Сети и системы передачи информации Агапов Михаил Николаевич. - презентация

1 Сети и системы передачи информации Агапов Михаил Николаевич

2 Тема 4. Передача информации с помощью пакетов

3 Особенности пакетной передачи информации Коммутация пакетов (англ. packet switching) принцип коммутации, при котором информация разделяется на отдельные пакеты, которые передаются в сети независимо друг от друга.англ.коммутации информацияпакеты В таких сетях по одной физической линии связи могут обмениваться данными много узлов. Основные принципы При коммутации пакетов все передаваемые пользователем данные разбиваются передающим узлом на небольшие (до нескольких килобайт) части пакеты (packet). Каждый пакет оснащается заголовком, в котором указывается, как минимум, адрес узла-получателя и номер пакета. Передача пакетов по сети происходит независимо друг от друга. Коммутаторы такой сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, что позволяет сглаживать пульсации трафика на линиях связи между коммутаторами.Коммутаторы Пакеты иногда называют дейтаграммами (datagram), а режим индивидуальной коммутации пакетов дейтаграммным режимом.дейтаграммами

4 Задержка распространения пакетов Задержка на прием или передачу пакета: t=L/v, L – длина пакета, бит, v- скорость передачи информации, бит/с Пример: длина пакета 1 кбайт=10000 бит, скорость передачи 500 кбит/с. Задержка t=10/500=0,02c. Каждый промежуточный узел вносит свои дополнительные задержки Задержка распространения сигналов: t=R/V, R – расстояние между источником и приемником пакета в км, V – скорость распространения сигнала, обычно – скорость света в той или иной среде передачи. Пример: расстояние Москва-Владивосток около 10 тыс.км, скорость распространения сигнала в оптоволоконном кабеле – 0.6* км/с, задержка t=10/300=0,03c

5 Основные технологии пакетной передачи данных: X.25, Ethernet, ATM, Internet. X.25 семейство протоколов канального уровня сетевой модели OSI. Предназначалось для организации WAN на основе телефонных сетей с линиями с достаточно высокой частотой ошибок, поэтому содержит развитые механизмы коррекции ошибок.канального уровнясетевой модели OSIWAN Разработан Study Group VII Международного союза электросвязи (ITU) в качестве пакетного протокола передачи данных в телефонных сетях принят в 1976 г. и стал основой всемирной системы PSPDN (англ. Packet-Switched Public Data Networks), то есть WAN. Существенные дополнения к протоколу были приняты в 1984 г., в настоящее время действует стандарт ISO 8208 протокола X.25, стандартизовано также и применение X.25 в локальных сетях (стандарт ISO 8881).англ. Пакет данных состоит обычно из 128 байтов, которые передаются по адресу, содержащемуся в пакете. Но длина пакета может лежать в пределах байтов. Размер пакета также как и величина окна (число пакетов, принимаемых без подтверждения) определяются на фазе установления канала. Прежде чем пакет будет передан, необходимо установить связь между исходными ЭВМ/ПАД и адресуемыми ЭВМ/ПАД. Существуют два вида соединений: коммутируемый виртуальный канал (SVC) и постоянный виртуальный канал (PVC).

6 Основные технологии пакетной передачи данных: X.25, Ethernet, ATM, Internet. Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks» [1].Xerox PARC22 мая1973 годаРоберт Меткалф1976 году [1] Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года.1979 году3Comкомпьютеровлокальных вычислительных сетей (ЛВС)DECIntelXerox30 сентября1980 года

7 Основные технологии пакетной передачи данных: X.25, Ethernet, ATM, Internet. Формат кадра - Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX (аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) наиболее распространена и используется по сей день. MAC-адреса При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC-адрес.MAC-адрес

