Телекоммуникационные_системы_и_сети_Т_1_Современные_технологии_620
.pdf
13.5. Локальные компьютерные сети |
271 |
Рис. 13.12. Структура сети на повторителях класса I
сиспользованием витой пары
Взависимости от времени задержки повторители Fast Ethernet делятся на два класса: I и II. Повторители описываются в стандарте
IEEE 802.3U. Прозрачные повторители (transparent repeaters) исполь-
зуют лишь одну среду передачи данных, вследствие чего время задержек мало и эти повторители всегда соответствуют классу II. Преобразующие повторители (translational repeaters) могут работать с несколькими средами передачи данных и поэтому производят дополнительное преобразование данных; время задержек возрастает, и удовлетворяются лишь требования к повторителям класса I.
ВFast Ethernet внутри одного домена конфликтов могут находиться не более двух повторителей класса II (рис. 13.11) или не более одного повторителя класса I (рис. 13.12). В противном случае общая задержка превысит допустимый порог, поэтому станции на разных концах домена не смогут корректно разрешать возникновение кон-
Та б л и ц а 13.3. Зависимость максимального диаметра сети Fast Ethernet
(домена конфликтов) от используемого оборудования, м
Повторители |
|
Кабельная система |
|
|
только витая пара |
|
витая пара + |
только ВОК |
|
|
|
ВОК*** |
||
|
|
|
|
|
Отсутствуют* |
100 |
|
– |
412 |
Один класса I |
200(100 + 100)** |
|
261(100 + 161) |
272(136 + 136) |
Один класса II |
200(100 + 100) |
|
309(100 + 209) |
320(160 + 160) |
Два класса II |
205(100 + 5 + 100) |
|
216 |
228 |
*Соединение двух активных устройств, например станции и коммутатора или двух коммутаторов.
**В скобках указаны рекомендуемые максимальные расстояния от станции до повторителя и между повторителями (для повторителей класса II).
***ВОК – волоконно-оптический кабель.
272 |
Глава 13. Службы ПД. Сети ПД |
фликтов. Основные варианты построения сети и ее размеры указаны в табл. 13.3 [26].
Технология Gigabit Ethernet. Следующий шаг в развитии технологии Ethernet – разработка проекта стандарта IEEE-802.3z. Данный стандарт предусматривает скорость обмена информацией между станциями локальной сети 1 Гбит/с. Устройства Gigabit Ethernet объединяют сегменты сетей с Fast Ethernet со скоростями 100 Мбит/с. Разрабатаны сетевые карты со скоростью 1 Гбит/с, а также серия сетевых устройств, таких как коммутаторы и маршрутизаторы.
В сети с Gigabit Ethernet используется управление трафиком, контроль перегрузок и обеспечение качества обслуживания (quality-of- service – QoS) [27]. Стандарт Gigabit Ethernet – один из серьезных соперников технологии АТМ [28].
Технология АТМ. Сеть АТМ имеет звездообразную топологию. Типичная сеть АТМ строится на основе одного или нескольких коммутаторов, являющихся неотъемлемой частью данной коммуникационной структуры. Простейший пример такой сети – один коммутатор, обеспечивающий коммутацию пакетов данных, и несколько оконечных устройств, которые одновременно могут выполнять функции как приемников, так и передатчиков информации. Каждое оконечное устройство имеет свой собственный выделенный физический канал в коммутаторе, что обеспечивает возможность обмена информацией между устройствами с использованием полной ширины полосы конкретного канала.
Реализация таких важных принципов как однородность среды сетевого взаимодействия и прозрачность для пользовательских приложений позволяет строить АТМ-сети с использованием одних только коммутаторов, исключая мосты и маршрутизаторы. Маршрутизация пакетов осуществляется внутри коммутаторов со скоростью 155 Мбит/с на порт. Такая скорость гарантируется для всех устройств, подключенных к коммутатору.
Ячейки АТМ. АТМ – это метод передачи информации между устройствами в сети маленькими пакетами фиксированной длины, названными ячейками (cells). Фиксация размеров ячейки имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с пакетами переменной длины. Во-первых, ячейки фиксированной длины требуют минимальной обработки при операциях маршрутизации в коммутаторах. Это позволяет максимально упростить схемные решения коммутаторов при высоких скоростях коммутации. Во-вторых, все виды обработки ячеек по сравнению с обработкой пакетов переменной длины значительно проще, так как отпадает необходимость в вычислении длины ячейки. И наконец, в-третьих, в случае применения пакетов переменной длины передача длинного пакета данных могла бы
13.5. Локальные компьютерные сети |
273 |
вызвать задержку выдачи в линию пакетов с речью или видео, что привело бы к их искажению.
