12.2. Технологии глобальных сетевых связей

Современные технологии глобальных вычислительных сетей по сути являются технологиями соединений (связей) удаленных локальных и (или) региональных сетей между собой. Глобальные сетевые связи в большинстве случаев относятся к соединениям типа «точка–точка». Для глобальных сетевых связей достаточно часто используются рассмотренные в предыдущем разделе аналоговые телефонные линии связи, технологии ISDN и DSL. Однако для соединения удаленных сетей предложены и применяются на практике более высокоскоростные и эффективные технологии глобальных сетевых связей, которые рассматриваются далее.

Технология выделенных линий использует для удаленных сетевых связей каналы передачи данных, постоянно соединяющие двух абонентов с фиксированной полосой пропускания или фиксированной пропускной способностью. Абонентами могут быть как отдельные компьютеры, так и сети. Выделенные линии либо арендуются у компаний – операторов территориальных сетей, и тогда они называются «арендуемыми», либо специально прокладываются крупными корпорациями для своих информационных целей, и тогда они обычно называются «частными» выделенными линиями (или каналами).

Выделенные линии связи подразделяются на аналоговые и цифровые. К настоящему времени чаще всего применяются цифровые линии связи. В США наиболее популярны выделенные линии типа T1 со скоростью передачи 1,54 Мбит/с. Европейский эквивалент линий T1 называется E1 и работает на скорости 2,048 Мбит/с. Для приложений, требующих большей полосы пропускания, используются линии T3 со скоростью 44,736 Мбит/с и E3 со скоростью 34,368 Мбит/с. Линия T1 состоит из 24 каналов со скоростью 64 Кбит/с, которые могут использоваться как вместе, так и раздельно. Соединение T3 состоит из 672 таких каналов.

В недалеком прошлом широкое распространение имела технология Х.25. Одной из главнейших особенностей сетей Х.25 является использование для организации вызова и непосредственной передачи данных между абонентами сети виртуальных каналов. Информационный обмен в сети Х.25 во многом похож на аналогичный процесс в сетях ISDN и состоит из трех обязательных фаз: установление вызова (виртуального канала), информационный обмен по виртуальному каналу, разрыв вызова (виртуального канала).

Базовая технология Х.25 не имеет развитых протоколов прикладного уровня и предоставляет пользователям в основном транспортные услуги передачи данных. На канальном уровне используется протокол LAP-B, осуществляющий передачу данных в виде кадров переменной длины. LAP-B описывает взаимодействие соседних узлов как процедуру с установлением соединения и подтверждением. При этом решаются задачи обеспечение передачи сообщений, содержащих любое количество битов и любые возможные комбинации битов (требование кодовой прозрачности); выполнения при передаче данных процедур, обнаруживающих ошибки на приемной стороне; защиты от потерь или искажения компонентов сообщения при возникновении ошибки в передаваемой информации; поддержки работы как двухточечных, так и многоточечных физических цепей; поддержки работы дуплексных и полудуплексных линий связи; обеспечения информационного обмена при значительных вариациях времени распространения сигнала.

Сеть Х.25 использует коммутацию пакетов и хорошо работает на ненадежных линиях связи благодаря использованию протоколов подтверждения установления соединений и коррекции ошибок на канальном и сетевом уровнях.

Достоинствами сети Х.25 являются гарантированная доставка пакетов, высокая надежность сети ввиду постоянного эффективного контроля за появлением ошибок и наличия механизма альтернативной маршрутизации, возможность работы как по аналоговым, так и по цифровым выде­ленным или коммутируемым каналам, возможность разделения в режиме реального времени одного физического канала доступа между несколькими абонентами.

К недостаткам сети Х.25 следует отнести невысокую скорость передачи данных (которая обычно лежит в пределах от 56 до 64 Кбит/с и обусловлена развитыми механизмами контроля достоверности информации), а также невозможность передачи чувствительного к временным задержкам трафика (оцифрованного голоса, видеоинформации), что обусловлено необходимостью частой повторной передачи искаженных кадров в каналах связи плохого качества (вследствие чего в сети возникают непредвиденные задержки передачи).

