Топология сетей передачи данных.

Геометрическое расположение линий связи относительно узлов сети и физическое подключение узлов к сети называется физической топологией. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры. Различают физическую и логическую топологию. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга. Физическая топология - это геометрия построения сети, а логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети и способы передачи данных.

Среди топологических схем наиболее популярными являются (см. рис. 4.1):

1.Шина. 2,Звезда.3,Кольцо. Многокаскадные и многосвязные сети

Рис. 4.1. Примеры сетевых топологий

К первым трем типам топологии относятся 99% всех локальных сетей. Наиболее популярный тип сети - Ethernet, может строиться по схемам 1 и 2. Вариант 1 наиболее дешев, так как требует по одному интерфейсу на машину и не нуждается в каком-либо дополнительном оборудовании. Сети TokenRing и FDDI используют кольцевую топологию (3 на рис. 4.1), где каждый узел должен иметь два сетевых интерфейса. Эта топология удобна для оптоволоконных каналов, где сигнал может передаваться только в одном направлении (но при наличии двух колец, как в FDDI, возможна и двунаправленная передача). Нетрудно видеть, что кольцевая топология строится из последовательности соединений точка-точка.

Используется и немалое количество других топологий, которые являются комбинациями уже названных. Примеры таких топологий представлены на рис. 4.2.

Вариант А на рис. 4.2 представляет собой схему с полным набором связей (все узлы соединены со всеми), такая схема используется только в случае, когда необходимо обеспечить высокую надежность соединений. Эта версия требует для каждого из узлов наличия n-1 интерфейсов при полном числе узлов n. Вариант Б является примером нерегулярной топологии, а вариант В - иерархический случай связи (древовидная топология).

Если топологии на рис. 4.1 чаще применимы для локальных сетей, то топологии на рис. 4.2 более типичны для региональных и глобальных сетей. Выбор топологии локальной или региональной сети существенно сказывается на ее стоимости и рабочих характеристиках. При этом важной характеристикой при однородной сети является среднее число шагов между узлами d. , где n_d - число ЭВМ на расстоянии d. n - полное число ЭВМ в сети; d - расстояние между ЭВМ. Для сети типа А на рис. 4.2 d=1. Сеть типа В характеризуется графом без циклических структур (дерево).

Рис. 4.2. Различные сетевые топологические схемы

Современные вычислительные системы используют и другие топологии: решетки (А), кубы (В), гипердеревья (Б), гиперкубы и т.д. (см. рис. 4.3). Но так как некоторые вычислительные системы (кластеры) базируются на сетевых технологиях, я привожу и такие примеры. В некоторых системах топология может настраиваться на решаемую задачу.

Рис. 4.3. Некоторые топологии вычислительных систем

 

 

Трансляция сетевых адресов.

Любой сети, желающей подключиться к Интернет, необходим набор IP адресов, которые может выделить любая имеющая на это право организация. Существуют три класса IP адресов: класс А, внутри которого можно описать до 16777214 хостов, класс В, позволяющий описать до 65533 хостов и класс С с 254 хостами.

Бум, который переживает Интернет в последние годы, привел к тому, что сети класса А и В в настоящее время стали недоступны для организаций и отдельных пользователей. Поэтому Вам может быть выделена только сеть класса С, с 254 адресами. При большем числе хостов вам потребуются другие сети класса С, что усложняет работу администратора. Другой способ решения проблемы состоит в использовании трансляции сетевых адресов (NAT).

Трансляция сетевых адресов - это технология, которая позволяет использовать для внутренней сети любые адреса, возможно даже из класса А; при этом сохраняется одновременный и прозрачный доступ в Интернет для всех хостов.
Механизм функционирования такого процесса достаточно прост: каждый раз, когда хост с зарезервированным адресом пытается получить доступ в Интернет, межсетевой экран контролирует эту попытку и автоматически преобразует его адрес в разрешенный. Когда хост назначения отвечает и посылает данные на разрешенный адрес, межсетевой экран преобразует его обратно в зарезервированный адрес и передает данные внутреннему хосту. При этом ни клиент, ни сервер не знают о существовании этого преобразования.

