Учебное пособие 800354

Прежде чем дать характеристику основных базовых сетевых технологий, необходимо отметить, что коммуникационные сети могут быть разделены на три основных типа: 1) с коммутацией каналов, 2) с коммутацией сообщений и 3) с коммутацией пакетов. Сети с коммутацией каналов работают, образуя выделенное соединение (канал) между двумя точками. При технологии с коммутацией каналов – сигнал вызова устанавливает канал от вызывающего абонента через локальную станцию управления (например, АТС) по линиям связи к удаленной станции управления (удаленной АТС), и, наконец, к отвечающему абоненту.

Пока существует канал, оборудование постоянно опрашивает рабочие станции абонентов, кодирует полученное сообщение в цифровой форме, и передает его по этому каналу к получателю. Преимущество коммутации каналов заключается в ее гарантированной пропускной способности: как только канал создан, ни один сетевой процесс не уменьшит пропускной способности этого канала. Недостатком при коммутации каналов является ее стоимость: платы за каналы являются фиксированными и независимыми от трафика. Сеть с коммутацией сообщений является вариацией сети с выделенным каналом, но с уплотнением нескольких сообщений в одном канале.

100

Сети с коммутацией пакетов, тип сетей обычно используемый при соединении компьютеров, используют совершенно другой подход. В сетях с коммутацией пакетов трафик сети делится на небольшие части, называемые пакетами (кадрами, ячейками), которые объединяются в высокоскоростных межмашинных соединениях. Пакет, который обычно содержит только несколько сотен байтов данных, имеет идентификатор, который позволяет компьютерам в сети узнавать, предназначен ли он им, и если нет, то помогает им определить, как послать его в указанное место назначения. Главным преимуществом коммутации пакетов является то, что большое число соединений между компьютерами может работать одновременно, так как межмашинные соединения разделяются между всеми парами взаимодействующих машин. Недостатком ее является то, что всякий раз, когда сеть с коммутацией пакетов становится перегруженной, компьютеры, использующие сеть, должны ждать, пока они не смогут послать следующие пакеты. Несмотря на потенциальный недостаток негарантируемой сетевой пропускной способности, сети с коммутацией пакетов стали сегодня наиболее распространенными. Причинами их широкого использования являются низкая стоимость и высокая производительность. Перейдем к рассмотрению основных базовых сетевых технологий.

Технология Ethernet. Ethernet – это имя, данное популярной технологии локальной сети с коммутацией пакетов, разработанной в Xerox PARC в начале 1970 года. В технологии Ethernet может использоваться коаксиальный кабель приблизительно полдюйма в диаметре и до 500 метров длиной – толстый Ethernet (спецификация 10Base- 5), так называемый тонкий Ethernet - на тонком кабеле (спецификация 10Base-2), Ethernet на экранированной или неэкранированной витой паре (спецификация 10Base-Т) и

101

Ethernet на оптоволокне (спецификация 10Base-F). В сети на толстом Ethernet'е сетевой адаптер подсоединяется к кабелю через так называемый трансивер – устройство, необходимое для выявления факта использования кабеля трансляции аналоговых электрических сигналов, идущие по кабелю, в цифровую форму или из нее в аналоговую. В тонком Ethernet'е трансивер отсутствует: высокоскоростные цифровые микросхемы соединяются напрямую с кабелем. В этом случае Ethernet может быть создан с помощью стандартного коаксиального кабеля, такого, который используется для кабельного телевидения и BNCконнекторов.

Схема доступа Ethernetа называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий(CSMA/CD). По этой схеме несколько машин могут получить доступ к Ethernetу одновременно, и каждая машина определяет, занят ли кабель, по наличию несущей в нем. Когда интерфейс компьютера имеет пакет, который нужно передать, он слушает кабель, чтобы узнать, передается ли уже чье-то сообщение (т.е. определяет наличие несущей). Когда передачи не обнаружено, интерфейс компьютера начинает передачу. Каждая передача ограничена в своей продолжительности (так как существует максимальный размер пакета). Возможны случаи, когда два электрических сигнала передаются одновременно, при этом они перемешиваются, в результате чего оба становятся искаженными. Такие события называются коллизиями. Ethernet обрабатывает коллизии. Когда коллизия обнаружена, интерфейс ЭВМ аварийно завершает передачу, ждет конца работы других станций и снова пытается повторить передачу с экспоненциальной задержкой по времени.

