Мельников Д. А. - Организация и обеспечение безопасности информационно-технологических сетей и систем - 2012

Глава 2. Методы коммутации и передачи данных в ИТС

Базовая СПД обеспечивает информационный обмен между абонентами путем установления соединений, проходящих через уз­ лы и линии связи (рис. 1.1). Важнейшая характеристика СПД - время доставки данных, которое зависит от структуры СПД, производи­ тельности узлов связи и пропускной способности линий связи, а также от способа организации каналов связи между взаимодейст­ вующими абонентами и способа передачи данных по каналам.

2.1. Коммутация каналов, сообщений и пакетов

Информационный обмен между абонентами может осуществ­ ляться тремя различными способами: коммутацией каналов, сооб­ щений и пакетов.

Коммутация каналов обеспечивает выделение физического ка­ нала для прямой передачи данных между абонентами. Процесс коммутации канала и передачи данных между абонентами СПД, изображенной на рис. 2.1, представлен временной диаграммой.

Абонент ах инициирует установление связи с абонентом а}. Узел связи А, реагируя на адрес абонента а}, проключает соедине­ ние, в результате чего линия абонента ахкоммутируется с линией, соединяющей узел А с узлом В. Затем процедура проключения со­ единения повторяется с узлами В, С и D, в результате чего между абонентами ахи щ коммутируется канал. По окончании коммутации узел D (или абонент aj) посылает сигнал обратной связи, после по­ лучения которого абонент ахначинает передавать данные. Продол­ жительность передачи данных зависит от длины передаваемого со­ общения, пропускной способности канала (скорости передачи дан­ ных) и времени распространения сигнала по каналу. Значение Ui определяет время доставки сообщения.

Коммутация сообщений производится путем передачи сообщения, содержащего заголовок и данные, по маршруту, определяемому узлами сети. В заголовке сообщения указывается адрес абонента а} - получателя сообщения. Сообщение, генерируемое отправителем - абонентом ах, принимается узлом А и хранится в памяти узла. Узел А обрабатывает заголовок сообщения и определяет маршрут передачи сообщения, ве­ дущий к узлу В. Узел В принимает сообщение, размещая его в памяти, а по окончании приема обрабатывает заголовок и выводит сообщение из памяти на линию связи, ведущую к следующему узлу. Процесс приема,

Коммутация пакетов производится путем разбивки сообщения на пакеты - элементы сообщения, снабженные заголовком и имею­ щие фиксированную максимальную длину, - и последующей пере­ дачи пакетов по маршруту, определяемому узлами сети. Передача данных при коммутации пакетов происходит так же, как и при коммутации сообщений, но данные разделяются на последователь­ ность пакетов 1, 2, ..., длина которых ограничена предельным значе­ нием, например 1024 бита.

В ИТС коммутация пакетов - основной способ передачи дан­ ных. Это обусловлено отчасти тем, что коммутация пакетов приво­ дит к малым задержкам при передаче данных через СПД, а также следующими обстоятельствами.

Во-первых, способ коммутации каналов требует, чтобы все со­ единительные линии, из которых формируется канал, имели одина­ ковую пропускную способность, что крайне ужесточает требования к структуре СПД. Коммутация сообщений и пакетов позволяет переда­ вать данные по линиям связи с любой пропускной способностью.

Во-вторых, представление данных пакетами создает наилуч­ шие условия для мультиплексирования (временного объединения) потоков данных. На рис. 2.2 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая принцип мультиплексирования потоков данных. На первых трех осях изображены потоки данных (пакетов), генери­ руемых абонентами а\, аг, аз. Двойная нумерация пакетов на рисун­ ке означает номер абонента и номер пакета в потоке. Канал исполь­ зуется для обслуживания трех абонентов - посредством разделения во времени, т.е. поочередного предоставления канала абонентам. Благодаря этому эффективно используются линии связи, соеди­ няющие узлы связи и ЭВМ с СПД, и одна линия связи обеспечивает работу многих взаимодействующих абонентов. Экономичность коммутации пакетов несколько снижается из-за размножения заго­ ловков, сопровождающих каждый пакет, но эти потери окупаются за счет эффекта мультиплексирования сильно пульсирующих потоков данных, характерных для ИТС.

В-третьих, малая длина пакетов позволяет выделять для про­ межуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщений. Кроме того, использование пакетов упрощает задачу управления потоками данных, поскольку для приема потока пакетов в узлах связи нужно резервировать меньшую память, чем для приема потока сообщений.

