ТКС

Первый этап характеризуется появлением электрической связи — созданием первого электромагнитного телеграфа, изобретённого в начале 30-х годов XIX века русским учёным П.Л. Шиллингом. Задача увеличения дальности связи была решена академиком Б.С. Якоби, предложившим в 1858 г. телеграфную трансляцию. Тогда же положено начало изобретением дуплексного телеграфирования.

В 1869 г. предложен способ одновременного телеграфирования по общей цепи с помощью токов различных частот. Началом развития телефонной связи считается 1876 г., когда А. Белл предложил применять для передачи речи электромагнитный прибор — телефон. В 1880 г. создана схема одновременной передачи сигналов телеграфирования и телефонирования на основе частотного разделения каналов, что создало предпосылки для построения многоканальных систем передачи (МСП).

Второй вариант развития многоканальной связи начинается с создания дуплексных усилителей в 1915 г. Третий этап характеризуется решением проблемы многоканальности: к 1930 г. появилась трёхканальная аппаратура, в 1940 г. — первая в СССР 12-канальная система передачи по воздушным линиям из цветных металлов; после войны налажено производство аппаратуры К-12, К-24, К-60, К-120, К-300, К-1920, К-2700, К-5400, К-10800.

Изобретение радио 7 мая 1895 г. позволило передавать сигналы посредством электромагнитных волн. В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на УКВ (ультракороткие волны) — первая радиорелейная линия. Первая РРЛ (радиорелейная линия) в нашей стране осуществлена в 1953 г. между Москвой и Рязанью. В апреле 1965 г. в СССР запущен ИСЗ (искусственный спутник Земли) «Молния-1». В 1960 г. создан первый лазер, в 1970 г. получено сверхчистое стекло для оптических кабелей. В 1947 г. фирмой «Белл» предложена ИКМ (импульсно-кодовая модуляция), в 1962 г. введена в эксплуатацию первая коммерческая система ИКМ-24.

Источник: п. 1.1 учебного пособия.

Электросвязь (telecommunication) — передача сообщений (информации) с помощью электромагнитных сигналов. Совокупность оборудования (аппаратуры) для передачи/приёма сигналов электросвязи и среды их распространения называется системой электросвязи или телекоммуникационной системой. Совокупность телекоммуникационных систем, объединённых по принципам территориального расположения, функционирования и подчинённости, называется сетью электросвязи (сетью связи) или телекоммуникационной сетью.

Телекоммуникационная сеть общего пользования — сеть, доступ к которой открыт для всех потребителей. Телекоммуникационная сеть доступа — часть сети между пунктом её окончания и ближайшим узлом (центром) коммутации включительно.

Основной стратегической целью МСЭ (Международный союз электросвязи, ITU) является создание Глобальной информационной структуры, в результате чего будут реализованы две тенденции развития — глобализация и персонализация связи. Глобализация — создание Всемирной сети связи, в которую интегрируются национальные, региональные и абонентские сети. Персонализация согласно концепции UPT (Universal Personal Telecommunication) выражается в том, что каждый житель Земли с момента рождения получает персональный номер, регистрируемый во Всемирной сети связи.

Источник: п. 1.1, 1.2 учебного пособия.

Телекоммуникации делятся на два вида: однонаправленные (массовые радиовещание и телевещание — передача от центра к абонентам) и двунаправленные (диалог между двумя абонентами). Используются механические и электрические средства.

Согласно рекомендациям МСЭ телеинформационные службы делятся на телеслужбы и службы передачи. Службы передачи ориентированы на транспортировку сообщений и не несут ответственности за совместимость функций оконечных терминалов с сетью. Телеслужбы реализуются совместно терминалами пользователей и сетью и структурно состоят из ресурсов сети и оконечного оборудования пользователей.

Телеслужбы разделяют на четыре типа: интерактивные (диалог); электронных сообщений/обработки сообщений (на принципе хранения — речи, текста, документов, видео); информационные (доступ к базам данных, например, службы Интернет); вещательные (одно- или многоадресная односторонняя передача — радио, ТВ).

Основные виды: телеграфная связь, телефонная связь, радиосвязь, спутниковая связь, компьютерные сети. Сети классифицируют по охватываемой территории: локальные (LAN) — на небольшой территории; глобальные (WAN) — в различных городах/регионах/странах; городские (MAN) — для связи LAN внутри города и с WAN. Отдельно выделяют корпоративные сети — виртуальные сети предприятий с далеко расположенными филиалами.

Источник: п. 1.2 учебного пособия.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Протокол — формализованный набор правил и соглашений, определяющий формат сообщений и порядок их обмена между объектами сети одного уровня. Стандарт — документ, принятый признанным органом (ISO/IEC, IEEE, ITU-T, IETF), фиксирующий согласованные требования к протоколам, интерфейсам и оборудованию.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection) разработана ISO в 1984 г. (ISO/IEC 7498) и определяет семь уровней, каждый из которых решает строго определённый круг задач и предоставляет сервис вышележащему уровню через стандартизованный интерфейс:

7 — прикладной (Application): предоставляет интерфейс к сетевым услугам для прикладных программ (HTTP, FTP, SMTP, DNS).

6 — представления (Presentation): отвечает за представление данных — кодирование, сжатие, шифрование (ASN.1, TLS, JPEG).

5 — сеансовый (Session): организация, поддержание и завершение сеансов взаимодействия (RPC, NetBIOS).

4 — транспортный (Transport): сквозная (end-to-end) доставка данных между процессами, сегментация, управление потоком, надёжность (TCP, UDP).

3 — сетевой (Network): логическая адресация и маршрутизация пакетов между сетями (IP, ICMP, IPX).

2 — канальный (Data Link): формирование кадров, доступ к среде, обнаружение и коррекция ошибок (Ethernet, PPP, HDLC).

1 — физический (Physical): передача битов по физической среде — электрические, оптические и радиоинтерфейсы, кодирование, разъёмы (RJ-45, оптоволокно, V.35).

Принцип: данные пользователя при передаче последовательно инкапсулируются сверху вниз (добавляются заголовки каждого уровня), а при приёме — декапсулируются снизу вверх. Взаимодействие «горизонтальное» логически идёт на одном уровне, а физически — через все нижележащие уровни обеих систем.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Прикладной уровень (Application, L7). Верхний уровень модели; обеспечивает доступ прикладных процессов к сетевым услугам. Работает с логическими объектами уровня пользователя — файлами, сообщениями, веб-ресурсами. Типовые протоколы: HTTP/HTTPS, FTP, SMTP/POP3/IMAP, DNS, SSH, SNMP (Simple Network Management Protocol), Telnet. На этом уровне определяются семантика операций (GET, POST, READ, WRITE) и форматы прикладных сообщений.

Уровень представления (Presentation, L6). Обеспечивает унифицированное представление данных при передаче между системами с разной внутренней кодировкой. Функции: преобразование форматов (ASCII ↔ EBCDIC, порядок байтов), сжатие (DEFLATE, LZW), шифрование и контроль целостности (TLS/SSL, ASN.1/BER). Это избавляет прикладной уровень от знания «машинного» представления данных удалённого узла.

Сеансовый уровень (Session, L5). Организует и управляет сеансами связи между прикладными процессами: установление, синхронизация, восстановление после сбоев, упорядоченное завершение. Поддерживает диалог (симплекс/полудуплекс/дуплекс), расстановку контрольных точек (checkpoints). Типовые реализации: NetBIOS, RPC (Remote Procedure Call), PPTP, сессионные сервисы SIP.

Транспортный уровень (Transport, L4). Обеспечивает сквозную логическую связь «процесс-процесс» (в отличие от «хост-хост» на уровне 3). Выполняет сегментацию сообщений, управление потоком (flow control), обнаружение и повторную передачу потерянных данных, мультиплексирование по номерам портов. Два основных режима: гарантированная доставка с установлением соединения (TCP — окна, подтверждения, повторные передачи) и дейтаграммный режим без гарантий (UDP — минимальный заголовок, подходит для голоса, DNS, потокового видео).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Сетевой уровень (Network, L3). Отвечает за логическую адресацию (IP-адреса) и маршрутизацию пакетов между различными сетями. Выполняет фрагментацию пакетов при переходе через сети с разным MTU (Maximum Transmission Unit — максимальный размер передаваемого блока), определяет оптимальный маршрут на основе таблиц маршрутизации и протоколов маршрутизации (OSPF, BGP, RIP, IS-IS). Основные протоколы: IPv4/IPv6, ICMP (диагностика), ARP (связка L3↔L2). Устройство уровня — маршрутизатор.

Канальный уровень (Data Link, L2). Обеспечивает передачу данных в пределах одного звена сети (канала). Делится на два подуровня: LLC (Logical Link Control, IEEE 802.2) — управление логическим каналом, обнаружение ошибок; MAC (Media Access Control) — управление доступом к среде и физическая адресация (MAC-адреса). Формирует кадры, добавляет контрольные суммы (CRC). Типовые протоколы: Ethernet, PPP (Point-to-Point Protocol), HDLC (High-level Data Link Control), Wi-Fi (802.11). Устройства уровня — коммутаторы, мосты.

Физический уровень (Physical, L1). Передача битового потока по физической среде. Определяет электрические, оптические, радиочастотные характеристики сигналов, схемы линейного кодирования (NRZ, Manchester, 4B/5B, 8B/10B), типы разъёмов и кабелей, уровни напряжений, тактовые частоты. Устройства уровня — повторители, концентраторы (хабы), трансиверы, модемы.

Пример прохождения данных (отправка электронного письма). На отправителе: (L7) почтовый клиент формирует письмо по SMTP → (L6) данные кодируются (MIME/base64) и возможно шифруются (TLS) → (L5) устанавливается сессия с почтовым сервером → (L4) TCP сегментирует данные, добавляет порт 25/587 и номер последовательности → (L3) IP добавляет адреса отправителя и получателя, выбирает маршрут → (L2) Ethernet оформляет кадр с MAC-адресами и CRC (Cyclic Redundancy Check — циклический избыточный код) → (L1) биты передаются по витой паре. На получателе процесс идёт в обратном порядке: каждый уровень «снимает» свой заголовок и передаёт полезную нагрузку выше.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Коммуникационный протокол — совокупность правил и соглашений, определяющих синтаксис (форматы сообщений и полей), семантику (смысл команд и ответов) и временные характеристики (порядок и таймауты) обмена между сетевыми объектами. Протоколы одного уровня разных систем взаимодействуют логически «горизонтально», физически — через все нижележащие уровни.

Стек протоколов — упорядоченный набор протоколов, в котором каждый уровень использует сервисы нижележащего и предоставляет сервис вышележащему. Наиболее распространённые стеки:

Стек TCP/IP (Интернет-стек). Четыре уровня: прикладной (HTTP, FTP, SMTP, DNS, SSH), транспортный (TCP, UDP), межсетевой (IP, ICMP, ARP), канальный/физический (Ethernet, Wi-Fi, PPP). Фактически доминирующий стек в глобальных и локальных сетях; является основой Интернета.

Стек IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802 (локальные сети). Охватывает уровни 1 и 2 модели OSI: физический уровень + MAC + LLC (802.2). Включает семейства 802.3 (Ethernet), 802.11 (Wi-Fi), 802.15 (Bluetooth, ZigBee), 802.16 (WiMAX). Поверх него обычно работает IP и TCP.

Стек SS7 (системы сигнализации №7). Используется в телефонных сетях для сигнализации: MTP (уровни 1-3), SCCP, ISUP, TCAP, INAP/CAP.

Соответствие OSI и TCP/IP: прикладной TCP/IP ≈ L5+L6+L7 OSI; транспортный TCP/IP ≈ L4 OSI; межсетевой TCP/IP ≈ L3 OSI; канальный TCP/IP ≈ L1+L2 OSI.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Локальные сети (LAN) работают преимущественно на уровнях 1 и 2 модели OSI, поверх которых разворачивается стек TCP/IP. Основные протоколы канального уровня стандартизованы семейством IEEE 802:

IEEE 802.2 (LLC, Logical Link Control) — подуровень управления логическим каналом; единый для всех технологий 802.x. Определяет три типа сервиса: LLC1 (без установления соединения, без подтверждения — наиболее распространённый), LLC2 (с установлением соединения, с подтверждением — HDLC-подобный), LLC3 (без соединения, с подтверждением).

