Подготовка курса Сетевые технологии

2021-08-17 · 11 мин. для прочтения
blog computer-science

Курс Сетевые технологии.

Содержание

1 Активности

1.1 Лекции

1.1.1 Базовые понятия

  • Базовые понятия в области систем и сетей телекоммуникаций.
  • Общие принципы построения модели взаимодействия открытых систем (ISO/OSI), иерархия протоколов различных стеков протоколов

1.1.2 Физический уровень

  • Физический уровень.
  • Среда передачи.
  • Активное сетевое оборудование.
  • Модуляция сигналов.
  • Кодирование сигнала

1.1.3 Канальный уровень

  • Канальный уровень модели ISO/OSI.
  • Протоколы доступа к среде.
  • Подуровни LLC и MAC.
  • Стандарт IEEE 802.2.
  • Форматы кадров.

1.1.4 Стандарты серии IEEE 802

  • Стандарты серии IEEE 802.
  • Метод доступа CSMA/CD, спецификация физической среды.
  • Развитие технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.
  • Полнодуплексная передача

1.1.5 Стандарты серии IEEE 802

  • Стандарты серии IEEE 802.
  • Сети с маркерным доступом: Token Bus, Token Ring, FDDI.
  • Технология 100VG-AnyLAN.
  • Технологии региональных сетей

1.1.6 Сетевой уровень

  • Сетевой уровень модели ISO/OSI.
  • Соответствие эталонной модели OSI.
  • Формат кадра IPv4, IPv6.
  • Адресация IPv4 и IPv6

1.1.7 Маршрутизация

  • Маршрутизация.
  • Ядерная маршрутизация.
  • Статическая, динамическая маршрутизация.

1.1.8 Транспортный уровень

  • Транспортный уровень.
  • Протоколы TCP, UDP; концепция портов, сессии TCP.
  • Передача пакетов TCP, параметры передачи, MTU, окно.
  • Надёжная доставка.
  • Протоколы SCTP и DCCP.

1.2 Лабораторные работы

1.2.1 Методы кодирования и модуляция сигналов

  • Уровень ISO/OSI: физический уровень
  • Цели работы:
    • Изучение методов кодирования и модуляции сигналов с помощью высокоуровнего языка программирования Octave.
    • Определение спектра и параметров сигнала.
    • Демонстрация принципов модуляции сигнала на примере аналоговой амплитудной модуляции.
    • Исследование свойства самосинхронизации сигнала.

1.2.2 Расчёт сети Fast Ethernet

  • Уровень ISO/OSI: канальный уровень
  • Цели работы:
    • Изучение принципов технологий Ethernet и Fast Ethernet.
    • Практическое освоение методик оценки работоспособности сети, построенной на базе технологии Fast Ethernet.
  • Содержание лабораторной работы:
    • Правила построения сети.
    • Расчёт конфигурации сети Fast Ethernet.

1.2.3 Wireshark. Канальный уровень

1.2.4 Wireshark. Сетевой уровень

  • Уровень ISO/OSI: сетевой уровень
  • Цели работы:
    • Исследовать функционирование протоколов сетевого уровня.
    • Рассмотрение протоколов ARP и ICMP.
  • Содержание лабораторной работы:
    • Протокол ARP.
    • Протокол ICMP. Утилита ping.
    • Протокол ICMP. Утилита traceroute.
  • Задания
    • С помощью утилиты traceroute постройте маршрут до некоторого (выбранного Вами) хоста.
      • Исследуйте структуру пакетов при построении маршрута.
      • Постройте маршрут с помощью утилиты ping.
      • Исследуйте структуру пакетов при построении маршрута.
      • Сравните результаты, полученные с помощью traceroute и ping.

1.2.5 Packet Tracer. Моделирование простой сети

  • Уровень ISO/OSI: сетевой уровень
  • Содержание лабораторной работы:

1.2.6 Packet Tracer. Адресация IPv4 и IPv6

  • Уровень ISO/OSI: сетевой уровень
  • Содержание лабораторной работы:
    • Разбиение сети IPv4 на подсети.
    • Статическая маршрутизация сетей IPv4.
    • Настройка автоматической выдачи адресов в сети IPv4.
    • Адресация IPv6.
    • Статическая маршрутизация в сетях IPv6.
    • Настройка автоматической выдачи адресов в сети IPv6.