Кроме уже упомянутых преимуществ, трансляция сетевых адресов позволяет все хосты внутренней сети сделать невидимыми для внешней сети, что увеличивает уровень безопасности.

Адресация в локальной сети

Независимо от технических возможностей, адреса внутренней сети не следует выбирать случайным образом. Специально для этих целей существуют зарезервированные адреса. Эти адреса не присвоены и никогда не будут присвоены какому-либо хосту, непосредственно соединенному с Интернет.

Зарезервированными являются следующие адреса:

От 10.0.0.0 до 10.255.255.255, маска 255.0.0.0 (класс A)
От 172.16.0.0 до 172.31.0.0, маска 255.255.0.0 (класс B)
От 192.168.0.0 до 192.168.255.255, маска 255.255.255.0 (класс C)

NAT (от англ. NetworkAddressTranslation — «преобразование сетевых адресов») — это механизм в сетях TCP/IP, позволяющий преобразовывать IP-адреса транзитных пакетов. Также имеет названия IP Masquerading, NetworkMasquerading и NativeAddressTranslation.

 

Функционирование

Преобразование адресов методом NAT может производиться почти любым маршрутизирующим устройством — маршрутизатором, сервером доступа, межсетевым экраном. Наиболее популярным является SNAT, суть механизма которого состоит в замене адреса источника (англ. source) при прохождении пакета в одну сторону и обратной замене адреса назначения (англ. destination) в ответном пакете. Наряду с адресами источник/назначение могут также заменяться номера портов источника и назначения.

 

Помимо source NAT (предоставления пользователям локальной сети с внутренними адресами доступа к сети Интернет) часто применяется также destination NAT, когда обращения извне транслируются межсетевым экраном на компьютер пользователя в локальной сети, имеющий внутренний адрес и потому недоступный извне сети непосредственно (без NAT).

 

Существует 3 базовых концепции трансляции адресов: статическая (StaticNetworkAddressTranslation), динамическая (DynamicAddressTranslation), маскарадная (NAPT, NAT Overload, PAT).

Статический NAT — Отображение незарегистрированного IP адреса на зарегистрированный IP адрес на основании один к одному. Особенно полезно, когда устройство должно быть доступным снаружи сети.

Динамический NAT — Отображает незарегистрированный IP адрес на зарегистрированный адрес от группы зарегистрированных IP адресов. Динамический NAT также устанавливает непосредственное отображение между незарегистрированным и зарегистрированным адресом, но отображение может меняться в зависимости от зарегистрированного адреса, доступного в пуле адресов, во время коммуникации.

Перегруженный NAT (NAPT, NAT Overload, PAT, маскарадинг) — форма динамического NAT, который отображает несколько незарегистрированных адресов в единственный зарегистрированный IP адрес, используя различные порты. Известен также как PAT (PortAddressTranslation)

При перегрузке, каждый компьютер в частной сети транслируется в тот же самый адрес, но с различным номером порта.

Преимущества

NAT выполняет важных функции.

1. Позволяет сэкономить IP-адреса (только в случае использования NAT в режиме PAT), транслируя несколько внутренних IP-адресов в один внешний публичный IP-адрес (или в несколько, но меньшим количеством, чем внутренних). По такому принципу построено большинство сетей в мире: на небольшой район домашней сети местного провайдера или на офис выделяется 1 публичный (внешний) IP-адрес, за которым работают и получают доступ интерфейсы с приватными (внутренними) IP-адресами.

2. Позволяет предотвратить или ограничить обращение снаружи ко внутренним хостам, оставляя возможность обращения изнутри наружу. При инициации соединения изнутри сети создаётся трансляция. Ответные пакеты, поступающие снаружи, соответствуют созданной трансляции и поэтому пропускаются. Если для пакетов, поступающих снаружи, соответствующей трансляции не существует (а она может быть созданной при инициации соединения или статической), они не пропускаются.

3. Позволяет скрыть определённые внутренние сервисы внутренних хостов/серверов. По сути, выполняется та же указанная выше трансляция на определённый порт, но возможно подменить внутренний порт официально зарегистрированной службы (например, 80-й порт TCP (HTTP-сервер) на внешний 54055-й). Тем самым, снаружи, на внешнем IP-адресе после трансляции адресов на сайт (или форум) для осведомлённых посетителей можно будет попасть по адресу http://example.org:54055, но на внутреннем сервере, находящимся за NAT, он будет работать на обычном 80-м порту. Повышение безопасности и скрытие «непубличных» ресурсов.

