттер не играли существенной роли.
Сети с коммутацией каналов, когда телекоммуникационные узлы выполняют функции коммутаторов, и сети с коммутацией пакетов на маршрутизаторах характеризуются двумя принципиально различными видами трафика:
потоковым (равномерным), например, трафиком телефонных сетей;
пульсирующим (не равномерным) трафиком компьютерных сетей передачи данных.
При передаче аудио-сигналов телефонных сетей связи трафик будет равномерным (потоковым), как показано на рис.1.2а. Параметры задержка и вариация задержек (джиттер) должны быть минимальны, чтобы не влиять на качество передаваемой информации.
При передаче компьютерных данных трафик является неравномерным
(рис.1.2б), он также называется пульсирующим или эластичным.
Передаваемые данные мало чувствительны к задержкам и джиттеру, однако очень чувствительны к потерям и искажениям пакетов. Поэтому наряду со средней скоростью трафика и его пульсацией, необходимо обеспечить
надежность приема передаваемый пакетов информации.
T
1
T
T
T
2
T
3
t
t
)
,
б a)
,

Рис.1.2. Равномерный (а) и неравномерный (б) потоки данных

14
Из рис.1.2б видно, что на интервале времени Т
2
канал не используется парой абонентов (источником передаваемых данных и адресатом – получателем). Поэтому на этом интервале времени можно передавать информацию других абонентов, что повышает эффективность сети с пакетной коммутацией. Это и предопределило использование сетей с коммутацией пакетов для передачи всех видов трафика
В создаваемых в настоящее время сетях следующего поколения (Next
Generation Network - NGN) предполагается использовать коммутацию пакетов для передачи всех видов трафика: аудио-сигналов (IP-телефония), видео-информации, компьютерных данных. Подобные сети также называют
мультисервисными (Internet Multi Service – IMS) в отличие от ранее существовавших моносервисных сетей. Поскольку в сети NGN передается трафик различного вида, то и требования к качеству обслуживания (Quality of Service – QoS) разных видов передаваемого трафика будут различны.
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.1.3).

Уровень услуг
Цифровые телефоны
Сотовые телефоны
Аналоговые телефоны
Компьютеры
Серверы
Транспортный уровень
Уровень доступа
Уровень управления
Рис.1.3. Уровни мультисервисной сети NGN

15
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 всех видов информации: дискретных данных, аудио- и видеоинформации. Услуга передачи указанной триады (голоса, данных, и видеоинформации) по единой мультисервисной сети получила название Triple Play.
На рис.1.4 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).
Магистральная сеть
Локальная сеть
Локальная сеть
Сеть доступа
Сеть доступа
Сеть доступа
Сеть доступа
Пользователи
Пользователи
Сеть доступа
Телекоммуникационная сеть

Рис.1.4. Структурная схема телекоммуникационной сети
Для доставки сообщения адресату назначения сообщение необходимо адресовать, поскольку оно проходит по соединениям многоканальных систем и сетей передачи, где одновременно передаются данные множества

16 абонентов. Адресация сообщений позволяет адресату назначения получать только ему предназначенную информацию. Адресация реализуется принципиально по-разному в сетях с коммутацией каналов и в сетях с коммутацией пакетов.
В сетях с коммутацией каналов каждой паре абонентов выделяется индивидуальный канал связи. Поскольку по линии связи может передаваться множество сообщений, то в линии формируется множество каналов. Сигналы по каналу передаются в виде цифровых значений дискретных отсчетов, следующих с определенным периодом дискретизации Т
д
. Совокупность
каналов, передаваемых по линии связи за период Т
д
, образует кадр. Начало кадра отмечается соответствующим заголовком с многоразрядным сигналом синхронизации. Каждый канал находится на определенном месте кадра, что позволяет на приемной стороне точно определить местонахождение своего канала. Таким образом, адрес каждого дискретного отсчета сигнала определяется его местоположением в кадре. При объединении потоков частота передаваемой по каналу информации увеличивается, но период следования кадров остается постоянным (в телефонных сетях Т
д
= 125 мкс).
В сетях с коммутацией пакетов задают адреса источника и получателя сообщения. Различают физические и логические адреса. Логические адреса принадлежат пользователям (абонентам), а физические адресуют устройства, обычно интерфейсы телекоммуникационных узлов и устройства абонентов.
К логическим адресам относятся, например,


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал