Сетевые технологии для различных приложений (4 часа)

Направление подготовки: 210601 Радиоэлектронные системы и комплексы

Квалификация выпускника: специалист

Форма обучения: очная

Тула 2012 г.

Методические указания к лабораторным работам составлены к.т.н., доц. Овчинниковым А.В. и обсуждены на заседании кафедры радиоэлектроники факультета САУ

протокол № 8 от "18" января 2012 г.

Зав. кафедрой

Н.А. Зайцев

Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры радиоэлектроники факультета САУ

протокол № 1 от "28"ввгуста 2013 г.

Зав. кафедрой

Н.А. Зайцев

Содержание

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

Базовые сетевые технологии (2 часа)

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение базовых сетевых технологий и их параметров: обозначение, масштаб сети, назначение, скорость передачи, дальность.

2. КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ СПРАВКА

2.1  Локальные вычислительные сети Ethernet

Состав аппаратуры

Одной из первых среди ЛВС шинной структуры была создана сеть Ethernet. В этой сети был применен метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Позднее Ethernet стала основой стандарта IEEE 802/3. Другой вариант шинных ЛВС соответствует стандарту IEEE 802/4, описывающему сеть с эстафетной передачей маркера.

Технология Ethernet наиболее распространена в ЛВС. Так, в 1996г. 85% всех компьютеров были в сетях Ethernet.

В качестве линий передачи данных в ЛВС используют коаксиальный кабель, витую пару проводов или ВОЛС. Длины используемых отрезков коаксиального кабеля не должны превышать несколько сотен метров, а у витой пары - десятков метров. При больших расстояниях в среду передачи данных включают формирователи сигналов - повторители для сопряжения отрезков. ВОЛС позволяет существенно увеличить предельные расстояния и скорость передачи данных.

Для связи компьютеров со средой передачи данных используют сетевые контроллеры (адаптеры, сетевые карты), управляющие доступом к сети, и приемопередатчики, служащие для связи сетевого контроллера с линией связи.

Сетевой контроллер (адаптер) реализует принятый метод доступа к каналу и в случае метода МДКН\ОК осуществляет действия по выработке сигнала затора, задержки в передачи при наличии конфликта или при занятом моноканале, а также формированию кадров, кодированию (декодированию) сигналов, распознаванию адреса в передаваемых по сети сообщениях.

2.2  Разновидности сетей Ethernet

В настоящее время унифицировано несколько вариантов сети, различающихся топологией, особенностью физической среды передачи данных, информационной скоростью.

1. Thick Ethrnet (шина с толстым кабелем); принятое обозначение варианта 10Base-5, где первый элемент «10» характеризует скорость передачи данных по линии 10Мбит/сек, последний элемент «5» - максимальную длину сегмента кабеля (в сотнях метров), т.е. 500 м. Другие параметры сети: максимальное количество сегментов - 5, максимальное число узлов на одном сегменты - 100; минимальное расстояние между узлами - 2,5м. Здесь пол сегментом кабеля понимается часть кабеля, используемая в качестве линии передачи данных и имеющая на концах согласующие элементы (терминаторы) для предотвращения отражения сигналов.

2. Thin Ethernet (шина с тонким кабелем); принятое обозначение варианта 10Base-2: максимальное количество сегментов - 5, максимальная длина сегмента - 185м, максимальное число узлов на одном сегменте - 30; минимальное расстояние между узлами - 0,5м, скорость передачи данных 10Мбит/сек.

3. Twisted Ethernet; принятое обозначение варианта 10Base-Т; это кабельная сеть с использованием витых пар проводов и концентратов, называемых также распределителями, или хабами, представление о структуре сети может дать рисунок 3. В состав сетевого оборудования входят активные и пассивные хабы (активные производят усиление сигнала, число портов 8, 12 или 16). В одной разновидности сети 10Base-T допускаются расстояния между активными хабами до 600м и между пассивными до 30м, предельное число узлов 100. Физическая организация линий связи в этой сети мало напоминает шину. Однако в такой сети возможна реализация МДКН\ОК, а для пользователя разветвленная сеть из витых пар и концентраторов есть среда передачи данных аналогичная шине. В тоже время по своей топологии 10Base-T может быть вариантом «звезда», «дерево». В этой сети не рекомендуется включать последовательно более четырех хабов.

4. Fiber Optic Ethernet (шина на основе оптоволоконного кабеля), обозначение 10Base-F; применяется для соединений точка-точка, например, для соединения двух конкретных распределителей в кабельной сети. Максимальные длины - в пределах 2…4 км. Использование оптоволоконного кабеля позволяет полностью гальванически развязать сеть.