IEEE 802.3 (Ethernet) — наиболее распространённая технология LAN. Метод доступа CSMA/CD (в половинном дуплексе) или полнодуплексная коммутируемая работа. Скорости от 10 Мбит/с до 400 Гбит/с.

IEEE 802.5 (Token Ring) — устаревшая кольцевая технология с передачей маркера; 4 и 16 Мбит/с. Практически вытеснена Ethernet.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface, ANSI X3T9.5) — двойное оптическое кольцо 100 Мбит/с с передачей маркера; использовалась в магистральных сегментах 1990-х.

IEEE 802.11 (Wi-Fi) — беспроводные LAN. Метод доступа CSMA/CA, частоты 2,4/5/6 ГГц.

IEEE 802.15 (WPAN) — персональные беспроводные сети: Bluetooth (802.15.1), ZigBee (802.15.4).

Сетевой и транспортный уровни в LAN — практически всегда стек TCP/IP: IP/ICMP (Internet Control Message Protocol)/ARP на L3, TCP/UDP на L4. Служебные протоколы: DHCP (автоконфигурация), DNS (разрешение имён), LLDP/CDP (обнаружение соседей), STP/RSTP (предотвращение петель в коммутируемой сети), VLAN (Virtual LAN — виртуальная ЛВС) по IEEE 802.1Q.

Под мультиплексированием (связисты используют термин уплотнение) понимают объединение нескольких меньших по ёмкости входных каналов связи в один канал большей ёмкости для его передачи по одному выходному каналу. Такой канал часто называют агрегатным, а трафик — агрегированным. Основной задачей при объединении телефонных каналов является устранение взаимного влияния соседних каналов.

Широко используются два метода: с частотным разделением каналов (частотное мультиплексирование) и с временным разделением каналов (временное мультиплексирование). В оптических системах связи применяется метод мультиплексирования с разделением по длине волны — волновое мультиплексирование (WDM).

При временном мультиплексировании двоичных потоков коммутатор мультиплексора последовательно отбирает из каналов логически осмысленную последовательность бит. Этот процесс называется интерливингом (чередованием). Виды интерливинга: бит-интерливинг, байт-интерливинг, символьный интерливинг, блок-интерливинг. На приёмной стороне демультиплексор выделяет выборки и распределяет их по каналам.

Источник: п. 1.3, 1.3.3 учебного пособия.

Три цифровые иерархии, разработанные в начале 80-х годов, получили общее название плезиохронных цифровых иерархий — ПЦИ (PDH). Американская (АС): скорость ПЦК (первичный цифровой канал) T1 = 1544 кбит/с, n = 24, двадцать четыре ОЦК (основной цифровой канал) по 64 кбит/с. Японская (ЯС): ПЦК та же — 1544 кбит/с. Европейская (ЕС): ПЦК E1 = 2048 кбит/с, n = 30, тридцать ОЦК по 64 кбит/с плюс два дополнительных тайм-слота (0 и 16) для синхронизации и сигнализации.

На верхних уровнях используется внутренняя побитовая синхронизация: мультиплексор выравнивает скорости входных потоков путём добавления выравнивающих бит в каналы с меньшей скоростью (положительное выравнивание). Также применяются отрицательное выравнивание (изъятие бит) и смешанное. Благодаря этому на выходе формируется синхронизированная цифровая последовательность.

Такой процесс передачи называется плезиохронным (почти синхронным). Стандартные скорости (кбит/с): АС — 1544-6312-44736-274176; ЯС — 1544-6312-32064-97728-397200; ЕС — 2048-8448-34368-139264-564992.

Источник: п. 1.5, 1.5.1, 1.5.2 учебного пособия.

Под мультиплексированием понимают объединение нескольких меньших по ёмкости входных каналов связи в один канал большей ёмкости. Такой канал часто называют агрегатным, а трафик — агрегированным.

Мультиплексоры сетей SONET (Synchronous Optical Networking — американский аналог SDH)/SDH (Synchronous Digital Hierarchy) рассчитаны на поддержку входных каналов, скорость передачи которых соответствует объединённому стандартному ряду АС и ЕС иерархий PDH: 1,5; 2; 6; 8; 34; 45 и 140 Мбит/с. Цифровые сигналы каналов доступа с этими скоростями называются трибами PDH (или компонентными сигналами), а сигналы со скоростями стандартного ряда SDH — трибами SDH.

SDH-мультиплексор имеет два оптических линейных (агрегатных) выхода, используемых для режима стопроцентного резервирования — защиты 1+1.

Источник: п. 1.3, 2.1.1, 2.2.2 учебного пособия.

Один из основных недостатков PDH: добавление выравнивающих бит делает невозможным идентификацию и вывод потока 64 кбит/с или даже 2 Мбит/с, «зашитого» в поток 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования («расшивки») и удаления выравнивающих бит. При необходимости ввода/вывода приходится проводить трёхуровневое демультиплексирование с удалением/добавлением бит на всех трёх уровнях и последующее трёхуровневое мультиплексирование — при многих клиентах требуется чрезмерно большое количество мультиплексоров.

Другой серьёзный недостаток — слабые возможности в организации служебных каналов для контроля и управления потоком и практически полное отсутствие средств маршрутизации мультиплексированных потоков нижних уровней. Рекомендация G.704 вообще не предусматривает необходимые для нормальной маршрутизации заголовки.

Из-за отсутствия специальных средств маршрутизации увеличивается вероятность «потери» сведений о текущем переключении и его «предыстории», что приводит к нарушению схемы маршрутизации всего трафика. Небольшая «перегруженность заголовками» оборачивается серьёзным недостатком, как только возникает необходимость в развитой маршрутизации.

Источник: п. 1.5.4 учебного пособия.

Параллельное развитие трёх различных систем (АС, ЯС, ЕС) мешало развитию глобальных телекоммуникаций, поэтому ITU-T (МСЭ-Т) унифицировал их и ввёл схему кросс-мультиплексирования. В качестве базовых стандартизованы: три первых уровня АС (DS1-DS2-DS3), четыре первых уровня ЯС (DS1-DS2-DSJ3-DSJ4) и четыре первых уровня ЕС (E1-E2-E3-E4), а также схемы взаимного перехода.

Переход осуществляется: из ЕС в АС (с первого на второй уровень) и обратно (с третьего на четвёртый), а также из ЯС (с третьего уровня) в ЕС (на четвёртый). Последние уровни (274, 397 и 565 Мбит/с) не рекомендованы в качестве стандартных. Сохранена ветвь 32064–97728 кбит/с в ЯС иерархии (уровни DSJ3 и DSJ4). Уровень DSJ3 фактически соответствует Е3, что облегчает кросс-мультиплексирование с третьего уровня (DSJ3) на четвёртый (Е4).

В ЕС стандартно используется три уровня мультиплексирования — 2→8, 8→34 и 34→140 — плюс дополнительный 140→565 (см. рис. 1.13 в пособии).

Источник: п. 1.5.1, 1.5.2 учебного пособия.

Для преодоления недостатков PDH разработаны иерархия синхронной оптической сети SONET (США) и синхронная цифровая иерархия SDH (Европа). Обе рассчитаны на использование ВОК (волоконно-оптический кабель). Новая иерархия должна была: унифицировать ряд скоростей передачи; вводить/выводить входные потоки без сложной сборки/разборки; обеспечивать маршрутизацию потоков; управлять сетями любой сложности; иметь стандартные интерфейсы.

Преимущества синхронных сетей: упрощение сети (один ADM заменяет «гирлянду» мультиплексоров PDH); надёжность и самовосстанавливаемость (ВОК, защищённый режим с двумя путями); гибкое управление; выделение полосы пропускания по требованию; прозрачность для любого трафика (через виртуальные контейнеры); универсальность; простота наращивания мощности.

Основной элемент — синхронный транспортный модуль STM-1 (155,52 Мбит/с): SOH (Section Overhead — секционный заголовок) + PL, где SOH — секционный заголовок, PL — полезная нагрузка. Модули STM-1 могут мультиплексироваться с коэффициентом N в STM-N.

Источник: п. 1.5.5, 2.1.1, 2.1.3 учебного пособия.

Фрейм STM-1 представляется в виде матрицы 9 строк × 270 однобайтных столбцов. Развёртка осуществляется построчно: одномерная последовательность длиной 2430 байтов (9×270 = 2430), повторяющаяся с частотой 8000 Гц.

Фрейм состоит из трёх групп полей: секционных заголовков SOH (3×9 и 5×9 байтов), поля указателя AU-4 (1×9 байт) и поля полезной нагрузки (9×261 байт). Для STM-1 существует две возможности отображения: один AU-4 или три AU-3 (байт-интерливинг). Строка указателей содержит либо AU-4 PTR, либо три AU-3 PTR.

Блок AU-4 имеет полезную нагрузку 9×261 байтов и служит для переноса одного виртуального контейнера VC-4 с маршрутным заголовком POH (левый столбец 9 байтов). Заголовок SOH делится на RSOH — заголовок регенераторной секции (3×9 = 27 байт) и MSOH — заголовок мультиплексной секции (5×9 = 45 байт).

Источник: п. 2.1.5 учебного пособия.

Стандартная схема формирования: контейнер C-n → виртуальный контейнер VC-n (добавлением POH) → трибный блок TU-n (добавлением TU-n PTR) → группа трибных блоков TUG-n (мультиплексированием) → административный блок AU-n → группа административных блоков AUG → STM-1 (добавлением SOH).

Контейнеры C-n инкапсулируют трибы соответствующего уровня. К контейнеру добавляется маршрутный заголовок POH, в результате он превращается в виртуальный контейнер VC. Трибные блоки имеют формат: PTR + VC. AUG формируется как 1×AU-4, или 4×AU-31, или 3×AU-32.

К AUG добавляется секционный заголовок SOH, состоящий из RSOH (3×9) и MSOH (5×9), окончательно формируя модуль STM-1 длиной 2430 байтов (фрейм 9×270). При частоте 8 кГц это соответствует скорости 155,52 Мбит/с.

Источник: п. 2.1.2, 2.1.3, 2.1.4 учебного пособия.

Для триба E1 (2,048 Мбит/с) по схеме ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Шаг 1: формируется контейнер C-12 (≈ 34 байта). Шаг 2: добавляется маршрутный заголовок POH V5 → VC-12 (35 байт). Шаг 3: добавляется указатель TU-12 PTR → TU-12 (36 байт, фрейм 9×4).

Шаг 4: байт-мультиплексирование 3:1 → TUG-2 (108 байт, 9×12). Шаг 5: повторное мультиплексирование 7:1 → TUG-3 (774 байта с учётом NPI и FS, 9×86). Шаг 6: мультиплексирование 3:1 → 2322 байта. Шаг 7: добавление POH (9 байт) → VC-4 (2349 байт, 9×261). Шаг 8: добавление AU-4 PTR (9 байт), мультиплексирование 1:1 → AUG → добавление SOH → STM-1 (2430 байт, 9×270, 155,52 Мбит/с).

Для E3 (34 Мбит/с): путь C-3 → VC-3 → TU-3 → TUG-3 → VC-4 → AU-4 → AUG → STM-1. Для E4 (140 Мбит/с): прямой путь через C-4 → VC-4 → AU-4 → AUG → STM-1. В C-4 инкапсулируется только триб E4; C-1, 2, 3 разбиваются на подуровни для трибов АС и ЕС иерархий.

Источник: п. 2.1.2, 2.1.4 учебного пособия.

В SDH предусмотрено поле заголовков размером 9×9 = 81 байт. Общий заголовок составляет всего 3,33% — достаточно для размещения управляющей и контрольной информации, а также организации служебных каналов передачи данных.

Каждый байт в структуре фрейма эквивалентен потоку 64 кбит/с, поэтому передача указанного заголовка соответствует потоку служебной информации 5,184 Мбит/с (81×64 = 5184 кбит/с).

Первый член ряда для SDH получается так: поле полезной нагрузки должно вмещать VC-4 размером 9×261 = 2349 байт; с заголовком 9×9 = 81 байт размер STM-1 = 9×270 = 2430 байт = 19440 бит. При частоте 8000 Гц: 19440×8000 = 155,52 Мбит/с.

Источник: п. 2.1.1 учебного пособия.

Заголовок SOH состоит из RSOH (3×9 = 27 байт) и MSOH (5×9 = 45 байт). Отвечает за структуру фрейма STM-1 и связи с мультифреймом при мультиплексировании.