Чтобы позволить компьютеру определить, какие пакеты назначены ему, каждому компьютеру назначено

102

48-битовое число, называемое Ethernet-овским адресом. Обычно Ethernet-овский адрес фиксируется в оборудовании интерфейса компьютера. Так как адреса Ethernetа принадлежат аппаратным устройствам, то они иногда называются аппаратными адресами или физическими адресами (MAC-адресами). 48-битовый адрес Ethernetа не только определяет отдельный аппаратный интерфейс. Он может принадлежать одному из трех типов: физический адрес одного сетевого интерфейса; широковещательный сетевой адрес; групповой адрес.

Кадры (пакеты информации) Ethernetа имеют переменную длину в пределах от 64 байт (блок из 8 бит, чаще называемый байтом) до 1518 байтов. Как и во всех сетях с коммутацией пакетов, кадр должен идентифицироваться по назначению. На рис. 8 показан формат кадра, реализуемого в технологии Ethernet. Сеть на базе стандартов Ethernet может быть дополнена устройствами, называемыми повторителями, которые передают электрические сигналы от одного кабеля к другому, усиливая их при необходимости.

Хотя повторители как способ расширения были популярны много лет тому назад, многие теперь используют мосты для соединения сегментов.

Рис. 8. Формат кадра(пакета) в том виде, в котором он передается по сети с технологией Ethernet. Размеры полей не соотносятся друг с другом.

103

вать передаваемые данные в "хвост" маркера по мере его движения по сети, при этом не существует ограничений на число добавленных кадров. Этим достигается скорость до 16 Мбит/с. Кроме того, нашли применение сложные сети с несколькими кольцами и с использованием протоколов маршрутизации, позволяющих выбрать оптимальный маршрут.

Появление многопортовых концентраторов дало вторую жизнь технологии Ethernet: возникла технология коммутируемого Ethernet, что стало толчком к созданию виртуальных локальных вычислительных сетей. Бурную эволюцию технологии Ethernet можно проиллюстрировать следующим образом (табл.3).

Технология коммутируемого Ethernet была положена в основу технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Кроме того, возникли смешанные технологии типа 100 VG – AnyLan, объединившие в себе технологии Ethernet и Token Ring, обеспечивающие при достаточно высокой надежности скорости передачи до 100 Мбит/с.

Таблица 3 Технологии и соответствующие скорости передачи

105

Технология Frame Relay. Технология Frame Relay

разрабатывалась для высокоскоростной передачи данных и обеспечения низкого уровня ошибок в качестве альтернативы для широко используемого тогда (более 20 лет назад) технологии Х.25. Достичь этого помогло то, что во Frame Relay передача сигналов контроля вызова осуществляется по виртуальному соединению, отличному от используемого для передачи пользовательских данных, то есть один канал управления соединением служит для контроля за всеми коммутируемыми соединениями передачи данных. Контроль за правильностью передачи данных осуществляется не на физическом уровне, а на более высоком уровне, то есть в ходе обработки принятых сообщений. При этом достигаются скорости передачи от 56 Кбит/с до 45 Мбит/с (в Х.25 скорость составляет лишь 56 или 64 Кбит/с). Структура кадра передачи данных в технологии Frame Relay достаточна проста (рис.9). Данные помещаются между полем DLCI и полем контрольной суммы в конце кадра,

106

призванного обнаруживать любые битовые ошибки. Числовое значение, записанное в поле DLCI, служит для идентификации виртуального соединения между абонентами. В одном кадре может быть передано 8000 байтов данных.

