3 Элементы сетевых технологий в адаптивных системах передачи данных

3.1 Цифровые каналы передачи данных

Мультиплексирование цифровых потоков информации при формировании региональных и глобальных каналов имеет два решения. Первое носит название синхронной цифровой иерархии (SDH – Synchronous Digital Hierarchy), а второе использует асинхронный пакетный обмен и называется плезиохронным режимом передачи (PDH – Plesiochronous Digital Hierarchy). При этом отсчет для первичных скоростей каналов передачи данных на сетевом уровне иерархии взаимодействия открытых систем начинается со скоростей: 1544 кбит/c – американский и японский стандарты; 2 048 кбит/с – европейский стандарт. Каналы Т1 имеют пропускную способность, соответствующую 24 аналоговым каналам с полосой 3,3 кГц (cеверо-американский стандарт). Частота стробирования равна 8 кГц, что соответствует передаче 8 000 кадров в секунду. После каждых 1,83 км коаксиального кабеля ставятся системы регенерации сигналов. Все 24 канала мультиплексируются на общий коаксиальный кабель, предварительно производится ИКМ-преобразование сигналов (PCM – импульсно-кодовая модуляция). 24 канала по 8 бит (при 8-битном АЦП) дает 192 бита на кадр. Один дополнительный (193-й) бит используется для целей синхронизации (F). Таким образом, частота следования битов в канале Т1 составляет 193 × 8 000 = 1,554 Мбит/с (это северо-американский стандарт, его европейский аналог – Е1 – имеет 30 каналов и пропускную способность 2 048 кбит/с). Это соответствует частоте кадров 667 кадр/с. Каждый восьмой бит (младший) байта используется для целей управления, что несколько снижает пропускную способность. В ISDN каналы 1,544 и 2,048 Мбит/с, форматы которых здесь описаны, называются первичными. 8-битовые ИКМ-блоки генерируются каждые 125 мкс (8000 Гц). Структура данных при передаче со скоростью 1,544 и 2,048 Мбит/с представлена на рис. 3.1 (ISDN 2×B+D).

Скорости передачи 1,544 Мбит/с (кодирование B8ZS) и 2,048 Мбит/с (HDB3) называются первичными скоростями. Кадры структурированы так, что временные домены для передачи данных по каналам В1 и В2 чередуются (таймдомены на рис. 3.1). В Европе используется интерфейс на 2048 Мбит/с. Каждый 6-й кадр используется для сигнальных целей. Количество временных доменов в кадре определяет число дискретных каналов, которые могут использоваться одновременно для передачи данных. Для американского стандарта это число равно 24, а для европейского – 30 (в последнем случае учтено то, что часть доменов используется в служебных целях). Все современные

Рисунок 3.1 – Структура кадров данных для потоков T1 (вверху) и E1 (внизу)

коммутаторы управляются центральным процессором. Такие коммутаторы обычно называются коммутаторами с управлением встроенной памятью (SPC – Stored Program Controlled exchanges).

Иерархия цифровых каналов имеет несколько уровней, сравнение которых приводится в табл. 3.1.

Таблица 3.1 – Уровни иерархии цифровых каналов

Уровень иерархии	Скорости передачи для иерархий
	американская 1544 кбит/с	европейская 2048 кбит/с	японская 1544 кбит/с
0	64 (DS0)	64	64
1	1544 (DS1)	2048 (E1)	1544 (DS1)
2	6312 (DS2)	8448 (E2)	6312 (DS2)
3	44736 (DS3)	34368 (E3)	32064 (DSJ3)
4	274176 (не входит в стандарт ITU- T)	139264 (E4)	97728 (DSJ4)

В плезиохронной иерархии используется мультиплексирование с чередованием битов. Так как скорости различных каналов могут не совпадать, то используется побитная синхронизация и при этом мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков путем введения или изъятия соответствующего числа битов. Информация о введенных или изъятых битах передается по служебным каналам. Поэтому иерархия PDH оказывается не совсем гибкой для передачи данных из-за сложностей переприема и необходимости согласования скоростей. В этом плане существенно выигрывает иерархия SDH, которая имеет четыре уровня:

• фотонный (photonic) – нижний уровень иерархии, этот уровень определяет стандарты на форму и преобразование сигналов;

• секционный (section) – предназначен для управления передачей кадров между терминалами и повторителями, в его функции входит и контроль ошибок;

• линейный (line) – cлужит для синхронизации и мультиплексирования, осуществляет связь между отдельными узлами сети и терминальным оборудованием, выполняет некоторые функции управления сетью;

• маршрутный (path) – описывает реальные сетевые услуги, предоставля-емые пользователю на участке от одного терминального оборудования до другого.

