Лекция 1

Коммутация каналов, коммутация пакетов, коммутация меток. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем.

1. Введение. Коммутация каналов, коммутация пакетов, коммутация меток.

Со времен изобретения электрического телеграфа и до начала 60-х годов была известна единственная технология организации связи, - коммутация каналов. Под каналом связи понимат систему технических средств (оконечное и промежуточное оборудование) и среду распространения сигналов для односторонней или двустронней передачи данных между абонентами. Технология предполагает, что перед взаимодействием двух абонентов из имещихся телекоммуникационных ресурсов(проводных линий, промежуточного-коммутаторов, усилителей и оконечного оборудования) должно быть организовано соединение-канал связи, которое после окончания взаимодействия разрушается с освобождением занятых ресурсов. Основные преимущества и недостатки подобного взаимодействия непосредственно следут из основного свойства данной технологии – монопольного использования телекоммуникационных ресурсов. То есть на весь период взаимодействия между абонентами занятые телекоммуникационные ресурсы использутся только данными абонентами и не могут быть использованы для других взаимодействий¹. Но если ресурс отсутствовал, то абонент, желащий осуществить взаимодействие (например, звонок другу) либо ждал своей очереди либо получал отказ, если очередь была переполнена. Хотя имелись и положительные стороны: так как канал соединял только двух абонентов, нагрузка на соединение была постоянной откуда непосредственно следует постоянство параметров и простота управления созданного канала связи. Рассмотрим более подробно данну на примере телефонной сети. В состав телефонной сети входят:

• Автоматические телефонные станции (АТС), реализущие основну функци организации канала связи между абонентами;

• Телефонные аппараты;

• Магистральные линии связи (Линии связи между АТС);

• Абонентские линии (Линии между телефонными аппаратами и АТС).

За каждым абонентом закрепляется индивидуальный телефонный аппарат, характеризуемый универсальным идентификатором – номером и абонентская линия. Магистральные каналы и АТС относятся к разделяемому ресурсу и использутся абонентами по очереди. При вызове, коммутатор, к которому подклчена абонентская линия вызыващего, на основании уникального номера вызываемого «прокладывает» путь по графу АТС до локальной станции вызываемого. Данный телекоммуникационный ресурс фиксируется за абонентами. После того как кто-либо из абонентов положит трубку, ресурс освобождается. АТС организованы иерархически, в виде дерева. Как следствие, при выходе из строя АТС или какой либо магистральной линии (например физическое повреждение вследствие взрыва), телефонная сеть распадается на несвязанные сегменты и восстановление связи сопряжено с физическими действиями персонала. Резюмируя, назовем основные преимущества и недостатки коммутации каналов[вики]:

Преимущества:

1. Высокая стабильность параметров канала во времени.

2. Отсутствие необходимости в передаче служебной информации после установления соединения.

3. Коммутация каналов может использоваться как в аналоговых, так и в цифровых сетях связи, в отличие от коммутации пакетами, которая возможна только в цифровых сетях (Обоснуйте это в качестве упражнения).

Недостатки:

1. Коммутация каналов считается недостаточно эффективным способом коммутации, потому что канальная ёмкость частично расходуется на поддержание соединений, которые установлены, но (в настоящее время) не используются.

2. Ненадежность связи – при разрушении канала связь между абонентами теряется.

В начале 60-х годов, в США получает развитие проект ARPANET как сети, обладающей устойчивость при выходе из строя любого крупного узла или магистрального канала. Основной идеей, использовавшейся для достижения этого эффекта стала коммутация пакетов. В отличии от коммутации каналов информация передается в виде отдельных «порций» - пакетов. Пакеты могут передаваться по сети независимо друг от друга, т.е. разными маршрутами. Таким образом, в отличие от коммутации каналов два абонента могут быть связаны более чем одним способом, что потенциально позволило за приемлемые финансовые средства решить задачу повышения живучести связи, поставленную министерством обороны США в рамках проекта ARPANET. В целом, можно выделить следующие компоненты сети с коммутацией пакетов:

-абонентское оборудование, предоставлящее доступ к сети (напр, IP-телефон, компьтер, видео-терминал);

- оборудование коммутации пакетов (маршрутизаторы, свитчи), которые в ARPANET носили название IMP(Interface Message Processor) ;

- средства каналообразования (для организации связи между компонентами первых двух категорий).

