itmo_conspects

Телекоммуникационные системы и технологии

Курс знакомит с сетевым мониторингом, конфигурацией сетевых интерфейсов, маршрутизацией, обработкой пакетов и прочим. Курс преимущественно сделан для работы с ОС GNU/Linux

Лекция 1. Задачи сетевой коммуникации. Модель OSI

В современных устройствах настройка сетевых интерфейсах сведена к минимуму для облегчения использования. На самом деле обеспечение производительной, надежной и безопасной коммуникации между разнородными системами - сложная задача. Во разработки сетевой коммуникации появляются:

Помимо этого надо учесть технические аспекты:

Для решения этой задачи нужны стандарты, которые согласуют интерфейсы, протоколы и оборудование для коммуникации. Несмотря на абстракцию от операционных систем и архитектур влияние сетевого стека на производительность приложения очень велика

В начале развития сетевых операционных систем большинство сетевых решений были проприетарными: компании продавали проприетарные оборудование и ПО для сетевого взаимодействия (то есть решения с монолитной архитектурой)

Военные США не желали зависеть от одного поставщика сетевого оборудования, поэтому Международной организацией по стандартизации (ISO) в конце 70-ых была разработана модель OSI - открытая модель сетевой коммуникации

Разработчики декомпозировали все этапы сетевого взаимодействия и стандартизировали все интерфейсы между этапами. Модель не регламентировала имплементацию, только интерфейсы. Получалась строгая процессная модель, этапы которой решали конкретную задачу. В модель входили 7 уровней:

  1. Прикладной уровень
  2. Уровень представлений
  3. Сеансовый уровень
  4. Транспортный уровень
  5. Сетевой уровень
  6. Канальный уровень
  7. Физический уровень

Модель OSI

Данные проходят через уровни, обрастая заголовками, содержащие такую информацию, как адрес отправителя, получателя и другое. После канального уровня в конце кадра (фрагмента данных) добавляется DT (Data Trailer), обозначающий конец кадра

Уровни из-за слоев абстракции не знают о реализации других уровней выше и ниже, что позволяет менять их и не изменять реализацию других

Большинство сетевых стеков реализуют эту похожую на эту модель. Например, в модели TCP/IP уровней 4: прикладной, транспортный, сетевой, канальный

Можно заметить, что размер пакета, пока он проходит через все уровни, увеличивается. В реальности на транспортном уровне пакет может сегментироваться на меньшие, чтобы избежать две проблемы:

Сегментирования

Несмотря на достаточное абстрагирование от реализаций, модель OSI обладает недостатками:

Подробно поговорим про функции уровней:

Модель OSI не дает полное описание сети и появилась позже других стандартов, поэтому в свое время не получила поддержку. Сейчас она является академической моделью, которая дает понимание работы различных компонентов компьютерных сетей и того, как они работают вместе

Также она дает общую терминологию и концепции для разработки и проектирования других сетевых продуктов и технологий

В программе Wireshark можно проанализировать сетевой трафик устройства. Если выбрать какой-нибудь кадр, то можно увидеть его заголовки:

Frame 722: 45 bytes on wire (360 bits), 45 bytes captured (360 bits) on interface \Device\NPF_{8B3A2192-8B36-11F0-8DE9-0242AC120002}, id 0
Ethernet II, Src: Router_98:92:f1 (4c:c6:4c:98:92:f1), Dst: 16:d2:51:89:f3:ab (16:d2:51:89:f3:ab)
Internet Protocol Version 4, Src: 198.51.100.68, Dst: 198.18.0.139
Transmission Control Protocol, Src Port: 60493, Dst Port: 443, Seq: 23254, Ack: 1, Len: 5

Здесь мы можем заметить IP и TCP протоколы и Ethernet, соответствующие сетевому, транспортному и канальному уровням

В наше время для большинства устройств определены два адреса:

Физический адрес нужен для идентификации устройства в пределах локальной сети, а сетевой - в пределах глобальной сети

На сетевом уровне пакету добавляются IP-адреса отправителя и получателя, а на канальном - MAC-адреса отправителя и получателя

Допустим, что есть 3 локальных сети, соединенных маршрутизаторами:

Взаимодействие сетевого и канального уровней

Для простоты здесь используется другой формат физических и сетевых адресов. Если мы хотим отправить пакет от 1.23 к 3.135, то:

  1. Пакет направляется в маршрутизатор E4:5D:3A. При первом подключении узла AF:45:32 к маршрутизатору, узлу присваивается сетевой адрес 1.23, в свою очередь узел запоминает, что, чтобы отправить пакет за пределы своей сети, нужно передать его маршрутизатору
  2. Далее маршрутизатор смотрит на свою таблицу маршрутизации. Там описан следующий шаг в цепочке, чтобы достичь целевой узел. Пакет передается через другой интерфейс маршрутизатора 2.1 в маршрутизатор 2.2
  3. Там маршрутизатор A3:1B:9E понимает, что адрес узла находится в локальной сети и, используя физические адреса, передает нужному узлу пакет