Основные байты: A1 A1 A1 A2 A2 A2 — идентификаторы наличия фрейма (A1 = 11110110, A2 = 00101000); B1 + три B2 — проверка чётности (BIP-8 и BIP-24); C1 — глубина интерливинга в STM-N; D1…D12 — служебный канал DCC (D1…D3 — регенераторная секция 192 кбит/с, D4…D12 — мультиплексная 576 кбит/с); E1, E2 — служебные каналы голосовой связи (по 64 кбит/с); F1 — канал данных/голоса для пользователя.

Байты K1, K2 — сигнализация и автоматическое переключение защищённого режима (APS); Z1, Z2 — резервные (бит 5…8 Z1/S1 используется для сообщений о статусе синхронизации).

Маршрутный заголовок POH виртуального контейнера VC-4 — левый столбец 9 байт. Байт A — маркер начала фрейма и идентификатор точки маршрутного доступа; B3 — контроль чётности предыдущего контейнера; C2 — тип полезной нагрузки; G1 — состояние маршрута (FEBE, FERF); F2, Z3 — байты пользователя; H4 — индикатор положения нагрузки в мультифреймах; Z4, Z5 — резервные.

Источник: п. 2.1.5, 2.1.6 учебного пособия.

Стандартная схема инкапсуляции PDH трибов охватывает все варианты формирования STM-1. Обозначения: C-n — контейнеры уровня n; VC-n — виртуальные контейнеры; TU-n — трибные блоки; TUG-n — группы трибных блоков; AU-n — административные блоки; AUG — группа AU; STM-1 — модуль.

Варианты мультиплексирования: TUG-21 = 1×TU-21 или 4×TU-11 или 3×TU-12; TUG-22 = 1×TU-22 или 4×TU-12 или 5×TU-11. VC-31 (9×65) = 1×C-31, или 4×TUG-22, или 5×TUG-21; VC-32 (9×85) = 1×C-32 или 7×TUG-22. VC-4 (9×261) = 1×C-4, или 4×TU-31, или 3×TU-32, или 21×TUG-21, или 16×TUG-22.

AU-4 = 1×VC-4, или 4×VC-31, или 3×VC-32, или 21×TUG-21, или 16×TUG-22 (для передачи VC-31, 32 и TUG-21, 22 используется поле полезной нагрузки VC-4). AUG = 1×AU-4, или 4×AU-31, или 3×AU-32 — отображается на полезную нагрузку STM-1. Модули STM-1 мультиплексируются с коэффициентом N в STM-N.

Для трибов H12 (2 Мбит/с) возможных путей формирования — семь. Режимы преобразования VC-12 в TU-12: плавающий (с указателями, допускает асинхронность) и фиксированный (без указателей).

Источник: п. 2.1.2, 2.1.3, 2.1.4 учебного пособия.

Сеть SDH строится из функциональных модулей: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминального оборудования. Набор определяется основными задачами сети.

Задачи и модули: мультиплексирование (сбор входных потоков в агрегатный блок) — терминальные мультиплексоры TM сети доступа; транспортирование с вводом/выводом — мультиплексоры ввода/вывода ADM; коммутация (перегрузка VC между сегментами) — кросс-коммутаторы DXC; концентрация (объединение однотипных потоков) — концентраторы (хабы); регенерация (восстановление формы сигнала) — регенераторы; сопряжение сети пользователя с SDH — оконечное оборудование (конвертеры интерфейсов, скоростей, импедансов).

Основной модуль — мультиплексор. SDH-мультиплексоры, в отличие от PDH, выполняют не только собственно мультиплексирование, но и функции устройств терминального доступа. Они более универсальны и решают практически все задачи: мультиплексирование, коммутацию, концентрацию, регенерацию. Это возможно благодаря модульной конструкции SDH-мультиплексора (SMUX).

Источник: п. 2.2.1, 2.2.2 учебного пособия.

Терминальный мультиплексор TM — мультиплексор и оконечное устройство SDH-сети с каналами доступа, соответствующими трибам PDH и SDH иерархий. TM может вводить каналы (коммутация с входа трибного интерфейса на линейный выход) или выводить их. Также осуществляет локальную коммутацию входа одного трибного интерфейса на выход другого (обычно ограничена трибами 1,5 и 2 Мбит/с).

Для мультиплексора уровня STM-64 (10 Гбит/с) максимальный набор каналов доступа: PDH трибы 1,5; 2; 6; 34; 45; 140 Мбит/с и SDH трибы 155, 622 и 2500 Мбит/с (STM-1, 4, 16). PDH трибы — электрические; SDH трибы могут быть электрическими (STM-1) или оптическими (STM-1, 4, 16).

Важная особенность — наличие двух оптических линейных (агрегатных) выходов для режима 1+1. Выходы называются основными и резервными (линейная топология) либо восточными и западными (кольцевая топология).

Источник: п. 2.2.2 учебного пособия.

ADM имеет тот же набор трибов, что и TM, и позволяет вводить/выводить соответствующие каналы. Дополнительно к коммутации, обеспечиваемой TM, ADM осуществляет сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях (например, на уровне VC-4 в потоках с линейных/агрегатных выходов), а также замыкание канала приёма на канал передачи на обеих сторонах («восточной» и «западной») при выходе из строя одного из направлений.

При аварийном выходе из строя мультиплексора ADM позволяет пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Всё это даёт возможность использовать ADM в топологиях типа кольца.

Источник: п. 2.2.2 учебного пособия.

Кросс-коммутатор DXC позволяет установить связи между каналами разных пользователей путём организации полупостоянной перекрёстной связи (кросс-коммутации). Это даёт возможность маршрутизации в сети SDH на уровне VC-n, управляемой сетевым менеджером согласно заданной конфигурации.

Для общей или проходной коммутации высокоскоростных потоков (34 Мбит/с и выше) и STM-N используются синхронные коммутаторы SDXC. Важная особенность — неблокирующая коммутация: коммутация одних групп TU не накладывает ограничений на другие.

Типы обозначаются SDXC n/m, где n — номер VC на входе, m — максимальный уровень VC, который можно коммутировать. Для STM-1: SDXC 4/4 — принимает и обрабатывает VC-4 (140/155 Мбит/с); SDXC 4/3/2/1 — принимает VC-4, обрабатывает VC-3/2/1 (34/45, 1,5/2 Мбит/с); SDXC 4/3/1 — без VC-2; SDXC 4/1 — принимает VC-4, обрабатывает только VC-1.

Шесть функций коммутатора: маршрутизация VC (по POH); консолидация/объединение (как концентратор/хаб); трансляция точка-мультиточка; сортировка/перегруппировка VC; доступ к VC (при тестировании); ввод/вывод (drop/insert).

Источник: п. 2.2.5, 2.2.6 учебного пособия.

В заголовке SOH байт B1 и три байта B2 формируют две кодовые последовательности для проверки чётности (обнаружение ошибок в предыдущем фрейме): BIP-8 — 8-битная последовательность в B1, BIP-24 — 24-битная в трёх B2.

В маршрутном заголовке POH виртуального контейнера VC-4 байт B3 контролирует чётность в предыдущем контейнере. Байт G1 — состояние маршрута: обратная связь от терминальной к исходной точке (информация об ошибках/сбоях FEBE, FERF).

На уровне PDH формирование фреймов и мультифреймов важно для локализации каждого фрейма на приёмной стороне — это позволяет получить информацию о сигнализации, аварийных ситуациях и кодовых комбинациях избыточных кодов CRC, позволяющих обнаруживать ошибки.

Примечание: детальный алгоритм (пошаговое построение, XOR-операции по столбцам) в пособии не прорабатывается — описывается только назначение байтов B1, B2, B3 как контрольных сумм BIP-8/BIP-24 и кодов CRC для обнаружения ошибок.

Источник: п. 1.5.4, 2.1.5, 2.1.6 учебного пособия.

Выбор топологии — первая задача проектирования. Набор базовых стандартных топологий:

1) «Точка-точка». Сегмент между двумя узлами А и В. Реализуется на TM по схеме без резервирования или с резервированием 1+1 (основной и резервный агрегатные выходы). Широко используется при передаче больших потоков по магистральным каналам (например, трансокеанским подводным кабелям).

2) «Последовательная линейная цепь». Используется при невысокой интенсивности трафика и необходимости ответвлений. Реализуется на TM (на концах) и ADM (в точках ответвлений). Может быть простой или с резервированием 1+1 («уплощённое кольцо»).

3) «Звезда», реализующая функцию концентратора. Один удалённый узел играет роль хаба — часть трафика выводится на терминалы, остальная распределяется. Концентратор должен быть активным и интеллектуальным (ADM с возможностями кросс-коммутации).

4) «Кольцо». Широко используется для построения SDH-сетей первых двух уровней иерархии (155 и 622 Мбит/с). Преимущество — лёгкость организации защиты 1+1 благодаря наличию в SMUX двух пар агрегатных выходов (восток-запад) для формирования двойного кольца со встречными потоками. Топология позволяет сети самовосстанавливаться.

Источник: п. 2.3 учебного пособия.

Методы восстановления работоспособности: 1) резервирование участков 1+1 и 1:1 по разнесённым трассам; 2) самовосстанавливающиеся кольцевые сети 1+1 и 1:1; 3) резервирование терминального оборудования 1:1 и M:1; 4) обход неработоспособного узла; 5) системы оперативного переключения.

При 1+1 — сигналы анализируются по обоим путям, выбирается лучший; при 1:1 — маршрутам назначаются приоритеты (низкий — горячий резерв, переключение по аварийному сигналу).

В кольцевых сетях — «сдвоенное кольцо» (2 волокна) или два сдвоенных (4 волокна). Защита реализуется двумя способами: (а) на уровне трибных блоков TU-n — основной трафик идёт в одном направлении, при сбое выбирается такой же блок из другого кольца; (б) двунаправленное сдвоенное кольцо — сигнал передаётся в восточном и западном направлениях (одно основное, другое защитное), при сбое — замыкание на границах дефектного участка.

Резервирование трибных интерфейсов N:1 (1:1, 4:1, 16:1 и т.д.) широко используется для карт 2 Мбит/с (4:1 или 3:1 для STM-1; 16:1, 12:1, 8:1 для STM-4), а также для блоков кросс-коммутации, систем управления и питания (время переключения ≤ 10 мс).

Обход узла: системы управления позволяют организовать обходной путь мимо повреждённого мультиплексора. В ячеистых сетях — кросс-коммутаторы оперативного переключения реконфигурируют прилегающие участки (централизованно или распределённо).

Источник: п. 2.4 учебного пособия.

Архитектура формируется на базе элементарных топологий. Наиболее часто — сочетание кольцевой и радиальной (типа «точка-точка») топологий или последовательной линейной цепи.

Радиально-кольцевая архитектура: «кольцо» + «последовательная линейная цепь» (или «точка-точка»). Число радиальных ветвей ограничено допустимой нагрузкой на кольцо.

«Кольцо-кольцо»: кольца одинакового или разного уровней иерархии. Возможна каскадная схема — STM-1, STM-4, STM-16 — с использованием оптических трибов предыдущего уровня при переходе между кольцами.

Линейная архитектура большой протяжённости: расстояние между TM превышает допустимое по затуханию ВОК, поэтому на маршруте размещаются регенераторы. Последовательные секции: оптические (внутристанционные ≤ 2 км; короткие межстанционные S ~ 15 км; длинные межстанционные L — 40 км на 1310 нм и 80 км на 1550 нм), регенераторные и мультиплексные.

Разветвлённая сеть общего вида использует «остов» (backbone) в виде ячеистой (mesh) структуры с альтернативными маршрутами, комбинируется с сегментами PDH.

Источник: п. 2.5, 2.5.1, 2.5.2, 2.5.3, 2.5.4 учебного пособия.

Проблема синхронизации возникает при объединении локальных цифровых сетей в сложную сеть. Нужна одинаковая и высокая точность источников тактовой синхронизации (10⁻¹¹…10⁻¹²) или специальная сеть с единым высокостабильным источником. Иначе возникает «проскальзывание» (slip) — срыв синхронизации.

Два основных метода узловой синхронизации: иерархический принудительный («ведущий — ведомый») и неиерархический взаимный. На Взаимоувязанной сети связи РФ принят только первый.

Мультиплексоры PDH и SDH имеют несколько дублирующих источников: сигнал внешнего сетевого таймера; сигнал с трибного интерфейса; сигнал внутреннего таймера. Дополнительно — 8 и 64 кГц (PDH), линейные сигналы STM-N, опорные 1/5/10 МГц.