При создании данной технологии была использована аналогия хорошо развитой на тот момент почтовой связи, на примере которой наиболее удобно будет проиллстировать ее работу. Каждому пакету соответствует почтовое отправление, характеризуемое 3 основными параметрами:

-адрес отправителя;

-адрес получателя;

-размер (тип, масса) – письмо, бандероль, посылка.

Сразу следует отметить, что нигде на конверте (карточке почтового отправления) не указывается между какими городами-почтовыми узлами оно должно передаваться. Куда дальше передать отправление решает отдельное почтовое отделение на основании прописанных в имеющихся на отделении регламентах-таблицах, содержащих строки вида:

«Адрес назначения» - «Адрес следующего почтового узла»

Рис. 1. Сравнение живучести сетей АТС и пакетных сетей: а – топология АТС; б – пример выведение из строя АТС; топология пакетной сети; демонстрация живучести пакетных сетей

Данные регламенты могут носить временный характер, - например вводится на моменты пиковой нагрузки на период новогодних праздников. И если в обычное время письмо из Оренбурга в Петербург будет передаваться через Москву, то под новый год возможным будет маршрут через Екатеринбург. И если у Вас на руках пачка новогодних открыток многочисленным родственникам, живущим в Оренбурге вполне возможно (можно теоретически представить), что часть из них, вследствие изданного внезапно циркуляра, будет передана другим маршрутом. Другим более ярким примером является полевая почта, действовавшая на территории нашей страны во время ВОВ. Для получения письма военнослужащим указывался всего лишь номер полевой почты и Ф.И.О. Воинская часть, а вместе с ней и полевая почта перемещалась в соответствии с директивами штаба фронта. Значит менялись и маршруты доставки писем, - открывались почтовые отделения в освобожденных городах, войска шли на запад, полевая почта порой запаздывала, но письма всегда доставляла.

Как уже было замечено, основными элементами ARPANET являлись специализированные мини-компьютеры IMP (Interface Message Processor), выполнявших функции маршрутизаторов пакетов (т.е. «почтовых узлов»), связанных линиями связи с пропускной способностью 56 Кбит/с. Ввиду того, что подсеть была пакетной, в случае выхода из строя какой-либо линии связи или маршрутизатора пакет автоматически пересылался бы по альтернативному пути (рис. 1,г). Если в случае АТС связь между пунктами А и В могла быть разорвана в случае уничтожения одной междугородной станции, в пакетной сети этого не произойдет даже в случае уничтожения нескольких маршрутизаторов.

Как было замечено, при коммутации каналов, если телекоммуникационный ресурс недоступен, то абонент получает отказ в обслуживании или вынужден ожидать в очереди. При коммутации пакетов достигается равномерное распределение телекоммуникационного ресурса между абонентами за счет наличия на узлах сети очередей, в которых пребывают пакеты, если пакет не может быть в данный момент передан.

Особенностью цифровых сетей является необходимость сложных процедур согласования приемного и передающего устройства в процессе передачи, управления потоком пакетов, очередями и пр. Совокупность этих процедур и методов носит название сетевого протокола. Более формально [вики]:

Сетево́й протоко́л — набор правил и действий (очерёдности действий), позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами.

В ARPANET использовались несколько типов протоколов: абонентское оборудование - абонентское оборудование, абонентское оборудование - IMP и IMP-IMP.

В 70-х годах реализованные в рамках ARPANET идеи получили дальнейшее распространение. Подобные сети появились во многих странах (Англия, Франция) и встал вопрос их объединения. Национальный научный фонд США (NSF – National Science Foundation) решает создать NSFNET – глобальную сеть, призванную удовлетворить потребности университетов, в которой использовался протокол TCP/IP, который и по сей день остается основным в Internet. Затем стали создаваться и другие глобальные сети, объединение которых и явилось тем, что мы сейчас называем Интернетом.

