Курс лекций IP телефония и NGN Лекция 1

Курс лекций
IP телефония и NGN
Лекция 1
Преимущества передачи голосовых данных по сетям IP (Voice over IP — VolP)
обусловлены использованием в качестве транспортного механизма протокола Internet
(Internet Protocol — IP). Но, чтобы по достоинству оценить эти преимущества, для начала
следует уяснить, что же представляет из себя протокол IP. Каковы его поведенческие
характеристики и на что похож его пакет IP? Эти и некоторые другие вопросы
рассматриваются в этой лекции.
Прежде чем узнать возможности протокола IP и способы его прикладного применения,
следует познакомиться с эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open
Systems Interconnection — OSI) и ее применением в сетях IP.
1. Эталонная модель OSI
Международная организация по стандартизации (International Organization for
Standartization— ISO) разработала эталонную модель OSI в начале 1980-х годов. Сейчас
OSI — это фактический стандарт для разработки протоколов коммуникации между
компьютерами. Хотя и не все протоколы основаны на этой модели, большая часть новых
использует именно данный многоуровневый подход. Кроме того, большинство
преподавателей обычно начинают обучение принципам работы сетей именно с этой
модели.
Эталонная модель OSI разделяет проблему связи между машинами на семь уровней.
Каждый уровень заботится о связи только со своим соответствующим уровнем на другом
компьютере (рис. 1.1). Это означает, что уровень 5 должен заниматься только пятым
уровнем другой машины, а не фактической физической средой передачи.
Кроме того, каждый уровень эталонной модели OSI предоставляет службы уровню
выше (уровень 5 уровню 6, уровень 6 уровню 7 и т.д.) и запрашивать некоторые службы у
слоя ниже (уровень 5 у уровня 4, уровень 4 у уровня 3 и т.д.).
Такой многоуровневый подход позволяет каждому уровню обрабатывать небольшие
объемы информации, делать некоторые изменения в данных и добавлять необходимые
функции прежде, чем передать данные следующему уровню. По мере того как данные
"опускаются" вниз по уровням эталонной модели OSI, они становятся все менее
понятными человеку и все более похожими на машинные коды, пока не превратятся в
единицы и нули (электрические импульсы) на физическом уровне. Эталонная модель OSI
представлена на рис. 1.1.
Основное внимание в этой лекции уделяется семи уровням (прикладной, представления,
сеанса, транспортный, сетевой, канальный и физический). Знание принципов работы этих
уровней позволит понять концепцию маршрутизации IP и работу протокола IP в разных
средах передачи данных, располагающихся на уровне 1.
Семейству протоколов Интернета (см. рис. 1.1) соответствуют определенные уровни
OSI. Как можно заметить на схеме семейства протоколов Интернета, приложения (FTP
или электронная почта) работают поверх таких протоколов, как TCP, прежде, чем их
данные будут переданы через некоторый транспортный механизм уровня 1.
Эталонная модель
OSI
Прикладной
Представления
Семейство Протоколов
Интернета
FTP, Telnet,
NFS
SMTP, SNMP,
Email
XDR
Сеанса
Транспортный
Сетевой
RPC
TCP, UDP
Канальный
Протоколы маршрутизации
|p
ICMP
ARP, RARP
Физический
He определен
Рис. 1.1. Эталонная модель OSI
Прикладной уровень
Большинство пользователей уже познакомились с прикладным уровнем (application layer).
Вот некоторые хорошо известные приложения:
 электронная почта;
 просмотр Web;
 подготовка текстов.
Уровень представлений
Уровень представлений (presentation layer) гарантирует, что информация, переданная
прикладным уровнем одной системы, будет читабельной для прикладного уровня другой
системы. При необходимости уровень представлений распределяется между несколькими
форматами данных, используя общий формат представления данных.
Уровень представлений оперирует не только форматом и представлением фактических
данных пользователя, но и структурами данных, используемых программами.
Следовательно, в дополнение к фактическому преобразованию формата данных (при
необходимости), уровень представлений согласует синтаксис передачи данных для
прикладного уровня.
Некоторые примеры:
 шифрование;


сжатие;
кодировки ASCII и EBCDIC.
Уровень сеанса
Как и подразумевает его название, на уровне сеансов (session layer) осуществляется
установка, управление и прекращение сеансов связи между приложениями. Сеанс состоит из
диалога между двумя или несколькими объектами представления (напомним, что уровень
сеанса предоставляет свои услуги уровню представлений).