В SDH различают внешние и внутренние источники. Внешние: PRC (ITU-T G.811, 2048 кГц); сигнал с трибного интерфейса (аналог TNC, ITU-T G.812); линейный сигнал STM-N (2048 кГц из 155,52 Мбит/с). Внутренний: таймер мультиплексора (аналог LNC, ITU-T G.813). Трибы 2 Мбит/с, «плавающие» в контейнерах, исключаются из схемы синхронизации.

Режимы хронирующих источников: (а) PRC/ПЭГ (мастер-узел); (б) принудительной синхронизации SRC/ВЗГ (транзитные и местные узлы); (в) удержания (точность 5×10⁻¹⁰ для транзитного, 10⁻⁸ для местного); (г) свободный (10⁻⁸ и 10⁻⁶ соответственно).

Источник: п. 3.1, 3.2, 3.2.1, 3.2.2, 3.4 учебного пособия.

Иерархическая схема распределения: первичный эталонный генератор PRC (ПЭГ) — первичный таймер; его сигналы распределяются по сети, создавая вторичные источники SRC (ВЭГ) в виде таймеров транзитного узла TNC или локального узла LNC.

Первичный таймер PRC — хронирующий атомный источник (цезиевые или рубидиевые часы) с точностью ≤ 10⁻¹¹; калибруется по сигналам мирового координированного времени UTC (Universal Time Coordinated — всемирное координированное время).

Оборудование синхронизации делится на две категории: автономные хронирующие источники (сетевые таймеры на прецизионных атомных эталонах) и датчики точного времени (приёмники сигналов LORAN-C, GPS, ГЛОНАСС). На базе GPS (Global Positioning System) разработана технология локальных первичных эталонов LPR — подстройка частоты управляемых таймеров по UTC, что в комбинации позволяет получать локальные эталоны с точностью ≤ 10⁻¹¹ по требованиям ITU-T (сектор стандартизации электросвязи ITU) и ETSI.

Итоговая точность времени пользователя: ГЛОНАСС — 1 мкс; GPS — 0,34 мкс (режим общего доступа) или 0,18 мкс (режим селективного доступа).

Пример синхронизации кольцевой сети SDH: узел А — мастер-узел с сигналом от внешнего PRC. Основная синхронизация (первый приоритет) распределяется в одном направлении, резервная (второй приоритет) — в противоположном. При разрыве кабеля узлы переходят в режим удержания, обмениваются сообщениями о статусе синхронизации SSM и выбирают лучший источник.

Источник: п. 3.2, 3.3, 3.3.2, 3.5 учебного пособия.

Сети SDH обеспечивают преемственность и поддержку стандартов PDH. Мультиплексоры SONET/SDH поддерживают входные каналы, скорость передачи которых соответствует объединённому ряду АС и ЕС иерархий PDH: 1,5; 2; 6; 8; 34; 45 и 140 Мбит/с.

Основные особенности SDH: (1) поддержка в качестве входных каналов доступа только трибов PDH и SDH; (2) упаковка трибов в стандартные помеченные контейнеры разного размера (по уровням PDH); (3) положение VC определяется указателями (допускает асинхронность при синхронной обработке); (4) возможность сцепления (конкатенации) контейнеров для нестандартных нагрузок; (5) отдельное поле заголовков 9×9 = 81 байт (3,33%, эквивалент 5,184 Мбит/с).

Преимущества перед асинхронными сетями: упрощение сети (один ADM заменяет «гирлянду» PDH-мультиплексоров); надёжность и самовосстанавливаемость; гибкое управление; выделение полосы по требованию; прозрачность для любого трафика (Frame Relay, ISDN, ATM); универсальность; простота наращивания.

Сети SDH могут служить транспортом для ATM-трафика: виртуальные контейнеры VC-n несут поток ATM-ячеек в качестве полезной нагрузки. Стандартизованы процедуры упаковки ATM-ячеек в VC-4.

Источник: п. 2.1.1, 2.5.4 учебного пособия.

ATM — сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования, основанная на передаче данных в виде ячеек фиксированного размера. В отличие от синхронного способа, ATM лучше приспособлена для услуг с сильно различающимся или изменяющимся битрейтом.

Основное назначение — высокоскоростная передача сигналов разного класса: голоса, данных, видео, мультимедиа. ATM ориентирована на физические уровни других высокоскоростных технологий — SDH/SONET и FDDI. Стандартизованные скорости (ATM UNI v3.0): 155 Мбит/с (SDH, 1 уровень), 100 Мбит/с (FDDI), 45 Мбит/с (DS-3 — PDH). В качестве среды передачи первоначально — ВОК.

Скорости ATM перекрывают диапазон от 64 кбит/с до 40 Гбит/с и соответствуют ряду: 64, n×64, 1,5/2, 6/8, 13, 26, 32, 34/45, 52, 98, 100, 140, 155, 622 Мбит/с, 2,5, 10, 40 Гбит/с (DS0, n×DS0, T1/E1, T2/E2, FLRIBM, LRIBM, DSJ3, T3/E3, OC-1, DSJ4, FDDI, E4, STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, STM-256).

Источник: п. 4.1 учебного пособия.

ATM — технология коммутации и мультиплексирования на основе ячеек фиксированного размера 53 байта (5 байт заголовка + 48 байт полезной нагрузки). Лучше приспособлена для услуг с изменяющимся битрейтом.

ATM рассчитана на установление соединения. Для этого используется посылка с 20-байтовым адресом. После установления физического соединения формируется путь между пользователями, затем организуются виртуальные цепи (логические соединения) — звенья этого пути — через адресную часть заголовка.

Логическая адресация в ATM двухуровневая: VPI (идентификатор виртуального пути) и VCI (идентификатор виртуального канала) в заголовке ячейки. Физическая цепь может содержать несколько VPI, каждый — несколько VCI. Для адресации группы пользователей достаточно прочитать VPI — первые 12 бит заголовка.

Примечание: детальная блок-схема реализации для каждого режима в пособии не приводится отдельно — описывается логика формирования ячеек, структура заголовков и коммутация потоков (п. 4.1, 4.5, 4.6).

Источник: п. 4.1, 4.3 учебного пособия.

Ячейка ATM (ATM PDU) делится на две части: 48 байт рабочей нагрузки и 5 байт заголовка. Структура заголовка зависит от типа интерфейса — UNI (пользователь-сеть) или NNI (сеть-сеть). Они неравноправны: для NNI не нужно общее поле управления потоком GFC, для UNI — нужно.

В UNI поле GFC (1-й байт, биты 5-8) присутствует; в NNI 4 бита устанавливаются в ноль, давая те же 8 бит в адресной части VPI. Поля заголовка: VPI — идентификатор виртуального пути; VCI — идентификатор виртуального канала; PT — тип полезной нагрузки (данные/речь/видео + информация о перегрузках и обслуживании); C — флаг допустимости потери ячейки; HEC (Header Error Check — контроль ошибок заголовка) — код контроля ошибок заголовка (1 байт, обнаруживает множественные и исправляет одиночную ошибку).

Поля VPI/VCI могут кодировать мета-сигналы для установления режимов работы (например, широковещательного). Сеть может отправлять «пустые» ячейки при отсутствии нагрузки для поддержания синхронного режима.

Источник: п. 4.5 учебного пособия.

Постулаты, объясняющие выбор размера ячейки 53 байта: (1) для надёжной коммутации на высоких скоростях размер должен быть минимальным; (2) малый фиксированный размер даёт гибкость и повышает эффективность.

Главным же было требование передавать без помех речь и видео. Скорость кодирования речи — 64 кбит/с, наименее заметны искажения длиной 4…16 мс. При обнаружении некорректируемой ошибки в ATM ячейка отбрасывается (передача не повторяется). Наименее заметны искажения при отбрасывании ячеек длиной 32-128 байтов. Возникшая дилемма (США — 32 байта, Европа — 64 байта) привела к компромиссу 48 байтов (выпадение фрагмента ~6 мс).

Выбор длины заголовка: 5 байт (80 бит) с 1 байтом HEC позволяет исправлять одиночную и обнаруживать (с вероятностью 0,84) все множественные ошибки. Overhead: 5/53 = 10,41%; с учётом 4 байт AAL (ATM Adaptation Layer — уровень адаптации ATM) — 9/44 = 20,45%; с учётом 4% физического уровня SONET — ещё больше. Поэтому ATM требует высокоскоростных каналов с широкой полосой.

Ряд скоростей ATM (64 кбит/с … 40 Гбит/с): 64, n×64, 1,5/2, 6/8, 13, 26, 32, 34/45, 52, 98, 100, 140, 155, 622 Мбит/с, 2,5, 10, 40 Гбит/с (DS0, n×DS0, T1/E1, T2/E2, FLRIBM, LRIBM, DSJ3, T3/E3, OC-1, DSJ4, FDDI, E4, STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, STM-256). Для изохронного трафика (голос, видео) ITU-T рекомендует задержку ≤ 200 мс.

Источник: п. 4.1, 4.2 учебного пособия.

Коммутатор — важнейший элемент сети ATM, одновременно является маршрутизатором. Должен управлять асинхронным и синхронным, дейтаграммным и соединённым трафиком. Для потоков SONET/SDH нужна скорость от единиц до десятков Гбит/с.

Два типа: пространственные и временные. Пространственный — трафик с n входов коммутируется на t выходов. Временный — работает с временными последовательностями, требует очередей и буферов памяти. Временные делятся на две группы: с общей внутренней средой передачи и с общей памятью.

Коммутаторы с общей средой передачи: мультиплексирование параллельных потоков в последовательный со скоростью в k раз выше (k — коэффициент мультиплексирования). Бывают с общей шиной или общим кольцом; легко поддерживают широковещание и точка-многоточка. Ограничение — скорость промежуточной среды.

Коммутаторы с общей памятью: двухпортовый модуль памяти, логически организованный в очереди по числу выходных портов. Узкое место — время доступа к памяти.

Недостатки временных: необходимость мультиплексирования на входе/демультиплексирования на выходе (ограничивает число портов) и централизация управления буферами. Пространственные не имеют этих недостатков, широко распространены. Важное свойство — неблокируемость.

Функции коммутатора ATM: пространственная коммутация, маршрутизация, мультиплексирование, организация/управление очередями, трансляция заголовков. Схема: на входном порте считывается метка VPI/VCI, по маршрутной таблице определяется выходная тройка (Транк-DS1-DS0), происходит трансляция заголовков.

Источник: п. 4.6 учебного пособия.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Ethernet — семейство технологий пакетной передачи данных для локальных сетей, наиболее распространённое в мире. Характеризуется кадровой структурой, методом доступа к разделяемой среде (исторически CSMA/CD) и широким диапазоном физических реализаций.

Технология разработана в 1973 г. в исследовательском центре Xerox PARC Робертом Меткалфом. В 1980 г. консорциум DEC-Intel-Xerox (DIX) опубликовал спецификацию Ethernet II (10 Мбит/с). В 1983 г. IEEE приняло стандарт 802.3, формализовавший технологию.

Основные этапы эволюции: 1983 — 10Base-5 (10 Мбит/с, толстый коаксиал); 1985 — 10Base-2 (тонкий коаксиал); 1990 — 10Base-T (витая пара, 802.3i); 1993 — 10Base-F (оптоволокно); 1995 — Fast Ethernet 100 Мбит/с (802.3u); 1998–1999 — Gigabit Ethernet (802.3z/ab); 2002 — 10 Gigabit Ethernet (802.3ae); далее — 40/100 Гбит/с (802.3ba, 2010), 400 Гбит/с (802.3bs, 2017), 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с (разрабатывается).

Ключевые факторы популярности: простота, масштабируемость, низкая стоимость, обратная совместимость. Современный коммутируемый полнодуплексный Ethernet вытеснил коаксиальные сегменты и метод CSMA/CD (на полнодуплексных линиях коллизии невозможны).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Локальные сети построены на базе семейства стандартов IEEE 802, которое охватывает физический и канальный уровни модели OSI. Канальный уровень разделён на два подуровня:

LLC (Logical Link Control, IEEE 802.2) — подуровень управления логическим каналом. Единый для всех технологий 802.x, отвечает за мультиплексирование сетевых протоколов и (опционально) управление потоком и коррекцию ошибок. Определяет три типа сервиса: LLC1 (без соединения и подтверждения), LLC2 (с установлением соединения и подтверждением), LLC3 (без соединения, с подтверждением).

