Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

4. Технологии глобальных сетей

Рис.4.29. Структурная схема системы «Глобалстар»

Каждый спутник содержит антенный комплекс, формирующий 16 лучей, со­ здающих на поверхности Земли зону обслуживания диаметром в несколько тысяч километров, внутри которой возможна коммутация на любую CDMAнесущую с шириной полосы развертывания 1,25 МГц.

Благодаря низкой орбите спутников задержка сигнала и его искажения ми­ нимальны. Спутниковая система «Глобалстар» разработана таким образом, что не требует сложных и мощных пользовательских терминалов и наземных станций, что позволяет использовать портативные пользовательские термина­ лы, сопоставимые по размерам с обьгшыми сотовыми телефонами.

Пользовательский сегмент состоит из портативных (ПАУ), мобильных (МАУ) и стационарных (САУ) терминальньпс устройств, использующихся для передачи голоса, данных и определения местоположения. Различают одно-, двух- и трехмодовые устройства. Одномодовые устройства используют только для доступа к системе «Глобалстар». Двух- и трехмодовые устройства, кроме до­ ступа к системе «Глобалстар», также используются для доступа к наземным сотовым или другим мобильным радиосетям.

Наземный сегмент состоит из станций сопряжения, центра управления на­ земным сегментом (ЦУНС), центра управления космическим сегмейтом (ЦУКС), телекомандного оборудования, сети передачи данных и центров уп­ равления поставщиков услуг (ЦУПУ).

310

4.5. Технология мобильных сетей

Станции сопряжения обеспечивают взаимодействие спутниковой системы подвижной связи и наземных кабельных и мобильных сетей. Большое количе­ ство таких станций, установленных по всему миру, гарантирует непрерьюное обслуживание пользователей. ЦУНС планирует и контролирует использование ресурсов спутников (каналов, ширины полосы частот и т. п.) станциями сопря­ жения и взаимодействует с ЦУКС. Наземный центр управляет также сетью передачи данных и станциями сопряжения.

ЦУКС через телекомандные устройства следит за работоспособностью спутников и состоянием их орбит. Он обрабатьгоает, отображает в реальном времени и проверяет на соответствие параметрам данные телеметрии, посту­ пающие со спутников; в случае несоответствия требованиям выдает отчет об отклонениях. ЦУКС также распределяет и корректирует положение постоян­ ных орбит посредством команд, передаваемых на спутники. Телекомандное оборудование, расположенное на отдельных станциях сопряжения, обеспечи­ вает прием телеметрии и управление спутниковой группировкой. Сеть переда­ чи данных GDN (Globalstar DataNetwork) - служит для обеспечения связи между частями наземного сегмента системы (управляется и контролируется ЦУНС)

ипредоставляет широкий спектр возможностей для связи станций сопряжения, ЦУНС, ЦУКС, телекомандного оборудования и делового офиса системы «Глобалстар». Схема организации связи такова, что все вызовы (как местные, так

имеждународные) обрабатываются и коммутируются в наземной станции со­ пряжения с последующей передачей в телефонную сеть общего пользования (ТФОП). Это обеспечивает связь с абонентскими терминалами «Глобалстар»

идругими наземными телефонными и сотовыми сетями, причем перечень ус­ луг, предоставляемых местными операторами связи, не дублируется, а допол­ няется. Станция сопряжения подключает спутниковую сеть к наземной сети мобильной связи (ССПС), такой, как AMPS или GSM, или непосредственно к АТС местной телефонной сети (ТФОП) посредством стандартного канала Е1/Т1, поддерживающего различные типы протоколов.

Наземный сегмент на территории России включает три станции сопряже­ ния (Москва, Новосибирск, Хабаровск), обеспечивающей около 98 % охвата территории России южнее 70-й параллели с гарантированным качеством об­ служивания. Каждая станция сопряжения связана с сетью общего пользования страны и может быть интегрирована с действующими стационарными и сото­ выми сетями России. Каждая станция включает в себя антенную площадку с четьфьмя антенными комплексами (АК) (диаметр антенны 5 м), приемопере­ дающую радиоаппаратуру, а также оборудование для маршрутизации и комму­ тации вызовов (отвечает за земную связь, в том числе за GSM-связь).

Коммутационное и канальное оборудование связано волоконно-оптически­ ми линиями с антенной площадкой. Оно осуществляет передачу и прием сигна­ лов CDMA на промежуточной частоте.

Программно-аппаратный комплекс управления оборудованием станции со­ пряжения обеспечивает не только визуализацию сети в целом, но и оператив­ ное отслеживание спутников, работающих в данный момент с антеннами стан­ ции сопряжения. В число функций программного обеспечения (ПО) управления

311

4. Технологии глобальных сетей

входят формирование ежесуточных отчетов о возникающих неисправностях, работе антенных комплексов, активности абонентов и многое другое. Все рос­ сийские ста1щии сопряжения соединены между собой магистралями (64 кбит/с), принадлежащими «ГлобалТел», по которым и проходит внутренний трафик рос­ сийского сегмента «Глобалстар».