Технология FR (Frame Relay – ретрансляция кадров) ориентирована на использование в сетях с коммутацией пакетов. Сама технология охватывает только физический и канальный уровни. Сетью Frame Relay принято считать любую сеть, использующую на нижних двух уровнях управления одноименную технологию. Основное отличие Frame Relay от Х.25 заключается в механизме обеспечения достоверности информации. Сеть Х.25 разрабатывалась с учетом плохих аналоговых каналов связи, имевшихся в то время, и поэтому в ней приняты весьма трудоемкие меры по обеспечению достоверности, требующие для своей реализации больших временных затрат. Именно поэтому сеть Х.25 является сетью с гарантированной доставкой информации. Технология FR разрабатывалась с учетом уже достигнутых в телекоммуникациях высоких скоростей передачи данных и низкого уровня ошибок в современных сетях. Таким образом, сеть Frame Relay ориентирована на хорошие цифровые каналы передачи информации и в ней отсутствуют проверка выполнения соединения между узлами и контроль достоверности информации (контроль за появлением ошибок) на канальном уровне, а именно на этом уровне в FR выполняется мультиплексирование потока данных в кадры. При обнаружении ошибки повторная передача кадра не производится, а искаженный кадр просто выбрасывается. Таким образом, в сети Frame Relay обеспечивается гарантированная согласованная скорость передачи информации. Скорость передачи может быть весьма большой: в диапазоне от 56 Кбит/с до 44 Мбит/с, но без гарантии достоверности доставки.

Так же как и в сети Х.25, основу Frame Relay составляют виртуальные каналы, представляющие собой логическое соединение. В технологии Frame Relay используются протоколы только на физическом и ка­нальном уровнях. Протокол канального уровня в Frame Relay описывает взаимодействие соседних узлов либо как процедуру без установления соединения, либо как процедуру с установлением соединения без подтверждения. На остальных уровнях могут использоваться протоколы любых сетей с коммута­цией пакетов. В частности, с технологией Frame Relay хорошо согласуются интер­нетовские протоколы TCP/IP.

Технология Frame Relay имеет в корпоративных и региональных сетях весьма широкое применение, примерно такое же, какое в локальных сетях имеет техно­логия Ethernet. У них много общего: та и другая технология предоставляет для сетей только быстрые базовые транспортные услуги доставки дейтаграмм (кадров, пакетов) без гарантии достоверности доставки; отбрасывает дейтаграммы, содержащие ошибки (без попыток их восстановления). Надежность работы всех компонентов сети очень высока: имеются средства внутренней эффективной диагностики состояния компонентов (неработоспособные компоненты сразу блокируются, и поток кадров идет в обход их). На магистральных каналах сети обычно используются волоконно-оптические кабели, а на каналах удаленного доступа (на «последней миле») может использоваться витая пара. По сетям Frame Relay возможна передача видео- и голосовой информации, так как при использовании хороших каналов связи задержки передачи возникают крайне редко (и они минимальны).

Достоинствами технологии Frame Relay являются гарантированное качество обслуживания (гарантированная согласованная скорость передачи данных), высокая надежность функционирования сети, возможность передавать чувствительный к временным задержкам трафик (оцифрованный голос, видеоинформацию), простые и достаточно дешевые средства управления.

К недостаткам технологии Frame Relay следует отнести необходимость использования качественных дорогостоящих каналов связи, относительно высокую вероятность потери кадров в процессе передачи, возможную перегрузка отдельных узлов сети ввиду отсутствия эффективного повсеместного контроля за трафиком.

Технология синхронной цифровой иерархии SDH (Synchronous Digital Hierarchy) разработана для создания надежных транспортных сетей, позволяющих гибко формировать цифровые каналы широкого диапазона скоростей – от единиц мегабит до десятков гигабит в секунду. Основная область применения технологии SDH – первичные сети операторов связи, но иногда такие сети строят и крупные предприятия и организации, имеющие разветвленную структуру подразделений и филиалов, покрывающих большую территорию.

Каналы SDH относятся к классу полупостоянных – формирование канала происходит по инициативе оператора сети SDH, пользователи же лишены такой возможности, поэтому каналы SDH обычно применяются для передачи достаточно устойчивых во времени потоков. Сети SDH относятся к классу сетей с коммутацией каналов, использующих синхронное мультиплексирование с разделением времени TDM, при котором информация от отдельных абонентов адресуется относительным временным положением внутри составного кадра, а не явным адресом, как это происходит в сетях с коммутацией пакетов. Достоинством сети SDH является обеспечение гибкой схемы мультиплексирования потоков данных разных скоростей, позволяющих вставлять и извлекать пользовательскую информацию любого уровня скорости, не демультиплексируя весь поток. К достоинствам сети SDH также относятся обеспечение высокой отказоустойчивости сети, поддержка операций контроля и управления на уровне протокола сети, синхронизация кадров в случае небольшого отклонения частот двух сопрягаемых сетей.

