Основы функционирования IP-сетей. Компьютерная сеть. Передача видео по IP-сетям. Компьютерная сеть система связи компьютерного оборудования WAN (wide-area. - презентация

1 Основы функционирования IP-сетей. Компьютерная сеть. Передача видео по IP-сетям. Компьютерная сеть система связи компьютерного оборудования WAN (wide-area networks) LAN (local-area networks) Расстояние от 1 км.Расстояние до 1 км. Сетевые устройства: Мост Хаб Свитч (коммутатор) Роутер (маршрутизатор) Хаб- Обеспечивает соединение двух сетей на физическом уровне, выступает в роли многопортового повторителя сигналов Мост- Обеспечивает соединение двух сетей на физическом уровне, пропуская только трафик из одной сети в другую. Внутренний трафик сегмента 1 не попадает в сегмент 2. Свитч- Многопортовый мост Роутер- Обеспечивает объединение сетей на основе IP-адресов Типы сетей Ethernet Token Ring ISDN; xDSL E1/T1; ATM Рис.1 Рис.2 Рис.3 Таблица 1

2 Основы функционирования IP-сетей. Пропускная способность. Передача видео по IP-сетям. Пропускная способность – количество информации которое может быть передано через сеть за определенный промежуток времени Пропускная способность подобна ширине водопроводной трубы. В зависимости он размера трубы можно передать большее или меньшее количество воды. Например, главные городские трубы могут иметь диаметр 2 мера, а трубы в домах потребителей воду всего 2 см. Вода передаваемая по трубам подобна данным передаваемым в сети. Сетевые устройства такие как хабы, мосты коммутаторы и маршрутизаторы подобны кранам, фитингам, клапанам и др. Единица измерения пропускной способностиСокращениеПримечание Бит в секундуBps (бит/с)1 bps = единица измерения пропускной способности Килобит в секундуkbps (кбит/с)1 kbps = 10 3 bps Мегабит в секундуMbps (Мбит/с)1 Mbps = 10 6 bps Гигабит в секундуGbps (Гбит/с)1 Mbps = 10 9 bps Терабит в секундуTbps (Тбит/с)1 Mbps = bps Следует различать понятие скорость и пропускная способность. Пропускная способность определяет предельное значение скорости. Рис.1 Рис.2 Рис.3 Таблица 1

3 Основы функционирования IP-сетей. Использование уровней. Передача видео по IP-сетям. Концепция уровней используется для связи двух компьютеров друг с другом. Передаваемая информация представляется в виде потока определенных объектов – символов, кадров, пакетов, сегментов – в зависимости от текущего уровня. Какой объект передается Тип объекта Правила передачи Где передается ВодаТранспорт Пакеты горячая холодная питьевая грузовики легковые а/м мотоциклы очищать делать добавки ПДД трубыдороги голос видео данные выбор маршрута в сети сеть Рис. 1 Набор вопросов к потоку объектов, которые определяют движение объекта через систему Данные вопросы показывают как концепция уровней помогает понять детали сетевых потоков. Рис. 2 Передача пакета по сети Информация передается по сети в виде пакетов. Пакет – информационный блок (фрагмент передаваемой информации) При прохождении данных от уровня к уровню, каждый уровень вносит дополнительную информацию, обеспечивающую надежность связи с соответствующим уровнем на приемной стороне.

4 Основы функционирования IP-сетей. Использование уровней. Передача видео по IP-сетям. ОтправительПолучатель связанные уровни Физическая сеть передачи данных Рис.1 Уровневая модель Концепция уровней используется для связи двух компьютеров друг с другом. Протокол – набор правил, определяющий формат в котором представляется информация для передачи по сети. Аналогией могут служить переговоры пилота самолета и диспетчера в аэропорту – все, команды диспетчера и ответы пилота жестко регламентированы. Для того чтобы пакеты могли перемещаться по сети от отправителя к получателю, необходимо чтобы все сетевые устройства разговаривали на одном языке, т.е. использовали одинаковые протоколы на соответствующих уровнях модели. протокол 4-го уровня

5 Основы функционирования IP-сетей. Модель OSI. Передача видео по IP-сетям. Использование общей многоуровневой сетевой модели позволило объединить корпоративные сети крупных компаний. Рис.1 Модель OSI OSI (Open System Interconnection) - модель взаимодействия открытых систем, была разработана в 1984 г. международной организацией по стандартизации (ISO - International Organization for Standardization) Задачи модели решаемые моделью OSI: Упрощение процесса взаимодействия сетей Стандартизация сетевых интерфейсов Реализация модульной системы построения сетевых приложений Гарантия совместимости различных сетей Ускорение развития и внедрения сетей Облегчения процесса обучения и понимания структуры сетей Модель OSI стала основной моделью для построения и взаимодействия сетей. Сеть 3 стек протоколов 2 Сеть 1Сеть 2 стек протоколов 1стек протоколов 3