Система «Глобалстар» для передачи данных в обоих направлениях исполь­ зует следующий диапазон частот с использованием архитектур CDMA и ТОМА/ FDMA:

абонентские линии

1610...1621,35 МГц (линия вверх);

2483,5...2500 МГц (линия вниз).

фидерные линии

5091 ...5250 МГц (линия вверх);

6875...7055 МГц (линия вниз).

Абонентские линии обеспечивают передачу между спутниками и конечны­ ми пользователями мобильных терминалов, фидерные линии - передачу сооб­ щений пользователя между спутниками и наземными базовыми станциями.

Сегмент пользователя образуют абонентские терминалы нескольких типов:

•портативные (трубка в руке), аналогичные сотовым телефонам;

•мобильные (устанавливаемые на подвижном средстве);

•стационарные телефонные аппараты, концентраторы, таксофоны. Выпускаются портативные и мобильные абонентские терминалы, предназ­

наченные как для работы только в системе «Глобалстар», так и для работы в системе «Глобалстар» и сотовых сетях. Это - трехмодовые терминалы, по­ зволяющие работать в системах «Глобалстар», АМРС и CDMA, двухмодовые терминалы для работы в системах «Глобалстар» и GSM и одномодовые тер­ миналы предназначенные только для системы «Глобалстар».

Портативные терминалы (переносимые телефонные трубки) одно-, двух- и трехмодовые имеют излучаемую мощность не более 400 мВт, мобильные (портативный терминал с автомобильным адаптером и внепгаей антенной) - не более 2 Вт, а стационарные терминалы с дополнительным усилителем и внешней антенной с усилением +7 дБ - не более 3,2 Вт. Телефонные аппараты поддерживают не только основной режим речевой связи, «речевой почты» (хра­ нение речевых сообщений для абонента), услуг по передаче письменных сообщений или срочного вызова в экстренной ситуации, но и передачу теле­ факсных сообщений Группы 3, передачу данных при пропускной способнос­ ти до 7,2 кбит/с (работа на несущих частотах в режиме GSM позволяет иметь пропускную способность до 9,6 кбит/с). Это осуществляется через имеющийся последовательный порт ввода/вывода данных, который пред­ ставляет собой интерфейс с телефаксными аппаратами, компьютерами и другими внешними устройствами.

312

5. СЕТЕВЫЕ ПРОТОКОЛЫ

Глава посвященарассмотрению основных сетевых протоколов. В ней рассмотре­ ны вопросы иерархии протоколов и организации протокольных стеков. Основное внима­ ниеуделенорассмотрению протоколов стека TCP/IP. Нижнийуровень стека TCP/IP пред­ ставлен протоколами HDLC, LAPD, SLIP и РРР. При описании протокола IP уделено внимание развитию этого протокола при межсетевом взаимодействии в настоящее время. Значительное внимание уделено протоколам маршрутизации RIP и OSPF. Описа­ ны такэюе протоколы TCP и UDP. Приведены краткие сведения о некоторых прикладных протоколах.

5.1. Иерархия протоколов

Современные сети ЭВМ часто строят с использованием нескольких раз­ личных базовых технологий. Эта неоднородность возникает либо при объеди­ нении уже существовавших ранее сетей, использующих в своих транспортных подсистемах различные протоколы канального уровня, либо при переходе к новым технологиям. Создание сложной структурированной сети, интегрирую­ щей различные базовые технологии, не может осуществляться только сред­ ствами одного, например, канального уровня, так как возможностью трансля­ ции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к тому же возможности эти ограничены. В частности, в объе­ диняемых сетях должны совпадать максимальные размеры полей данных в кадрах, так как канальные протоколы, как правило, не поддерживают функции фрагментации пакетов.

При объединении нескольких сетей с помощью мостов или коммутаторов также действуют ограничения на топологию: в получившейся сети должны от­ сутствовать петли. Действительно, мост или его функциональный аналог (коммутатор) могут осуществлять доставку пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единствершый путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необхо-

313

5. Сетевые протоколы

ДИМО для лучшей балансировки нагрузки, а также для повьппения надеясности сети за счет существования альтернативного маршрута в дополнение к основ­ ному.

Локальные сети, как правило, являются компонентами больпшх сетей. В таких сетях одновременно работают несколько различных протоколов, обеспе­ чивающих следующие операщш с данными: подготовку, передачу, прием, по­ следующие действия. Работа этих протоколов долясна быть скоординирована так, чтобы исключить конфликты или незаконченные операщш. Этого моясно достичь с помощью разбиения протоколов на уровни по аналогии с моделью OSI.

Стек протоколов (protocol stack) - комбинация согласованных протоколов. Каждый уровень определяет различные протоколы для управления функциями связи или ее подсистемами, и ему присущ свой набор правил. Так же как и уровни в модели OSI, нияоше уровни стека протоколов описьюают правила вза­ имодействия оборудования, изготовленного разными производителями, а верх­ ние уровни - правила для проведения сеансов связи и интерпретации приложе­ ний. Чем вьппе уровень, тем сложнее решаемые им задачи и связанные с этими задачами протоколы.

