Нано технологии в телекоммуникациях

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшегопрофессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙСООБЩЕНИЯ»

СОГЛАСОВАНО:

Выпускающей кафедрой «Железнодорожная автоматика,

телемеханика и связь»

Зав. кафедрой

____________________А.В. Горелик

(подпись, Ф.И.О.)

« ___ » _____________ 20 ____г.

Кафедра: «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь»

(название кафедры)

Авторы: Ермакова О.П., к.т.н, доц.

(ф.и.о., ученая степень, ученое звание)

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Нано технологии в телекоммуникациях»

(название дисциплины)

Направление/специальность: 23.05.05. Системы обеспечения движения поездов

(код, наименование специальности /направления)

Профиль/специализация: «Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного
транспорта (СТ)»,

Квалификация (степень) выпускника: специалист

Форма обучения: заочная

Москва 2016г.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Контрольная работа состоит из трех задач. Ее цель - закрепить знания,
полученные студентами, при изучении дисциплины.

Прежде чем приступать к выполнению контрольной работы студент
должен тщательно проработать материал соответствующих разделов курса.

Контрольная работа выполняется на листах формата А4. На титульном
листе должны быть указаны наименование дисциплины, данные студента и
его учебный шифр.В контрольной работе должны быть приведены исходные
данные, схемы и формулы, поясняющие ход решения, а также сделаны
выводы по решениям задач.

Проверенная и допущенная к защите контрольная работа
предъявляется преподавателю на защите. Без защиты контрольной работы
студент не допускается к сдаче экзамена.

ЗАДАЧА 1

В контрольной работе по заданному IP адресу и маске подсети
необходимо определить: адрес сети; адрес широковещательной рассылки;
первый и последний доступные IP адреса для этой сети. Вариант исходных
данных задачи определяется по последней цифре шифра студента в
соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Продолжение табл.1

Примечание. Приведенные в табл. 1 IP адреса могут совпадать с адресом сети
или широковещательным адресом.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ
РАБОТЫ

• 1. Классы и структура IP-адресов

В сетях TCP/IP любое сетевое устройство должно иметь уникальный
IP- адрес, который представляет собой 32-х разрядное двоичное число
(четыре байта). Обычно он представляется в виде четырех десятичных чисел,
лежащих в диапазоне от 0 до 255, разделенных точками, например,
198.87.118.17. IP- адрес состоит из двух частей: адреса сети и адреса хоста в
этой сети. Соотношения между адресом сети и хоста зависит от класса IP-
адреса.

Существует пять классов IP- адресов: А, В, С, D и Е. Адреса класса D,
для которых отведен диапазон адресов с 224 по 239, используются для
обращения к группам компьютеров, а Е – зарезервированы. Классы
отличаются друг от друга количеством битов, отведенных на адрес сети и
адрес хоста. В табл. 2 приведены структуры адресов для этих классов в виде
четырех десятичных чисел w. x. у. z.

Таблица 2. Структура IP- адресов

В двоичной нотации первый октет (байт) всегда начинается с 0 для
адресов класса А, с 10 – для класса В и с 110 – для адресов класса С.

Адреса класса А используются в очень больших сетях общего
пользования, класса В – в сетях среднего размера, а большинство сетей
Internet попадают в категорию С, количество узлов в которых не превышает
254 хоста. Количество хостов в сети рассчитывается по формуле:

ⁿ

хостов ^,

где n – число разрядов “хостовой” части IP-адреса. Уменьшение
максимального числа узлов в сети на 2 обусловлено тем, что адрес, в котором
все разряды “хостовой” части равны 0, является адресом сети, а адрес, у
которого эти же разряды равны 1 являетсяшироковещательным и
предназначен для широковещательной рассылки уровня 3 всем хостам,
входящим в эту сеть.

Сетевой адрес 127.0.0.0 является выделенным и предназначен для
тестирования программ и взаимодействия процессов, функционирующих на
данном компьютере. Для локальных целей зарезервированными являются
адреса: для класса А – это сеть 10.0.0.0, в классе В – это диапазон из 16
номеров сетей 172.16.0.0…172.31.0.0, в классе С – это диапазон из 255 сетей
– 192.168.0.0…192.168.255.0. Адреса 0.0.0.0, а также диапазон
224.0.0.0...255.0.0.0 зарезервированы для специальных целей.