MAC (Media Access Control) — подуровень управления доступом к среде; специфичен для каждой технологии. Формирует кадры с MAC-адресами источника и получателя, реализует метод доступа к среде, вычисляет CRC.

Физический уровень (PHY) — определяет схемы линейного кодирования, среду передачи, разъёмы, электрические/оптические характеристики.

Поверх LLC разворачиваются протоколы сетевого и транспортного уровней — как правило, стек TCP/IP (IP, TCP, UDP, ICMP, ARP). Таким образом, типовой стек современной LAN: PHY (802.3/802.11) → MAC (802.3/802.11) → LLC (802.2) → IP → TCP/UDP → прикладные протоколы (HTTP, SMTP, DNS и т.д.).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Метод случайного доступа — подход, при котором станции соревнуются за доступ к общей среде без предварительного выделения каналов или временных слотов. В Ethernet применяется метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий).

Основные принципы CSMA/CD:

1) Carrier Sense (контроль несущей) — станция перед передачей прослушивает среду. Если среда занята, станция ждёт её освобождения и межкадрового интервала IFG (Inter-Frame Gap, 96 битовых интервалов = 9,6 мкс для 10 Мбит/с).

2) Multiple Access (множественный доступ) — любая станция может начать передачу, как только среда свободна.

3) Collision Detection (обнаружение коллизий) — во время передачи станция одновременно принимает сигнал из среды и сравнивает его с передаваемым. Рассогласование сигнализирует о коллизии.

При обнаружении коллизии станция посылает jam-сигнал (32 бита помехи) для гарантии обнаружения коллизии всеми участниками, затем прерывает передачу и применяет алгоритм двоичной экспоненциальной отсрочки (Binary Exponential Backoff): ожидает случайное число слотов (где слот = 512 битовых интервалов) из диапазона [0, 2^k − 1], где k — номер попытки (k ≤ 10). После 16-й неудачной попытки кадр отбрасывается.

В полнодуплексном коммутируемом Ethernet CSMA/CD не используется, так как каждое соединение «станция-коммутатор» является отдельной двухточечной линией без коллизий.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Подуровень LLC (Logical Link Control), определённый стандартом IEEE 802.2, является верхним подуровнем канального уровня и общим для всех технологий семейства IEEE 802. Он изолирует сетевой уровень от специфики конкретной MAC-технологии и предоставляет три типа сервиса:

LLC Type 1 (LLC1) — дейтаграммный сервис без установления соединения и без подтверждения. Это наиболее распространённый тип в современных LAN; используется, например, при работе IP поверх Ethernet. Надёжность обеспечивается вышележащими уровнями (TCP). Применяются кадры UI (Unnumbered Information).

LLC Type 2 (LLC2) — сервис с установлением соединения и подтверждением (аналог HDLC/LAPB). Обеспечивает нумерацию кадров, подтверждения, восстановление после ошибок, управление потоком с окном. Исторически применялся в сетях IBM SNA.

LLC Type 3 (LLC3) — сервис без установления соединения, но с подтверждением каждого переданного кадра. Применялся в промышленных сетях (MAP/TOP).

Формат заголовка LLC: DSAP (Destination Service Access Point, 1 байт) — адрес службы получателя; SSAP (Source Service Access Point, 1 байт) — адрес службы отправителя; Control (1 или 2 байта) — тип кадра и управляющая информация. Для идентификации вышележащих протоколов, не имеющих выделенного SAP, применяется расширение SNAP (Subnetwork Access Protocol) с 5-байтовым полем, содержащим OUI и код EtherType.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Алгоритм CSMA/CD регламентирует передачу кадра в разделяемой среде. Последовательность действий передающей станции:

1. Подготовка кадра. Формируется кадр Ethernet: преамбула (7 байт 10101010), SFD (Start Frame Delimiter, 10101011), MAC-адрес получателя (6 байт), MAC-адрес отправителя (6 байт), поле Length/EtherType (2 байта), данные (46–1500 байт с заполнением PAD при необходимости), FCS (Frame Check Sequence, 4 байта CRC-32).

2. Ожидание свободной среды. Станция прослушивает среду (carrier sense). Если среда занята — ждёт освобождения, затем выдерживает межкадровый интервал IFG (96 битовых интервалов).

3. Передача. Начинается передача кадра. Одновременно приёмник станции продолжает слушать среду для обнаружения коллизии.

4. Обнаружение коллизии. Если принимаемый сигнал отличается от передаваемого — фиксируется коллизия. Станция передаёт jam-сигнал (32 бита) для гарантированного распознавания коллизии всеми участниками.

5. Отсрочка. Запускается алгоритм двоичной экспоненциальной отсрочки: случайное ожидание на r слотов, где r ∈ [0, 2^k − 1], k — номер попытки (k растёт до 10, затем фиксируется). После 16-й неудачной попытки кадр отбрасывается, сетевому уровню сообщается об ошибке.

6. Успех. Если передача завершена без коллизии, кадр принят. Приёмник проверяет FCS, фильтрует по MAC-адресу (свой/групповой/broadcast).

Ключевые параметры 10 Мбит/с Ethernet: slot time = 512 бит (51,2 мкс); IFG = 9,6 мкс; максимальный диаметр коллизионного домена ограничен так, чтобы задержка сигнала «туда-обратно» была меньше slot time — это гарантирует обнаружение коллизий до завершения передачи минимального кадра (64 байта).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Коллизия — одновременная передача двух или более станций в разделяемой среде, приводящая к искажению сигнала. Для того чтобы CSMA/CD работал корректно, все передающие станции должны успеть обнаружить коллизию до окончания передачи своего кадра.

Основная причина коллизий — конечная скорость распространения сигнала в среде. Станция А, проверив, что среда свободна, начинает передачу. За время τ (задержка распространения до станции В на другом конце сегмента) сигнал ещё не дошёл до В; если В в этот момент тоже начинает передавать — возникает коллизия. В худшем случае коллизия обнаруживается через 2τ (время прохождения туда и обратно, round-trip delay).

Из этого выводится ключевое ограничение: время передачи минимального кадра должно превышать удвоенное время распространения сигнала через весь коллизионный домен. Для 10 Мбит/с Ethernet минимальный кадр — 64 байта = 512 бит = 51,2 мкс (slot time), что соответствует 2τ и ограничивает диаметр коллизионного домена примерно 2500 м (с учётом задержек в повторителях).

После обнаружения коллизии станция: (а) завершает передачу jam-сигналом (32 бита) для гарантированного распознавания коллизии остальными станциями; (б) применяет алгоритм двоичной экспоненциальной отсрочки; (в) повторяет попытку передачи.

Вероятность коллизий растёт с числом активных станций и интенсивностью трафика. При высокой загрузке сегмента (более 30–40%) количество коллизий резко увеличивает задержки и снижает эффективную пропускную способность. Этот недостаток устраняется переходом на коммутируемый полнодуплексный Ethernet, где каждая линия «станция-коммутатор» — двухточечная, и коллизии принципиально невозможны.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Основные варианты физической среды 10 Мбит/с Ethernet (10Base-X, где X — среда):

10Base-5 («толстый Ethernet», thick coax) — толстый коаксиальный кабель 50 Ом (RG-8), магистральный сегмент до 500 м, до 100 станций, подключение через vampire-tap и AUI-кабель к трансиверу. Исторически первая реализация.

10Base-2 («тонкий Ethernet», thin coax, cheapernet) — тонкий коаксиал RG-58, сегмент до 185 м, до 30 станций, разъёмы BNC, T-коннекторы на станциях.

10Base-T — витая пара (UTP категории 3 или выше), топология «звезда» с концентратором или коммутатором, сегмент до 100 м, разъём RJ-45. Сегодня — базовая реализация для меди.

10Base-F — многомодовое оптоволокно, сегмент до 2 км (10Base-FL), используется для магистралей и связей между зданиями.

Fast Ethernet (100Base-X): 100Base-TX (UTP cat 5, 2 пары), 100Base-FX (оптоволокно, до 2 км), 100Base-T4 (UTP cat 3, 4 пары — устарел).

Gigabit Ethernet: 1000Base-T (UTP cat 5e, 4 пары, до 100 м), 1000Base-SX (многомод, до 550 м), 1000Base-LX (одномод, до 5 км), 1000Base-ZX (одномод, до 70 км).

Домен коллизий — область сети, в которой коллизия, возникшая на одной станции, распознаётся всеми остальными. Образуется совокупностью сегментов, соединённых повторителями (repeaters) или концентраторами (hubs), работающими на физическом уровне. Коммутаторы (switches) и мосты (bridges) разделяют коллизионные домены, так как буферизуют кадры и не ретранслируют коллизии через себя. В коммутируемой полнодуплексной сети каждый порт — отдельный коллизионный домен, и коллизий по определению нет.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

10Base-2 (также «тонкий Ethernet», cheapernet, IEEE 802.3 раздел 10) — реализация 10 Мбит/с Ethernet на тонком коаксиальном кабеле. Стандартизирована в 1985 г.

Основные параметры: скорость 10 Мбит/с; среда — коаксиальный кабель 50 Ом типа RG-58A/U; манчестерское кодирование; длина одного сегмента — до 185 м (приблизительно 200 м, откуда «2» в названии); до 30 станций на сегменте; минимальное расстояние между подключениями — 0,5 м; максимальное число повторителей между любыми двумя станциями — 4 (правило 5-4-3: до 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента).

Подключение станций — непосредственно к кабелю через T-коннекторы и BNC-разъёмы. Оба конца магистрального сегмента должны быть терминированы согласующими резисторами 50 Ом, причём одна из заземлений обязательна. Шинная топология — все станции делят общую среду.

Преимущества (исторически): простота монтажа, низкая стоимость по сравнению с 10Base-5, не требует отдельного трансивера. Недостатки: вся шина выходит из строя при повреждении кабеля или ослабленном контакте в любом T-коннекторе; ограниченный диаметр и число станций; обязательная ручная терминация. Сегодня полностью вытеснен витой парой и полнодуплексной коммутацией.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

10Base-T (IEEE 802.3i, 1990 г.) — реализация 10 Мбит/с Ethernet на неэкранированной витой паре UTP (Unshielded Twisted Pair — неэкранированная витая пара). Переход от шинной к звездообразной топологии.

Основные параметры: скорость 10 Мбит/с; среда — UTP категории 3 или выше; манчестерское кодирование; две витые пары из четырёх в кабеле (одна на передачу, одна на приём); длина сегмента — до 100 м; разъём RJ-45 (8P8C); топология «звезда» с концентратором (hub) или коммутатором (switch) в центре.

Схема распиновки (MDI на станции): пара TD+ / TD− на контактах 1-2 (передача), пара RD+ / RD− на контактах 3-6 (приём). Для соединения двух станций напрямую без коммутатора применяется перекрёстный (crossover) кабель или авто-MDI/MDI-X.

Link integrity test: в паузах между кадрами каждое устройство посылает короткие Link Test Pulses (NLP — Normal Link Pulses) с периодом ~16 мс, что позволяет автоматически обнаруживать обрыв связи и отображать состояние индикатора link на порту.

Преимущества: обрыв одной линии не влияет на остальные станции; упрощение диагностики; использование существующей телефонной кабельной инфраструктуры (UTP cat 3); возможность перехода к коммутируемой полнодуплексной работе. 10Base-T фактически стал основой современных LAN и развился в 100Base-TX и 1000Base-T.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Fast Ethernet (IEEE 802.3u, 1995 г.) — развитие Ethernet на скорость 100 Мбит/с с сохранением формата кадра, метода доступа CSMA/CD и MAC-уровня. Изменяется только физический уровень и пропорционально — битовое время (с 0,1 до 0,01 мкс). Благодаря этому Fast Ethernet полностью совместим с 10 Мбит/с Ethernet на уровне кадров.

Между MAC и физическим уровнем введён подуровень согласования MII (Media Independent Interface), обеспечивающий универсальный интерфейс к разным средам. Физический уровень подразделяется на подуровни: PCS (Physical Coding Sublayer — кодирование), PMA (Physical Medium Attachment — формирование/восстановление сигнала), PMD (Physical Medium Dependent — зависимая от среды часть), AutoNeg (автопереговоры).

Варианты физического уровня:

100Base-TX — две пары UTP категории 5, кодирование 4B/5B + MLT-3, сегмент 100 м, разъём RJ-45. Наиболее распространённый вариант.

