Канальная и пакетная коммутация. Международные стандарты. Стандартизация в телекоммуникациях. Эталонные модели. OSI. TCP/IP.

Русинова Елена Сергеевна

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

Лекция №3

Канальная и пакетная коммутация. Международные стандарты. Стандартизация в телекоммуникациях. Эталонные модели. OSI. TCP/IP.

Воронеж, 2019

Канальная коммутация

• Элементарный канал – это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.

Элементарный канал и цифровая передача голоса

• В 60-е годы была придумана дискретизация звукового сигнала.

Элементарный канал и цифровая передача голоса

• Дискретизация по времени по значению.
• Частота квантования амплитуды – 8000 Гц.
• Частота квантования времени – 125 мкс.
• Один замер амплитуды представляется 8 битами, что даёт 256 значений амплитуды.
• Для передачи голосового канала требуется пропускная способность 64 Кбит/c (8000 измерений в секунду x 8 бит).
• Такой канал будет называться элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Коммутация каналов. Составной канал

• Составной канал – связь, построенная путем коммутации (соединения) элементарных каналов.

Коммутация каналов. Свойства составного канала

• Составной канал на любом участке состоит из одинакового количества элементарных каналов.
• Составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность.
• Составной канал создаётся временно на период сеанса связи между конечными устройствами.
• Элементарные каналы, входящие в составной, входят только в 1 составной канал.
• После закрытия составного канала, элементарные каналы освобождаются.

Коммутация каналов. Процедура установления соединения

• Количество элементарных каналов между разными промежуточными узлами может отличаться. Теоретически, возможна ситуация, когда существующих ресурсов будет недостаточно для установки всех требуемых составных каналов.
• Требуется процедура распознания невозможности организации составного канала.
• Такая процедура в сетях с канальной коммутацией называется процедурой установления соединения.

Коммутация каналов. Процедура установления соединения

• Инициатор связи генерирует запрос , содержащий информацию об адресах конечных узлов запрашиваемого составного канала (пусть A и B).
• Необходимо наличие требуемого числа свободных элементарных каналов на пути следования информационного потока от А к В.
• Запрос перемещается по маршруту информационного потока. При этом используются глобальные таблицы коммутации (соответствие глобального признака потока интерфейсам промежуточных узлов).

Коммутация каналов. Процедура установления соединения

• Когда запрос проходит до конечного узла, имеется полная информация о возможности установления соединения.
• В случае успеха, составной канал фиксируется . Для этого на всех промежуточных узлах создаются записи в локальных таблицах коммутации, в которых указывается соответствие между локальными признаками потока – идентификаторами элементарных каналов, используемых в фиксируемом составном канале.
• Возможен и отказ в установлении соединения.

Коммутация каналов. Процедура установления соединения

Коммутация пакетов

• В сетях с коммутацией пакетов представление информации, передаваемой по сети, происходит в виде структурно отделенных друг от друга порций данных, называемых пакетами.
• Пакет чаще всего состоит из:

• Заголовка (Head) , содержащего, например, адрес назначения, размер поля данных и прочую служебную информацию.
• Поля данных (Data) .
• Конечного поля (Tail) , зачастую, содержащего контрольную сумму

Коммутация пакетов

• Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линии связи. Пропускная способность так же не обеспечивается (не считая особых модификаций).
• Маршрут следования хранится на промежуточных узлах и формируется или вручную или автоматически.
• Пакеты могут теряться, искажаться, приходить в изменённом порядке.

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов. Буферизация пакетов

• Главное отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов – наличие внутренней буферной памяти для временного хранения пакетов.
• Чтобы принять решение о продвижении, надо иметь пакет целиком. Пакет бит за битом помещается во входной буфер. Потом проверяется checksum, затем принимается решение о продвижении пакета дальше.
• Такая техника носит название сохранения с продвижением (store-and-forward)
• Буферизация так же необходима для согласования скоростей передачи данных в линиях связи. Если узел не успевает обрабатывать пакеты, образуются входные очереди.

Коммутация пакетов. Буферизация пакетов

• Используются различные архитектуры коммутаторов: с единственным центральным процессором, с отдельными дополнительными процессорами на интерфейсах. В случае переполнения очереди будет происходить потеря пакетов.
• Есть три метода продвижения пакетов:

• Дейтаграммная передача.
• Передача с установлением логического соединения.
• Передача с установлением виртуального канала.

Коммутация пакетов. Буферизация пакетов

Коммутация пакетов. Дейтаграммная передача

• Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты продвигаются независимо на основании одних и тех же правил.
• Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим состоянием сети. Информация об уже переданных пакетах на промежуточных узлах не хранится. Каждый пакет – независимая единица передачи – дейтаграмма.