 

 

Упаковка потока Е1 в STM1

 

Рис.1 Структура кадра STM1

Кадр STM1 состоит из 9 строк и 270 столбцов. Первые 9 столбцов отводятся под служебные сигналы: секционные заголовки SOH(Section Over Head), состоящий из 3х строк RSOH (RegenerationSOH) и 5и строк MSOH(MultiplexSOH), и A U-P(Administrative Unit Pointer).

 

Рис.2 Виртуальный кадр VC.

Виртуальный контейнер состоит из нагрузочной часть и приставки в виде «Трактового заголовка»(POH – Path Over Head), необходимого для отслеживания надежности транспортировки контейнера через сеть, а также обозначения типа нагрузки и выявления ошибок.

 

Различают виртуальные контейнеры низшего уровня (LO-Low Order) – VC11 VC12 VC2(к ним добавляется только 1 байт POH) и контейнеры высшего уровня (HO-High Order) – VC3 VC4(к ним добавляется 9 байт POH).

VC11=25(байт)+1(байт)=26(байт), VC12=34(байт)+1(байт)=35(байт), VC2=106(байт)+1(байт)=107(байт)

VC3=756(байт)+9(байт)=768(байт), VC4=2340(байт)+9(байт)=2349(байт)

В случаях работы с POH виртуальных контейнеров низшего уровня приходится прибегать к технологии мультикадра т.к. невозможно всю информацию записать в один байт, т.е. вся информация записывается не в одном POH виртуального контейнера, а в нескольких.

V5,J2,Z6,Z7-заголовки низшего ранга. Сверх цикл имеет продолжительность 500мкс.

 

Чтобы обьединенить нескольких виртуальных контейнеров в один большой, необходимо нашему контейнеру присвоить определенное количество байт TU-P(Tributary Unit Pointer), в результате чего он становится TU(Tributary Unit). Которые мы можем мультиплексировать в TUG(Tributary Unit Group). Если TUG получился не достаточно большого размера, можно мультиплексировать несколько TUG еще раз.

К TUG необходимо добавить еще один POH и определенное количество выравнивающих байтов, в результате чего мы получим виртуальный контейнер высшего уровня, который можно отправлять в STM1.

Поток Е1 обрабатывает 32 байта за цикл 125мкс. Для него максимально подходит виртуальный контейнер VC12 с 34 нагрузочными байтами (2 байта остаются запасными для подстройки частоты). Добавив к нему POH и TU-P получим (следует учитывать что это часть мультикадра т.к. VC12 – LO виртуальный кадр):

Рис.3 TU12 (36 байт):

Потом 3 TU12 инкапсулируем, побайтовым мультиплексированием в TUG2 (108 байт):

Рис.5: 7*TUG2=TUG3 (774 байта)

Рис.6: 3*TUG3+POH=VC4 (2349 байт)

VC4+AU-P+SOH=STM1

Упаковка потока Е3 в STM1

Рис.1 Структура кадра STM1

Кадр STM1 состоит из 9 строк и 270 столбцов. Первые 9 столбцов отводятся под служебные сигналы: секционные заголовки SOH(Section Over Head), состоящий из 3х строк RSOH (RegenerationSOH) и 5и строк MSOH(MultiplexSOH), и A U-P(Administrative Unit Pointer).

 

Рис.2 Виртуальный кадр VC.

Виртуальный контейнер состоит из нагрузочной часть и приставки в виде «Трактового заголовка»(POH – Path Over Head), необходимого для отслеживания надежности транспортировки контейнера через сеть, а также обозначения типа нагрузки и выявления ошибок.

Различают виртуальные контейнеры низшего уровня (LO-Low Order) – VC11 VC12 VC2(к ним добавляется только 1 байт POH) и контейнеры высшего уровня (HO-High Order) – VC3 VC4(к ним добавляется 9 байт POH).