Резюмируя сказанное назовем основные достоинства и недостатки коммутации пакетов [вики]

Достоинства коммутации пакетов

1. Эффективность использования пропускной способности.

2. При перегрузе сети никого не «выбрасывает» с сообщением «сеть занята», сеть просто снижает всем абонентам скорость передачи.

3. Абонент, использующий свой канал не полностью, фактически отдаёт пропускную способность сети остальным.

4. Поэтому меньшие затраты.

Недостатки коммутации пакетов

1. Сложное устройство. Без микропроцессорной техники пакетную сеть наладить практически невозможно.

2. Пропускная способность расходуется на технические данные.

3. Пакет может ждать своей очереди в маршрутизаторе.

Управлять нагрузкой в пакетных сетях сложнее чем в сетях с коммутацией каналов. Оно в основном сводится к назначению пакетам приоритетов в очередях и приоритета выбора следующего устройства при наличии нескольких вариантов маршрутов доставки данных (так называемая метрика маршрута). Закон загрузки каналов в такой сети носит очень сложный, слабопрогнозируемый (фрактальный) характер. Особенно это заметно при передаче голоса или видео через пакетную сеть (Объясните почему в качестве упражнения). Чтобы преодолеть эти недостатки была придумана технология, носящая название коммутации по меткам (MPLS). В отличии от коммутации по пакетам, где в заголовке пакета указывается только адрес отправителя и получателя, а решение куда пакет пойдет дальше решает каждое устройство, в коммутации по меткам в каждом пакете прописывается последовательность маршрутизаторов, которые он должен пройти. Таким образом вся последовательность пакетов передается по одному маршруту и перед организацией сеанса связи мы можем выбрать наиболее подходящий маршрут, делая характеристики процесса передачи более предсказуемыми. Тем самым на пакетной сети может быть реализована технология коммутации каналов.

2. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем

К началу 80-х годов число компьютерных сетей значительно возросло. Ситуация в значительной степени осложнялась наличием большого числа разношерстных протоколов обмена данных, используемых в данных сетях. Насущной стала проблема унификации взаимодействия разнородных сетей. Что в конечном итоге выродилось в создание комитетом OSI 7-уровневой унифицированной модели взаимодействия открытых систем.

Проиллюстрируем основные идеи данной модели на примере, приведенном в [Акимов, Танненбаум]. Один философ, говорящий на урду и английском, хочет сообщить другому философу, владеющему китайским и французским, некоторую мысль (рис. 2). Философы находятся в разных странах. Поскольку у них нет общего языка, на котором они могли бы общаться, оба используют переводчиков, которые договорились общаться между собой на нейтральном голландском языке. Оба переводчика используют секретарей, которые в свою очередь ведут переписку по электронной почте.

Рис 2. Иллюстрация к семиуровневой модели взаимодействия

Каждый нижележащий уровень предоставляет вышележащему уровню услугу (сервис,службу): перевод для уровней «Философ-Переводчик», оформление почтового отправления («Переводчик-Секретарь»).

Так как сети представляют собой сложные системы, структуры большинства сетей организуются иерархически и имеют несколько уровней или слоев. Число уровней, их название, содержание и назначение может различаться в разных сетях, но целью каждого нижележащего уровня является предоставление неких сервисов (или служб) для вышестоящих уровней.

Уровень n одной машины поддерживает связь с уровнем n другой, используя некоторые правила общения. Набор таких правил называется протоколом. Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети. В действительности данные не пересылаются с уровня n одной машины на уровень n другой, а вместо этого каждый уровень передает данные и управление нижележащему уровню посредством междууровневого интерфейса. Так происходит до тех пор, пока не будет достигнут самый нижний уровень, являющийся физическим уровнем, по которому непосредственно осуществляется связь. Таким образом, между одноранговыми уровнями, за исключением физического уровня, осуществляется лишь виртуальное общение.

Служба – это набор операций (или примитивов), которые данный уровень предоставляет более высокому уровню. Служба определяет операции, которые может выполнять данный уровень, но не определяет, как они будут реализованы. Таким образом, служба описывает интерфейс между уровнями. Службы бывают двух типов: с наличием и отсутствием установления соединения.