5. RadioEthernet. Среда передачи данных - радиоволны, распространяющиеся в эфире. Структура сети может быть «постоянной» при наличии базовой кабельной сети с точками доступа от узлов по радиоканалам или «временной», когда обмены информацией между узлами происходят только по радиоканалам.

6. Сеть Fast Ethernet, иначе называемая 100BaseX или 100Base-T. Информационная скорость 100Мбит/сек. В этой сети применен метод доступа МДКН\ОК. Используется для построения скоростных ЛВС (последовательно включается не более 2-х хабов), объединения низкоскоростных сетей 10Base-T в единую скоростную сеть и для подключения серверов на расстоянии до 200м. В последнем случае серверы соединяются с клиентскими узлами через шину 100 Мбит/сек и коммутатор, называемый также конвертором, преобразователем или переключателем скорости 100/10. К конвертору с другой стороны подключено несколько шин 10 Мбит/сек, на которые нагружены остальные узлы. Практически можно использовать до 250 узлов, теоретически - до 1024. Подсетями могут быть как Fast Ethernet, так и обычные Ethernet со скоростью 10 М бит/сек, включенный через преобразователь скорости. Различают следующие варианты: 100Base-TX, в котором применяют кабель из двух неэкранированных витых пар категории 5, 100Base-T4 - с четырьмя неэкранированными парами категории 5, 100Base-FX - на ВОЛС.

7. Gigabit Ethernet 1000Base-X. В этом варианте получены гигабитные скорости. Имеются разновидности на ВОЛС с длиной волны 830 или 1270 нм на расстояниях до 550 м и на витой паре категории 5 на расстояниях до 25 м. Скорость до 1Гбит/сек. Такая скорость достигается благодаря следующим решениям. Сеть имеет иерархическую структуру. Участки (отдельные компьютеры или подсети) по 10 Мбит/сек подключаются к портам переключателей скорости 10/100, их выходы по 100 Мбит/сек, в свою очеред, подключаются к портам переключателей 100/1000. В сегментах сети, имеющих 1000 Мбит/сек, используются, во-первых, передача данных по ВОЛС или параллельно по четырем витым парам, во-вторых, 5-уровневое представление данных (например, +2, +1, 0, -1, -2В), в третьих, кодирование 8b/10b (??). В результате в каждой витой паре имеем 250 Мбит/сек при частоте сигналов 125 МГц, что является приемлемой частотой передачи данных.

Рисунок 1. Среда передачи данных на витой паре и концентраторах.

2.3  Сети кольцевой топологии

Среди кольцевых ЛВС наиболее распростанены сети с передачей маркера по кольцу и среди них 1) ЛВС типа Token Ring; 2) сети FDDI.

Сеть Token Ring

Топология сети Token Ring приведена на рисунке 2а). Концентраторы служат для удобства управления сетью, в частности для отключения от кольца неисправных узлов. На рисунке 2б) представлена схема подключения узлов к кольцу в концентраторах. Для отключения узла достаточно левые переключатели поставить в верхнее положение, а правые переключатели - в нижнее (в нормальном состоянии положение переключателей противоположное).

Рисунок 2. Схема сети Token Ring

Типичная реализация сети Token Ring характеризуется следующими параметрами: максимальное число станций 96; максимальное число концентраторов 12; максимальная дина замыкающего кабеля 120м; максимальная длина кабеля между двумя концентраторами или между концентратором и станцией 45м; два варианта скорости передачи данных по линии 4 или 16 Мбит/сек.

В кольцевых ЛВС сигналы циркулируют по кольцу, состоящему из ряда отрезков линии связи, которые соединяют пары соседних узлов. Эти отрезки соединяются в узлах через повторители сигналов, выполняющих как функции приема и передачи сигналов из кольца в кольцо, так и между АКД и линией. Повторители вносят некоторую задержку в передачу сигналов, поэтому общая задержка зависит от числа станций, включенных в кольцо.

Одним из способов взаимосвязи линии и АКД является способ вставки регистра. Станцию, получившую полномочия, называют активной станцией. Активная станция осуществляет вставку регистра в разрыв кольца и подключает сдвигающий регистр, из которого в кольцо посылается передаваемый кадр.