Выбор длины ячейки определялся исходя из допуска на задержку распространения через сеть речевых сигналов. Ячейки большой длины лучше используют полосу пропускания канала связи, так как при этом в сеть передается меньше заголовков ячеек. Однако длинные пакеты дольше копятся на входе в сеть. С учетом возможной миграции пакетов между сетями АТМ и с учетом рекомендаций расчетный размер содержательной части ячейки оказался в диапазоне от 32 до 64 байт. Представители США в МСЭ-Т отстаивали длину 64 байта,
Рис. 13.13. Сопоставление архитектуры протоколов АТМ с моделью ISО
274 |
Глава 13. Службы ПД. Сети ПД |
а представители Европы – 32 байта. Сошлись на «золотой середине» – 48 байт. С учетом пяти байт заголовка полная длина ячейки составила 53 байта.
Архитектура протоколов в АТМ-сетях. Модель АТМ имеет че-
тырехуровневую структуру. Обычно различают следующие уровни: пользовательский (User Layer) – включает уровни начиная с сетевого и выше (IPX/SPX или TCP/IP), адаптации (АТМ Adaptation Layer – AAL), АТМ (АТМ Layer) и физический (Physical Layer) (см. рис. 13.13).
Пользовательский уровень обеспечивает создание сообщения, которое должно быть передано в сеть АТМ и соответствующим образом преобразовано.
Уровень адаптации (AAL) обеспечивает доступ пользовательских приложений к коммутирующим устройствам АТМ, так как многие приложения не имеют прямого доступа к сервису АТМ. Данный уровень формирует стандартные АТМ-ячейки и передает их на уровень АТМ для последующей обработки. Уровень адаптации в свою очередь состоит из двух подуровней: преобразования, обеспечивающего синхронизацию для различных классов обслуживания и подготовку пакетов для сегментации, и разборки-сборки пакетов большой длины, где происходит разбиение больших пакетов на стандартные 48-байтные ячейки АТМ (без учета пяти байт заголовка). Последний подуровень гарантирует, что ни один пакет нестандартной длины не будет отправлен на уровень АТМ.
Уровень АТМ занимается обменом с физическим уровнем и отвечает за создание ячеек АТМ. Он принимает 48-байтные пакеты, сформированные на уровне адаптации, добавляет к ним пятибайтный заголовок и передает их в сеть. На этом уровне устанавливаются соединения, и происходит мультиплексирование ячеек от разных пользовательских приложений в один выходной порт, а также их демультиплексирование из входного порта в различные приложения или другие порты.
Физический уровень обеспечивает передачу ячеек через разнообразные коммуникационные среды. Данный уровень состоит из двух подуровней – подуровня преобразования передачи, реализующего различные протоколы передачи по физическим линиям, и подуровня адаптации к среде передачи [29].
На рис. 13.13 приведена схема прохождения информации с высших уровней через АТМ-модель в сопоставлении моделью ISO (показано предварительно установленное соединение):
1)пользовательские данные – это блок размером 1024 байта;
2)к пользовательским данным прибавляются ТСР/IP-заголовки, что увеличивает размер пакета до 1072 байт;
13.5. Локальные компьютерные сети |
275 |
3)затем IP-пакет переходит на уровень адаптации АТМ (AAL). Подуровень преобразования готовит IP-пакет к сегментации, добавляя контрольную информацию как в заголовок, так и в конец пакета;
4)затем подуровень сборки-разборки пакетов сегментирует пакет на блоки данных (ячейки) по 48 байт;
5)уровень АТМ добавляет заголовок для создания 53-байтной ячейки;
6)после уровня АТМ ячейка переходит на физический уровень, со-
стоящий из подуровня преобразования и подуровня адаптации к среде передачи.
Многими комитетами по стандартизации в качестве физического уровня модели АТМ рассматривается спецификация SONET (Synchronous Optical Network) – международный стандарт на высокоскоростную передачу данных. Европейское сообщество называет всю иерархию скоростей, известную как SONET, синхронной цифровой ие-
рархией (SDH – Synchronous Digital Hierarchy).
АТМ-устройства. Оконечные устройства АТМ-сети подключаются к коммутаторам через интерфейс, называемый UNI (User to Network Interface), – интерфейс пользователя с сетью. UNI может быть интерфейсом между рабочей станцией, ПК, АТС, маршрутизатором или каким угодно «черным ящиком» и АТМ-коммутатором. К примеру, рабочая станция, подключенная прямо к сети АТМ, – это место, где оканчивается и начинается АТМ-сеть. Другими словами, станция имеет сетевой АТМ-адаптер, подключенный к коммутатору. Эта рабо-
Рис. 13.14. Сетевые интерфейсы АТМ
276 |
Глава 13. Службы ПД. Сети ПД |
чая станция является конечной точкой и включает в себя уровни AAL, АТМ и физический. Каждая АТМ-сеть может иметь больше одного коммутатора. Коммутаторы соединяются между собой, образуя тем самым сколь угодно разнообразную конфигурацию. Интерфейс между АТМ-коммутаторами называется NNI (Network to Network Interface) –
интерфейс между сетями (рис. 13.14) [30].