1.2.7 Packet Tracer. Динамическая маршрутизация

  • Уровень ISO/OSI: сетевой уровень
  • Содержание лабораторной работы:
    • Моделирование сети с динамической маршрутизацией

1.2.8 Wireshark. Транспортный уровень

  • Уровень ISO/OSI: транспортный уровень
  • Содержание лабораторной работы:
    • Порты транспортного уровня.
    • Установка соединения TCP (TCP-handshake).
  • Задания
    • Захватить несколько прикладных протоколов и исследовать, как они используют порты транспортного уровня.
    • Захватить пакеты DHCP. Какие особенности выделения портов можно наблюдать.
    • С помощью клиента ftp подключитесь к какому-либо ftp-серверу.
      • Выберите пассивный вариант ftp. Какие особенности выделения портов можно наблюдать.
      • Выберите активный вариант ftp. Какие особенности выделения портов можно наблюдать.

1.3 Доклады

1.3.1 Общие вопросы

  • Развитие сетей связи.
  • Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI.
  • Организации стандартизации в области телекоммуникаций.
  • Основные понятия теории телетрафика.
  • Особенности распространения радиоволн различных диапазонов.
  • Антенны.
  • Радиорелейные системы передачи.
  • Беспроводные абонентские линии (Radio in Local Loop).
  • Системы спутниковой связи.
  • Низкоорбитальные спутниковые системы.
  • Глобальные системы определения координат GPS и ГЛОНАСС.
  • Стандарты телевидения PAL, SECAM, NTSC.
  • Цифровое телевидение.
  • Телевидение высокой четкости HDTV.
  • Развитие сетей ТФОП в России.
  • Развитие сетей ISDN в России.
  • Развитие сетей Frame Relay в России.
  • Развитие сетей АТМ в России.
  • Развитие сетей IP в России.
  • Общая характеристика стеков сетевых протоколов OSI; TCP/IP; IPX/SPX; NetBIOS/SMB.
  • Функциональное назначение основных видов сетевого оборудования.
  • Оборудование для доступа к сетям. Доступ к Интернет. Мультиплексоры доступа DSLAM.
  • Структура стандартов IEEE 802.1 - 802.5.
  • Протокол LLC уровня управления логическим каналом.
  • Протоколы управления качеством обслуживания в локальных сетях 802.1p/q.
  • Протоколы доступа к территориальным сетям по выделенным линиям SLIP, протокол РРР и MLPPP.
  • Протоколы межсетевого взаимодействия стека Novell: IPX, SPX.
  • Соглашения по уровню обслуживания (SLA) с оператором сети.
  • Управление уровнем обслуживания.

1.3.2 Физический уровень

  • Линии связи на основе симметричных кабелей.
  • Линии связи на основе коаксиальных кабелей.
  • Линии связи на основе волоконно-оптических кабелей.
  • Источники оптического излучения: лазеры, светодиоды и пр.
  • Фотоприемники.
  • Оптические компоненты.
  • Структурированные кабельные системы СКС.
  • Преобразование аналоговых сигналов в цифровые и обратно: АЦП и ЦАП.
  • Технологии мультиплексирования по длине волны WDM и DWDM.

1.3.3 Канальный уровень

  • Алгоритмы низкоскоростной передачи речевых сигналов.

  • Кодирование дискретных сообщений.

  • Помехоустойчивые коды.

  • Семейство протоколов HDLC.

  • Виды модуляции.

  • Методы разделения каналов.

  • Методы множественного доступа.

  • Модемы: классификация, виды, назначение.

  • Стандарты RS-232, V.24 и V.25.

  • Сравнительный анализ модемных технологий.

  • Линейное кодирование и технологии цифровых абонентских линий xDSL. Стандарт G.992.2 (G.lite).

  • Асимметричные цифровые абонентские линии ADSL.