В-четвертых, надежность передачи данных по линиям связи невелика. Типичная линия связи обеспечивает передачу данных с вероятностью искажений 1СИ... 106. Чем больше длина передаваемо­ го сообщения, тем больше вероятность того, что оно будет искажено

помехами. Пакеты, имея незначительную длину, в большей степени гарантированы от искажений, чем сообщения. К тому же искажение исключается путем перезапроса данных (метод автоматического за­ проса при ошибке - ARQ: Automatic ReQuest). Пакеты значительно лучше согласуются с методом перезапросов, чем сообщения, и обес­ печивают наилучшее использование пропускной способности ли­ нии связи, работающей в условиях помех. Эти обстоятельства при­ вели к использованию коммутации пакетов в качестве основного способа организации каналов связи в СПД ИТС.

а?

2.12.2

а2

3.1

а3

Канал

Рис. 2.2. Временное объединение (мультиплексирование)

потоков данных

Выбор длины пакетов производится исходя из размера сообще­ ния с учетом влияния длины пакетов на время доставки данных, про­ пускную способность линий связи, емкость памяти и загрузку ЭВМ. Наиболее широко используются пакеты длиной 1024 бита (128 байт). При такой длине все управляющие сообщения и большинство со­ общений, генерируемых в режиме диалоговой обработки, «вклады­ ваются» в один пакет.

2.2.Дейтаграммы и виртуальные каналы

ВСПД с коммутацией пакетов используются два способа переда­ чи данных между абонентами: дейтаграммный и виртуальный канал.

Дейтаграммный способ - передача данных как отдельных, не связанных между собой пакетов. При этом пакеты, поступая в СПД, передаются ею как независимые объекты, в результате чего каждый пакет может следовать любым возможным маршрутом и совокуп­

ность пакетов поступает к получателю в любом порядке, т.е. пакет, отправленный первым, может прибыть в пункт назначения послед­ ним. При дейтаграммном способе не гарантируется ни очередность поступления пакетов получателю, ни надежность доставки пакетов. Передача дейтаграммным способом напоминает работу почты, ко­ гда информация пересылается как совокупность почтовых отправ­ лений, например пачками писем.

Виртуальный канал - передача данных в виде последовательно­ стей пакетов, связанных в цепочки. Основное свойство виртуального канала - сохранение порядка поступления пакетов. Это означает, что отсутствие одного пакета в пункте назначения исключает воз­ можность поступления всех последующих пакетов. Организация виртуального канала между двумя процессами равносильна выде­ лению им дуплексного канала связи, по которому данные переда­ ются в их естественной последовательности. Виртуальный канал со­ храняет все вышеописанные преимущества коммутации пакетов в отношении скорости передачи и мультиплексирования, но добав­ ляет к ним еще одно - основное свойство реального канала - сохра­ нять естественную последовательность данных.

Таблица 1

Характеристики способов передачи данных (коммутация пакетов)

Дейтаграммный способ позволяет передавать данные без предварительных процедур установки соединений. Виртуальный канал организуется с помощью специальных процедур установле­ ния соединения, аналогичных по цели набору номера телефона в системе телефонной связи. При этом в системе телефонной связи коммутируется соединение между абонентами, которое по оконча­ нии разговора распадается на составные части, в дальнейшем ис­ пользуемое для установления других соединений. Таким же обра­ зом создается виртуальный канал, который после организации ис­ пользуется для передачи данных между другими абонентами - про­ цессами, обеспечивающими связь в других направлениях. По окон­

чании сеанса связи канал ликвидируется и используемые им ресур­ сы возвращаются для установки новых виртуальных соединений.

Характеристики дейтаграммного способа передачи данных и способа, основанного на использовании виртуального канала, при­ ведены в табл. 1. Вероятность потери пакетов при доставке дейта­ грамм равна примерно 10*4. Поскольку передача данных через вир­ туальный канал требует слежения за номерами пакетов в строгом порядке, сложность алгоритмов управления в узлах связи, реали­ зуемых коммутационными ЭВМ, возрастает по сравнению с дейта­ граммным способом передачи пакетов. Но в то же время, функция сборки сообщений из отдельных пакетов, передаваемых в форме дейтаграмм, возлагается на транспортный уровень управления главных и терминальных ЭВМ, в результате чего сложность транс­ портировки при дейтаграммном способе возрастает по сравнению с транспортировкой данных в СПД по виртуальному каналу.

Передача данных через виртуальный канал обходится дороже, чем при дейтаграммном способе. Однако большое число пользовате­ лей вычислительных сетей считают необходимым сохранить после­ довательность пакетов для упрощения прикладных программ. По­ этому виртуальные каналы рассматриваются как эффективное сред­ ство при распределенной обработке данных, и способ передачи дан­ ных на основе виртуального канала реализуется в большинстве ИТС.