На уровне сеанса осуществляется синхронизация диалога между объектами уровня
представлений и управление обменом их данными. В дополнение к простому регулированию
диалогов (сеансов), уровень сеансов предоставляет средства для проверки данных и
сообщений о проблемах на уровне сеансов, уровне представлений и прикладном уровне.
Транспортный уровень
Транспортный уровень (transport layer) отвечает за обеспечение надежной передачи данных
в объединенной сети, что достигается за счет контроля потока информации, проверки
ошибок(контрольной суммой),сквозных подтверждений, повторных передач и очередности
данных.
Некоторые транспортные уровни, такие как протокол управления передачей (Transmission
Control Protocol — TCP), имеют механизмы для обработки заторов. Протокол TCP
корректирует период повторной передачи, например, когда затор или потеря пакета
происходят внутри сети. Во время затора протокол TCP уменьшает объем передаваемого
трафика. Наличие затора выясняется по снижению количества подтверждений, получаемых
от узла назначения.
Сетевой уровень
Сетевой уровень (network layer) обеспечивает адресацию логического типа, которая
позволяет двум конечным системам в различных логических сетях определить возможный
путь для связи. Именно на этом уровне находятся протоколы маршрутизации. Сейчас IP
адресация в Интернете — одна из популярных схем адресации.
Протоколы маршрутизации, такие как
 расширенный протокол маршрутизации внутреннего шлюза (Enhanced Interior
Gateway Routing Protocol — Enhanced IGRP — EIGRP),
 открытый протокол поиска кратчайших маршрутов (Open Shortest Path First —
OSPF),
 протокол граничного шлюза (Border Gateway Protocol — BGP),
 протокол обмена маршрутной информацией между промежуточными системами
(Intermediary System to Intermediary System — IS-IS)
и многие другие используются для определения оптимальных маршрутов между двумя
логическими подсетями.
Канальный уровень передачи данных
Канальный уровень (channel layer) передачи данных обеспечивает надежную доставку
данных через физический канал связи. У канального уровня передачи данных есть
собственная схема адресации, которая отвечает за физическое подключение и может
передавать фреймы на основании адресов канального уровня передачи данных.
Традиционные коммутаторы Ethernet коммутируют сетевой трафик на основании адреса
канального уровня передачи данных (уровень 2). Обычно коммутацию трафика на
основании адреса уровня 2 называют мостовым соединением (bridging). Фактически,
коммутатор Ethernet — это не более чем быстродействующий мост с несколькими
интерфейсами.
Физический уровень
Физический уровень (physical layer) отвечает за создание нулей и единиц в физической
среде за счет изменения электрических импульсов напряжения. Наиболее популярными
спецификациями связи физического уровня являются следующие.
 Спецификация Е1А/ПА-232 ассоциации электронной промышленности (EIA)и
ассоциации телекоммуникационной промышленности (TIA), используемая для связи
между компьютерными устройствами. Этот интерфейс зачастую используется для
подключения компьютеров к модемам
и может применяться к различным
физическим разъемам.
 Спецификация
V.35
сектора
стандартизации
международного
телекоммуникационного союза (ITU-T) определяет механизм передачи сигналов со
скоростью от 19,2 Кбит/с до 1,544 Мбит/с. Этот физический интерфейс рассчитан на
34-штырьковый разъем, называемый также винчестерным блоком (Winchester Block).
 Спецификация RS-449, используемая для глобальной синхронной связи (widearea
communication). Физическое соединение, использующее разъем на 37 штырьков,
способно передать сигнал на значительно большие расстояния, чем Е1А/Г1А-232.
 Спецификация 802.3. Одной из наиболее широко используемых физических сред
является Ethernet. В настоящее время скорости Ethernet достигают от 10
до 1000 Мбит/с.
2. Технология передачи голосовых данных по сетям IP
Традиционные маршрутизаторы передают пакеты IP согласно их адресу сетевого уровня.
Главные функции сетевого уровня:
 форматирование пакета, адресация сетей и хостов, преобразование адресов и
перенаправление;
 создание и хранение таблиц маршрутизации.
Протокол Интернета
Протокол IP — это не требующий установки соединения протокол, который находится на
третьем (сетевом) уровне, что означает отсутствие механизмов надежности, управления
потоком, упорядочения или подтверждений. Другие протоколы, такие как TCP, могут
выполняться поверх протокола IP (уровень 4, сеансовый) и дополнительно осуществлять
управление потоком, упорядочение и др.