  • Сети с коммутацией каналов.

  • Сети с коммутацией пакетов.

  • Сети Х.25.

  • Сети Frame Relay.

  • Цифровые сети интегрального обслуживания ISDN.

  • Системы передачи плезиохронной иерархии PDH.

  • Системы передачи синхронной иерархии SDH.

  • Интерфейс G.703.

  • Технология асинхронного режима доставки АТМ.

  • Интерфейсы АТМ.

  • Сети Ethernet.

  • Fast Ethernet.

  • Gigabit Ethernet.

  • n-Gigabit Ethernet.

  • Беспроводные локальные сети (Wireless LAN).

  • Оборудование локальных сетей: концентраторы, мосты, коммутаторы.

  • Беспроводные сети передачи данных Wi-Fi. Стандарт IEEE 802.11g и др.

  • Ethernet на первой миле (Ethernet in First Mile). Стандарт IEEE 802.3ah и др.

  • Передача данных по электропроводке. Стандарт HomePlug.

  • Стандарты территориально-распределенных беспроводных сетей широкополосного доступа IEEE 802.16a и др.

  • Стандарт электропитания сетевых устройств Power over Ethernet (PoE) IEEE 802.3af-2003.

  • Стандарты серии IEEE 802.

  • Сети с маркерным доступом: Token Bus, Token Ring, FDDI.

  • Технология 100VG-AnyLAN.

  • Технологии региональных сетей.

  • Системы сигнализации в телефонных сетях.
  • Устройство и принцип действия аналоговых и цифровых телефонных аппаратов.
  • Система сигнализации №7 (SS7).
  • Транзит SS7 по IP-сетям.
  • Конверторы сигнализации.
  • Стандарты сжатия видеосигналов.
  • Сотовые системы подвижной связи.
  • Стандарт GSM.
  • Стандарт CDMA.
  • Системы персонального радиовызова (пейджинг).
  • Транкинговые системы связи.
  • Системы беспроводных телефонов.

1.3.4 Сетевой уровень

  • Стек протоколов TCP/IP.
  • Адресация IP.
  • Механизм масок в сетях IP.
  • Особенности IPv6.
  • Передача речевых сигналов в IP-сетях (Voice over IP).
  • Передача изображений в IP-сетях (Video over IP).
  • Обеспечение качества обслуживания (QoS) в сетях передачи данных.
  • Протокол резервирования ресурсов RSVP в IP сетях.
  • Протоколы передачи трафика реального времени RTP и RTCP в IP сетях.
  • Технологии коммутации 3 уровня.
  • Обеспечение информационной безопасности в IP сетях.
  • Протоколы защищённых каналов: SSL, IPSec, PPTP.
  • Протоколы ускоренной маршрутизации. Технология маршрутизации по меткам MPLS.
  • Технология виртуальных частных сетей VPN.
  • Интеграция IP и IN.
  • Интранет и виртуальные частные сети.
  • Городские сети MAN.
  • Маршрутизация.
  • Ядерная маршрутизация.
  • Статическая, динамическая маршрутизация.

1.3.5 Транспортный уровень

  • Протокол TCP.
  • Протокол UDP.
  • Протокол SCTP.
  • Протокол маршрутизации RIP.
  • Протокол маршрутизации OSPF.
  • Протокол маршрутизации BGP.

1.4 Содержание для РПД

1.4.1 Понятие протокола. Иерархия протоколов. Интерфейсы и службы. Обмен данными

Базовые понятия: протокол как набор правил взаимодействия, иерархическая организация протоколов (уровни), интерфейс между уровнями (способ передачи данных между соседними уровнями), служба (сервис), предоставляемый вышележащему уровню. Рассматриваются типы служб: с установлением соединения (TCP) и без установления (UDP), с подтверждением и без. Обсуждается понятие инкапсуляции (данные вышележащего уровня становятся полезной нагрузкой нижележащего). Вводится модель «клиент-сервер» и «пиринговая» (одноранговая) модель обмена данными.