Эти регистра являются сдвигающими. Кадр проходит через кольцо и возвращается на вставленный регистр. По пути его адресная часть проверяется остальными станциями, поскольку в них предусмотрена расшифровка адресной и управляющей информации. Если пакет предназначен для данной станции, то принимается информационная часть пакета, проверяется правильность приема и при положительном результате проверки в кольцо направляется соответствующее подтверждение. Передающая (активная) станция одновременно с передачей сформированного в ней пакета принимает пакет, прошедший по кольцу, на вставленный регистр. В каждом такте сдвига в кольцо направляется очередной бит данных, а из кольца с некоторой задержкой возвращаются переданные биты. Если подтверждена правильность передачи, то переданные биты стираются в передающей станции, которая направляет в кольцо свободный маркер, если не подтверждена, то осуществляется повторная передача пакета.

Станции, готовые к передаче собственных данных, ждут прихода свободного маркера. Станция, получившая полномочия, вставляет свой регистр в кольцо, становясь активной, а вставленный ранее регистр исключается из кольца.

Циркулирующий по сети маркер состоит из следующих основных частей:

<ограничитель - P - T - M - R - ограничитель>

Если Т=0, то маркер свободен. Тогда если он проходит мимо станции имеющей данные для передачи, и приоритет станции не ниже значения, записанного в Р, то станция преобразует маркер в информационный кадр: устанавливает Т=о и записывает между R и конечным ограничителем адрес получателя, данные и др. сведения в соответствии с принятой структурой кадра. Информационный кадр проходит по кольцу, при этом происходит следующее: 1) каждая станция, готовая к передаче, записывает значение своего приоритета в R, если её приоритет выше уже записанного значения; 2) станция-получатель, распознав свой адрес, считывает данные и отмечает в конце кадра (в бите «статус кадра») факт приема данных.

Совершив полный оборот по кольцу, кадр приходит к станции отправителю, которая анализирует состояние кадра. Если передача не произошла, то делается повторная попытка передачи. Если произошла, то кадр преобразуется в маркер указанной выше структуры с Т=0. При этом выполняются действия P:=R; R:=0, где P, R - трехбитовые коды.

При следующем обороте маркер будет захвачен той станцией - претендентом, у которой на предыдущем обороте оказался наивысший приоритет.

Сеть Token Ring рассчитана на меньшие предельные расстояния и число станций, чем сеть Ethernet, но лучше рассчитана к повышенным нагрузкам.

Сеть FDDI

Сеть FDDI (Fider Distributed Data Interface) относится к высокоскоростным сетям, имеет кольцевую топологию, использует ВОЛС т специфический вариант маркерного метода доступа.

В основном варианте сети применено двойное кольцо на ВОЛС. Обеспечивается информационная скорость 100 Мбит/сек. Расстояние между крайними узлами до 200 км, между соседними станциями - не более 2 км. Максимальное число узлов 500. В ВОЛС применяются волны длиной 1300 нм.

Два кольца ВОЛС используются одновременно. Станции можно подключать к одному из колец или к обоим сразу (рисунок 3а). Использование конкретным узлом обоих колец позволяет получить для этого узла суммарную пропускную способность 200 Мбит/сек. Другое возможное использование второго кольца - обход с его помощью поврежденного участка путем объединения колец, как показано на рисунке 3б.

Рисунок 3. Кольца ВОЛС в сети FDDI: а - включение узлов;

б - обход поврежденного участка.

В сети FDDI используются оригинальные код и метод доступа.

В соответствии с методом FDDI по кольцу циркулирует пакет, состоящий из маркера и информационных кадров. Любая станция, готовая к передаче, распознав проходящий через нее пакет, вписывает свой кадр в конец пакета. Она же ликвидирует его после того, как кадр вернется в ней после полного оборота по кольцу и при условии, что он был воспринят получателем. Если обмен происходит без сбоев, то кадр, возвращающийся к станции-отправителю, оказывается в пакете уже первым, так как все предшествующие кадры должны быть ликвидированы раньше.

Сеть FDDI обычно используют как объединяющую в единую сеть многих отдельных подсетей ЛВС.

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Используя таблицу №1 и источники [1-4] дать подробную характеристику телекоммуникационных технологий.

LAN – Local Area Network – Локальная вычислительная сеть.

MAN – Metropolitan Area Network – Городская вычислительная сеть.

WAN – Wide Area Network –Глобальная вычислительная сеть.

WWW – World Wide Web – Всемирная паутина.

4.ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет оформляется индивидуально и содержит:

- титульный лист;

- наименование, цель и содержание работы;

- основные расчетные зависимости;

- результаты расчета в таблицах и графиках;

- анализ результатов расчета с объяснением общего характера и особенностей его.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник. Под. ред. В.И. Иванова – М.: Техсом, 2003. – 232с.

2. Бройдо В. Л. Вычислительные системы сети и телекоммуникации. Учебник СПБ-ПИТЕР, 2002. – 688с.