Учитывая относительное положение в эталонной модели OSI, протокол IP не обязан иметь
дело с обычными каналами связи, такими как
 Ethernet, ATM (Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи).
 Frame Relay и Token Ring
или с физическими средствами, такими как синхронная оптическая сеть (Synchronous Optical
Network — SONET), медный или оптоволоконный кабель.
Поэтому протокол IP можно назвать виртуально вездесущим.
Службы протокола IP можно использовать дома и в офисе с помощью разных передающих
физических сред (беспроводной, широкополосной или узкополосной). Но это не означает,
что когда сеть будет разработана, можно будет игнорировать два нижних уровня. Это просто
значит, что физическая среда не зависит от приложений, с которыми используется протокол
IP.
Протокол IP считается пульсирующим (bursty). Это
значит,
что приложения,
использующие протокол IP, могут иметь длительные периоды отсутствия активности,
сменяющиеся периодами повышенной активности.
Хороший пример электронная почта. Если настроить почтовое приложение на загрузку
электронной почты каждые 20 минут, то получим примерно 20 минут относительной
тишины, в течение которых трафик будет или очень маленьким, или отсутствовать.
Электронная почта — это только один из примеров, другие приложения, передающие
данные по сети IP, обладают подобными тенденциями (банковские приложения, видео,
передача
голосовых данных по сети IP).
Одним из главных преимуществ протокола IP является его способность написать
приложение один раз, а затем получать к нему доступ через разные среды передачи данных
где угодно: дома, через цифровую абонентскую линию (DSL) или в офисе по каналу Т1.
Существуют три механизма адресации пакета IP:
 одноадресатный,
 многоадресатный и
 широковещательный.
Иначе говоря, каждый из этих механизмов предоставляет собственные средства доставки
каждого пакета IP получателю, на основании его адреса.
 Одноадресатный (unicast) механизм довольно прост: указывается один, вполне
определенный адрес хоста и предполагается, что именно этот узел отправит пакет на
более высокие уровни эталонной модели OSI.
 Широковещательные (broadcast) пакеты пересылаются всем пользователям
локальной сети. Такие пакеты могут проходить через мосты и коммутаторы, но не
через маршрутизаторы (если только они для этого специально не настроены).
 Многоадресатные (multicast) пакеты используют специальный диапазон адресов, что
позволяет группе пользователей в разных подсетях получать тот же поток данных.
Именно это позволяет отправителю посылать один пакет, который получат сразу
несколько хостов.
У одноадресатных, широковещательных и многоадресатных пакетов есть свое
предназначение.
Одноадресатные пакеты позволяют двум станциям связаться независимо от физического
расположения.
Широковещательные пакеты используются для связи с каждым пользователем подсети
одновременно.
Многоадресатные пакеты делают возможными работу таких
приложений, как
видеоконференции, у которых есть один передатчик и несколько приемников.
Контрольные вопросы
1. Назначение и применение модели OSI.
2. Назначение физического уровня эталонной модели OSI.
3. Опишите спецификации используемые на физическом уровне.
4. Назначение канального уровня модели OSI.
5. Назначение сетевого уровня модели OSI.
6. Какие протоколы работают на сетевом уровне. Дайте характеристику каждого.
7. Охарактеризуйте основные функции сетевого уровня модели OSI.
8. Назначение транспортного уровня модели OSI.
9. Какие протоколы работают на транспортном уровне. Дайте их характеристику.
10. Назначение уровня сеансов модели OSI.
11. Какие средства предоставляет уровень сеансов для взаимодействия с другими
уровнями модели OSI.
12. Назначение уровня представлений модели OSI.
13. Какими инструментами оперирует уровень представлений.
14. Назначение прикладного уровня модели OSI.
15. Какие приложения работают на прикладном уровне.
16. На каком уровне модели OSI работают маршрутизаторы.
17. Что такое протокол IP.
18. Какие существуют механизмы адресации в протоколе IP.
19. Опишите механизм работы пакета unicast.
20. Опишите механизм работы пакета broadcast.
21. Опишите механизм работы пакета multicast.
Библиография
1. Дэвидсон и др. Основы передачи голосовых данных по сетям IP.,Москва,
2007.,391 с.
2. IP Routing Primer, Robert Wright (Роберт Райт), CCIE. ISBN: 1-57870-108-2.
3. Routing TCP/IP, Volume I (CCIE Professional Development), Jeff Doyle (Джефф
Дойл),СС1Е. ISBN: 1-57870-041-8
.