Сетевое оборудование, как компонент построения сетей

Министерство образования и науки Украины

 

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ

Им. А.С. ПОПОВА

______________________________________________________________

КАФЕДРА СЕТЕЙ СВЯЗИ

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 3

 

нормативной дисциплины

 

“ Телекоммуникационные системы и сети ”

 

образовательно-профессиональной программы подготовки бакалавров

по направлению «ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ»

 

 

 

 

 

Одесса –2014

Лабораторная работа № 3

Проектирование и анализ конфигурации сети TCP/IP с применением программного симулятора Cisco Packet Tracer

Цель работы

1.1. Изучение принципов построения сегментов сети.

1.2 Анализ функционирования сети TCP/IP с применением протоколов ICMP

1.3 Приобретение практических навыков работы в программной оболочке Cisco Packet Tracer.

.

Ключевые положения

Технология Ethernet в настоящее время является самой распространенной технологией локальных сетей. Сети с такой технологией используют метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Суть такого метода доступа к моноканалу состоит в следующем. Все компьютеры подключенные к сети прослушивают состояние среды передачи, и любой компьютер может начать передачу данных только в том случае, если среда свободна. Начав передачу, компьютер продолжает прослушивать физическую среду на предмет возможного возникновения коллизии, т.е. столкновения передаваемого им кадра с кадрами других компьютеров которые, возможно, тоже начали передачу одновременно с данным компьютером. В случае обнаружения коллизии компьютер прекращает передачу своего кадра, посылает в сеть двоичную интерференционную последовательность длиной 32 бита, служащую для усиления коллизии с целью ее скорейшего обнаружения всеми компьютерами сети, выдерживает случайный промежуток времени, после чего снова начинает прослушивать среду, чтобы повторить попытку передачи попавшего в коллизию кадра.

 

Сетевое оборудование, как компонент построения сетей

В любом узловом пункте сети, где сходятся две и более линий связи и который является промежуточным на пути следования потоков данных, могут выполняться такие функции как коммутация, концентрация, мультиплексирование, маршрутизация и т.д. Для их реализации в узловом пункте устанавливаются специальные устройства, которые определяются общим понятием «активное сетевое оборудование». Сетевое устройство может выполнять одну из перечисленных функций и соответственно называться «коммутатор», «концентратор», «маршрутизатор», либо совмещать ряд функций (например, АТС выполняет функции концентрации, коммутации, маршрутизации).

Применение тех или иных устройств зависит от типа организуемого сетевого сегмента (локальная сеть, территориальная сеть), а также требований к производительности сети, возможности ее наращивания (масштабирования) и реконфигурации (изменения топологии).

Сетевой концентратор или хаб (hub) – сетевое устройство предназначенное для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. Концентратор работает на первом (физическом) уровне сетевой модели OSI, соответственно работает только с тактовыми частотами, с битами (0 или 1). Принцип его работы прост все, что пришло на порт хаба, то он и передает на все остальные порты. В настоящее время хабы практически не используются, вместо них используют коммутаторы.

 

Коммутатор (switch)– сетевоеустройство предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов (частей) сети. Коммутатор работает на физическом (первом) и канальном (втором) уровнеях модели OSI, а значит он уже может передавать не просто тактовые частоты, но и прочитывать их, распознавая среди них такой вид информации, как кадр, где в заголовке кадра находится МАС-адрес получателя и отправителя. Принцип работы коммутатора уже более эффективен, так как в отличие от хаба, который распространяет трафик (информацию) от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю по МАС-адресу. На основе таблиц коммутации коммутатор выполняет передачу пакетов, прочитывая МАС-адрес, из одного порта в другой.

 

Взаимодействие узлов сети

 

Узлы взаимодействуют друг с другом путем обмена кадрами (frames). В Ethernet кадр является базовой единицей обмена по сети — любая информация, передаваемая между узлами, помещается в поле данных одного или нескольких кадров. Пересылка кадров от одного узла к другому возможна лишь при наличии способа однозначной идентификации всех узлов сети. Поэтому каждый узел в ЛВС имеет адрес, который называется его МАС-адресом. Этот адрес уникален: никакие два узла локальной сети не могут иметь один и тот же МАС-адрес. Более того, ни в одной из технологий ЛВС (за исключением ARCNet) никакие два узла в мире не могут иметь одинаковый МАС-адрес. Любой кадр содержит, по крайней мере, три основные порции информации: адрес получателя, адрес отправителя и данные. Некоторые кадры имеют и другие поля, но обязательными являются лишь три перечисленные. На рисунке 2.1 отражена структура кадра Fast Ethernet.