Большой вклад в популярность технологии Frame Relay внесла возможность передачи голосовой информации. Для этого были разработаны голосовые маршрутизаторы и платы расширения (FRAD – Frame Relay Access Device – устройство доступа к сети Frame Relay).

Рис.9. Формат кадра Frame Relay

До этого качество передачи голосовых данных было крайне плохим – наблюдались большие задержки, эхо т.д. Голосовые маршрутизаторы устранили эти недостатки, обеспечили реализации приоритетного принципа доставки пакетов за счет переупорядочения очередей пакетов в устройствах доступа к сети, обеспечили применение специальных методов подавления пауз в разговоре и компрессии голосового сигнала и т.д. Сейчас разрабатывается путь расширения возможностей данной технологии за счет внедрения коммутируемых, а не постоянных виртуальных соединений. У данной технологии кроме отсутствия комму-

107

тируемых виртуальных соединений имеется серьезный недостаток, относящийся к управлению потоком данных. Дело в том, что если маршрутизатор сети не поддерживает какой-либо протокол контроля за трафиком, то он может направить слишком много данных в один узел, что приведет к их потере в образовавшемся заторе. Вместе с тем, эта технология отличается высокой надежностью, благодаря использованию постоянных виртуальных соединений, при которых в случае возникновения обрыва канала связи автоматически производится изменение маршрута - данные немедленно направляются по другому пути.

Базовая технология АТМ. Здесь излагается лишь краткая характеристика данной технологии, поскольку ее изучение может быть предметом специального курса. АТМ

(Asynchrjnjus Transfer Mode – асинхронный режим переда-

чи) - перспективная высокоскоростная технология, которая уже в ближайшее время найдет широкое применения в магистральных каналах глобальных сетей связи. Уже сегодня эта технология обеспечивает скорость до 622 Мбит/с. Это самая дорогая, но и самая эффективная технология, обеспечивающая передачу больших объемов мультимедийной информации в сетях. Пока с ней может успешно конкурировать лишь Gigabit Ethernet. В технологии АТМ используются небольшие пакеты фиксированной длины, называемые ячейками. Ячейка имеет длину 53 байта, из которых 48 отводятся под данные, а 5 байт занимает заголовок. При этом возможна передача ячеек одним из трех методов: 1) напрямую; 2) с упаковкой в транспортные кадры; 3) с использованием специального кадра PLCP. В первом случае ячейки конвертируются напрямую, побитно, в соответствующие электрические или оптические сигналы в зависимости от среды передачи. Достоинство – в оптимальном использовании пропускной способности канала.

108

Недостаток – в том, что этот метод не позволяет использовать существующую транспортную инфраструктуру и возникают сложности с передачей контрольной и служебной информацией. При упаковке ячеек в транспортные кадры используется стандарт упаковки SONET и его европейский аналог SDH. При этом базовым является формат STS-1 Frame, в соответствии с которым кадр представляет собой прямоугольный массив данных размером 90х9 байт (9 рядов по 9 столбцов). То есть этот массив может вместить 810 байт (6480 бит) информации. Каждый кадр состоит из поля полезной нагрузки и поля данных. Кадры передаются со скоростью 8000 кадров в секунду. То есть скорость передачи составляет 6480х8000=51840000 бит/с или 51.84 Мбит/с. Используя несколько базовых кадров, можно получить кадр STS-3 следующего уровня иерархии путем мультиплексирования параллельных потоков транспортных кадров (рис.10). В этом потоке последовательно чередуются кадры STS-1 от первичных параллельных потоков, при этом три кадра STS-1 образуют кадр STS-3.

Рис.10. Схема получения следующего уровня иерархии в SONET/ SDH

Использование PLCP, третий метод передачи ячеек, применяется для передачи пакетов по городским сетям по каналам со сравнительно устаревшей, но все еще широко применяемой плезиохронной цифровой иерархией формирования цифровых каналов связи (Plesiochronous Digital

109