8 Основные технологии пакетной передачи данных: X.25, Ethernet, ATM, Internet. ATM (англ. Asynchronous Transfer Mode асинхронный способ передачи данных) сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования, основанная на передаче данных в виде ячеек (cell) фиксированного размера (53 байта [1] ), из которых 5 байтов используется под заголовок.англ.сетеваябайта [1] Основы технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970-х двумя учеными: Jean-Pierre Coudreuse [2], который работал в исследовательской лаборатории France Telecom, и Sandy Fraser, инженер Bell Labs [3]. Они оба хотели создать такую архитектуру, которая бы осуществляла транспортировку как данных, так и голоса на высоких скоростях, и использовала сетевые ресурсы наиболее эффективно.ФранцииСША [2]France TelecomSandy FraserBell Labs [3] В 1988 г. на собрании ITU в Женеве была выбрана длина ячейки ATM 53 байт [5]. Это был компромисс между специалистами США, которые предлагали длину ячейки 64 байта и специалистами Европы, предлагавшими длину ячейки 32 байта. Ни одна сторона не смогла убедительно доказать преимущество своего варианта, поэтому в итоге объём «полезной» нагрузки составил 48 байт, а для поля заголовка (служебных данных) был выбран размер 5 байтITUЖеневе байт [5]байта байт

9 Основные технологии пакетной передачи данных: X.25, Ethernet, ATM, Internet. Базовые принципы Сеть ATM строится на основе соединенных друг с другом АТМ-коммутаторов. Технология реализуется как в локальных, так и в глобальных сетях. Допускается совместная передача различных видов информации, включая видео, голос.локальныхглобальных сетях Ячейки данных, используемые в ATM, меньше в сравнении с элементами данных, которые используются в других технологиях. Небольшой, постоянный размер ячейки, используемый в ATM, позволяет: Совместно передавать данные с различными классами требований к задержкам в сети, причем по каналам как с высокой, так и с низкой пропускной способностью; Работать с постоянными и переменными потоками данных; Интегрировать на одном канале любые виды информации: данные, голос, потоковое аудио- и видеовещание, телеметрия и т.п.; Поддерживать соединения типа точка–точка, точка–многоточка и многоточка– многоточка. Для маршрутизации в пакетах используют так называемые идентификаторы пакета. Они бывают двух видов: VPI (англ. virtual path identifier) идентификатор виртуального пути (номер канала) VPIангл. VCI (англ. virtual circuit identifier) идентификатор виртуального канала (номер соединения) VCIангл.

10 Инкапсуляция сетевых протоколов Инкапсуляция в компьютерных сетях это метод построения модульных сетевых протоколов, при котором логически независимые функции сети абстрагируются от нижележащих механизмов путём включения или инкапсулирования этих механизмов в более высокоуровневые объекты.компьютерных сетяхсетевых протоколовабстрагируютсяинкапсулирования Туннелирование (от англ. tunnelling - "проложение туннеля") в компьютерных сетях процесс, в ходе которого создается защищенное логическое соединение между двумя конечными точками посредством инкапсуляции различных протоколов. Туннелирование представляет собой метод построения сетей, при котором один сетевой протокол инкапсулируется в другой. От обычных многоуровневых сетевых моделей (таких как OSI или TCP/IP) туннелирование отличается тем, что инкапсулируемый протокол относится к тому же или более низкому уровню, чем используемый в качестве тоннеля.англ. компьютерных сетяхсетевой протоколинкапсулируетсясетевых моделейOSITCP/IP