VC11=25(байт)+1(байт)=26(байт), VC12=34(байт)+1(байт)=35(байт), VC2=106(байт)+1(байт)=107(байт)

VC3=756(байт)+9(байт)=768(байт), VC4=2340(байт)+9(байт)=2349(байт)

В случаях работы с POH виртуальных контейнеров низшего уровня приходится прибегать к технологии мультикадра т.к. невозможно всю информацию записать в один байт, т.е. вся информация записывается не в одном POH виртуального контейнера, а в нескольких.

V5,J2,Z6,Z7-заголовки низшего ранга. Сверх цикл имеет продолжительность 500мкс.

 

Чтобы обьединенить нескольких виртуальных контейнеров в один большой, необходимо нашему контейнеру присвоить определенное количество байт TU-P(Tributary Unit Pointer), в результате чего он становится TU(Tributary Unit). Которые мы можем мультиплексировать в TUG(Tributary Unit Group). Если TUG получился не достаточно большого размера, можно мультиплексировать несколько TUG еще раз.

К TUG необходимо добавить еще один POH и определенное количество выравнивающих байтов, в результате чего мы получим виртуальный контейнер высшего уровня, который можно отправлять в STM1.

Поток Е3 обрабатывает 512 байта за цикл 125мкс. Для него максимально подходит виртуальный контейнер VC3 с 756 нагрузочными байтами (лишние байты распределяются равномерно в потоке E3). Добавив к нему POH и TU-P:

Рис.3 TU3 (768 байт):

Потом TU3 инкапсулируем, TUG3 (774 байт):

Рис.6: 3*TUG3+POH=VC4 (2349 байт)

VC4+AU-P+SOH=STM1

Упаковка потока E4 в STM1

 

Рис.1 Структура кадра STM1

Кадр STM1 состоит из 9 строк и 270 столбцов. Первые 9 столбцов отводятся под служебные сигналы: секционные заголовки SOH(Section Over Head), состоящий из 3х строк RSOH (RegenerationSOH) и 5и строк MSOH(MultiplexSOH), и A U-P(Administrative Unit Pointer).

Рис.2 Виртуальный кадр VC.

Виртуальный контейнер состоит из нагрузочной часть и приставки в виде «Трактового заголовка»(POH – Path Over Head), необходимого для отслеживания надежности транспортировки контейнера через сеть, а также обозначения типа нагрузки и выявления ошибок.

 

Различают виртуальные контейнеры низшего уровня (LO-Low Order) – VC11 VC12 VC2(к ним добавляется только 1 байт POH) и контейнеры высшего уровня (HO-High Order) – VC3 VC4(к ним добавляется 9 байт POH).

VC11=25(байт)+1(байт)=26(байт), VC12=34(байт)+1(байт)=35(байт), VC2=106(байт)+1(байт)=107(байт)

VC3=756(байт)+9(байт)=768(байт), VC4=2340(байт)+9(байт)=2349(байт)

В случаях работы с POH виртуальных контейнеров низшего уровня приходится прибегать к технологии мультикадра т.к. невозможно всю информацию записать в один байт, т.е. вся информация записывается не в одном POH виртуального контейнера, а в нескольких.

V5,J2,Z6,Z7-заголовки низшего ранга. Сверх цикл имеет продолжительность 500мкс.

 

Чтобы обьединенить нескольких виртуальных контейнеров в один большой, необходимо нашему контейнеру присвоить определенное количество байт TU-P(Tributary Unit Pointer), в результате чего он становится TU(Tributary Unit). Которые мы можем мультиплексировать в TUG(Tributary Unit Group). Если TUG получился не достаточно большого размера, можно мультиплексировать несколько TUG еще раз.

К TUG необходимо добавить еще один POH и определенное количество выравнивающих байтов, в результате чего мы получим виртуальный контейнер высшего уровня, который можно отправлять в STM1.

Поток Е4 обрабатывает 2048 байта за цикл 125мкс. Для него максимально подходит виртуальный контейнер VC4 с 2340 нагрузочными байтами (лишние байты распределяются равномерно в потоке E4). Добавив к нему POH и TU-P:

Рис.3 VC4 (2349 байт):

Потом VC4+AU-P+SOH=STM1