Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети - протокол DHCP

IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в интерсети и должны поэтому полагаться на администраторов.

Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем. Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов.

В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ на их запросы к DHCP-серверу.

При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавливается в момент первичного назначения сервером DHCP IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами. Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.

DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра «продолжительности аренды» (lease duration), которая определяет, как долго компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.

Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компьютер, являющийся клиентом DHCP, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.

Протокол DHCP использует модель клиент-сервер. Во время старта системы компьютер-клиент DHCP, находящийся в состоянии «инициализация», посылает сообщение discover (исследовать), которое широковещательно распространяется по локальной сети и передается всем DHCP-серверам частной интерсети. Каждый DHCP-сервер, получивший это сообщение, отвечает на него сообщением offer (предложение), которое содержит IP-адрес и конфигурационную информацию.

Компьютер-клиент DHCP переходит в состояние «выбор» и собирает конфигурационные предложения от DHCP-серверов. Затем он выбирает одно из этих предложений, переходит в состояние «запрос» и отправляет сообщение request (запрос) тому DHCP-серверу, чье предложение было выбрано.

Выбранный DHCP-сервер посылает сообщение DHCP-acknowledgment (подтверждение), содержащее тот же IP-адрес, который уже был послан ранее на стадии исследования, а также параметр аренды для этого адреса. Кроме того, DHCP-сервер посылает параметры сетевой конфигурации. После того, как клиент получит это подтверждение, он переходит в состояние «связь», находясь в котором он может принимать участие в работе сети TCP/IP. Компьютеры-клиенты, которые имеют локальные диски, сохраняют полученный адрес для использования при последующих стартах системы. При приближении момента истечения срока аренды адреса компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера, а если этот IP-адрес не может быть выделен снова, то ему возвращается другой IP-адрес.

В протоколе DHCP описывается несколько типов сообщений, которые используются для обнаружения и выбора DHCP-серверов, для запросов информации о конфигурации, для продления и досрочного прекращения лицензии на IP-адрес. Все эти операции направлены на то, чтобы освободить администратора сети от утомительных рутинных операций по конфигурированию сети.

Однако использование DHCP несет в себе и некоторые проблемы. Во-первых, это проблема согласования информационной адресной базы в службах DHCP и DNS. Как известно, DNS служит для преобразования символьных имен в IP-адреса. Если IP-адреса будут динамически изменятся сервером DHCP, то эти изменения необходимо также динамически вносить в базу данных сервера DNS. Хотя протокол динамического взаимодействия между службами DNS и DHCP уже реализован некоторыми фирмами (так называемая служба Dynamic DNS), стандарт на него пока не принят.

Во-вторых, нестабильность IP-адресов усложняет процесс управления сетью. Системы управления, основанные на протоколе SNMP, разработаны с расчетом на статичность IP-адресов. Аналогичные проблемы возникают и при конфигурировании фильтров маршрутизаторов, которые оперируют с IP-адресами.

Наконец, централизация процедуры назначения адресов снижает надежность системы: при отказе DHCP-сервера все его клиенты оказываются не в состоянии получить IP-адрес и другую информацию о конфигурации. Последствия такого отказа могут быть уменьшены путем использования в сети нескольких серверов DHCP, каждый из которых имеет свой пул IP-адресов.

Лекция(10):

РЕТРАНСЛЯТОРЫ

Все возможные виды связи служат для передачи информации. Рассмотрим, какие виды связи реализованы и используются в настоящее время.

Звуковая, визуальная и почтовая связь постоянно используются в обычном общении людей друг с другом. Это настолько привычные связи, что даже не возникает особой необходимости в детальном анализе физических принципов, на которых эти связи реализуются. Все достаточно ясно.

Электропроводная связь возникла после того, как были получены достаточно обширные сведения о работе разных электрических цепей. Оказалось, что вдоль металлических проводников электрическая энергия передается токами смещения, которые являются источником формирования электромагнитного поля. Выполняя разными способами модуляцию этого поля, возникла возможность передавать информацию на достаточно большое расстояние по проводам. В этом виде связи телефонные станции генерируют электрические токи в электрических цепях и осуществляют коммутацию разных пользователей и выход пользователей на другие виды связи.

Особую популярность в современных условиях приобрела радиосвязь. Она применяется во многих сферах человеческой деятельности, как-то:

- Управление движением автотранспорта, железнодорожного транспорта и авиатранспорта.

- Обеспечение надежной аварийно-спасательной радиослужбы.

- Создание единого навигационного комплекса.

- Формирование единого гражданского радиовещания.

- Объединения телевизионных программ в единую телевизионную структуру и др.

Во всех видах транспорта радиосвязь играет весьма важную роль. Научной основой радиосвязи является электродинамика, а теория колебаний, теория электрических цепей в этом виде связи используются в полной мере.