Благодаря абстракции между сетевым и канальным уровнем пропадает надобность от уникальности физических адресов - в нашей системе два узла с адресом AF:45:32. Также в локальной сети 2.X физические адреса могут иметь другой формат

В реальности таблица маршрутизации устроена сложнее, например, в ней могут присутствовать веса следующих направлений, которые показывают, к каком узлу обратиться, если наилучший не доступен

Лекция 2. Физический уровень сетевого стека

От чего зависит скорость передачи данных по кабелю? На скорость передачи могут влиять:

Фактор влияния на физическом уровне являются верхней границей для максимальной скорости передачи, поэтому, чтобы увеличить пропускную способность, логично начать с усовершенствования кабеля

На физическом уровне передаче могут мешать:

По проводу можно передавать два типа сигнала:

Приемник сам решат, как обрабатывать сигнал, получаемый по проводу, поэтому тип сигнала - это всего лишь интерпретация

На аналоговый сигнал очень сильно влияют помехи и затухание, поэтому чаще всего используют цифровой сигнал. Чтобы увеличить скорость можно увеличить частоту сигнала или усложнить сигнал (увеличить дискретизацию, то есть число уровней)

По Шеннону скорость передачи данных равна H log2(1 + S / N), где H - полоса пропускания фильтра, S - мощность сигнала, N - мощность шума

По Найквисту скорость 2H log2 V, где V - количество дискретных уровней

Увеличение полосы пропускания фильтра (например, использование платиновых проводов) - дорого. Увеличение количества дискретных уровней делает невозможным их различать и приводит к проблемам с аналоговым сигналом

Однако, если разложить цифровой сигнал с помощью преобразования Фурье, то можно получить ряд гармоник - синусоид и косинусоид, которые в сумме повторяют форму цифрового сигнала

Преобразование Фурье

Таким образом, чтобы пропускать больше дискретных уровней, нужно пропускать больше гармоник через полосу пропускания

Если для линии связи измерить отношение мощность выходного сигнала от входного для разных частот сигнала, то можно получить такую зависимость

АХЧ

То есть канал связи эффективно переносит сигнал в определенных частотах (в так называемой полосе пропускания), а в более высоких он более быстрее теряет амплитуду. Поэтому нет смысла переносить все гармоники для имитации цифрового сигнала, главное, чтобы основные лежали в полосе пропускания

Теперь двоичный сигнал нужно закодировать. Если несколько методов физической кодировки:

Помимо физического кодирования можно сделать логическое. Логическое кодирование нужно для обнаружения ошибок и улучшение условий передачи. Например, кодирование 4B/5B использует лишний бит для дополнительной информации:

16-ричная система 2-чная система 4B/5B код /
0 0000 11110
1 0001 01001
2 0010 10100
3 0011 10101
4 0100 01010
5 0101 01011
6 0110 01110
7 0111 01111
8 1000 10010
9 1001 10011
A 1010 10110
B 1011 10111
C 1100 11010
D 1101 11011
E 1110 11100
F 1111 11101
Символ 4B/5B код Сообщение
H 00100 Ошибка передачи
I 11111 Ожидание
J 11000 Начало потока
K 10001 Начало потока
L 00110 Начало потока
Q 00000 Потеря сигнала
R 00111 Сброс
S 11001 Набор
T 01101 Конец потока

Код 4B/5B сделан так, чтобы при передачи 4 бит хотя бы дважды происходила смена уровня сигнала

Структурированная кабельная система - универсальная кабельная система здания, объединяющая в себе множество информационных …

С развитием качества коммуникаций отдельные кабельные системы для различных сервисов превратились в универсальные системы с гарантированной полосой пропускания, модифицируемостью, простотой эксплуатации

Появились различные стандарты (TIA/EIA-568, TIA/EIA-569, ISO/IEC 11801, ANSI/TIA-606), по который должны разрабатываться системы в зданиях. Они в основном определяют характеристики линий связи (амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания, затухание), правила монтажа и эксплуатации, требования к проектирования и тестированию

Далее появился термин СКС:

Структурированная кабельная система (СКС) - универсальная кабельная система здания, объединяющая в себе множество информационных сервисов, таких как локально вычислительные, телефонные сети, системы видеонаблюдения и так далее

Для СКС существует ряд терминов:

Пассивным оборудованием СКС считаются кабели, сплайсы, шнуры и перемычки, соединительное оборудование (такое как коммутационные панели, коробки, телекоммуникационные розетки)

Кабели бывают:

Также кабели бывают с разной оболочкой, разной толщины, для разной среды использования и так далее

This site is open source. Improve this page.