11 Туннелирование сетевых протоколов Суть туннелирования состоит в том, чтобы «упаковать» передаваемую порцию данных, вместе со служебными полями, в новый «конверт» для обеспечения конфиденциальности и целостности всей передаваемой порции, включая служебные поля. Туннелирование может применяться на сетевом и на прикладном уровнях. Комбинация туннелирования и шифрования позволяет реализовать закрытые виртуальные частные сети. Туннелирование обычно применяется для согласования транспортных протоколов либо для создания защищённого соединения между узлами сети В процессе инкапсуляции (туннелирования) принимают участие следующие типы протоколов: транспортируемый протокол; несущий протокол; протокол инкапсуляции. Протокол транзитной сети является несущим, а протокол объединяемых сетей транспортируемым. Пакеты транспортируемого протокола помещаются в поле данных пакетов несущего протокола с помощью протокола инкапсуляции. Пакеты-«пассажиры» не обрабатываются при транспортировке их по транзитной сети никаким образом. Инкапсуляцию выполняет пограничное устройство (маршрутизатор или шлюз), которое находится на границе между исходной и транзитной сетями. Извлечение пакетов транспортируемого протокола из несущих пакетов выполняет второе пограничное устройство, расположенное на границе между транзитной сетью и сетью назначения. Пограничные устройства указывают в несущих пакетах свои адреса, а не адреса узлов в сети назначения. Ip over x.25, x.25 over ip, ppp over Ethernet и т.п.

12 IP-телефония, Skype. Голосовой поток данных 64кбит/с разбиваем на пакеты Пакет 1,5кбайт – задержка 0,2с Пакет 800байт – задержка 0,1с Пакет 100 байт – задержка 0,01с Стоимость 1 мбайта на современной HDD: 1Тбайт=10^12байт цена 1000 руб, или 10^5 коп 1мбайт стоит 0,1коп Стоимость 1мин голосового трафика – 8кбайт/с*60с = 0,5мбайт Запись 1мин.голосого трафика – 0,05 коп/мин

13 История развития сети Интернет В 1957 году Министерство обороны США посчитало, что на случай войны Америке нужна надёжная система передачи информации. Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) предложило разработать для этого компьютерную сеть. Разработка такой сети была поручена Калифорнийскому университету в Лос-Анджелесе, Стэнфордскому исследовательскому центру, Университету Юты и Университету штата Калифорния в Санта-Барбаре. Компьютерная сеть была названа ARPANET (англ. Advanced Research Projects Agency Network), и в 1969 году в рамках проекта сеть объединила четыре указанных научных учреждения. Все работы финансировались Министерством обороны США. Затем сеть ARPANET начала активно расти и развиваться, её начали использовать учёные из разных областей науки.1957 годуМинистерство обороны СШААмерикеинформации Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США компьютерную сеть Калифорнийскому университетуЛос-АнджелесеСтэнфордскому исследовательскому центруУниверситету ЮтыУниверситету штата КалифорнияСанта-Барбаре ARPANETангл.1969 годунауки Первый сервер ARPANET был установлен 2 сентября 1969 года в Калифорнийском университете (Лос-Анджелес). Компьютер Honeywell DP-516 имел 24 Кб оперативной памяти2 сентября1969 годаКомпьютероперативной памяти

14 История развития сети Интернет 29 октября 1969 года в 21:00 между двумя первыми узлами сети ARPANET, находящимися на расстоянии в 640 км в Калифорнийском университете Лос- Анджелеса (UCLA) и в Стэнфордском исследовательском институте (SRI) провели сеанс связи. Чарли Клайн (Charley Kline) пытался выполнить удалённое подключение из Лос-Анджелеса к компьютеру в Стэнфорде. Успешную передачу каждого введённого символа его коллега Билл Дювалль (Bill Duvall) из Стэнфорда подтверждал по телефону. 29 октября1969 годателефону В первый раз удалось отправить всего три символа «LOG», после чего сеть перестала функционировать. LOG должно было быть словом LOGON (команда входа в систему). В рабочее состояние систему вернули уже к 22:30 и следующая попытка оказалась успешной. Именно эту дату можно считать днём рождения Интернета. В декабре 1969 была создана экспериментальная сеть, соединившая четыре узла:1969 Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA) Калифорнийский университет в Санта-Барбара (UCSB) Исследовательский университет Стэнфорда (SRI) Университет штата Юта