Преамбула кадра

Адрес получателя

Адрес отправителя

Длина / Тип

Блок данных

Контроль­ная сумма кадра

8 байт

6 байт

6 байт

2 байт

46-1500 байт

4 байт

Рисунок 2.1. Структура кадра Fast Ethernet

·преамбула кадра (признак начала кадра) – предназначена для синхронизации отправителя и получателя. Преамбула представляет собой 7 - байтовую последовательность единиц и нулей. Поле признака начала кадра имеет размер 1 байт. Эти поля не принимаются в расчёт при вычислении длины кадра.

· адрес получателя – указывается адрес узла, получающего данные;

· адрес отправителя – указывается адрес узла, пославшего данные;

· длина/Тип (L/T – Length/Type) – содержится информация о типе или длине передаваемых данных. Если поле задаёт длину, она указывается в двух байтах. Если тип - то содержимое поля указывает на тип протокола верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IP поле имеет значение 0х800.

·блок данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины.

· контрольная сумма кадра (FCS – Frame Check Sequence) — предназначена для проверки корректности полученного принимающим узлом кадра.

Минимальный объем кадра составляет 64 октета, или 512 битов (термины октет и байт — синонимы). Максимальный объем кадра равен 1518 октетам, или 12144 битам.

Адресация в IP-сетях

Каждый компьютер в сети имеет адреса трех типов:

• Физический (МАС-адрес) - локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов (48 бит): старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем.

• Сетевой (IP-адрес) - состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC). Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

• Символьный (DNS –имя) - этот адрес назначается администратором и может состоять из нескольких частей - имени машины, имени организации, имени домена, например - Genher, Maxx. Такой адрес используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

Стек протоколов TCP/IP работает с сетевыми (IP-адрес) адресами. IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например: 128.10.2.3 - традиционная десятичная форма представления адреса, 10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса в битах. Также IP-адрес принято разбивать на 4-ре октета, состоящего из 8-ми бит (следовательно, длина IP-адреса 8*4=32 бита), соответственно каждый октет при переводе в десятичную форму может быть записан в диапазоне от 0 до 255, т.к. 2⁸=256.

 

IP-адрес состоит из двух частей: адреса сети и номера хоста (узла). Под хостом понимают один компьютер, подключенный к сети. Существует 5 классов IP-адресов. Эти классы отличаются друг от друга количеством битов, отведенных на адрес сети и адрес хоста (узла, пользователя, компьютера) в сети. На рисунке 2.1 показаны эти пять классов.

 

 

Рисунок 2.1 – Классы IP-адресов

 

Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

• Сети класса А предназначены главным образом для использования с несколькими очень крупными сетями, т.к. они обеспечивают всего 7 битов для поля адреса сети. Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей).

• Сети класса В выделяют 14 битов для поля адреса сети и 16 битов для поля адреса хоста. Этот класс адреса обеспечивает хороший компромисс между адресным пространством сети и хост. Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.

• Сети класса С выделяют 22 бита для поля адреса сети. Однако сети класса С обеспечивают только 8 битов для поля адреса хост, поэтому число главных вычислительных машин, приходящихся на сеть, может стать ограничивающим фактором. Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.

• Адреса класса D резервируются для групп с многопунктовой адресацией (в соответствии с официальным документом RFC 1112). В адресах класса D четыре бита наивысшего порядка устанавливаются на значения 1,1,1 и 0. Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

• Адреса класса Е также определены IP, но зарезервированы для использования в будущем. В адресах класса Е все четыре бита наивысшего порядка устанавливаются на 1. Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

 

В таблице 2.1 приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

 

Таблице 2.1 – Диапазоны адресов сетей в соответствии с классовой адресации

 

Класс	Наименьший адрес	Наибольший адрес
A	01.0.0	126.0.0.0
B	128.0.0.0	191.255.0.0
C	192.0.1.0.	223.255.255.0
D	224.0.0.0	239.255.255.255
E	240.0.0.0	247.255.255.255

 

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов:

• если IР-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет;

• если в поле номера сети стоят 0, то по умолчанию считается, что этот узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет;

• если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast);

• если в поле адреса назначения стоят сплошные 1, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast);

• адрес 127.0.0.1 зарезервирован для организации обратной связи при тестировании работы программного обеспечения узла без реальной отправки пакета по сети. Этот адрес имеет название loopback.