100Base-FX — многомодовое оптоволокно (62,5/125 мкм или 50/125 мкм), кодирование 4B/5B + NRZI, сегмент до 412 м в полудуплексе и до 2 км в полном дуплексе. Используется в магистралях и между зданиями.

100Base-T4 — четыре пары UTP категории 3, кодирование 8B/6T (троичное), только полудуплекс, сегмент 100 м. Разрабатывался для работы по существующей проводке cat 3, но не получил широкого распространения из-за ограничений; вытеснен 100Base-TX.

100Base-T2 (802.3y) — две пары cat 3, кодирование PAM-5×5 с эхо-подавлением, полнодуплексный. Практически не применялся.

Сокращённое обозначение 100Base-T охватывает 100Base-TX + 100Base-T4 + 100Base-T2.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Автопереговоры (Auto-Negotiation, IEEE 802.3 раздел 28) — механизм автоматического согласования параметров связи между двумя устройствами на витой паре: скорости (10/100/1000 Мбит/с), режима дуплекса (полу/полный) и управления потоком (PAUSE).

Принцип: автопереговоры построены на расширении имевшихся в 10Base-T Link Test Pulses (NLP). Вместо одиночных NLP устройство передаёт пачку импульсов FLP (Fast Link Pulses) — 33 импульса за 2 мс. FLP интерпретируются в 16-битное слово Link Code Word (LCW — Base Page), кодирующее поддерживаемые технологии (10Base-T, 10Base-T Full-Duplex, 100Base-TX, 100Base-TX Full-Duplex, 100Base-T4, поддержку паузы и т.д.).

Устройство, не поддерживающее автопереговоры и работающее только в 10Base-T, продолжает посылать одиночные NLP; принимающая сторона распознаёт это и «падает» в режим 10Base-T полудуплекс — это гарантирует обратную совместимость.

Алгоритм выбора — таблица приоритетов (от высшего к низшему): 1000Base-T Full-Duplex > 1000Base-T > 100Base-T2 Full-Duplex > 100Base-TX Full-Duplex > 100Base-T2 > 100Base-T4 > 100Base-TX > 10Base-T Full-Duplex > 10Base-T. Устройства выбирают наивысший общий вариант.

Типичная проблема — «дуплексный мисматч» (duplex mismatch): при одностороннем принудительном задании скорости/дуплекса без автопереговоров другая сторона определяет только скорость (по parallel detection), но не может определить дуплекс и выбирает полудуплекс по умолчанию. Итог — конфликт: одна сторона в полном дуплексе, другая — в полудуплексе, что вызывает коллизии, потери и падение пропускной способности. Рекомендуется либо оставлять автопереговоры включёнными на обеих сторонах, либо жёстко задавать одинаковые параметры.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

100Base-T4 — вариант физического уровня Fast Ethernet, разработанный для работы по существующей телефонной проводке — UTP категории 3. Стандартизирован IEEE 802.3u одновременно со 100Base-TX.

Основные особенности: использует все 4 витые пары кабеля (в отличие от 100Base-TX, работающего на двух парах). Три пары используются для передачи данных одновременно, четвёртая — для обнаружения коллизий (контроля несущей).

Кодирование 8B/6T (восьмеричное в шестеричное троичное) — каждые 8 бит данных преобразуются в 6 троичных символов (−1, 0, +1). Скорость в каждой паре составляет 33,3 Мбит/с (100 / 3), символьная скорость — 25 МБод, что позволяет уложиться в полосу категории 3 UTP.

Ограничения: работает только в полудуплексном режиме (требует пары для контроля коллизий, поэтому полнодуплексная работа на 4 парах невозможна); длина сегмента до 100 м; требует всех 4 пар.

Недостатки, из-за которых 100Base-T4 не получил распространения: отсутствие полнодуплексного режима (в эпоху коммутируемых сетей это было критично); сложность микросхем; узкая ниша применения (только те случаи, где нужна cat 3). В итоге вытеснен 100Base-TX на кабеле cat 5, который поддерживает полный дуплекс и использует только 2 пары.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Ограничения сегментов Fast Ethernet обусловлены уменьшением битового времени в 10 раз по сравнению с 10 Мбит/с Ethernet (с 0,1 до 0,01 мкс), что пропорционально сокращает максимально допустимые задержки распространения в коллизионном домене.

Длина сегмента (физический уровень): 100Base-TX и 100Base-T4 — до 100 м (витая пара); 100Base-FX — до 412 м в полудуплексе и до 2 км в полном дуплексе (многомод 62,5/125 мкм); при использовании одномодового волокна и лазерных передатчиков — до десятков километров (нестандартные варианты).

Ограничения коллизионного домена (в полудуплексном режиме). Для обеспечения работы CSMA/CD при минимальном кадре 64 байта (512 бит = 5,12 мкс) round-trip delay всего коллизионного домена не должен превышать 5,12 мкс.

В стандарте определены два класса повторителей (repeater):

Класс I — с восстановлением сигнала и конвертацией кодирования (позволяет смешивать разные физические среды, например TX и FX); вносит задержку до 140 битовых интервалов; в коллизионном домене допускается не более одного повторителя класса I.

Класс II — только восстановление сигнала без конвертации кодирования; меньшая задержка (~92 битовых интервала); допускается до двух повторителей класса II в коллизионном домене, расстояние между ними — не более 5 м.

Практические максимумы диаметра коллизионного домена: только витая пара через один повторитель класса I — 200 м; через два повторителя класса II — 205 м; смешанный (витая пара + оптика) — до 272 м. Эти ограничения актуальны только для полудуплексной разделяемой среды. В современных полнодуплексных коммутируемых сетях коллизий нет, и единственное ограничение — физическая длина линии (100 м для UTP, до 2 км и более для оптики).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Gigabit Ethernet (GbE, 1 Гбит/с) — продолжение линии Ethernet со скоростями в 10 раз выше Fast Ethernet. Стандартизирован двумя документами: IEEE 802.3z (1000Base-X — оптоволокно и короткая медная линия, 1998 г.) и IEEE 802.3ab (1000Base-T — витая пара cat 5, 1999 г.).

Принципы разработки: (1) сохранение формата кадра Ethernet — совместимость с 10 и 100 Мбит/с на уровне MAC; (2) сохранение метода доступа CSMA/CD в полудуплексе; (3) поддержка полнодуплексного режима как основного; (4) простой мост/коммутатор позволяет связать 10/100/1000-сегменты; (5) введение нового интерфейса GMII (Gigabit MII) между MAC и PHY; (6) использование опыта оптоволоконных технологий — кодирование 8B/10B на физическом уровне 1000Base-X заимствовано из Fibre Channel.

Проблема коллизионного домена при 1 Гбит/с: сохранение минимального кадра 64 байта и slot time 512 бит привело бы к диаметру коллизионного домена всего 20 м, что практически неприемлемо. Решения в полудуплексной модели: (а) Carrier Extension — расширение коротких кадров до 512 байт дополнительными символами (не данными, а заполнителями); slot time увеличивается до 4096 бит, диаметр коллизионного домена — до 200 м; (б) Frame Bursting — отправитель может передать серию коротких кадров подряд, выполнив расширение только для первого кадра, что компенсирует накладные расходы.

На практике практически все развёртывания GbE выполняются в полнодуплексной коммутируемой топологии, где ограничения коллизионного домена не действуют, а карета расширения не используется.

Варианты физического уровня: 1000Base-SX (многомод 62,5/125 — до 220 м или 50/125 — до 550 м, 850 нм); 1000Base-LX (одномод — до 5 км, 1310 нм); 1000Base-LH/ZX (одномод — до 40–70 км); 1000Base-CX (твинакс — до 25 м, практически не применяется); 1000Base-T (UTP cat 5/5e, 4 пары, до 100 м).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

1000Base-T (IEEE 802.3ab, 1999 г.) — реализация Gigabit Ethernet на неэкранированной витой паре UTP категории 5 (или лучше — 5e) с длиной сегмента до 100 м. Главное технологическое достижение — передача 1 Гбит/с по стандартному кабелю, изначально рассчитанному на 100 МГц.

Ключевые решения физического уровня:

Использование всех 4 витых пар одновременно в обоих направлениях (гибридный дуплекс, dual duplex). Каждая пара передаёт 250 Мбит/с (4 × 250 = 1000 Мбит/с). Встречные потоки по одной паре разделяются гибридной схемой с эхоподавлением (echo cancellation).

Кодирование PAM-5 (Pulse Amplitude Modulation, 5 уровней: −2, −1, 0, +1, +2). Каждый символ несёт ~2 бита информации, один уровень используется для помехоустойчивого кодирования. Символьная скорость — 125 МБод на пару, что удерживает спектр в полосе кабеля cat 5.

Применяется решётчатое (сверточное) кодирование Trellis (4D-PAM5) — четырёхмерный TCM-код Унгербёка (Ungerboeck TCM) с декодированием по алгоритму Витерби; это обеспечивает выигрыш около 6 дБ по помехоустойчивости и позволяет работать на пределе возможностей кабеля категории 5.

Цифровая адаптивная коррекция искажений: на приёмнике применяются эхо-компенсатор (для подавления собственного сигнала передатчика), канальный эквалайзер (DFE), компенсатор переходного влияния между парами (NEXT — Near-End Crosstalk).

Разъём — RJ-45 (8P8C), все 8 контактов используются для данных. Для связи без коммутатора применяется автоматический авто-MDI/MDI-X (обязателен в 1000Base-T), который делает необязательным использование перекрёстного кабеля.

Автопереговоры 802.3 (расширенные) согласуют скорость 10/100/1000 Мбит/с и режим дуплекса. На кабеле cat 5e, 6 и выше 1000Base-T работает стабильно; на cat 5 возможны проблемы при плохом монтаже.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Основные типы оборудования Gigabit Ethernet и их характеристики:

Коммутаторы (switches) — доминирующее оборудование GbE. Выполняют коммутацию на L2, поддерживают таблицы MAC-адресов (обычно 8k–128k записей), работают в полнодуплексном режиме на всех портах. Распространены управляемые коммутаторы с поддержкой VLAN (802.1Q), STP/RSTP/MSTP, LACP (802.3ad — агрегация каналов), QoS (802.1p), IGMP-snooping, PoE (802.3af/at/bt). Магистральные коммутаторы L3 дополнительно маршрутизируют IP.

Сетевые адаптеры (NIC) — PCI Express-карты или встроенные контроллеры; поддержка Wake-on-LAN, Jumbo Frames (кадры до 9000 байт для повышения эффективности при больших передачах), аппаратного offload'а (TCP/UDP checksum, TSO/GSO, RSS — Receive Side Scaling).

Медиаконвертеры — преобразование между медью и оптикой, например 1000Base-T ↔ 1000Base-SX/LX, для расширения коллизионно-независимых сегментов на большие расстояния.

Оптические трансиверы — модули SFP (Small Form-factor Pluggable), рассчитанные на 1 Гбит/с: SFP 1000Base-SX (850 нм, многомод, 550 м), SFP 1000Base-LX/LH (1310 нм, одномод, 10 км), SFP 1000Base-BX (WDM-одноволоконные, 10–40 км), SFP 1000Base-ZX (1550 нм, одномод, 70–80 км). Модули «горячей замены» с интерфейсом I2C для диагностики DDM/DOM.

Параметры портов: автопереговоры 10/100/1000; авто-MDI/MDI-X; поддержка PAUSE (802.3x) для управления потоком в коммутируемых сетях; флаги link/activity.

Типовые задержки в коммутаторе: store-and-forward ~5–20 мкс; cut-through ~1–2 мкс (последний — для задач с низкой задержкой).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

10 Gigabit Ethernet (10GbE, IEEE 802.3ae, 2002 г. — оптика; IEEE 802.3an, 2006 г. — витая пара 10GBase-T) — развитие Ethernet на скорость 10 Гбит/с. Формат кадра сохранён; MAC-уровень с небольшими изменениями.

Ключевые отличия 10GbE от более низких скоростей:

Только полнодуплексный режим (коммутируемый) — CSMA/CD удалён из стандарта, поскольку на таких скоростях разделяемая среда и коллизионный домен бессмысленны. Половинный дуплекс не поддерживается.

Новый интерфейс XGMII (10 Gigabit MII) или XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface — 4 пары по 3,125 Гбод с кодированием 8B/10B) между MAC и PHY.