1.4.2 Общие принципы построения модели взаимодействия открытых систем

Эталонная модели OSI (Open Systems Interconnection), разработанной ISO. Рассматриваются семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный, прикладной. Для каждого уровня объясняется его назначение, основные функции, протоколы и блоки данных (PDU). Обсуждаются принципы модульности, стандартизации интерфейсов, прозрачности передачи. Проводится сравнение модели OSI с практической моделью TCP/IP. Анализируются преимущества уровневого подхода (независимость, повторное использование, упрощение отладки).

1.4.3 Кодирование сигнала, среда передачи, кабельная система, стандарты кабельной системы

Физический уровень передачи данных. Рассматриваются методы кодирования: потенциал (NRZ, NRZI), манчестерское кодирование, MLT-3, PAM-5, коды с возвратом к нулю (RZ). Обсуждаются среды передачи: витая пара (экранированная и неэкранированная, категории 5e, 6, 6a, 7, 8), коаксиальный кабель, оптическое волокно (одномодовое, многомодовое), беспроводные среды (радио, ИК-диапазон). Вводятся стандарты кабельных систем: EIA/TIA-568 (структурированная кабельная система), правила прокладки, максимальные длины сегментов, типы коннекторов (RJ-45, LC, SC, BNC).

1.4.4 Протоколы доступа к среде (протокол CSMA, полнодуплексный доступ, маркерное кольцо)

Методы управления доступом к общей среде передачи. Рассматриваются случайные методы: CSMA (Carrier Sense Multiple Access) и его варианты: CSMA/CD (Collision Detection) для Ethernet, CSMA/CA (Collision Avoidance) для Wi-Fi. Объясняется алгоритм: прослушивание несущей, передача, обнаружение коллизии, бинарная экспоненциальная задержка. Изучается полнодуплексный доступ (отсутствие коллизий, отдельные пары для приёма и передачи). Рассматривается детерминированный метод — маркерное кольцо (Token Ring, IEEE 802.5): передача маркера, захват, освобождение, приоритеты.

1.4.5 Стандарты серии IEEE 802. Подуровни LLC и MAC. Стандарт IEEE 802.2. Форматы кадров

Семейство стандартов IEEE 802, разделяющих канальный уровень на два подуровня: LLC (Logical Link Control, IEEE 802.2) и MAC (Media Access Control). LLC обеспечивает связь с сетевым уровнем, поддерживает три типа сервиса (неподтверждённый без соединения, с соединением, подтверждённый без соединения). MAC управляет доступом к среде и адресацией (MAC-адреса длиной 48 бит). Рассматриваются форматы кадров: Ethernet II (DIX), IEEE 802.3 с полем длины, LLC/SNAP (Subnetwork Access Protocol) для совместимости. Анализируются поля: преамбула, SFD, адреса назначения/источника, тип/длина, данные, FCS (CRC).

1.4.6 Метод доступа CSMA/CD, спецификация физической среды. Развитие технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Полнодуплексная передача

Эволюция Ethernet. Исходный CSMA/CD: коллизионный домен, минимальный размер кадра (64 байта), правило 5-4-3. Физические спецификации: 10Base-5 (толстый коаксиал), 10Base-2 (тонкий коаксиал), 10Base-T (витая пара, концентраторы). Fast Ethernet (100 Мбит/с): спецификации 100Base-TX, 100Base-FX, сохранение метода CSMA/CD, но сокращение диаметра коллизионного домена. Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с): спецификации 1000Base-T (витая пара Cat5e), 1000Base-SX/LX (оптика), введение полудуплексного режима с расширением несущей и агрегацией кадров. Полнодуплексная передача: отключение CSMA/CD, удвоение пропускной способности, соединение точка-точка.

1.4.7 Другие технологии локальных сетей. Технология 100VG–AnyLAN. Token Ring

Альтернативные LAN-технологии. Технология 100VG-AnyLAN (IEEE 802.12): метод доступа с приоритетами (Demand Priority), концентратор управляет опросом запросов, поддержка кадров Ethernet и Token Ring, использование 4-парной кабеля (категории 3, 4, 5), максимальная длина 100 м. Token Ring (IEEE 802.5, скорость 4 и 16 Мбит/с): топология логическое кольцо, физическая звезда (MAU), приоритеты (8 уровней), раннее освобождение маркера для 16 Мбит/с. Обсуждаются преимущества и недостатки этих технологий, причины их вытеснения Ethernet.