Коммутация пакетов. Дейтаграммная передача

Коммутация пакетов. Дейтаграммная передача

• Возможен баланс нагрузки – несколько возможных путей следования пакетов для одного и того же destination address.
• Метод не гарантирует доставку пакетов. Доставка с максимальными усилиями (best effort)

Коммутация пакетов. Логическое соединение

• Процедура согласования между двумя конечными узлами сети некоторых параметров процесса обмена пакетами называется установлением логического соединения. Параметры, о которых «договариваются» два взаимодействующих узла называются параметрами логического соединения.
• Способ основан на запоминании устройствами «истории обмена».
• Параметры могут быть постоянными и переменными.
• Когда отправитель и получатель фиксируют соединение, они договариваются о параметрах.

Коммутация пакетов. Установка логического соединения

Коммутация пакетов. Логическое соединение

• Кадры бывают: информационные и служебные.
• На промежуточных узлах кадры обрабатываются так же как при дейтаграммной передаче.
• Имеется дополнительная обработка пакетов на конечных узлах.
• Механизм логических соединений позволяет реализовать дифференцированную обработку информационных потоков.

Коммутация пакетов. Передача с установлением виртуального канала

• Способ продвижения данных. Частный случай логического соединения, в параметры которого входит жёстко определённый для всех пакетов маршрут.
• Маршрут прокладывается заранее и зафиксирован на время существования виртуального канала. Виртуальный канал (virtual circuit / virtual channel).
• Виртуальные каналы прокладываются для устойчивых информационных потоков. Пакеты таких потоков помечаются идентификаторами – метками .

Коммутация пакетов. Установление виртуального канала

• Генерируется запрос на установления соединения (с указанием адреса и метки потока). Запрос, проходя по промежуточным узлам, формирует новую запись в таблице коммутации.
• Таблица коммутации в таких сетях содержит запись только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах.

Коммутация пакетов. Передача с установлением виртуального канала

Коммутация пакетов. Временные задержки в сети с канальной коммутацией

Коммутация пакетов. Временные задержки в сети с канальной коммутацией

• Время доставки T равно сумме времени распространения сигнала в канале ( t prg ) и времени передачи сообщения в канал (время сериализации t trns ).
• Количество промежуточных коммутаторов не влияет на время доставки.
• t prg = расстояние между конечными узлами / скорость ЭМ волн в конкретной физической среде.
• t trns = объём сообщения в битах / пропускная способность канала в битах в секунду.

Коммутация пакетов. Временные задержки в сети с пакетной коммутацией

Коммутация пакетов. Временные задержки в сети с пакетной коммутацией

Коммутация пакетов. Временные задержки в сети с пакетной коммутацией

• t 1 – время формирования пакета (время пакетизации)
• t 2 – время передачи в канал заголовка
• t 3 – время передачи в канал поля данных
• t 4 – время распространения сигнала (1 бита) от узла N1 до коммутатора 1
• t 5 – время приема пакета с его заголовком из канала во входной буфер коммутатора ( t 5 = t 2 + t 3 )
• t 6 – время ожидания в очереди
• t 7 – время коммутации при передаче пакета

Коммутация пакетов. Временные задержки в сети с пакетной коммутацией

• T N1-S1 – время передачи пакета из узла N1 на выходной интерфейс коммутатора 1. +
• T N1-S1 = t 1 + t 4 + t 5 + t 6 + t 7
• T S1-S2 (без времени пакетизации)
• T S2-N2 (без времени коммутации)
• Время передачи 1 пакета составит:

T 1 =T N1-S1 +T S1-S2 +T S2-N

• Пакеты передаются параллельно. Оценим общее время передачи n пакетов:

T PS =T 1 +(n-1)(t 1 + t 5 )

Коммутация пакетов. Временные задержки в сети с пакетной коммутацией

Коммутация каналов

Коммутация пакетов

Необходимо устанавливать соединение

При дейтаграммном способе – не нужно

Адрес требуется только на этапе установки соединения

Адрес и вся служебная информация – в каждом пакете

Сеть может отказать в установке соединения

Сеть всегда примет данные

Гарантирована пропускная способность

Гарантий нет. Задержки случайны

Трафик реального времени передаётся без задержек

Эффективнее при передаче пульсирующего трафика

Высокая надёжность передачи

Best effort

Нерациональное использование пропускных способностей сети

Автоматическое динамическое распределение пропускной способности

Архитектура и стандартизация сетей

• Декомпозиция задачи сетевого взаимодействия.
• Многоуровневый подход с созданием иерархии и разбиением на уровни

• Межуровневый интерфейс – интерфейс услуг

Архитектура и стандартизация сетей

Архитектура и стандартизация сетей

• Протокол – интерфейс между средствами взаимодействия 2 х сторон на одном уровне
• Протокол, интерфейс – формализованное описание процедуры взаимодействия двух объектов.