Поддержка двух семейств приложений: LAN PHY (10,3125 Гбод на проводе, непосредственное подключение к локальным коммутаторам) и WAN PHY (инкапсуляция в OC-192/STM-64 для совместимости с транспортной сетью SONET/SDH 9,95 Гбит/с — позволяет передавать Ethernet-кадры прямо по магистрали оператора).

Основные варианты физического уровня:

10GBase-SR — многомод 850 нм, VCSEL-лазер, до 300 м на OM3, до 400 м на OM4.

10GBase-LR — одномод 1310 нм, до 10 км.

10GBase-ER — одномод 1550 нм, до 40 км.

10GBase-ZR — одномод 1550 нм, до 80 км (не стандарт IEEE, но широко поддерживается).

10GBase-LX4 — CWDM на многомоде (4 длины волны по 3,125 Гбит/с), до 300 м на OM3.

10GBase-CX4 — 4 пары твинакса (InfiniBand-подобный кабель), до 15 м.

10GBase-T (802.3an) — UTP cat 6a или cat 7, все 4 пары, до 100 м; кодирование PAM-16 + LDPC (Low-Density Parity Check) с символьной скоростью 800 МБод на пару. Требует экранированного кабеля или качественного UTP cat 6a для 100 м.

Развитие: после 10GbE выпущены стандарты 40/100 Гбит/с (IEEE 802.3ba, 2010), 25/50 Гбит/с, 200/400 Гбит/с (IEEE 802.3bs, 2017), ведётся разработка 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Беспроводные технологии передачи данных классифицируются по радиусу действия, скорости, применяемой частоте и топологии. Основные категории:

WPAN (Wireless Personal Area Network) — персональные сети радиусом до 10 м. Технологии: Bluetooth (IEEE 802.15.1, 2,4 ГГц, 1–3 Мбит/с, Bluetooth Low Energy для IoT); ZigBee (IEEE 802.15.4, 2,4 ГГц / 868 МГц / 915 МГц, ≤ 250 кбит/с, для сетей датчиков); UWB (ультраширокополосная связь); NFC (Near Field Communication, 13,56 МГц, до 10 см).

WLAN (Wireless Local Area Network) — локальные сети радиусом до 100–300 м. Основная технология — Wi-Fi (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax/be), 2,4/5/6 ГГц, скорости от единиц Мбит/с до десятков Гбит/с (Wi-Fi 7).

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) — городские сети радиусом до нескольких километров. WiMAX (IEEE 802.16), фиксированный/мобильный доступ, до 75 Мбит/с. В значительной мере вытеснен 4G/5G-сетями мобильных операторов.

WWAN (Wireless Wide Area Network) — глобальные сети подвижной связи: поколения сотовых стандартов 2G (GSM, GPRS/EDGE), 3G (UMTS/WCDMA, HSPA), 4G (LTE/LTE-Advanced), 5G (NR — New Radio); спутниковая связь (VSAT, Iridium, Starlink).

Радиорелейные линии — двухточечные направленные микроволновые каналы для магистралей.

LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) — низкоскоростные сети для IoT (Internet of Things — интернет вещей) с большим радиусом и низким энергопотреблением: LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, LTE-M.

Общие особенности беспроводных сетей: переменные параметры канала (замирания, помехи, затенения); необходимость методов множественного доступа (FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA); применение специальной модуляции (BPSK, QPSK, QAM, OFDM); необходимость шифрования из-за открытой среды; динамическое управление мощностью и скоростью передачи (rate adaptation); методы пространственного мультиплексирования (MIMO, massive MIMO, beamforming).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

IEEE 802.11 — семейство стандартов беспроводных локальных сетей (WLAN), известное под торговой маркой Wi-Fi. Первая версия принята в 1997 г. Определяет физический уровень и MAC-подуровень канального уровня модели OSI. LLC (802.2) общий для всех 802.x технологий.

Основные поправки к стандарту и их характеристики:

802.11-1997 (Legacy) — 2,4 ГГц, скорости 1 и 2 Мбит/с, DSSS и FHSS.

802.11a (1999) — 5 ГГц, OFDM, до 54 Мбит/с, 20 МГц канал.

802.11b (1999) — 2,4 ГГц, DSSS/CCK, до 11 Мбит/с.

802.11g (2003) — 2,4 ГГц, OFDM (совместим с 802.11b), до 54 Мбит/с.

802.11n / Wi-Fi 4 (2009) — 2,4 и 5 ГГц, MIMO (до 4×4), каналы 20/40 МГц, до 600 Мбит/с.

802.11ac / Wi-Fi 5 (2013) — только 5 ГГц, каналы до 160 МГц, MU-MIMO (до 8 потоков), 256-QAM (Quadrature Amplitude Modulation — квадратурная амплитудная модуляция), до 6,9 Гбит/с.

802.11ax / Wi-Fi 6 / 6E (2019/2020) — 2,4/5/6 ГГц, OFDMA, 1024-QAM, пространственное повторное использование (BSS Coloring), Target Wake Time для энергосбережения, до 9,6 Гбит/с.

802.11be / Wi-Fi 7 (2024) — до 46 Гбит/с, каналы 320 МГц, 4096-QAM, Multi-Link Operation.

Кроме скоростных поправок, приняты функциональные: 802.11e (QoS), 802.11i (безопасность — WPA2), 802.11r (быстрый роуминг), 802.11k/v (управление клиентами), 802.11w (защищённые управляющие кадры), 802.11s (Mesh-сети).

Режимы работы: Infrastructure (с точкой доступа — BSS, несколько BSS объединяются в ESS через распределительную систему); Ad-hoc / IBSS (одноранговый режим без точки доступа); Mesh (по 802.11s).

Метод доступа — CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) с распределённой функцией координации DCF, с опциональным использованием RTS/CTS для устранения проблемы скрытого узла.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Исходный стандарт IEEE 802.11-1997 определил три варианта физического уровня для скоростей 1 и 2 Мбит/с в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц ISM (2400–2483,5 МГц):

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) — расширение спектра методом скачков частоты. Доступно 79 каналов по 1 МГц; приёмник и передатчик синхронно перестраиваются по псевдослучайной последовательности с частотой переключения не менее 2,5 скачков в секунду. Модуляция GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) — 2-уровневая для 1 Мбит/с, 4-уровневая для 2 Мбит/с.

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — прямое расширение спектра псевдослучайной последовательностью Баркера длиной 11 чипов. Каналов 14 (в разных странах — разное число разрешённых), ширина канала 22 МГц; непересекающихся каналов — только 3 (каналы 1, 6, 11). Модуляция DBPSK — 1 Мбит/с, DQPSK — 2 Мбит/с.

Infrared (IR) — передача в инфракрасном диапазоне (850–950 нм) посредством диффузного отражения. 1 и 2 Мбит/с, только в пределах помещения. Практически не применялся.

В последующих поправках физический уровень кардинально расширен: 802.11b добавил HR-DSSS/CCK (до 11 Мбит/с в 2,4 ГГц); 802.11a — OFDM в диапазоне 5 ГГц (до 54 Мбит/с); 802.11g — OFDM в диапазоне 2,4 ГГц с обратной совместимостью с 802.11b; 802.11n/ac/ax/be — MIMO, каналы 40/80/160/320 МГц, OFDMA, модуляции до 4096-QAM.

Типовая структура физического уровня 802.11 содержит подуровни PMD (формирование/детектирование сигнала в среде) и PLCP (Physical Layer Convergence Procedure — добавление преамбулы и заголовка физического уровня, синхронизация).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

IEEE 802.11b (1999) — расширение исходного 802.11, повышающее скорость в диапазоне 2,4 ГГц до 5,5 и 11 Мбит/с при сохранении совместимости с базовыми скоростями DSSS 1 и 2 Мбит/с.

Физический уровень использует High-Rate DSSS (HR-DSSS) с шириной канала 22 МГц и символьной скоростью 1,375 MSym/s. Список скоростей и схем модуляции:

1 Мбит/с — DBPSK + последовательность Баркера (11 чипов) — совместимость с 802.11 legacy.

2 Мбит/с — DQPSK + последовательность Баркера.

5,5 Мбит/с — CCK (Complementary Code Keying): каждые 4 бита данных кодируются в 8-чиповое комплементарное кодовое слово; 4 бита × 1,375 MSym/s = 5,5 Мбит/с.

11 Мбит/с — CCK: 8 бит → 8-чиповое кодовое слово; 8 × 1,375 = 11 Мбит/с.

Дополнительно предусмотрен PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) — опциональный режим свёрточного кодирования (скорости 5,5 и 11 Мбит/с).

Каналы в диапазоне 2,4 ГГц — 14 с шагом 5 МГц; но поскольку канал занимает 22 МГц, одновременно без взаимных помех работают только 3 непересекающихся канала (обычно 1, 6, 11).

Преамбула и заголовок PLCP передаются всегда на 1 Мбит/с для совместимости; полезная нагрузка — на выбранной скорости. Поддерживаются две формы заголовка: длинный (Long PLCP, 192 мкс, обязательный) и короткий (Short PLCP, 96 мкс, опциональный).

Рабочая дальность — до ~100 м в открытом пространстве и до 30–50 м в помещении (при 11 Мбит/с); на больших расстояниях скорость снижается до 5,5/2/1 Мбит/с.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

IEEE 802.11g (2003) — стандарт, переносящий технологию OFDM из 802.11a в диапазон 2,4 ГГц с сохранением совместимости с 802.11b. Скорости до 54 Мбит/с.

Физический уровень использует два основных механизма:

ERP-OFDM (Extended Rate PHY — OFDM) — основной режим. Модуляция OFDM с 52 поднесущими (48 для данных, 4 пилотные) в канале 20 МГц. Длительность символа 4 мкс (включая защитный интервал 0,8 мкс). Скорости 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с с модуляциями BPSK (Binary Phase Shift Keying — двоичная фазовая манипуляция), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying — квадратурная фазовая манипуляция), 16-QAM, 64-QAM и разными скоростями свёрточного кодирования (1/2, 2/3, 3/4). 6, 12 и 24 Мбит/с — обязательные; остальные — опциональные.

ERP-DSSS/CCK — полный набор скоростей 802.11b (1, 2, 5,5, 11 Мбит/с) для обратной совместимости.

Опциональные режимы: ERP-PBCC (5,5, 11, 22, 33 Мбит/с) и DSSS-OFDM (гибрид: преамбула на DSSS, данные на OFDM).

Каналы — 14 канальных центров с шагом 5 МГц (в России доступны 1–13); ширина канала 20 МГц. Непересекающихся каналов — 3 (1, 6, 11).

Проблема сосуществования с 802.11b: при одновременной работе станций 802.11b и 802.11g в одной соте точка доступа переходит в защитный режим (Protection Mode) — перед передачей OFDM-кадра отправляется кадр CTS-to-self (или RTS/CTS) на скорости DSSS, чтобы «глухие» к OFDM станции 802.11b узнали о занятости среды. Это снижает пропускную способность смешанной сети до ~20–22 Мбит/с.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Пиковая номинальная скорость канального уровня (data rate, PHY rate) для IEEE 802.11b — 11 Мбит/с (при модуляции CCK и благоприятных условиях канала). Для 802.11g — 54 Мбит/с (при OFDM с 64-QAM, скорость кодирования 3/4).

Эти значения — битовая скорость на канальном уровне. Фактическая пропускная способность (throughput) на уровне приложений существенно ниже из-за накладных расходов MAC-протокола: межкадровых интервалов (DIFS, SIFS), заголовков, подтверждений (ACK), случайных отсрочек CSMA/CA, возможного RTS/CTS. Типовые реальные значения:

802.11b, 11 Мбит/с → практический throughput UDP ~6–7 Мбит/с, TCP ~5–6 Мбит/с.

802.11g, 54 Мбит/с → практический throughput UDP ~25–30 Мбит/с, TCP ~20–25 Мбит/с.

В смешанном режиме 802.11b+g c включённой защитой (Protection Mode) скорость 802.11g падает примерно до 20 Мбит/с пиковой на физическом уровне.

При неблагоприятных условиях канала (дальность, помехи, препятствия) алгоритм rate adaptation автоматически снижает скорость на более помехоустойчивый уровень: 802.11b — 11 → 5,5 → 2 → 1 Мбит/с; 802.11g — 54 → 48 → 36 → 24 → 18 → 12 → 9 → 6 Мбит/с.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Эволюция безопасности Wi-Fi прошла три основных поколения: WEP (скомпрометирован), WPA (промежуточное решение) и WPA2 (базирующийся на IEEE 802.11i).