6 Основы функционирования IP-сетей. Модель OSI. Передача видео по IP-сетям. Application (Уровень приложений) Функция: обработка полученной по сети информации сетевым приложением. Сетевые приложения: передача файлов, электронная почта, передача голоса и видео. Presentation(Уровень презентаций) Функция: гарантия того, что приложение-получатель сможет обработать принятую информацию. Формирование синтаксиса для уровня приложений Session (Уровень сессий) Функция: установление, управления и завершение сессий между взаимодействующими сетевыми приложениями. Transport (Транспортный уровень) Функция: обеспечение гарантированной доставки информации между взаимодействующими сетевыми устройствами. Устанавливает, поддерживает и разрывает виртуальное соединение. Обнаруживает ошибки и восстанавливает поврежденную информацию. Network (Сетевой уровень) Функция: обеспечение адресного пространства и выбор пути передачи пакетов через сеть Обеспечивает установление соединения между сетевыми устройствами Data Link (Канальный уровень) Функция: контроль состояния канала, доступ к физическому сегменту сети Обеспечивает надежную передачу данных по физическому каналу связи Physical (Физический уровень) Функция: передача двоичного кода Основные термины: кабельная линия, разъемы (коннекторы), напряжение, скорость передачи данных. Модель OSI демонстрирует как пакеты последовательно обрабатываются на соответствующих уровнях и передаются по сети, даже если отправитель и получатель используют различные физические сети. Модель OSI состоит из 7-ми уровней, каждый из которых выполняет определенную функию. Модель OSI позволяет разделить процесс сетевого взаимодействия устройств на модули ограниченные соответствующими уровнями, это упрощает процесс управления сетью, исключает распространение изменений, сделанных на одном из уровней на другие уровни модели.

7 Основы функционирования IP-сетей. Межуровневая связь. Передача видео по IP-сетям. Хост А (получатель) Хост Б (отправитель) данные сегменты пакеты кадры биты Чтобы информация могла быть передана по сети каждый уровень модели OSI на стороне отправителя должен установить связь с соответствующим уровнем на стороне получателя. Процесс взаимодействия одноименных уровней получателя и отправителя осуществляется за счет обмена сообщениями, организованными по определенному правилу – протоколу. Такие сообщения называются PDU (Protocol Data Unit). Корректное функционирование каждого уровня зависит от правильности обработки информации на предыдущем уровне. При последовательном прохождении через уровни модели OSI PDU более высоких уровней инкапсулируются в PDU более низких уровней. Рис.1 Взаимодействие уровней модели OSI ЗаголовокПолезная нагрузка Рис.2 Структура PDU PDU 7 PDU 6PDU 5PDU 4PDU 3PDU 2PDU 1 Рис.3 Инкапсуляция PDU от уровня к уровню Типы PDU:данные, сегменты, пакеты, кадры, биты

8 Основы функционирования IP-сетей. Инкапсуляция данных. Передача видео по IP-сетям. Процесс инкапсуляции заключается в добавлении к полезной информации протокольных заголовков на каждом из последующих уровней модели Рис. 2 Процесс инкапсуляции Рис. 1 Процесс инкапсуляции ПолучательОтправитель Для передачи данных по сети от отправителя к получателю, данные должны пройти процесс инкапсуляции ШагДействие (сеть должна выполнить пять последовательных шагов для инкапсуляции данных) 1 Формирование сообщения. Когда пользователь отправляет сообщение, оно представляется в виде набора символов, которые могут быть переданы по сети. 2 Упаковка данных для транспортировки. Использование сегментов гарантирует доставку информации. 3 Добавление сетевого адреса и заголовка. Сегменты помещаются в пакет, в заголовке которого содержится адрес отправителя и получателя информации. 4 Добавление заголовка канального уровня - кадра. Пакет помещается в контейнер называемый кадром. Кадр позволяет передать информацию между напрямую связанными сетевыми устройствами. 5 Формирование битового потока. Кадры конвертируются в битовую последовательность.