1.4.8 Стек протоколов TCP/IP. Соответствие эталонной модели OSI

Архитектура стека TCP/IP. Уровни: сетевых интерфейсов (соответствует физическому и канальному OSI), межсетевой (сетевой уровень OSI), транспортный (транспортный OSI), прикладной (сеансовый, представительный, прикладной OSI). Обсуждается практическое отображение: протоколы уровня сетевых интерфейсов (Ethernet, Wi-Fi, PPP), межсетевой уровень (IP, ICMP, ARP), транспортный (TCP, UDP), прикладной (HTTP, FTP, SMTP, DNS, SSH). Анализируются ключевые принципы: сквозная доставка, маршрутизация, ненадёжность IP-сети, надёжность TCP.

1.4.9 Сетевой уровень. Протоколы сетевого уровня. Межсетевой уровень стека протоколов TCP/IP. IP, ICMP, ARP

Протоколы межсетевого уровня. IP (Internet Protocol) — основной протокол маршрутизации, обеспечивает негарантированную доставку датаграмм. ICMP (Internet Control Message Protocol) — передача служебных сообщений об ошибках (Destination Unreachable, Time Exceeded, Redirect) и диагностических запросов (Echo Request/Reply — ping). ARP (Address Resolution Protocol) — преобразование IP-адреса в MAC-адрес в локальной сети, механизмы ARP-кэширования, gratuitous ARP, ARP-spoofing. Обсуждаются также RARP, Inverse ARP, Proxy ARP.

1.4.10 Формат кадра IP. IP адресация. Взаимодействие межсетевого уровня с физическим. Фрагментация IP

Детализация структуры IP-пакета (IPv4). Поля: версия, длина заголовка, тип сервиса (DSCP/ECN), общая длина, идентификатор, флаги (DF, MF), смещение фрагмента, TTL, протокол (TCP=6, UDP=17, ICMP=1), контрольная сумма заголовка, адреса источника и назначения, опции. IP-адресация: классы A, B, C, D, E; маска подсети (CIDR — префиксная запись /n), публичные и частные адреса (RFC 1918), broadcast, multicast. Взаимодействие с физическим уровнем: ARP для определения MAC, MTU (Maximum Transmission Unit). Фрагментация: разбиение датаграммы на фрагменты при превышении MTU, сборка на узле назначения по полям ID, флаги и смещение.

1.4.11 Транспортный уровень. Протоколы TCP, UDP; концепция портов, сессии TCP. Передача пакетов TCP, параметры передачи, MTU, окно. Надёжная доставка

Транспортный уровень стека TCP/IP. UDP (User Datagram Protocol): негарантированная передача датаграмм, минимальные накладные расходы (8-байтный заголовок: порты, длина, контрольная сумма), используется для DNS, SNMP, VoIP, видеоконференций. TCP (Transmission Control Protocol): надёжная установка соединения (трёхэтапное рукопожатие: SYN, SYN-ACK, ACK), порты (источник/назначение), номера последовательности и подтверждения, окно (window size) для управления потоком, контрольная сумма, флаги (SYN, ACK, FIN, RST, PSH, URG). Параметры передачи: MSS (Maximum Segment Size) на основе MTU, таймеры (retransmission timeout). Механизмы надёжной доставки: подтверждения (ACK), повторная передача потерянных сегментов, селективные подтверждения (SACK). Завершение соединения (четырёхэтапное закрытие с FIN/ACK).

2 Оценивание

3 Ресурсы

3.1 Запись занятий

3.2 Материалы курса

Education Network
Дмитрий Сергеевич Кулябов
Authors
Дмитрий Сергеевич Кулябов
Профессор кафедры теории вероятностей и кибербезопасности
Работаю профессором на кафедре теории вероятностей и кибербезопасности Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы. Научные интересы относятся к области теоретической физики и математического моделирования.