15 История развития сети Интернет К 1971 году была разработана первая программа для отправки электронной почты по сети. Эта программа сразу стала очень популярна.1971 годупрограммаэлектронной почты В 1973 году к сети были подключены через трансатлантический телефонный кабель первые иностранные организации из Великобритании и Норвегии, сеть стала международной.1973 годутрансатлантический телефонный кабельВеликобританииНорвегии В 1970-х годах сеть в основном использовалась для пересылки электронной почты, тогда же появились первые списки почтовой рассылки, новостные группы и доски объявлений. Однако в то время сеть ещё не могла легко взаимодействовать с другими сетями, построенными на других технических стандартах. К концу 1970-х годов начали бурно развиваться протоколы передачи данных, которые были стандартизированы в годах. Активную роль в разработке и стандартизации сетевых протоколов играл Джон Постел. 1 января 1983 года сеть ARPANET перешла с протокола NCP на TCP/IP, который успешно применяется до сих пор для объединения (или, как ещё говорят, «наслоения») сетей. Именно в 1983 году термин «Интернет» закрепился за сетью ARPANET.1970-х годахсписки почтовой рассылкиновостные группы годах Джон Постел1 январяNCP TCP/IP В 1984 году была разработана система доменных имён (англ. Domain Name System, DNS).1984 годудоменных имёнангл.DNS

16 История развития сети Интернет : в сети Интернет начали применяться цифровые каналы связи В 1988 году был разработан протокол Internet Relay Chat (IRC), благодаря чему в Интернете стало возможно общение в реальном времени (чат).1988 годуIRCчат В 1989 году в Европе, в стенах Европейского совета по ядерным исследованиям (ЦЕРН) родилась концепция Всемирной паутины. Её предложил знаменитый британский учёный Тим Бернерс-Ли, он же в течение двух лет разработал протокол HTTP, язык HTML и идентификаторы URI.1989 годуЕвропеЕвропейского совета по ядерным исследованиямТим Бернерс-ЛиHTTPHTMLURI В 1991 году Всемирная паутина стала общедоступна в Интернете, а в 1993 году появился знаменитый веб-браузер NCSA Mosaic. Всемирная паутина набирала популярность.1991 году1993 годувеб-браузерNCSA Mosaic Можно считать, что существует две ясно различимые эры в истории Web: [до браузера Mosaic] Марка Андриссена и после : America On-Line (AOL) – оптоволоконная сеть

17 Интернет по-русски Словарь русского языка Российской академии наук под редакцией В. В. Лопатина рекомендует написание слова с прописной буквы [4] : Интерне́т (род. падеж Интерне́та). Однако Институт русского языка РАН в своей экспертизе, проведённой в 2000 году, заключил, что слово «интернет» должно писаться со строчной буквы и склоняться по шести основным падежам. [5] Написание со строчной буквы используется в сложных словах, таких как «интернет-портал» и «интернет-магазин», где первая часть фактически представляет собой прилагательное. Некоторые издания (например, «Яндекс», «Коммерсантъ», «Наука и жизнь» и др.) считают, что собственное имя Всемирной сети уже стало нарицательным, и употребляют написание со строчной буквы.Российской академии наукпрописной буквы [4]Институт русского языка РАНстрочной буквышести основным падежам [5]интернет-порталинтернет-магазинЯндексКоммерсантъНаука и жизнь нарицательным Слово «Интернет» склоняется по правилам русской грамматики как существительное мужского рода, ничем не отличаясь от таких слов, как «интернат» и «интерфейс». Поэтому писать следует: «в Интернете», «структура Интернета» [ [

18 Internet Protocol (IP) Internet Protocol (IP) межсетевой протокол. Относится к маршрутизируемым протоколам сетевого уровня семейства TCP/IP. Именно IP стал тем протоколом, который объединил отдельные подсети во всемирную сеть Интернет. Неотъемлемой частью протокола является адресация сети (см. IP-адрес).протокол маршрутизируемымсетевого уровняTCP/IPподсетиИнтернет IP-адрес IP не гарантирует надёжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в котором были отправлены, продублироваться (приходят две копии одного пакета), оказаться повреждёнными (обычно повреждённые пакеты уничтожаются) или не прийти вовсе. В современной сети Интернет используется IP четвёртой версии, также известный как IPv4. В протоколе IP этой версии каждому узлу сети ставится в соответствие IP-адрес длиной 4 октета (4 байта). При этом компьютеры в подсетях объединяются общими начальными битами адреса.ИнтернетIP-адресоктетабайта подсетяхбитамиадреса Протокол описан в RFC 791 (сентябрь 1981 года), заменившем RFC 760 (январь 1980 года).RFC 791RFC 760