9 Основы функционирования IP-сетей. Передача данных по сети. Передача видео по IP-сетям. При передаче данных по сети связь между промежуточными устройствами устанавливается только на трех нижних уровнях модели OSI. Рис 1. Процесс установления связи между отправителем и получателем. Устройство первого уровня отправляет информацию если к нему поступили кадры со второго уровня модели, для которого, в свою очередь, поступили пакеты с третьего уровня, содержащие сегменты данных, сгенерированные сетевым приложением, которое использует пользователь. Маршрутизатор, к которому подключен компьютер пользователя, выполняет обратную инкапсуляцию до сетевого уровня, чтобы определить адрес получателя и выбрать следующий маршрутизатор, после выполняется повторная инкапсуляция и передача битового потока следующему маршрутизатору. Процесс выполняется до тех пор пока данные не дойдут до получателя.

10 Основы функционирования IP-сетей. Модель TCP/IP. Передача видео по IP-сетям. Модель TCP/IP была создана министерством обороны США, для создания распределенной сети способной обеспечить надежную связь в военное время. Задачи модели решаемые моделью OSI: Создание сети для надежной связи в военное время Возможность связи через весь спектр каналов связи: эфир, кабель, оптоволокно, спутник Сохранение работоспособности всей сети при выходи из стоя одного или более сегментов Модель также реализует структуру на основе уровней: - Уровень приложений; - Транспортный уровень; - Сетевой уровень; - Уровень доступа к сети. Модель TCP/IP была стандартизирована в 1981 году. Данная модель была принята в качестве модели для построения сети Интернет. Некоторые из уровней модели TCP/IP имеют те же названия, что и уровни модели OSI. Однако задачи выполняемые уровнями отличаются. Рис 1. Модель TCP/IP.

11 Основы функционирования IP-сетей. Модель TCP/IP. Уровень приложений. Передача видео по IP-сетям. Уровень приложений работает с протоколами верхних уровней. Модель TCP/IP объединяет все приложения и соответствующие им протоколы в один уровень. FTP Протокол, обеспечивающий надежное соединение отправителя и получателя информации, используемый для передачи файлов; TFTP Протокол, обеспечивающий не гарантированное соединение отправителя и получателя. Его преимуществом по сравнению с FTP является более производительная работа. Недостатком является отсутствие гарантии доставки данных; SMTP Обеспечивает передачу сообщений электронной почты в IP-сети; Telnet Обеспечивает удаленное подключение к сетевым устройствам; DNS Обеспечивает преобразование IP-адресов в уникальные имена доменов. Таблица 1. Протоколы уровня приложений Введение единого уровня приложений обосновано гарантией того, что данные будут корректно упакованы перед тем как они попадут на следующий уровень. Рис 1. Модель TCP/IP, уровень приложений

12 Основы функционирования IP-сетей. Модель TCP/IP. Транспортный уровень. Передача видео по IP-сетям. Транспортный уровень обеспечивает связь отправителя и получателя информации. Транспортные протоколы сегментируют и восстанавливают данные поступающие от более высоких уровней модели. Рис 1. Модель TCP/IP, транспортный уровень Функциями протоколов TCP и UDP являются: Сегментация данных полученных от верхних уровней модели TCP/IP; Отправка сегментов от одного конечного устройства к другому. Функциями протокола TCP являются: Установление соединения между источником и получателем информации; Обеспечение контроля передачи информации, за счет использования скользящего окна; Обеспечение надежной доставки сегментов за счет нумерации сегментов и использования подтверждений о доставки сегментов. Рис 2. Модель сети Интернет Я отправил #10 Я получил #10 жду #11 Основной задачей транспортного уровня является обеспечение сквозного контроля и надежности передачи информации через IP- сеть. Это достигается за счет использования различных механизмов в рамках протоколов данного уровня – скользящее окно, нумерация пакетов и подтверждения доставки.

13 Основы функционирования IP-сетей. Передача видео по IP-сетям. Основы функционирования IP-сетей. Модель TCP/IP. Сетевой уровень. Передача видео по IP-сетям. Сетевой уровень обеспечивает выбор наилучшего сетевого пути (маршрута) по которому будут переданы пакеты. Основным протоколом данного уровня является протокол IP. Рис 1. Модель TCP/IP, сетевой уровень Рис 2. Выбор маршрута в сети Протокол IP выполняет следующие операции: Формирует IP-пакет и адресную схему; Передает информацию между сетевым уровнем и уровнем доступа к сети; Маршрутизирует (определяет маршрут) пакеты до получателя. IPОбеспечивает доставку пакетов по IP-адресу. Протокол не учитывает тип передаваемого контента, обращая внимание только на IP-адреса отправители и получателя; ICMPиспользуется для контроля состояния канала связи; ARPобеспечивает соответствие MAC- и IP-адресов ; RARPопределяет IP адрес на основе MAC-адреса.