Дейтаграммный способ позволяет эффективно реализовать информационный обмен между пользователями - электронную почтовую службу. Кроме того, при значительном числе процессов обработки данных обмен данными можно представлять в виде од­ нопакетных сообщений, передача которых дейтаграммным спосо­ бом снижает расходы на передачу данных и оказывается эффектив­ ной в ряде применений. Поэтому дейтаграммный способ передачи также используется в ИТС. Реализация дейтаграммного способа в дополнение к виртуальным каналам лишь незначительно увеличи­ вает сложность ИТС. Поэтому во многих сетях передача данных ор­ ганизуется на основе и виртуального канала, и дейтаграмм.

2.3.Базовые средства передачи данных

Кмоменту создания ИТС наибольшее распространение полу­ чили следующие средства связи общего пользования:

1)телефонные сети, включающие в себя автоматические теле­ фонные станции, абонентские и соединительные линии, узло­ вые и междугородние телефонные станции;

2)телеграфные сети, включающие в себя центры коммутации ка­ налов и сообщений, абонентские и соединительные линии и др.;

3) цифровые интегрированные системы связи - широкополосные линии связи для телефонии, телеграфии, передачи изображе­ ний и телевизионных программ и др.

Средства связи общего пользования отличаются готовностью к использованию (совместно со средствами обработки данных), боль­ шой протяженностью и низкой стоимостью аренды. Однако им присущи следующие недостатки. Во-первых, невысокое качество связи в телефонных и телеграфных сетях, а именно: высокий уро­ вень помех в линиях и коммутационной аппаратуре и негарантированность времени доставки сообщений из-за влияния многих або­ нентов на процесс передачи данных. Во-вторых, специфика ИТС требует специальных видов услуг для передачи, которые не обеспе­ чиваются средствами связи общего пользования.

Эти недостатки систем связи общего пользования обусловили необходимость создания специализированных СПД для обслужива­ ния ИТС. Базовые СПД и средства передачи данных в терминаль­ ных сетях строятся на основе выделенных линий связи и специаль­ ных средств коммутации - узлов связи на основе ЭВМ, концентра­ торов и удаленных мультиплексоров. За счет этого обеспечиваются высокое качество каналов связи и реализация всех способов переда­ чи данных, необходимых для эффективного функционирования ИТС. Средства связи общего пользования, в первую очередь автома­ тические телефонные станции, применяются в основном в терми­ нальных сетях для подключения абонентов к ЭВМ и узлам связи ба­ зовых СПД.

В настоящее время интенсивно разрабатываются и внедряются

цифровые интегрированные системы связи, предназначенные для те­ лефонных разговоров, телеграфирования, передачи изображения и телевизионных программ, а также передачи данных. В интегриро­ ванных сетях аналоговые сигналы, в частности речь, передаются в цифровой форме - в виде последовательности байтов. Интегриро­ ванные сети реализуют все виды услуг, необходимых в сфере обра­ ботки данных, и обеспечивают высокое качество передачи данных, поэтому они являются основой создания современных ИТС.

Глава 3. Организация управления потоками данных в ИТС

Для организации связи между процессами необходима обще­ сетевая система адресации, устанавливающая порядок присвоения наименования отправителям и получателям данных - абонентам базовой СПД, а также соединений в ИТС. Организуя связь между абонентами, СПД должна по адресу получателя, указанного в заго­ ловке пакета, определить путь передачи пакета - маршрут (route, path). Эта функция реализуется алгоритмами маршрутизации (routing), под управлением которых работают узлы связи СПД. Кро­ ме того, в СПД должен быть реализован способ управления сетью, обеспечивающий на низших уровнях согласование скорости пере­ дачи пакетов с пропускной способностью каналов и скоростью приема, а на высшем уровне - согласование нагрузки с пропускной способностью СПД. Система адресации, алгоритмы маршрутизации и управления СПД и ИТС в целом определяют организацию про­ цессов передачи данных и являются частью протоколов канального, сетевого и транспортного уровней.

3.1. Способы адресации

Передача данных в ИТС обеспечивается соответствующими процедурами, основные параметры которых - имена объектов, меж­ ду которыми производится обмен данными (программы, пользова­ тели, наборы данных, терминалы и др.). Такими объектами в пер­ вую очередь являются процессы - п р и к л а д н ы е и с и с т е м н ы е. В каждой из систем сети - главных и терминальных ЭВМ - может использоваться собственный способ именования объектов. Имена могут иметь фиксированную или переменную длину и обо­ значаться специальными символами, последовательностями цифр, буквенно-цифровыми идентификаторами и др. Имена, используе­ мые в отдельной системе сети, называются локальными (логически­ ми). Изменение наименований в работающих системах - задача трудновыполнимая, поскольку способ наименования вкладывается в прикладное и базовое программное обеспечение систем, а в от­ дельных частях - в технические средства ЭВМ.