Принцип виртуальных соединений. Технология АТМ – это транс-
портный механизм, ориентированный на установление соединений для передачи разнообразной информации. Одно из основных отличий АТМ от традиционных ЛВС-технологий состоит в том, что в АТМ разработана концепция виртуальных соединений (virtual connection) вместо выделенных физических связей между конечными точками сети. Виртуальное соединение – это сконфигурированная определенным образом среда между двумя или более конечными устройствами для передачи информации.
АТМ использует принцип виртуальных соединений между конечными точками сети. Различают два вида соединений: PVC (Permanent Virtual Circuit) – постоянный виртуальный канал и SVC (Switched Virtual Circuit) – коммутируемый виртуальный канал. PVC представляет собой соединение между конечными точками, которое существует постоянно и может устанавливаться или разрываться оператором сети вручную. SVC – это тоже соединение между конечными точками, но устанавливаемое или закрываемое динамически специальными процедурами в АТМ-устройствах, участвующих в соединении. Коммутируемые виртуальные соединения динамически устанавливаются и разрываются по требованию программного обеспечения, АТМустройств или по другим причинам без вмешательства оператора АТМ-сети. Концепции АТМ одинаково применимы как к SVC, так и к PVC. Процессы формирования ячеек АТМ и их передачи не различаются для обоих видов соединений. Единственное их отличие состоит в способах установления соединения. АТМ использует принципы виртуальных путей (Virtual Path – VP) и виртуальных каналов (Virtual Channel – VC) между конечными точками сети. Они необходимы для одновременной связи одного АТМ-устройства с несколькими другими устройствами. Виртуальные пути (ВП) и каналы (ВК) используются для идентификации отдельных виртуальных соединений в АТМ-сети. Виртуальные пути нужны для объединения нескольких виртуальных каналов по определенному признаку.
Естественно, виртуальные пути и каналы не существуют параллельно. Все ячейки информации передаются последовательно, а информация об их принадлежности к тому или иному пути и каналу находится в заголовке ячейки.
Каждое соединение в физическом канале имеет уникальные идентификаторы виртуального пути (VPI) и виртуального канала (VCI).
13.5. Локальные компьютерные сети |
277 |
Комбинация VPI/VCI нужна для идентификации различных соединений внутри АТМ-сети.
Один виртуальный путь может содержать до 65536 виртуальных каналов, любое оконечное АТМ-устройство – до 256 виртуальных путей. Таким образом, оконечное АТМ-устройство способно поддерживать одновременно до 16 777 216 соединений через один UNI-интерфейс.
АТМ работает примерно по тому же принципу, что и обычная телефонная сеть или сеть с коммутацией пакетов при установлении виртуальных соединений. В АТМ перед передачей каких-либо сообщений передающий узел проверяет доступность узла назначения, и лишь при получении подтверждения доступности между ними устанавливается соединение. После установления соединения конечные АТМ-устройства могут передавать друг другу любую информацию, будь то цифровые данные, речь или видео.
ВАТМ-сетях каждое оконечное устройство перед началом сеанса связи должно пройти регистрацию в сети для получения адреса и сообщения, что оно включилось в сеть. После этого сеть будет «знать» местоположение этого устройства и путь, по которому следует передавать сообщение.
Вотличие от АТМ обычные технологии локальных вычислительных сетей не проверяют доступность устройства назначения и не устанавливают предварительного соединения между конечными узлами сети. Если принцип работы АТМ аналогичен принципу действия телефонной сети, то функционирование локальной сети можно уподобить работе почтового отделения. «Пакет» с сообщением отправляется по указанному на нем адресу, однако, поскольку предварительной связи между отправителем и адресатом установлено не было, существует вероятность того, что адресат сообщение не получит. В конце концов, адресат вообще может отсутствовать по указанному адресу.
АТМ застрахована от подобного риска. Установление предварительного соединения между узлами сети гарантирует не только передачу, но и прием сообщения адресатом. Без установления соединения сообщение просто не будет отправлено. Сегодня технология АТМ используется в ADSL, в локальных сетях (LAN-emulation, LANE), в сетях местной дальней связи [33], в пассивных оптических сетях досту-
па (АТМ Passive Optical Network, APON).
13.6. Глобальные компьютерные сети
Первоначально глобальные сети решали задачу доступа удаленных ЭВМ и терминалов к мощным ЭВМ, которые назывались HOSTкомпьютеры (часто используют термин сервер). Такие подключения осуществлялись через коммутируемые или некоммутируемые каналы телефонных сетей или через специальные выделенные сети передачи данных, например, работавшие по протоколу Х.25.