14 Основы функционирования IP-сетей. Передача видео по IP-сетям. Основы функционирования IP-сетей. Модель TCP/IP. Уровень доступа к сети. Передача видео по IP-сетям. Уровень доступа к сети позволяет IP-пакетам получить доступ к физическому каналу связи, входящему в состав сетевой инфраструктуры. Рис 1. Модель TCP/IP, уровень доступа к сети На данном уровне функционируют: драйверы сетевых карт компьютеров; модемы; другие устройства для доступа к сети. Уровень доступа к сети определяет набор процедур для связи рассмотренных ранее уровней модели TCP/IP с оборудованием, непосредственно подключаемым к физическому сегменту сети. Данный уровень определяет тип используемой сети: LAN – Ethernet, FastEthernet; WAN – E1/T1, ATM, FrameRelay. а также протоколы для связи с верхними уровнями: PPP – протокол соединения точка-точка; ARP/RARP – протоколы определния IP и MAC адресов Рис 1. Пример работы протокола ARP 1 Хост А отправляет данные на хост B. Широковещательный запрос – его получают все хосты. 2 Ответом на запрос является ARP-сообщение, содержащее соответствие IP-адреса и MAC-адреса. 3 Осуществляется передача сообщения на MAC адрес получателя 4 Коммутатор хранит таблицу соответствия MAC-адресов и портов к торым подключены соответствующие сетевые устройства

15 Основы функционирования IP-сетей. Передача видео по IP-сетям. Основы функционирования IP-сетей. Сравнение моделей OSI и TCP/IP. Передача видео по IP-сетям. Сеть Интернет разработана и функционирует на основе модели TCP/IP. Модель OSI как правило не используется для построения сетей, она используется для объяснения коммуникационных процессов происходящих в сети. Общие черты моделей: В основе обеих моделей лежит многоуровневая структура; В обеих моделях есть уровень приложений, в который включены различные сервисы; Обе имеют совместимые транспортный и сетевой уровни; В обеих моделях используется коммутация пакетов. Отличия моделей: В модели TCP/IP уровни соответствующие уровням приложений, представления и сессионному уровню модели OSI объединены в единый уровень приложений; Уровни модели TCP/IP соответствующие канальному и физическому уровням модели OSI объединены в уровень доступа к сети. Рис1. Сравнение моделей TCP/IP и OSI Критика в адрес модели OSI: -Пока комитеты ISO спорили о своих стандартах, за их спиной менялась вся концепция организации сетей и по всему миру внедрялся протокол TCP/IP; - Наличие многочисленных уровней сделало эти протоколы медлительными и трудными для реализации. «UNIX. Руководство системного администратора»

16 Основы функционирования IP-сетей. Архитектура сети Интернет. Передача видео по IP-сетям. В сети Интернет используется принцип связности всех сетей входящих в ее состав на сетевом уровне модели OSI. Рис.1 Объединение двух физических сетей через маршрутизатор Маршрутизатор должен обеспечить выбор пути согласно которому будет передан трафик из одной сети в другую. Рис.2 Объединение трех физических сетей с использованием двух маршрутизаторов Задачи выполняемые маршрутизатором усложняются по мере роста количества пользователей подключенных к сети. Задача упрощается если маршрутизатор будет хранить список всех сетей (для этого используется адрес сети, рассмотренный ранее), вместо списка всех компьютеров В этом случае все мрашрутизаторы в сети должны обмениваться сообщениями о том, какие сети к ним подключены напрямую. Для обмена информацией о том какие сети подключены к каждому маршрутизатору в глобальной сети используются протоколы маршрутизации: RIP, IGRP, OSPF, BGP и др.

17 Основы функционирования IP-сетей. Архитектура сети Интернет. Передача видео по IP-сетям. Структура сети сети Интернет скрыта от пользователя и является полностью прозрачной при передаче данных от отправителя к получателю. Рис.1 Упрощенная структура сети Интернет Физическая и логическая структура сети внутри облака может быть чрезвычайно сложной На сегодняшний день пользователями сети Интернет являются более 500 млн. пользователей, это является одним из доказательств, подтверждающих эффективность модели TCP/IP, на основе На сегодняшний день в сети Интернет насчитывается порядка сетей различных классов