Типичным примером службы на основе установления соединения является телефонная сеть, где на протяжении всего разговора существует канал, который создается в момент соединения и уничтожается после окончания разговора в тот момент, когда абонент кладет трубку.

Типичным примером службы без установления соединения является почтовая связь, где каждое письмо содержит полный адрес и проходит по маршруту, который не зависит от маршрута других писем. Такие службы обычно называют дейтаграммными.

Службы характеризуются качеством обслуживания и делятся на надежные и ненадежные. Надежная служба гарантирует, что переданное сообщение дойдет до адресата без искажения. Такие службы необходимы, например, для пересылки файлов, так как в этом случае необходимо обеспечить, чтобы принятый файл был идентичен переданному.

Надежные службы бывают двух типов: последовательности сообщений и байтовые потоки. В первом случае сохраняются границы между сообщениями, а во втором – нет.

Системы на основе ненадежных служб используются тогда, когда скорость передачи данных важнее достоверности, например при организации видеоконференций и в IP-телефонии.

Протокол – это набор правил, определяющих формат и назначение кадров, пакетов или сообщений, которыми обмениваются одноранговые сущности в пределах одного уровня. По аналогии с объектно-ориентированным программированием протокол можно назвать реализацией службы. Причем, как и в объектно-ориентированном программировании можно менять протокол при условии, что службы останутся неизменными. Таким образом, службы и протоколы являются достаточно независимыми и можно сказать, что службы инкапсулируют протоколы.

Стеком протоколов называется список используемых системой протоколов по одному на уровень. Понятие стека протоколов отличается от понятия архитектуры сети, так как одна и та же служба может быть реализована различными протоколами.

Перечислим основные уровни и их назначение в модели OSI:

1.Физический уровень (physical layer) – самый нижний уровень, непосредственно осуществляющий передачу потока данных. На данном уровне осуществляется передача сигнала по физической среде и его кодирование (модуляция). Технологии данного уровня на слуху: Bluetooth, IRDA (Инфракрасная связь), медные провода (витая пара, телефонная линия), Wi-Fi, и т.д. Устройствами физического уровня являются повторители (усилители сигнала).

2. Канальный уровень (data link layer) – необходим для взаимодействия сетей на физическом уровне. Осуществляет управление каналом передачи данных, обнаружение и исправление ошибок.

Устройства канального уровня – коммутаторы, концентраторы и т.п.

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers - Институт инженеров по электротехнике и электронике) определяет канальный уровень двумя подуровнями: LLC и MAC.

LLC – управление логическим каналом (Logical Link Control), создан для взаимодействия с верхним уровнем.

MAC – управление доступом к передающей среде (Media Access Control), создан для взаимодействия с нижним уровнем.

Поясним на примерах: в компьютере (ноутбуке, коммуникаторе) имеется сетевая карта (или какой-то другой адаптер), так вот для взаимодействия с ней (с картой) существует драйвер. Драйвер – это некоторая программа - верхний подуровень канального уровня, через которую как раз и можно связаться с нижними уровнями, а точнее с микропроцессором (железо) – нижний подуровень канального уровня.

Типичных представителей на этом уровне много. PPP (Point-to-Point) – это протокол для связи двух компьютеров напрямую. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – стандарт передаёт данные на расстояние до 200 километров. CDP (Cisco Discovery Protocol) – это проприетарный (собственный) протокол принадлежащий компании Cisco Systems, с помощью него можно обнаружить соседние устройства и получить информацию об этих устройствах.

4. Сетевой уровень (network layer) – отвечает за фрагментацию и сборку данных, передаваемых транспортным уровнем, маршрутизацию и продвижение их по сети от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю. Этот уровень определяет путь(маршрут), по которому данные будут переданы. Устройствами третьего уровня являются маршрутизаторы.

Все мы слышали об IP-адресе, вот это и осуществляет протокол IP (Internet Protocol). IP-адрес – это логический адрес в сети.

Перечислим несколько популярных протоколов сетевого уровня.

Как об IP-адресе все слышали и о команде ping – это работает протокол ICMP. Маршрутизаторы используют протоколы этого уровня для маршрутизации пакетов (RIP, EIGRP, OSPF).