278 |
Глава 13. Службы ПД. Сети ПД |
Для подключения к таким сетям передачи данных использовались модемы, работающие под управлением специальных телекоммуника-
ционных программ, таких как BITCOM, COMIT, PROCOM, MTEZ и т.д.
Эти программы, работая под операционной системой MS-DOS, обеспечивали установление соединения с удаленным компьютером и обмен с ним информацией.
С закатом эры MS-DOS их место занимает встроенное в операционные системы коммуникационное программное обеспечение. Примером могут служить средства Windows 95 или удаленный доступ
(RAS) в Windows NT.
В настоящее время все реже используются подключенные к глобальным сетям одиночные компьютеры. Это в основном домашние ПК. В основной массе абонентами компьютерных сетей являются компьютеры, включенные в локальные вычислительные сети (ЛВС), и поэтому часто решается задача организации взаимодействия нескольких удаленных локальных вычислительных сетей. При этом требуется обеспечить удаленному компьютеру связь с любым компьютером удаленной локальной сети и, наоборот, любому компьютеру ЛВС с удаленным компьютером. Последнее становится весьма актуальным при расширении парка домашних и переносных компьютеров.
Каким же образом, и с использованием какого оборудования решаются эти задачи? В настоящее время существует великое множество организаций, предоставляющих такие услуги как за рубежом, так и в России [32]. В России крупнейшими глобальными компьютерными
Рис. 13.15. Принципы объединения компьютеров в глобальных сетях
13.6. Глобальные компьютерные сети |
279 |
сетями считаются «Спринт-Сеть» – современное название Global One, сеть Инфотел, сети Роснет и Роспак, работающие по протоколу Х.25, а также сети RELCOM и Internet, работающие по протоколу TCP/IP, и многие другие.
Вкачестве сетевого оборудования используются центры коммутации, которые для сетей Х.25 часто исполняются как специализированные устройства фирм-производителей Siemens, Telnet, Alcatel, Ericsson и др., а для сетей с TCP/IP используются маршрутизаторы фирм Cisco и Decnis. Структуры сетей показаны на рис. 13.15.
Рассмотренные два направления развития техники и технологии Х.25 и TCP/IP в глобальных сетях не единственные. На сегодняшний день в связи с улучшением качества каналов существенное распространение получают новые технологии, такие как рассмотренная выше АТМ и усовершенствованная технология Х.25 для высококачественных каналов – Frame Relay.
Протокол FRAME RELAY (FR). Frame Relay – это протокол, кото-
рый описывает интерфейс доступа к сетям быстрой коммутации пакетов. Он позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенный во времени трафик и обеспечивает высокие скорости прохождения информации через сеть, малые времена задержек
ирациональное использование полосы пропускания.
Вотличие от сетей Х.25 по сетям FR возможна передача не только собственно данных, но также оцифрованного голоса [22].
Согласно семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI (рис. 13.16), FR – протокол второго уровня. Однако он не выполняет некоторых функций, обязательных для протоколов этого уровня, но выполняет функции протоколов сетевого уровня. В то же
Рис. 13.16. Соответствие уровней протоколов различных системных архитектур модели OSI
280 |
Глава 13. Службы ПД. Сети ПД |
время FR позволяет устанавливать соединение через сеть, что в соответствии с OSI относится к функции протоколов третьего уровня. Выполнение этой функции по протоколу FR аналогично установлению соединения по протоколу Х.25 в том случае, когда используются по-
стоянные виртуальные соединения (Permanent Virtual Circuits – PVC).
Совокупность PVC может быть проложена внутри каждого физического канала. Выбор конкретного PVC – логического маршрута, проложенного через сеть, – определяется значением поля DLCI (Data Link Connection Identifier – идентификатор соединения по звену передачи данных) кадра FR (рис. 13.17).
Для обращения к ресурсу управления сети в протоколе FR используются кадры со значением DLCI, равным 0. Следует уточнить, что они используются не для передачи информации от одного абонента сети к другому, а именно как служебные для изменения и мониторинга параметров самой сети.
Возможность использования коммутируемых виртуальных соеди-
нений (Switched Virtual Circuits – SVC) в сетях FR описывается фа-
культативными протоколами.
За исключением функции установления соединения, все остальные процедуры, описываемые протоколом FR, укладываются в два уровня модели OSI.
Frame Relay и X.25. Сопоставим структуры кадра протокола LAPB с заключенным в нем пакетом Х.25 (рис. 13.18) и кадра протокола FR (см. рис. 3.17).
По своей структуре кадр FR аналогичен кадрам LAPB (HDLC). Однако в нем отсутствуют некоторые поля, характерные для протоколов уровня звена передачи данных (канального). На рис. 13.17 видно, как уменьшается число служебных байтов при переходе от Х.25/LAPB к FR.
Рис. 13.17. Структура кадра Frame Relay