SDH-иерархия распространяется на скорости передачи данных до 2 500 Мбит/c и может быть распространена на скорости передачи вплоть до 13 Гбит/c. SDH имеет улучшенную схему мультиплексирования каналов для высокоскоростных интерфейсов на скорости 150 Мбит/c и выше:

• обеспечивает единый стандарт для мультиплексирования и межсетевого соединения;

• прямой доступ к низкоскоростным каналам без необходимости полного демультиплексирования сигнала;

• простая схема управления сетью;

• возможность использования новых протоколов, по мере их появления.

Передача данных между оконечными терминалами пользователей показана на рис. 3.2 [11. . .18].

Рисунок 3.2 – Структурная схема передачи данных по схеме “точка–точка”

Эталонная семиуровневая модель OSI взаимодействия открытых систем для каждого уровня взаимодействия регламентирует функциональное назначение и соответствие рекомендациям по телекоммуникациям [15. . .18].

Физический уровень (Physical Layer) определяет стандарт на связь между терминальным оборудованием и сетевыми коммутаторами (X.21), а также процедуры обмена пакетами между ЭВМ. X.21 характеризует аспекты построения сетей передачи данных общего пользования. На физическом уровне могут использоваться протоколы I.430, I.431, I.432, ISO 2110, ISO 2593, ISO 4902, ISO 4903, RS 232, X.20, X.21bis, X.22, X.26, X.27, V.10, V.11, V.24, V.28, V.35, относящиеся к рекомендациям ITU-T.

Канальный уровень (Data Link Layer, или звено данных) определяет то, как информация передается от терминала пользователя к пакетному коммутатору посредством процедуры HDLC (HDLC – High Data Link Communication – бит-ориентированная процедура управления). На этом уровне исправляются ошибки, возникающие на физическом уровне. Канальному уровню соответствуют рекомендации ITU-T: Q.921, Q.922, I.441. Для доступа к услугам канального уровня и сообщений о реализации соответствующих услуг используются служебные сообщения (иногда их называют примитивами), которые в эталонной модели OSI делятся на три группы, соответствующие определенным фазам работы канала:

• фаза организации канала (5 примитивов);

• фаза передачи данных (6 примитивов);

• фаза завершения работы соединения (2 примитива).

Сетевой уровень (Network Layer) определяет взаимодействие различных частей сети, форматы пакетов, процедуры повторной передачи пакетов, стандартизует схему адресации и маршрутизации. Основная задача сетевого уровня – это создание виртуального, или логического канала. Функционирование уровня регламентируется рекомендациями ITU-T: Q.931, Q.932, Q.933, I.451, I.452, I.453.

Транспортный уровень (Transport Layer) определяет надежность передачи данных по схеме “точка–точка” и избавляет вышестоящий уровень от забот по обеспечению надежной и эффективной передачи данных.

Сеансовый уровень (Session Layer) описывает то, как программное обеспечение протокола должно организовывать выполнение необходимых прикладных программ. Здесь организуются двустороннее взаимодействие сетевых объектов и необходимая синхронизация процедур.

Представительский уровень (Presentation Layer) обеспечивает прикладной уровень стандартными услугами: сжатие информации, поддержка ASN.1 (Abstract Syntax Notation 1), управляющих протоколов и т. д.

Прикладной уровень (Application Layer) реализует прикладные процессы: вычисления, информационный поиск, логическое преобразование информации пользователей, управление взаимодействием прикладных программ и т. д. Другими словами, это все, что может понадобиться пользователям, например Х.400.

Процедура HDLC имеет два вида кадров, которые показаны на рис. 3.3.