При осуществлении радиосвязи между двумя пользователями в каждом пункте реализуется одновременно передатчик и приемник радиосигналов. Приемник и передатчик могут работать как на одной частоте, так и на разных частотах. В обоих случаях реализуется прямая и обратная радиосвязь. Каждая линия радиосвязи содержит передатчик информации и приемник этой информации на определенной радиочастоте. Схематически линия связи с ретранслятором показана на рис. 1. Получается довольно сложная система передачи и приема информации по беспроводной линии связи в радиочастотной области распространения радиоволн в достаточно неоднородной окружающей среде.

Передающая информацию радиостанция является сложной технической системой. Какие энергоблоки формируют структуру передающей радиостанции показано на рис. 2. Задающий генератор возбуждает широкий диапазон радиочастот. Чтобы получить строго определенную частоту, необходимо реализовать операцию синтеза, а это не простая операция. Полученную волну на заданной частоте необходимо усилить и затем промодулировать по амплитуде или по частоте, т.е., ввести в радиоволну информацию. Полученную волну необходимо усилить и радиоантенной передать в эфир (земную атмосферу). Каждый энергоблок передающей радиостанции представляет сложную электрическую систему, насыщенную линейными и нелинейными электрическими элементами: резисторы, ёмкости, индуктивности, диоды, триоды, микросхемы, которые не должны оказывать паразитного влияния друг на друга, т.е., обладать электромагнитной совместимостью. Если проанализировать прохождение радиоволны от одного блока к другому внутри радиостанции, то за счет разного паразитного влияния сформированная волна претерпевает существенное искажение. Поэтому требуется большое искусство в создании электрических схем с минимальными искажениями сформированной волны, содержащую информацию. Радиоволна, несущая информацию потребителю, распространяется в земной атмосфере.

Земная атмосфера весьма неоднородная. Общая структура земной атмосферы приведена на рис. 3. Плотность воздуха с высотой уменьшается почти по экспоненциальному закону. Наличие ионосферы и озонного слоя приводит к заметному отражению радиоволн, что способствует осуществлению дальней радиосвязи. Взаимодействие радиоволн с атмосферой Земли приводит к рассеянию, поглощению, отражению, рефракции. Все эти процессы взаимодействия сложно учитывать для стационарной атмосферы, а с учетом ее непрерывного движения возникают новые трудности.

Приемная радиостанция это также сложное электротехническое устройство, которое принимает радиосигнал, содержащий не только полезный сигнал, но и разного рода радиошумы естественной и промышленной природы. В результате приходится выделять полезный сигнал из большой совокупности посторонних радиосигналов. Это достаточно сложная техническая проблема. Какие основные энергоблоки формируют приемную радиостанцию с преобразованием частоты показано на рис. 4. Антенный блок 1 воспринимает радиосигнал на частоте передающей радиостанции и направляет в блок 2, где происходит усиление приемного радиосигнала. В блок смесителя 3 поступает сложный сигнал с усилителя высокой частоты и откалиброванный сигнал более низкой или более высокой частоты с гетеродина 8. Из полученной совокупности сигналов разных частот резонансным способом выделяют сигнал с более низкой или с более высокой частотой, и подается этот сигнал в блок усилителя промежуточной частоты 4. После усиления полученный сложный радиосигнал подается в демодулятор 5. Демодулятор из сложного радиосигнала выделяет информационный сигнал низкой частоты. Затем этот сигнал усиливается в блоке 6 и поступает в блок обработки информации, хранения и принятия решения 7.

При больших дальностях передающую и приемную антенну можно рассматривать как точечные объекты. Излучающая антенна абонента А, как точечный источник, генерирует плотность потока энергии, определяемой вектором Умова-Пойнтинга

Вт/м². (1)

При равновероятном распределении излучения в пространство передающей антенной до приемной антенны ретранслятора на прямой видимости дойдет плотность потока энергии

. (2)

Здесь S_а – эффективная площадь передающей антенны абонента А.

Радиосвязь осуществляется преимущественно на больших дальностях. Так как плотность потока энергии уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, то до приемной антенны дойдет мощность, которая практически не сможет быть воспринята реализованной чувствительностью приемника радиосигнала. Реальные антенны излучают поток мощности в определенном сферическом конусе, который формируется диаграммой направленности излучающей антенны.

Диаграмма направленности антенны определяется коэффициентом направленного действия . Тогда до приемной антенны ретранслятора дойдет плотность потока энергии

. (3)

Приемная антенна ретранслятора обладает своей диаграммой направленности . Следовательно, приемная антенна воспринимает мощность , (4)

где S′_a – эффективная площадь приемной антенны.