19 Ip адреса Представление адреса – например, Зарезервированные адреса Некоторые адреса IPv4 зарезервированы для специальных целей и не должны быть глобально маршрутизируемыми

20 Формат IP пакета

21 Версия Первым полем пакета является версия протокола размером в четыре бита. Для IPv4 это 4.Размер заголовка Следующие четыре бита содержат размер заголовка пакета в 32-битных словах. Поскольку число опций не постоянно, указание размера важно для отделения заголовка от данных. Минимальное значения равно 5 (5×32=160 бит, 20 байт), максимальное 15 (60 байт).словах Differentiated Services Code Point (DSCP)Изначально называлось «тип обслуживания» (Type of Service, ToS), в настоящее время определяется RFC 2474 как «Differentiated Services». Используется для разделения трафика на классы обслуживания, например для установки чувствительному к задержкам трафику, такому как VoIP большего приоритета.RFC 2474VoIP Указатель перегрузки (Explicit Congestion Notification, ECN) Предупреждение о перегрузке сети без потери пакетов. Является необязательной функцией и используется только если оба хоста её поддерживают. Размер пакета 16-битный полный размер пакета в байтах, включая заголовок и данные. Минимальный размер равен 20 байтам (заголовок без данных), максимальный байт. Хосты должны поддерживать передачу пакетов размером до 576 байт, но современные реализации обычно поддерживают гораздо больший размер. Пакеты большего размера, чем поддерживает канал связи, фрагментируются.

22 Формат IP пакета Идентификатор Преимущественно используется для идентификации фрагментов пакета если он был фрагментирован. Существуют эксперименты по его использованию для других целей, таких как добавление информации о трассировке пакета для упрощения отслеживания пути пакета с подделанным адресом источника. [10] [10] Флаги Поле размером три бита содержащее флаги контроля над фрагментацией. Биты, от старшего к младшему, означают:0: Зарезервирован, должен быть равен 0. [11] [11] 1: Не фрагментировать 2: У пакета ещё есть фрагменты Если установлен флаг «не фрагментировать», то в случае необходимости фрагментации такой пакет будет уничтожен. Может использоваться для передачи данных хостам, не имеющим достаточных ресурсов для обработки фрагментированных пакетов.Флаг «есть фрагменты» должен быть установлен в 1 у всех фрагментов пакета, кроме последнего. У нефрагментированных устанавливается в 0 такой пакет считается собственным последним фрагментом. Смещение фрагмента Поле размером в 13 бит, указывает смещение текущего фрагмента от начала передачи фрагментированного пакета в блоках по 8 байт. Позволяет (2 13 1)×8=65528 байт смещения, что превышает максимальный размер пакета. Первый фрагмент в последовательности имеет нулевое смещение.