Архитектура и стандартизация сетей

• Стек протоколов – иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.

Стандарты в телекоммуникациях

• Источники стандартов:

• Стандарты отдельных фирм (стэк SNA IBM) Стандарты специальных комитетов и объединений (ATM Forum, Fast Ethernet Alliance) Национальные стандарты (FDDI от ANSI) Международные стандарты (ISO, ITU. X.25 ISDN)
• Стандарты отдельных фирм (стэк SNA IBM)
• Стандарты специальных комитетов и объединений (ATM Forum, Fast Ethernet Alliance)
• Национальные стандарты (FDDI от ANSI)
• Международные стандарты (ISO, ITU. X.25 ISDN)

Стандарты в телекоммуникациях

• ISO International Organization of Standardization (American National Standard Institute, BSI, AFNOR, DIN)
• NIST (National Institute of Standards and Technologies, NIST SP 800-153 - стандарт по безопасности беспроводных сетей)
• IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), f.e. committee 802
• ITU (International Telecommunication Union) учреждение ООН v.24, v.90
• EIA (Electronics Industries Alliance), RS
• CCITT (International Consultative Committee for Telegraphy and Telephony) – ITU-T

Стандарты в Интернет

• ICCB (Internet Configuration Control Board), DARPA, сменена на IAB
• IAB (Internet Architecture Board)
• Internet Research Task Force
• Internet Engineering Task Force (Специальная комиссия интернет разработок)

• RFC (Request For Comment)
• IANA (Internet Assigned Numbers Authority)

Абстрактная модель OSI

• К концу 70-х 20 века существовало большое количество фирменных стеков протоколов. Например DECnet, TCP/IP, SNA. Возникла проблема совместимости. С 1977 по 1984 разрабатывалсь единая модель, обобщающая средства сетевого взаимодействия.
• Определяет уровни взаимодействия в сетях с пакетной коммутацией. Вводит стандартные уровни с установленными названиями. Описывает функции каждого уровня. Не содержит описаний протоколов.
• Open Systems Interconnection (ISO + ITU-T) 1982
• ГОСТ Р ИСО 7498-2-99

Абстрактная модель OSI

Физический уровень

• Тип кабелей и разъемов
• Разводку контактов в разъемах
• Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1

• Спецификации

• EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 -

механические/электрические характеристики

несбалансированного последовательного интерфейса.

• EIA-RS-422/449, CCITT V.10 механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса.
• IEEE 802.3 - Ethernet
• IEEE 802.5 - Token ring

Канальный уровень

• Обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде.

• HDLC для последовательных соединений,
• IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) MAC для сред 802.x
• Ethernet
• Token ring
• FDDI
• X.25
• Frame relay

Транспортный уровень

• Транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.

• Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают:

• TCP - протокол управления передачей
• NCP - Netware Core Protocol
• SPX - упорядоченный обмен пакетами
• TP4 - протокол передачи класса 4

Уровни сеансовый

• Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

• L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol),
• NetBIOS (Network Basic Input Output System),
• PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol),
• RPC (Remote Procedure Call Protocol),
• SCP (Secure Copy Protocol)

Уровни представления

• Уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

• AFP — Apple Filing Protocol,
• LPP — Lightweight Presentation Protocol,
• NCP — NetWare Core Protocol,
• NDR — Network Data Representation,
• X.25 PAD — Packet Assembler/Disassembler

Уровень прикладной

• Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

• К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней относятся:

• FTP - протокол переноса файлов
• TFTP - упрощенный протокол переноса файлов
• X.400 - электронная почта
• Telnet
• SMTP - простой протокол почтового обмена
• SNMP - простой протокол управления сетью
• NFS - сетевая файловая система

Инкапсуляция пакетов

Инкапсуляция пакетов

Устройства в сети и уровни OSI

Стэк протоколов TCP/IP

• The  Internet protocol suite  is the set of communications protocols used for the Internet and similar networks, and generally the most popular protocol stack for wide area networks. It is commonly known as  TCP/IP , because of its most important protocols:  Transmission Control Protocol (TCP) and  Internet Protocol (IP) , which were the first networking protocols defined in this standard. It is occasionally known as the DoD model due to the foundational influence of the ARPANET in the 1970s (operated by DARPA, an agency of the United States Department of Defense).

Стэк протоколов TCP/IP

Стэк протоколов TCP/IP

• Уровень I прикладной
• Уровень II основной (TCP, UDP)
• Уровень III уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий (OSPF, RIP, ICMP)
• Уровень IV физическое и канальное взаимодействие