Стандарт физического уровня SONET (Synchronous Optical Network – cинхронные оптические сети) позволяет создавать синхронные телекоммуникационные сети на основе волоконно-оптических кабелей. Этот стандарт был принят Международным телекоммуникационным союзом под именем выше рассмотренной технологии SDH. Таким образом аппаратура и сети SDH и SONET являются совместимыми. SDH/SONET позиционируются в качестве эффективной замены линий связи типов T и E. Технологии SDH/SONET поддерживают определенную иерархию скоростей передачи данных, то есть обеспечивают передачу данных на нескольких скоростных уровнях (от 51,8 Мбит/с до 39,8 Гбит/с).

Сети на основе SDH/SONET добились прочного положения в телекоммуникационном мире. На сегодняшний день они составляют фундамент практически всех крупных сетей – региональных, национальных и международных. Укрепляет это положение и то, что технология SDH может легко интегрироваться с технологией DWDM, обеспечивающей передачу информации по оптическим магистралям с ещё более высокими скоростями – сотни гигабит в секунду и выше – за счет мультиплексирования с разделением по длине волны. В магистральных сетях с ядром DWDM сети на основе SDH/SONET играют роль сетей доступа.

Недостатком технологии SDH является ее неспособность динамически перераспределять пропускную способность между абонентами сети (это свойство обеспечивается пакетными сетями). Значимость этого недостатка возрастает по мере увеличения доли и ценности компьютерного трафика по сравнению с голосовым трафиком.

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode – режим асинхронной передачи) – это одна из самых перспективных технологий построения высокоскоростных сетей любого класса – от локальных до глобальных. Термин «асинхронный» в названии технологии указывает на ее отличие от синхронных технологий с фиксированным распределением пропускной способности канала между информационными потоками (например, ISDN).

В основе транспортного механизма ATM лежит технология широкополосной ISDN (Broadband ISDN – B-ISDN), призванная обеспечить возможность создания единой универсальной высокоскоростной сети взамен множества сложных неоднородных существующих сетей. Технология ATM используется в сетях любого класса для передачи любых видов трафика: как низко- и среднескоростного (факсы, почта, данные), так и высокоскоростного в реальном масштабе времени (голос, видео).

Основными компонентами сети ATM являются ATM-коммутаторы, представляющие собой быстродействующие специализи­рованные устройства. Передача информации в сетях ATM происходит после предварительного установления соединений, выполняемого коммутаторами. Коммутаторы создают широкополосный физический канал, в котором динамически можно формировать более узкополосные виртуальные каналы (подканалы). По каналу передаются не кадры или пакеты, а ячейки (cells). Ячейки представляют собой очень короткие последовательности байтов – размер ячейки составляет 53 байт, включая заголовок из 5 байт. Размер ячейки выбран в результате компромисса между требованиями, предъявляемыми компьютерными сетями – больший размер ячейки, и требованиями голосового трафика – меньший размер ячейки. Время заполнения квантами голосового сигнала ячейки длиной 48 байт составляет примерно 6 мс, что является пределом временной задержки, заметно не искажающей голосовой трафик.

Для передачи данных в сети ATM организуется виртуальное соединение. Виртуальное соединение определяется уникальным сочетанием идентификатора виртуального пути и идентификатора виртуального канала. Виртуальный канал представляет собой фрагмент логического соединения, по которому производится передача данных одного пользовательского процесса. Виртуальный путь представляет собой группу виртуальных каналов, которые в пределах данного интерфейса имеют одинаковое направление передачи данных. Коммутатор ATM состоит из коммутатора виртуальных путей и коммутатора виртуальных каналов.

Рассмотренная особенность организации ATM обеспечивает дополнительное увеличение скорости обработки ячеек. ATM-коммутатор анализирует значения, которые имеют идентификаторы виртуального пути и виртуального канала у ячеек, поступающих на его входной порт, и направляет эти ячейки на один из выходных портов. Для определения номера выходного порта коммутатор использует динамически создаваемую таблицу коммутации. ATM-коммутаторы аппаратно реализуют функцию коммутации ячеек ATM между несколькими своими портами.

Технология ATM совмещает в себе подходы двух технологий – коммутации пакетов и коммутации каналов. От первых заимствована передача адресуемых пакетов, от вторых – минимизация задержек в сети ввиду малых размеров пакетов (ячеек).