23 Формат IP пакета «Время жизни» (Time to Live, TTL) пакета. Позволяет предотвратить закольцовывание пакетов в сети путем уничтожения пакетов, превысивших время жизни. Указывается в секундах, интервалы менее секунды округляются до одной секунды. На практике каждый маршрутизатор уменьшает время жизни пакетов на единицу (что справедливо при существующих типичных задержках в сети). Пакеты, время жизни которых стало равно нулю уничтожаются, а отправившему посылается сообщение ICMP Time Exceeded. На отправке пакетов с разным временем жизни основана трассировка их пути прохождения (traceroute).ICMPtraceroute Протокол Указывает, данные какого протокола содержит пакет (например, TCP или ICMP). Присвоенные номера протоколов можно найти на сайте IANA. [12]IANA [12] Контрольная сумма заголовка 16-битная контрольная сумма, используемая для проверки целостности заголовка. Каждый хост или маршрутизатор сравнивает контрольную сумму заголовка со значением этого поля и отбрасывает пакет, если они не совпадают. Целостность данных IP не проверяет она проверяется протоколами более высоких уровней (такими, как TCP или UDP), которые тоже используют контрольные суммы.Поскольку TTL уменьшается на каждом шаге прохождения пакета, сумма тоже должна вычисляться на каждом шаге. Метод пересчета контрольной суммы определён в RFC [13]RFC 1071 [13] Адрес источника 32-битный адрес отправителя пакета. Может не совпадать с настоящим адресом отправителя из-за трансляции адресов.трансляции адресов Адрес назначения 32-битный адрес получателя пакета. Опции За адресом назначения может следовать поле дополнительных опций, но оно используется редко. Размер заголовка в этом случае должен быть достаточным чтобы вместить все опции (с учетом дополнения до целого числа 32-битных слов).

24 Автономные системы в сети Интернет Автономная система (AS) в интернете это система IP-сетей и маршрутизаторов, управляемых одним или несколькими операторами, имеющими единую политику маршрутизации с Интернетом. См. RFC 1930 для дополнительной информации по данному определению.интернетеIPRFC 1930 Уникальный номер AS (или ASN) присваивается каждой AS для использования в BGP маршрутизации. На середину 2011 года в глобальной таблице маршрутизации представлено более 37 тысяч автономных систем.BGPмаршрутизации Номера AS выделяются Internet Assigned Numbers Authority, которая также выделяет IP-адреса, региональным интернет-регистраторам (Regional Internet Registry) блоками. Локальные RIR затем присваивают организации номер AS из блока, полученного от IANA. Организации, желающие получить ASN, должны пройти процесс регистрации в своем локальном RIR и получить одобрение. Текущий список присвоенных ASN можно увидеть на веб-сайте IANA: [1], более подробную информацию о владельце автономной системы можно запросить у RIR, выдавшего этот ASN.Internet Assigned Numbers AuthorityIP-адресарегиональным интернет-регистраторам[1] Любой пакет сначала доставляется до автономной системы получателя, и лишь затем доставка идет внутри автономной системы получателя пакета

25 Маршрутизация Маршрутизация (англ. Routing) процесс определения маршрута следования информации в сетях связи.англ. Маршруты могут задаваться административно (статические маршруты), либо вычисляться с помощью алгоритмов маршрутизации, базируясь на информации о топологии и состоянии сети, полученной с помощью протоколов маршрутизации (динамические маршруты).статические маршрутыалгоритмов маршрутизациипротоколов маршрутизации Статическими маршрутами могут быть: маршруты, не изменяющиеся во времени; маршруты, изменяющиеся по расписанию;

26 Протокол BGP BGP (англ. Border Gateway Protocol, протокол граничного шлюза) осноангл. Протокол BGP предназначен для обмена информацией о достижимости подсетей между автономными системами (АС), то есть группами маршрутизаторов под единым техническим управлением, использующими протокол внутридоменной маршрутизации для определения маршрутов внутри себя и протокол междоменной маршрутизации для определения маршрутов доставки пакетов в другие АС. Передаваемая информация включает в себя список АС, к которым имеется доступ через данную систему. Выбор наилучших маршрутов осуществляет исходя из правил, принятых в сети.вной протокол динамической маршрутизации в Интернете.автономными системамипротокол внутридоменной маршрутизации протоколмаршрутизацииИнтернете BGP, наряду с DNS, является одним из главных механизмов, обеспечивающих функционирование Интернета.DNS Номер AS/блок адресов Порт маршрутизатора Расстояние до AS назначения

27 Обработка потока пакетов ip маршрутизатором - разбор и проверка заголовка - выбор маршрута - проверка содержимого пакета