F

Адрес

Управление

CRC

F

F

Адрес

Управление

Информация

CRC

F

Рисунок 3.3 – Два вида кадров в процедуре НDLC:

F=01111110 – флаг, который задает границы кадра; CRC – контрольная сумма; поле “Информация” имеет

переменную длину, кратную 8 битам

HDLC определяет кадры: информационные (I), управляющие (S – Supervisory) и ненумерованные (U – unnumbered). Данные кадры защищаются контрольной суммой FCS по закону циклического кода с образующим полиномом G(x) = X¹⁶ + X¹² + X⁵ + 1. Форматы поля управления для различных кадров показаны на рис. 3.4, коды полей S и М даны в таблицах 3.2 и 3.3 соответственно. На рис. 3.4 N(S) и N(R) являются номерами кадров соответственно следующего и текущего кадров. Кадры могут иметь обычный или расширенный (2 байта) форматы. S-кадры служат для передачи сигналов подтверждения, запросов повторной передачи или прекращения посылки кадров из-за блокировки приема в местной станции. Бит P/F служит для управления режимом ответа терминала пользователя. Если бит P/F = 1, то вызывающая станция требует ответа, в противном случае – нет. Если адрес места назначения равен 11111111, то сообщениe является широковещательным. U-кадр используется для формирования канала, изменения режима работы и управления системой передачи данных. Установление соединения начинается с передачи в канал команды SABM (или SABME). Если устанавливается соединение, то присылается отклик UA.

Поле управления I-кадра

0	N(S)	P/F	N(R)
	7 бит	1 бит	7 бит

Поле управления расширенного S-кадра

1 0	S	0 0 0 0	P/F	N(R)
	2 бита		1 бит	7 бит

Поле управленияU-кадра

1 1	М	М	P/F	M	M	M	Нормальный формат U-кадра
1 1	М					0	P/F	0 0 0 0 0 0 0
	5 бит

Рисунок 3.4 – Форматы полей управления I-, S- и U-кадров

При этом переменные состояния на удаленной станции V(S) и V(R) устанавливаются в нулевое состояние. После получения пакета UA начинается обмен данными. Информацию несут кадры типа I, а также FRMR (рис. 3.5) и UI-кадры типа U. В кадре ответа FRMR должно присутствовать информационное поле, содержащее обоснование присылки такого ответа.

20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
А	B	С	D	V(R)			C/R	V(S)			0	U-кадр

36	35	34	33	32	…	26	25	24	…	18	17	16	15	…	…	…	1
А	B	С	D	V(R)			C/R	V(S)			0	U-кадр

Рисунок 3.5 – Структура информационного поля для FRMR-кадров обычного и расширенного (внизу) форматов

Таблица 3.2 – Коды поля S

Коды поля S	Назначение
00	RR-кадр (>Receiver Ready) готов к приему
01	RNR-кадр (Receiver Not Ready) не готов к приему
10	REJ-кадр (Reject) отказ от приема
11	SREJ-кадр (Selected Reject) выборочный отказ от приема

Таблица 3.3 – Коды поля М для U-кадра

Коды поля М	Мнемоника кода	Назначение
00000	UI	Ненумерованная информация
00001	SNRM	Установка нормального режима (Set Normal Mode)
00010	DISC/RD	Отсоединение (DISConnect/Request Disconnect)
00100	UP	Ненумерованный запрос передачи (Unnumbered Poll)
00110	UA	Ненумерованный отклик (Unnumbered Acknowledgment)
00111	TEST	Тестирование системы передачи данных
10000	SIM/RIM	Установка режима инициализации (Set Initialization Mode /Request Initialization Mode)
10001	FRMR	Отклонение кадра (Frame Reject)
11000	SARM/DM	Установка режима асинхронного отклика (SET Asynchronous Acknowledgment Regime Mode/Disconnect Mode)
11001	RSET	Сброс (возврат в исходное состояние)
11010	SARME	SARM c расширенной нумерацией
11011	SNRME	SNRM c расширенной нумерацией
11100	SABM	Установка асинхронного сбалансированного режима
11101	XID	Идентификация коммутатора (Exchange Identifier)
11110	SABME	SABM c расширенной нумерацией

На рис. 3.5 биты А, B, C и D представляют причину, по которой кадр не был доставлен. Бит А указывает на неверное значение N( R). Бит В = 1 говорит о слишком длинном информационном поле. Бит С указывает на то, что поле управления не определено из-за наличия в кадре недопустимой команды. Бит D = 1 означает, что поле управления принятого кадра не определено или неприемлемо. Бит C/R = 1 означает, что ошибочное сообщение является откликом, а C/R = 0 – командой. Значения V(R) и V(S) являются текущими значениями переменных приема и передачи соответственно. Одним из наиболее известных протоколов сетевого уровня с использованием процедуры HDLC является X.25.