• 2. Маски подсетей

Для установления связи по протоколу IP кроме IP-адреса необходимо
еще два компонента: маска подсети и адрес шлюза, используемого по
умолчанию. Маска подсети определяет, какая часть адреса относится к хосту,
а какая часть – к сети. Маска подсети представляет собой 32-битовое число,
представленное, как и IP- адрес, в виде четырех десятичных чисел. В табл.3
приведены стандартные маски подсетей для IP- адресов классов А, В, С как в
десятичной нотации, так и в виде двоичных чисел.

Таблица 3. Стандартные маски подсетей

Для определения адреса сети необходимо выполнить логическое
умножение IP-адреса и маски подсети, т.е. выполнить логическую операцию
“И” (AND) над всеми двоичными разрядами. На рис. 1 показан процесс

определения адреса сети для хоста, имеющего IP-адрес 172.16.6.27 и маской
подсети 255.255.0.0. Вначале адрес и маска переводятся в двоичную форму.
Затем выполняется поразрядная операция логического “И”. После чего
полученное двоичное число переводится в десятичную форму.

172.16.6.27-IP-адрес

255.255.0.0 - маска подсети

^0101100.00010000.00000110.00011011 - IP-адрес
11111111.11111111.00000000.00000000 - маска подсети
10101100.00010000.00000000.00000000 - адрес сети

(результат операции И)

• 172.16. 0.0- адрес сети

Рисунок 1 - Определение адреса сети с помощью операции “И”

Кроме разбиения IP- адреса на сетевую и узловую части, маски подсети
используются для сегментации сети на несколько локальных подсетей.
Предположим, что большой компании присвоен IP-адрес класса В, например,
191.100.0.0. Сеть компании представляет собой 10 различных локальных
сетей, каждая из которых состоит из 200 узлов. Использование маски
255.255.255.0 позволит разбить сеть на 254 отдельных подсетей с адресами от
191.100.1.0 до 191.100.254.0. В каждой из 254 подсетей может быть до 254
хостов.

Маска подсети не обязательно должна состоять из целых октетов.
Узловая часть маски может быть как больше, так и меньше 8 бит.
Проиллюстрируем сказанное еще одним примером. Пусть компания
располагается в 6 зданиях, в каждом из которых расположено не более 30
хостов. Для их адресации используется блок адресов класса С - 200.10.1.0.
При использовании стандартной маски подсети, младшие восемь разрядов
определяют адрес хоста, а старших три байта – адрес сети (рис. 2, а).

Сеть

Хост

11001000.00001010.00000001.00000001 - IP-адрес

11111111.11111111.11111111 JOOOOOOOO - маска подсети

Сеть

• а)

Лодселг

\ /Хост

11001000.00001010.00000001.000 00001 - IP-адрес

11111111.11111111.111111111111D0000 - маска подсети

б)

Рисунок 2 - Разбиение сети на подсети с помощью маски

Так как в каждой подсети будет использоваться не более 30 хостов, то
для задания их адресов достаточно всего 5 двоичных разрядов (25 - 2 = 30).
Тогда оставшихся старших три разряда можно использовать для маски

подсети (рис.2, б), которая в десятичной форме будет равна 255.255.255.224.
В некоторых случаях, маска подсети может записываться через косую черту
(/). Этот стиль записи намного компактнее и предусматривает указание после
IP-адреса количество подряд идущих единиц в маске вместо записи маски в
точечном десятичном формате. Например, чтобы представить сеть 172.16.1.0
с маской 255.255.224.0, ее можно записать в виде 172.16.1.0/19.

ЗАДАЧА 2

В сети действуют три маршрутизатора: RouterA, RouterB,RouterC,

каждый из которых содержит один порт Ethernet и
порта. Маршрутизаторы, связаны последовательной
передачи 256 Кбит (рисунок 3).

два последовательных
линией со скоростью

eO

RouterA

Подсеть 3

RouterB |

Подсеть 2

sO

si

sO

si

RouterC

Рисунок 3 – Схема конфигурируемой сети

Все хосты имеют одинаковую маску 255.255.0.0. По данным
приведенным в таблице 4 назначить действующие адреса интерфейсам
маршрутизаторов и хостам сети, а также составить таблицы статической

маршрутизации.

Таблица 4

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ
РАБОТЫ

Основной
пользовательских

функцией

пакетов из

маршрутизаторов

сети отправителя в

является передача
сеть получателя в

соответствии с адресами, содержащимися в заголовке IP пакета. Для этого
используются таблицы маршрутизации, которые формируются с помощью
следующих двух основных способов:

• 1.
• 2.
• 3.

Статическая маршрутизация.

Маршрутизация по умолчанию.
Динамическая маршрутизация.