Для ИТС необходима единая схема присвоения имен объек­ там, взаимодействующим с помощью общесетевых средств. Общесе­ тевые (глобальные) имена используются в качестве адресов получа-

40 Глава 3. Организация управления потоками данных в ИТС

телей и источников данных; на основе адресов реализуются достав­ ка пакетов в СПД, выбор их маршрутов в СПД, доставка пакетов к процессам в системах - получателям данных и др. Общесетевая ад­ ресация может выполняться с помощью различных схем построения присвоения имен. Схемы эти базируются на следующих способах адресации: иерархическом кодировании, распределении адресов и отображении адресов.

Иерархическое кодирование - способ построения имен (адресов) объектов путем присоединения к локальным именам имен систем, к которым принадлежит объект. Имя, порождаемое путем иерархиче­ ского кодирования, имеет следующий вид: А.В......Q.R, где А - имя системы, В - имя подсистемы в системе А и R - имя объекта в под­ системе Q, входящей в ранее указанную подсистему. По такому спо­ собу строятся почтовые адреса, состоящие из названия страны, го­ рода, почтового отделения, улицы, дома и др., междугородные те­ лефонные номера, в которых к номеру абонента местной телефон­ ной сети слева добавляется телефонный номер (код) города.

Распределение адресов состоит в присвоении постоянных имен (адресов) лишь отдельным процессам, которые выдают разрешение на доступ к системе, выделяя для доступа временные адреса. Напри­ мер, в сети может использоваться четырехзначная нумерация от 0001 до 9999 включительно. Каждой системе выделяется необходимое подмножество адресов: системе А - адреса от 0001 до 0999, системе В - от 1000 до 1099, системе С - от 1100 до 1299 и др. Для доступа к этим системам выделяются постоянные адреса, например 0001 для системы А, 1000 - для системы В, 1100 - для системы С. Когда в системе А ини­ циируется процесс X, ему присваивается общесетевой адрес, напри­ мер 0750. Процесс из системы А обращается к процессу с локальным именем У, реализуемому системой В, по адресу 1000. Система В с по­ мощью процесса 1000 выделяет процессу У неиспользуемый адрес, например 1021, и в дальнейшем взаимодействие процессов с локаль­ ными именами X и У протекает на основе общесетевых адресов 0750 и 1021 соответственно, с которыми оперирует базовая СПД. По оконча­ нии взаимодействия эти адреса становятся свободными и в дальней­ шем присваиваются другим активным процессам.

Отображение адресов - присвоение каждому объекту общесете­ вого адреса. Адреса преобразуются (отображаются) каждой систе­ мой в локальные имена. Например, если производится обращение по адресу 256207, т.е. соответствующей процедурой направляет об­ ращение в соответствующую систему, а последняя преобразует ад­ рес 256207 в локальное имя У адресуемого объекта.

Рис. 3.1. Идентификация соединений

Эффективность способа адресации связана в первую очередь с затратами средств на обработку адресов - преобразование логиче­ ских имен в физические адреса систем и общесетевых адресов в ло­ кальные адреса (имена). Иерархическое кодирование упрощает преобразование адресов, поскольку сетевые и локальные имена представляются в явной форме. Однако на практике иерархическое кодирование приводит к многообразию форматов имен, что за­ трудняет представление имен в протоколах доступа к сети и разде­ ление имен на сетевую и локальную части. Способ распределения адресов хорошо согласуется с логикой построения вычислительных систем, поскольку в типичных случаях системы имеют единствен­ ный логический вход, по которому поступают задания, подвергае­ мые в дальнейшем многообразным способам обработки. Именно этот вход и идентифицируется постоянным адресом, а связь с ос­ тальными элементами системы обеспечивается присвоением объек­ там временных адресов. Однако, поскольку адреса динамически из­ меняются, возникают специфические проблемы защиты от ошибок при случайном освобождении адресов. Способ отображения упро­ щает протоколы, так как адреса однозначно связаны с представляе­ мыми ими объектами, но одновременно приводит к необходимости использования больших таблиц адресов. В существующих сетях ис­ пользуются разнообразные способы адресации, которые согласуют­ ся с конкретными принципами построения СПД, составом адресуе­ мых объектов, их распределением по физическим системам и др.