В технологиях синхронной передачи, предшествовавших ISDN, было невозможно перераспределять пропускную способность канала между подканалами – в период простоя подканала общий канал все равно вынужден был передавать нулевые байты, так как синхронная система не позволяла нарушать последовательности передаваемых данных. В случае передачи пакетов с индивидуальными адресами, как это принято в компьютерных сетях, последовательность передачи пакетов не важна. На этом принципе и была построена система асинхронной передачи по ATM-технологии. В ней можно по подканалам передавать ячейки в любой последовательности, а поскольку размер ячеек очень мал, достигается гибкость перераспределения нагрузки между подканалами и значительно увеличивается пропускная способность системы. Ячейки собираются у получателя и объединяются в сообщение – так же, как это делается в компьютерных сетях. Скорость передачи увеличивается и из-за того, что в процессе передачи ячеек их маршрутизация не производится (так как высокоскоростные коммутаторы ATM предварительно выполняют формирование канала).

Скорость передачи данных по каналам ATM лежит в пределах от 155 до 2200 Мбит/с. При скорости 155 Мбит/с время передачи ячейки длиной 53 байт составляет менее 3 мкс.

ATM-технология рассчитана на работу с трафиками разного типа. Тип трафика характеризуется наличием или отсутствием пульсаций во времени, требованием синхронизации данных между передающей и принимающей сторонами, типом передающего протокола (с установлением или без установления предварительного соединения).

Резюме

Удаленный доступ к сети, включающий различные типы и варианты подсоединения одиночных компьютеров или малых локальных сетей к территориально отдаленным крупным сетям или высокопроизводительным серверам, характеризуется несимметричностью взаимодействия.

Наиболее простым и пока самым распространенным способом удаленного доступа является использование для этого существующей инфраструктуры аналоговых телефонных сетей, работающих на основе техники коммутации каналов. Для передачи данных по аналоговым телефонным каналам используются модулирующие-демодулирующие устройства – модемы.

Повысить качество передачи данных по каналам телефонных сетей до уровня, пригодного для высокоскоростной передачи данных, позволяет переход от аналоговых телефонных сетей к цифровым, в которых на всех участках сети данные передаются в дискретной форме. Наиболее развитыми сетями такого типа являются так называемые сети с интегральными услугами ISDN. Основным достоинством сетей ISDN является то, что они позволяют объединить в единое целое различные виды связи. В сетях ISDN реализуются скорости передачи данных от 64 Кбит/с до 155 Мбит/с.

Новая каналообразующая технология DSL обеспечивает относительно высокие скорости передачи данных при работе по существующим коммутируемым телефонным линиям общего пользования. Популярной разновидностью этой технологии в настоящее время является асимметричная технология ADSL, которая обеспечивает скорость входящего потока от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с и скорость исходящего потока – от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. Технология HDSL предусматривает организацию симметричной линии передачи данных. Наиболее скоростной является асимметричная технология VDSL, обеспечивающая скорость входящего потока – от 13 до 50 Мбит/с, исходящего – от 1,5 до 2,3 Мбит/с.

Современные технологии глобальных вычислительных сетей по сути являются технологиями соединений (связей) удаленных локальных и (или) региональных сетей между собой. Глобальные сетевые связи в большинстве случаев относятся к соединениям типа «точка–точка».

Достоинствами технологии глобальных сетевых связей Х.25 являются гарантированная доставка пакетов, высокая надежность сети ввиду постоянного эффективного контроля за появлением ошибок и наличия механизма альтернативной маршрутизации, возможность работы как по аналоговым, так и по цифровым выде­ленным или коммутируемым каналам, возможность разделения в режиме реального времени одного физического канала доступа между несколькими абонентами. Недостатки Х.25 – относительно невысокие скорости передачи данных, невозможность передачи чувствительного к временным задержкам трафика.

Технология Frame Relay работает в сетях с качественными цифровыми каналами передачи информации и использует технику коммутации пакетов. В этой технологии отсутствуют проверка выполнения соединения между узлами и контроль достоверности информации на канальном уровне. Достоинствами технологии Frame Relay являются гарантированная согласованная скорость передачи данных, высокая надежность функционирования сети, возможность передавать чувствительный к временным задержкам трафик.

Технология синхронной цифровой иерархии SDH разработана для создания надежных транспортных сетей, позволяющих гибко формировать цифровые каналы широкого диапазона скоростей – от единиц мегабит до десятков гигабит в секунду. Стандарт физического уровня SONET позволяет создавать синхронные телекоммуникационные сети на основе волоконно-оптических кабелей.

Технология ATM является одной из самых перспективных технологий построения высокоскоростных сетей любого класса – от локальных до глобальных. Технология ATM совмещает в себе подходы двух технологий – коммутации пакетов и коммутации каналов. От первых заимствована передача адресуемых пакетов, от вторых – минимизация задержек в сети ввиду малых размеров передаваемых пакетов (ячеек).