WPA (Wi-Fi Protected Access, 2003) — промежуточное решение, разработанное Wi-Fi Alliance до завершения стандарта 802.11i. Основные компоненты:

TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) — протокол шифрования на базе того же потокового шифра RC4, что и в WEP (Wired Equivalent Privacy), но с существенными улучшениями: временные ключи обновляются для каждого пакета; 48-битный счётчик IV вместо 24-битного; код целостности MIC (Michael) для защиты от подделки.

802.1X + EAP (Extensible Authentication Protocol) — стандарт аутентификации на основе RADIUS-сервера в корпоративном режиме (WPA-Enterprise). В домашнем режиме (WPA-Personal) применяется PSK (Pre-Shared Key) с выработкой ключей через 4-way handshake.

WPA2 (2004) — полная реализация 802.11i. Принципиальные отличия от WPA:

CCMP (Counter mode with CBC-MAC Protocol) — протокол шифрования на основе AES (Advanced Encryption Standard) с длиной блока 128 бит. AES — блочный шифр, рекомендованный NIST (National Institute of Standards and Technology); на сегодня криптографически стойкий. CCMP использует AES в режиме CTR (счётчик) для конфиденциальности и CBC-MAC для целостности.

TKIP в WPA2 оставлен только для обратной совместимости (режим WPA2-TKIP); режим WPA2-AES (CCMP) — основной и рекомендуемый.

Режимы WPA2: Personal (WPA2-PSK) — общий ключ из 8–63 символов, из которого выводится PMK (Pairwise Master Key); Enterprise (WPA2-802.1X) — аутентификация пользователей через EAP (PEAP, EAP-TLS, EAP-TTLS) и RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service — сервер удалённой аутентификации).

Известные уязвимости: KRACK (Key Reinstallation Attack, 2017) — атака на 4-way handshake, позволяющая переиспользовать nonce; устранена патчами. Атаки перебора слабого PSK по захваченному handshake'у.

В 2018 г. принят WPA3 с более стойкой аутентификацией SAE (Simultaneous Authentication of Equals) вместо PSK, защитой от офлайн-перебора и индивидуальным шифрованием открытых сетей (OWE).

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Методы разделения каналов (multiple access) позволяют нескольким пользователям совместно использовать общий радиоресурс. Основные технологии:

FDMA (Frequency Division Multiple Access) — частотное разделение. Общая полоса делится на непересекающиеся подполосы (каналы), каждому пользователю выделяется своя подполоса. Простая реализация, но требует защитных интервалов между каналами и фильтрации. Применяется в аналоговых системах 1G (AMPS), радиовещании, магистральной радиорелейной связи.

TDMA (Time Division Multiple Access) — временное разделение. Каждому пользователю выделяется периодический временной слот в общем канале. Требует точной синхронизации. Применяется в GSM (восемь слотов на несущую), DECT, спутниковой связи VSAT.

CDMA (Code Division Multiple Access) — кодовое разделение. Все пользователи передают в одной полосе и одновременно, но каждому присвоен уникальный код расширения спектра (Walsh/Gold/PN-последовательности). Приёмник, зная код, выделяет нужный сигнал. Методы расширения — DSSS (прямое расширение) и FHSS (скачки частоты). Применяется в cdmaOne (IS-95), CDMA2000, UMTS/WCDMA (3G), а также в спутниковых навигационных системах (GPS, ГЛОНАСС).

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) — разновидность FDMA с большим числом ортогональных поднесущих и динамическим назначением подмножеств поднесущих пользователям. Высокая спектральная эффективность, устойчивость к многолучевому распространению. Применяется в LTE (4G), 5G NR, Wi-Fi 6 (802.11ax), WiMAX.

SDMA (Space Division Multiple Access) — пространственное разделение. Разные пользователи обслуживаются разными направленными лучами антенны (beamforming) или секторами. Часто сочетается с другими методами. Основа технологий MU-MIMO и massive MIMO в 5G.

SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) — одноконесущий вариант OFDMA с меньшим коэффициентом PAPR; применяется в восходящем канале LTE для экономии энергии терминалов.

Большинство современных сетей (4G/5G, Wi-Fi 6/7) комбинируют несколько методов одновременно: OFDMA (частота + время) + MU-MIMO (пространство) + внутри — TDMA-подобные слоты.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

3G (третье поколение мобильной связи) — семейство стандартов, разработанных в рамках проектов IMT-2000 (ITU). Основная цель — интеграция голосовых услуг и пакетной передачи данных с существенно более высокими скоростями, чем в 2G (GSM/GPRS/EDGE).

Основные семейства стандартов 3G:

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) — европейский стандарт (3GPP). Радиоинтерфейс WCDMA (Wideband CDMA) с шириной полосы 5 МГц. Сеть доступа UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) состоит из Node B (базовые станции) и RNC (Radio Network Controller). Опорная сеть на ранних этапах — та же, что в GSM, позднее — полностью пакетная (IMS).

CDMA2000 — развитие cdmaOne (IS-95), стандарт 3GPP2. Варианты: CDMA2000 1xRTT (до 153 кбит/с), EV-DO Rev. 0/A/B (до 3,1 Мбит/с).

TD-SCDMA — китайский вариант 3G (TD-CDMA с временным дуплексом).

Скорости передачи данных:

Базовый UMTS (Release 99) — до 384 кбит/с (пиково 2 Мбит/с в идеальных условиях).

HSPA (High-Speed Packet Access, Release 5/6): HSDPA (downlink) — до 14,4 Мбит/с; HSUPA (uplink) — до 5,76 Мбит/с.

HSPA+ (Release 7+) — до 42 Мбит/с downlink (2×2 MIMO, 64-QAM) и 11 Мбит/с uplink.

Технологические особенности: WCDMA использует кодовое разделение (DSSS с коэффициентом расширения до 256), что позволяет мягкий хендовер (soft handover — одновременная связь с несколькими базовыми станциями), высокую ёмкость соты, плавное снижение качества при перегрузке. Применяется быстрое управление мощностью для борьбы с замираниями. Пакетная передача — через Radio Bearer поверх UTRAN. Голос — Circuit Switched (AMR-кодек) или через VoIP (Voice over IP) в более поздних релизах. Услуги: видеозвонки, мобильный Интернет, MMS, мобильное ТВ. В России — развёрнут операторами с 2007 г.; активный период использования 2008–2018 гг., сейчас постепенно сворачивается.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

4G (четвёртое поколение мобильной связи) — семейство стандартов, соответствующих требованиям ITU IMT-Advanced. Основная технология — LTE (Long-Term Evolution, разработана 3GPP, первый релиз Release 8, 2008 г.), с расширением LTE-Advanced (Release 10, 2011 г.), которое формально и удовлетворяет требованиям IMT-Advanced.

Ключевые технологические решения LTE/LTE-Advanced:

Радиоинтерфейс OFDMA в нисходящем канале (downlink) — даёт высокую спектральную эффективность и гибкое распределение ресурсов между пользователями через Resource Blocks (180 кГц × 0,5 мс).

SC-FDMA в восходящем канале (uplink) — вариант OFDMA с низким PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), что снижает энергопотребление абонентских терминалов.

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) — пространственное мультиплексирование 2×2, 4×4, 8×8 антенных конфигураций; в LTE-Advanced — Multi-User MIMO и Coordinated Multipoint (CoMP).

Гибкая ширина полосы — 1,4; 3; 5; 10; 15; 20 МГц; в LTE-Advanced введена агрегация несущих (Carrier Aggregation) — до 5 несущих по 20 МГц = 100 МГц совокупно (позже до 32 несущих).

Поддерживаемые модуляции: QPSK, 16-QAM, 64-QAM; в LTE-Advanced — 256-QAM.

Плоская сетевая архитектура EPC (Evolved Packet Core) — полностью пакетная (IP) сеть без схемы коммутации каналов (голос — через VoLTE на базе IMS). Основные элементы: eNodeB (базовая станция с функциями RNC), MME (Mobility Management Entity), SGW (Serving Gateway), PGW (Packet Data Network Gateway), HSS (Home Subscriber Server).

Пиковые скорости (теоретические): LTE Cat 4 — 150 Мбит/с DL / 50 Мбит/с UL; LTE-Advanced — 1 Гбит/с DL (в стационарном режиме); LTE-Advanced Pro — 3 Гбит/с DL с использованием 256-QAM и агрегации нескольких несущих.

Задержки значительно ниже 3G: RTT ~10–20 мс (против 50–100 мс в HSPA), что важно для VoLTE (Voice over LTE), видеоконференций, игр.

Развитие в сторону 5G: с 2019 г. активно развёртывается 5G NR (New Radio); 4G LTE выступает в роли опорной сети в режиме NSA (Non-Standalone) 5G.

⚠️ ⚠ Данный вопрос не раскрыт в предоставленном учебном пособии Савочкина (СевГУ, 2015). Ответ составлен на основе общих технических знаний и положений соответствующих стандартов (ISO/IEC, IEEE 802.x, ITU-T, 3GPP); рекомендуется сверить с источником, указанным в рабочей программе дисциплины (например, Чернега В.С., Платтнер Б. «Компьютерные сети». — Севастополь: СевНТУ, 2006. — 500 с.).

Основные параметры качества телекоммуникационной сети (QoS-метрики):

Пропускная способность (throughput, bandwidth) — максимальная скорость передачи полезных данных в канале. Измеряется в бит/с (Мбит/с, Гбит/с). Теоретический потолок — канальная скорость; практическая пропускная способность меньше из-за заголовков и потерь.

Задержка (latency, delay) — время прохождения пакета от отправителя к получателю. Ключевые варианты: односторонняя задержка (one-way delay), время кругового распространения (RTT — Round-Trip Time). Измеряется в миллисекундах. Для интерактивных приложений (голос, видео, игры) критично.

Вариация задержки, джиттер (jitter) — разброс значений задержки отдельных пакетов. Важен для потоковой передачи голоса и видео; в IP-телефонии буфер джиттера компенсирует разброс.

Потери пакетов (packet loss) — доля пакетов, не дошедших до получателя, в процентах. Для TCP потери снижают эффективную скорость (срабатывание congestion control); для голоса/видео — приводят к «заиканию». Приемлемый уровень для голоса обычно < 1%.

Коэффициент битовых ошибок (BER — Bit Error Rate) — доля ошибочно принятых битов на физическом уровне. Типичные требования: 10⁻⁶ для телефонии, 10⁻⁹–10⁻¹² для цифровых магистральных каналов SDH/OTN.

Коэффициент ошибочных секунд (ES, SES, BBE) по рекомендации ITU-T G.826/G.828 — метрики контроля качества цифровых трактов.

Коэффициент готовности (availability) — доля времени, в течение которого канал работоспособен; обычно задаётся в SLA (99,9%, 99,99%).

Программные средства тестирования:

ping — проверка достижимости хоста и измерение RTT через ICMP Echo Request/Reply. Кросс-платформенный, встроен в большинство ОС.

traceroute / tracert / mtr — трассировка маршрута пакета по переходам (hop-by-hop), измерение задержек на каждом узле. mtr (Linux) объединяет ping и traceroute с непрерывным мониторингом.

iperf / iperf3 — активная генерация TCP/UDP-трафика между двумя точками для измерения пропускной способности, потерь, джиттера. Наиболее распространённый инструмент измерения throughput.

Wireshark (ранее Ethereal) / tcpdump — захват и детальный анализ сетевого трафика, декодирование протоколов, статистика. Используется для диагностики проблем протоколов.

nmap — сканирование портов, обнаружение хостов и сервисов, аудит безопасности.

SNMP-мониторинг (Zabbix, Cacti, PRTG, Prometheus + SNMP Exporter, LibreNMS) — долговременный сбор и визуализация метрик с сетевого оборудования.

NetFlow / sFlow / IPFIX анализаторы (nfdump, ntopng, FastNetMon) — анализ потоков трафика для биллинга, выявления аномалий, защиты от DDoS.

SmokePing, RIPE Atlas — долговременный мониторинг задержек и потерь.

Для цифровых каналов SDH/PDH — измерительные комплексы по ITU-T G.826/G.828 (например, EXFO, JDSU/VIAVI), анализаторы BER (Bit Error Rate — коэффициент битовых ошибок). Для оптики — OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer) — локализация дефектов волокна, измерение затухания.