При статической маршрутизации администратор сети вручную вводит
пути передачи пакетов в таблицы маршрутизации всех маршрутизаторов.
Статическая маршрутизация, как правило, используется в сетях небольшого
размера, а также в пограничных маршрутизаторах (маршрутизатор,
непосредственно соединенный с сетью провайдера).

Статическая маршрутизация обладает следующими достоинствами:

• 1. В линиях связи между маршрутизаторами отсутствует служебный
  трафик, а, следовательно, эффективность линий связи повышается;
• 2. Поскольку только администратор устанавливает маршруты передачи
  данных к определенным сетям, то обеспечивается хорошая защита
  информации.

Однако статическая маршрутизация не лишена недостатков,
основными из которых являются:

• 1. Администратор должен хорошо понимать особенности
  объединенной сети и правильно настроить каждый маршрутизатор;
• 2. Если в объединенную сеть добавляется новая сеть, то
  администратору придется добавить новые пути во все маршрутизаторы;
• 3. Статическая маршрутизация неприменима в крупных сетях,
  поскольку требует большого объема работы.

Маршрутизация по умолчанию используется для пересылки пакетов в
удаленную сеть назначения, которая не отмечена в таблице маршрутизации
через маршрутизатор следующего участка. Можно использовать
маршрутизацию по умолчанию в тупиковых сетях (stubnetwork), т.е. сетях,
имеющих только один выходной порт.

При динамической маршрутизации таблицы маршрутизации
формируются с помощью протоколов маршрутизации (routingprotocols). Для
формирования и обновления таблиц маршрутизации эти протоколы
обмениваются служебной информацией, объем которой существенно
зависит от количества маршрутизаторов в сети. При существенном росте
объединенной сети (прежде всего Internet) в ней возникают следующие
проблемы:

• 1. Производительность протоколов маршрутизации значительно
  снижается;
• 2. Объем служебного трафика, которым обмениваются
  маршрутизаторы для поддержания своих таблиц маршрутизации, растет, что
  требует все больших ресурсов маршрутизатора и все большей пропускной
  способности сети;
• 3. Большое число маршрутизаторов, работающих с протоколами
  маршрутизации, делают поддержку механизмов обнаружения и изоляции
  сбоев в сети практически невозможной.

Для того чтобы в какой-то степени снизить влияние этих факторов сеть
Internet разделили на отдельные автономные системы (AutonomousSystem –
AS). Автономная система представляет собой группу сетей и
маршрутизаторов, находящихся под единым административным
управлением.

В качестве примера настройки статической маршрутизации
рассмотрим сеть с адресом 172.16.0.0 и маской 255.255.255.0, фрагмент
которой показан на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема сети

Как видно из рисунка необходимо сконфигурировать пять сетей, как

различные подсети.

Схема выбранных адресов и таблицы маршрутизации показаны на
рисунке 5.

Рисунок 5- Схема выбранных адресов и таблицы маршрутизации

ЗАДАЧА 3

• 1. Рассчитать коэффициент использования канала связи для двух
  скоростей передачи данных, если для установления соединения используется
  протокол ARQ, который работает в режиме останова и ожидания и с
  избирательным повторением. Исходные данные для расчета приведены в
  таблицах 5, 6

Таблица 5

Таблица 6

Примечание. При максимальной скорости передачи данных время тайм-аута
уменьшить на порядок.

• 2. Построить график зависимости коэффициента использования канала
  связи, если длина информационного поля пакета данных изменяется от 1 до
  100000 бит. Вероятность потери кадра описывается экспоненциальным
  законом pF = 1 - exp(-2 • m). Значения коэффициента X определяется по
  таблице 7.

Таблица 7

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ
РАБОТЫ

В каналах связи с установлением соединения для защиты от ошибок
передачи данных широко используется протокол автоматического запроса
повторной передачи ARQ (AutomaticRepeatrequest). Вариант с остановом и
ожиданием является самым простым, который состоит из следующих шагов
(рисунок 6):

• 1. Отправитель (передатчик) посылает данные и заголовок получателю
  (приемнику) информации, одновременно запуская таймер тайм-аута, и
  переходит в состояние ожидания до тех пор пока не получит подтверждения
  от приемника или до истечения времени тайм-аута.
• 2. Приемник, получив данные и заголовок, посылает передатчику
  подтверждение (ACK – acknowledgement) приема информации.
• 3. Передатчик, получив подтверждение ACK, посылает приемнику
  следующую порцию информации. Если же по каким-либо причинам
  передатчик не получает подтверждение, то после обнуления таймера тайм-
  аута, он осуществляет повторную передачу ранее переданных данных.