Коэффициент направленного действия приемной антенны с эффективной площадью связаны соотношением

. (5)

В результате приемная антенна ретранслятора регистрирует мощность

. (6)

При распространении электромагнитных волн в той или иной среде происходит рассеяние, поглощение, дифракция, интерференция. Это приводит к значительным потерям мощности воспринимаемого сигнала приемной антенной. Всю эту совокупность потерь учтем путем введения множителя ослабления сигнала в виде функции . Тогда окончательно получаем . (7)

Аналогичная формула определяет связь ретранслятора с абонентом B, и результирующая мощность, которая доходит до абонента B

. (8)

Полученные формулы анализа двусторонней радиосвязи с ретранслятором относятся к прямой видимости передающей и приемной антенн. Прямая видимость ограничивается кривизной земной поверхности и наложением прямой волны с отраженными волнами от ионосферы и от поверхности Земли. Если антенну ретранслятора поднять на некоторую высоту h₁, то с учетом высоты передающей антенны h₂ максимальная дальность прямой видимости между двумя антеннами, ограниченная радиусом кривизны поверхности Земли, определяется по формуле

. (9)

Когда передающая и приемная антенны находятся на прямой видимости и кривизна поверхности Земли не оказывает влияния, то в этом случае дальность радиосвязи определяется интерференционной формулой Введенского. Если на трассе связи возникают препятствия (гористая местность), тогда необходимо использовать ретранслятор.

Радиосвязь преимущественно осуществляется вблизи земной поверхности. Земная атмосфера в околоземном пространстве неоднородная. Электромагнитные волны, распространяясь в таком пространстве, заметно ослабляются. Задача осуществления надежной радиосвязи решается путем анализа всех причин ослабления сигнала по всей трассе прохождения электромагнитных волн. Чтобы уменьшить влияние земной поверхности и увеличить дальность радиосвязи, необходимо применить активный ретранслятор и поднять его на большую высоту.

Общая схема работы радиосвязи вдоль поверхности Земли показана на рис. 5. На основании рис. 5 в точку приема приходят две волны как-бы от двух излучателей – прямого и зеркально отраженного. Излучающая антенна генерирует плотность потока энергии, определяемой вектором Умова-Пойнтинга, а приемная антенна регистрирует одновременно две когерентные волны. В результате сложения этих двух волн происходит их интерференция. Явление интерференции возникает при сложении колебаний, а не при сложении энергий электромаг
нитных волн. В электромагнитной волне совершают колебания напряженности электрического и магнитного поля. В окружающую среду излучается сферическая волна. Тогда для напряженности электрического поля в точке приема от двух источников имеем

. (10)

Результирующая амплитуда при сложении двух колебаний с одинаковыми частотами в одном направлении равна

, (11)

где в соответствии с рис. 5 и .

Так как и , то

и . (12)

В формулы (10)-(12) подставляется напряженность поля, формируемую источником, а после сложения колебаний в плоскости приемной антенны в регистрируемый поток энергии входит результирующая напряженность электромагнитной волны, полученную после сложения колебаний, т.е.,

,

где .

Окончательно для напряженности электрического поля на входе приемной антенны . (13)

Формула (13) была получена Б.А. Введенским и названа его именем – интерференционная формула Введенского.

Интерференционные эффекты особенно важно учитывать при осуществлении радиосвязи в УКВ диапазоне.

Ретрансляторы по типу оборудования различают активные, пассивные и пояс иголок.

Активные ретрансляторы располагаются на промежуточных пунктах линий радиосвязи как на подвижном (самолет, автомобиль, корабль, спутник связи) так и на не подвижном объекте (радиорелейная линия, башня, высотное здание) и содержат антенну, радиоприемное и радиопередающее устройство, источник питания, средства дистанционного управления, устройства контроля оборудования и средства автоматизации. Поэтому активный ретранслятор представляет собой сложное техническое устройство.

Приемные и передающие устройства в активном ретрансляторе работают на одну и ту же антенну. Если рассматривать вибратор Герца в качестве антенны, то стоячая волна при передаче сигнала обладает максимумом на концах вибратора, а при приеме сигнала стоячая волна на концах вибратора обладает наоборот минимумом напряженности поля волны. Так как антенна работает одновременно как приемная и как передающая антенна, то надо приемные и передающие сигналы как-то разделять. Разделение сигналов применяется частотное, временное или кодовое.

Для компенсации затухания сигнала в линиях связи применяются разного рода усилители. В проводной линии связи такие усилители называются повторителями. В цифровой технике – это репитеры, а в аналоговой технике – линейные усилители.

Пассивные ретрансляторыпадающее электромагнитное излучение рассеивают или отражают в заданном направлении. Пассивный ретранслятор позволяет:

- увеличивать мощность передающей станции;

- увеличивать размер и эффективность антенн передающей и приемной радиостанций;

- сужать полосу используемых частот;

- понижать скорость передачи информации.

В радиорелейной связи в качестве ретрансляторов используют уголковые отражатели. В космосе – это огромные надувные шары, покрытые алюминием, а также поверхность Луны. В ряде случаях рассеивали пары металлов, которые ионизировались солнечным излучением или радиоизлучением с Земли.

Пояс иголок –искусственноеобразование из тонких металлических проволочек в космосе.

Ретрансляторы могут быть прямые и скрытые. Прямые ретрансляторы работают по прямой линии связи, а скрытые – по принципу тропосферной связи.

Ретрансляторы в цифровой технике полностью восстанавливают цифровой сигнал и производят его усиление и восстанавливают кодирование. Это позволяет осуществлять связь на неограниченную дальность

Лекция 10