3. В. А. Бархоткин, Е. И. Минаков, А. Я. Паринский. Интеллектуальные сети. – Тула. Изд-во ТулГу, 2004. – 172с.

4. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы. Справочная книга. - М.: Финансы и статистика, 1996 г.-368 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

Сетевые технологии для различных приложений (4 часа)

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение технологий разработки информационных сетей и сетевого программного обеспечения, ознакомление со стандартными уровнями эталонной модели взаимодействия открытых систем Open System Interconnection (OSI).

2. КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ СПРАВКА

2.1. Принципы построения сетей и сетевого ПО

Разработка сетей и сетевого программного обеспечения (ПО) представляет собой крупную научно-техническую проблему, а их внедрение требует значительных капиталовложений. Сегодня можно выделить следующие основные принципы построения сетей и сетевого ПО.

1. Сеть и сетевое ПО — человеко-машинная система.

2. Сеть и сетевое ПО — иерархическая система, реализующая комплексный подход к автоматизации. Иерархия уровней отражается как в структуре сети, так и сетевого ПО.

3. Сеть и сетевое ПО — совокупность информационно-согласованных подсистем. Этот очень важный принцип должен относиться не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем.

4. Сеть и сетевое ПО — открытая и развивающаяся система. Существует, по крайней мере, две веские причины, по которым сеть и сетевое ПО должны быть изменяющейся во времени системой. Во-первых, разработка столь сложного объекта занимает продолжительное время, и экономически выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, постоянный прогресс техники, вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совершенных устройств и математических моделей, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги.

5. Сеть и сетевое ПО — специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей и аппаратуры. Требования высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы.

2.2. Эталонная модельвзаимодействия открытых систем

Для удобства создания и модернизации сложных информационных систем их делают максимально открытыми, т.е. приспособленными для внесения изменений в некоторую часть системы при сохранении неизменными остальных частей. В отношении вычислительных сетей реализация концепции открытости привела к возникновению эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС). В этой модели дано описание общих принципов, правил, соглашений, обеспечивающих взаимодействие информационных систем и называемых протоколами.

В ЭМВОС сеть рассматривают как совокупность функций (протоколов), которые подразделяются на группы, называемые уровнями. Разделение на уровни позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней.

ЭМВОС содержит семь уровней:

1.Физический уровень

2.Канальный уровень

3.Сетевой уровень

4.Транспортный уровень

5.Сеансовый уровень

6.Представительный уровень

7.Прикладной уровень

На физическом уровне осуществляется представление информации в виде электрических или оптических сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных, организуется передача информации.

На канальном уровне выполняется обмен данными между двумя соседними узлами сети.

На сетевом уровне происходит формирование пакетов поправилам тех промежуточных сетей, через которые проходит исходный пакет, и маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты. Другими словами, маршрутизация сводится к образованию логических каналов. Логическим каналом называют виртуальное соединение двух или более объектов сетевого уровня, при котором возможен обмен между этими объектами.

На транспортном уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами (в отличие от предыдущего сетевого уровня, на котором обеспечивается передача данных через промежуточные компоненты сети). К функциям транспортного уровня относятся мультиплексирование и демультиплексирование (сборка-разборка пакетов), обнаружение и устранение ошибок, реализация заказанного уровня услуг (например, заданных скорости и надежности передачи).

На сеансовом уровне определяются тип связи (дуплекс или полудуплекс), начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответами взаимодействующих партнеров.

На представительном уровне реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование). Например, данные преобразуются из одного кода в другой.

В конкретных случаях может возникать потребность в реализации лишь части названных функций, тогда сеть будет содержать лишь часть уровней.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Используя источники [1-4] изучить подробно уровень заданный преподавателем.

4. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет оформляется индивидуально и содержит:

- титульный лист;

- наименование, цель и содержание работы;

- основные расчетные зависимости;

- результаты расчета в таблицах и графиках;

- анализ результатов расчета с объяснением общего характера и особенностей его.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник. Под. ред. В.И. Иванова – М.: Техсом, 2003. – 232с.

2. Бройдо В. Л. Вычислительные системы сети и телекоммуникации. Учебник СПБ-ПИТЕР, 2002. – 688с.

3. В. А. Бархоткин, Е. И. Минаков, А. Я. Паринский. Интеллектуальные сети. – Тула. Изд-во ТулГу, 2004. – 172с.

4. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы. Справочная книга. - М.: Финансы и статистика, 1996 г.-368 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

Мы поможем в написании ваших работ!