Рисунок 6 - Передача данных в протоколе ARQ с остановом и ожиданием

Для передачи кадра, содержащего mбитов сообщения иhбитов
заголовка, по идеальному каналу связи, в котором отсутствуют ошибки и
скорость передачи данных равна Bбит/с, а задержка распространения сигнала
равна tP, потребуется время равное

_B + t_P .

Аналогично, время, необходимое для передачи подтверждения длиной aбит
от приемника к передатчику, будет равно

a
_B+t_P.

Тогда полное время, требуемое для передачи одного кадра, будет равно

h + m + a

• t_K = + 2t

K_B

P^.

В течение этого периода времени передается mбит полезной информации.
Тогда, коэффициент использования канала связи КС, равный отношению
полезного времени, т.е. времени, необходимого для передачи mбитов
информации, к общему времени, затрачиваемому на передачу всего кадра,
можно определить по формуле (1)

Kc =

m

m + h + a + 2 • B • tP

.

(1)

Практически во всех реальных каналах связи действуют помехи,
которые приводят к возникновению ошибок при передаче данных. Если
предположить, что вероятность потери кадра равна p_F , а вероятность потери
подтверждения – p_A , то вероятность правильного приема кадра будет равна

Ps = ^{(1 -} pF )(1 ^- pA ) •

Причем, чем больше длина информационного поля кадра, тем выше
вероятность его потери в процесс передачи по каналу связи. Чаще всего
вероятность потери кадра описывается экспоненциальным законом вида

pF = 1 - ехр(-Л • m). При этом полезная пропускная способность (в кадрах)
реального канала связи будет определяться как т х ps, а коэффициент КС -
согласно выражению (2)

KC =----m^. (2)

m + h + a + 2 • B • tp

Приведенные выше рассуждения справедливы для протокола ARQ с остановом и
ожиданием, в котором время тайм-аута равно 2t_P + ^a _B (время, которое обычно
требуется для возврата подтверждения). В этом случае кадры будут передаваться
с одним и тем же интервалом, независимо от того возникает ошибка или нет.

Для повышения коэффициента использования канала связи, в случае
использования протокола ARQ с остановом и ожиданием, необходимо,
чтобы заголовок и подтверждение были короткими, а время распространения
сигнала– небольшим.

Для преодоления неэффективности ARQ с остановом и ожиданием
можно продолжать передавать новые кадры, не ожидая получения никаких
подтверждений. Для числа¹ кадров, ожидающих получения подтверждения,
устанавливается некоторый максимум, а соответствующий протокол называют
ARQ-протоколом со скользящим окном. Использование таких окон
обеспечивает определенную степень управления потоком данных.

В случае потери подтверждений, можно для каждого кадра
использовать тайм-аут (как в ARQ с остановом и ожиданием). Если
подтверждение не было своевременно получено, то интервал тайм-аута
завершается по таймеру, а передатчик предполагает, что кадр потерян, и что
нужно повторно передать только что переданный кадр. В качестве
альтернативного способа обнаружения потерянных кадров можно
отслеживать на принимающем конце канала связи перерывы в их
последовательности.

Существуют два режима повторной передачи: или передатчик передает
только тот кадр, в котором была ошибка (избирательная повторная передача), или
он также повторно передает все кадры, которые были переданы после потери
кадра (повторная передача с возвратом N кадров).

В избирательной схеме передатчик повторно посылает только тот кадр,
который был ошибочным. Преимущество этой схемы заключается в том, что она
менее расточительна с точки зрения пропускной способности канала связи, но
зависит от способности приемника гарантировать, что кадры поставляются
сетевому уровню в правильном порядке. Это означает, что сетевой
уровеньдолжен правильно буферизовать полученные кадры во время
ожидания повторно передаваемых кадров.

Всхеме с возвратом N кадров, передатчик “возвращается назад” к
потерянному кадру и от этой точки снова посылает все кадры.
Преимущество этого подхода состоит в том, что в приемнике не

¹Это число называют окном (window)

требуется буферизации или повторного построения последовательности
кадров. Но вследствие того, что этасхема ARQ требует повторной
передачи даже тех кадров, которые, возможно,былиприняты правильно,
она не столь эффективна в случае ошибок, каксхема с избирательной
повторной передачей.

Всистеме с возвратом N кадров для определения того момента,
когда произошла ошибка или когда были приняты дубликаты кадра,
приемник проверяет порядковые номера кадров. Если был получен
правильный кадр с порядковым номером N, то следующий полученный
кадр должен иметь номер N+1. Если номер следующего принятого
кадра равен N+2, то кадр с номером N+ 1 считается потерянным.

В протоколах со скользящим окном роль порядковых номеров
является решающей. Когда передается кадр, ему приписывается номер,
который определяет порядок его вывода по отношению к другим кадрам.
Эти номера используются приемником для того, чтобы гарантировать, что
кадры, передаваемые на сетевой уровень, расположены в правильном
порядке.Диапазон допустимых порядковых номеров является функцией
размера окна и метода повторной передачи. В случае протокола со
скользящим окном размера 1 требуется одноразрядный порядковый
номер. В общем случае для окнаразмером Wкадров, диапазон требуемых
порядковых номеров простирается от 0 до 2W+1 для системы,
использующей избирательную повторнуюпередачу, а для систем с
возвратом N кадров – от0 до W+1. Для указанияномера в каждом кадре
обычно задается специальное полеразмером в 3 или 8 разрядов.

Вычисление коэффициента использования канала связи для
протоколов со скользящимокном несколько сложнее. Здесь различают два
случая. При большом окне его размер оказывается достаточным для
непрерывной передачи в условияхотсутствия ошибок. В случае маленького
окна его размер не достаточен для непрерывной передачи, но можно
использовать эффективную схему ARQ с остановом и ожиданием,
позволяющую одновременно передавать несколько кадров.Пусть на передачу

h+m a

кадра затрачивается секунд, а на прием подтверждения- 2t +

BB

секунд. Это означает, что при ожидании подтверждения можно передавать

(2t_P + a/В) 2Bt_P + a _{1 z} _

—P------=---P---кадров. Если размер окна на 1 (или на еще большую

(h + т)/В h + т

величину) больше, чем это значение, то возможна непрерывная передача. В
случае небольшого окна его размер Wдолжен удовлетворять следующему

условию:

W < (2Bt_P + a)/(h + m).

Тогда за каждый временной интервал, равный

h+m+a

+ 2t , можно
B^P

передать Wкадров. При этом эффективность свободной от ошибок передачи
возрастает и ее можно вычислять по формуле

K _ m ^ W (h + m) _ m -W

^CW h + m (h + m + a + 2Bt P) h + m + a + 2Bt P

В случае реального канала связи, для ARQсо скользящим окном можно
использовать подход, который был использован для ARQ с остановом и
ожиданием. В условиях низкой интенсивности ошибок для ARQ с
избирательным повторением передачи можно сделать некоторое упрощение,
состоящее в том, что повторные передачи потерянных пакетов – это еще не
сами потери, и что система должна уменьшить число пакетов, которые она
посылает вследствие переполнения буферов. В этом случае, коэффициент
использования канала связи для случая большого окна будет равен
mps /(h + m) ,а для случая малого окна - равнымmWp_s /(h + m + a + 2Bt_P).

Для ARQ с возвратом N кадров рассмотренный подход использовать
нельзя, потому что в дополнение к тому, что нужно снова посылать более
одного кадра (Nкадров в случае большого окна и Wкадров – вслучае малого
окна), ошибка в повторной передаче сбойного кадра заставит протокол
остановиться. Однако если допустить упрощение, состоящее в том, что этого
не случится, то каждый потерянный кадр вызоветповторную передачуN или
Wкадров. Среднее число передач, требуемых для того, чтобы получить
успешно переданный кадр, равно 1 p_S . Средне число повторных передач на
1 меньше, чем эта величина, т. е. ¹ - 1 , так что общее количество

p_S

переданных кадров будет равно (1 p_s -1)N + 1для большого окна или
(1/ps - 1)W +1 - для малого. Из-за этого множителя коэффициент

использования канала связи уменьшается и становится равным

Кс = ----((1 Ps — 1)N +1) – для большого окна;

h + m

mWp_S

h + m + a + 2 Bt _p

((1 p_s - 1)W +1) - длямалого окна.

На рисунке 7 показаны графики зависимости коэффициента
использования канала связи от размера данных протоколаARQ с остановом и
ожиданием (1) и с избирательным повторением (2) для системы со

следующими характеристиками:

• • скоростью передачи 1 Мбит/с;
• • 40-разрядным заголовком;
• • 40-разрядным пакетом подтверждения;
• • задержкой распространения 10 мс;
• • вероятность потери подтверждения равна 10^-4.

Длина информационного поля, бит

Рисунок - 7Графики зависимости коэффициента использования канала