5.2.Стандартные стеки

Вкомпьютерной промышленности в качестве стандартных моделей прото­ колов разработано несколько стеков. Наиболее ваясными из них являются:

•набор протоколов ISO/OSI;

•IBM System Network ArcMtectm-e (SNA);

•Digital DECnet;

•Novell NetWare;

•Apple Apple Talk;

•набор протоколов Интернета, ТСРЛР.

Протоколы перечисленных стеков вьшолняют работу, специфичную для сво­ его уровня. В зависимости от коммуникационных задач, которые возложены на сеть, различают протоколы трех типов: прикладные, транспортные и сетевые.

Прикладные протоколы

Прикладные протоколы работают на верхнем уровне модели OSI. Они обес­ печивают взаимодействие приложений и обмен данными между ними. К наи­ более популярным прикладным протоколам относятся:

АРРС (Advanced Program-to-Program Commmiication) - одноранговый SNAпротокол фирмы IBM, используемый в основном на AS/400;

РТАМ (File Transfer Access and Management) - протокол OSI доступа к фай­ лам;

Х,400 - протокол CCITT для международного обмена электронной почтой; Х.500 - протокол CCITT служб файлов и каталогов на нескольких системах; SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол Интернета для обмена элек­

тронной почтой;

314

5.2. Стандартные стеки

FTP (File Transfer Protocol) - протокол Интернета для передачи файлов; SNMP (Simple Network Management Protocol) ~ протокол Интернета для

мониторинга сети и сетевьпс компонентов;

Telnet - протокол Интернета для регистрации на удаленных хостах и обра­ ботки данных на них;

Microsoft SMBs (Server Message Blocks, блоки сообщении сервера) и клиен­ тские оболочки или редиректоры;

NCP (Novell NetWare Core Protocol) и клиентские оболочки или редиректо­ ры фирмы Novell;

Apple Talk и Apple Share - набор сетевых протоколов фирмы Apple;

AFP (AppteTalk Filling Protocol) - протокол удаленного доступа к файлам фирмы Apple;

DAP (Data Access Protocol) - протокол доступа к файлам сетей DECnet.

Транспортные протоколы

Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компьютера­ ми и гарантируют надежный обмен данньпс между ними. К популярным транс­ портным протоколам относятся:

TCP (Transmission Control Protocol) - TCP/IP-протокол для гарантированной доставки данных, разбитьпс на последовательность фрагментов:

SPX - часть набора протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/ Sequential Packet Exchange) для данньпс, разбитых на последовательность фраг­ ментов, фирмы Novell;

NWLink - реализация протокола IPX/SPX фирмы Microsoft;

NetBEUI [NetBIOS (Network Basic Input/Output System) Extended User Interface - расширенный интерфейс пользователя] - устанавливает сеансы свя­ зи между компьютерами (NetBIOS) и предоставляет верхним уровням транс­ портные услуги (NetBEUI);

ATP (AppleTalk Transaction Protocol), NBP (Name Binding Protocol) - прото­ колы сеансов связи и транспортировки данных фирмы Apple.

Сетевые протоколы

Сетевые протоколы обеспечивают услуги связи. Они управляют нескольки­ ми типами данньпс: адресацией, маршрутизацией, проверкой ошибок и запроса­ ми на повторную передачу. Кроме того, сетевые протоколы определяют прави­ ла для осуществления связи в конкретньпс сетевых средах, например Ethernet или Token Ring. К наиболее популярным сетевым протоколам относятся:

IP (Internet Protocol) - ТСРЛР-протокол для передачи пакетов:

IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол фирмы NetWare для переда­ чи и маршрутизации пакетов;

NWLink - реализация протокола IPX/SPX фирмой Microsoft;

NetBEUI - транспортный протокол, обеспечивающий услуги транспорти­ ровки данных для сеансов и приложений NetBIOS;

DDP (Datagram Delivery Protocol) - AppleTalk-протокол транспортировки данных.

315

5. Сетевые протоколы

Протоколы сетевого уровня служат для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами. Когда две или более сетей организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют меэ/ссетевым взаимодействием (internetworking). Для обозначе­ ния составной сети в англоязычной литературе часто также используется тер­ мин интерсеть (internetwork или internet).

5.3. Стек протоколов ТСРЯР

Стек или набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPA с другими сетями. Этот стек получил название TCP/IP по названию двух основ­ ных протоколов, входящих в него - Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP). В настоящее время TCP/IP - наиболее популярный промьппленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей.

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем OSIASO, то, хотя он также имеет многоуровневую структу­ ру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно ус­ ловно.

Структура стека протоколов ТСРЯР приведена на рис. 5.1. Протоколы TCP/ DP делят на 4 уровня. Уровень IV (самый нижний) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не рег­ ламентирован, но поддерживает все популярные стандарты физического и ка­ нального уровня: для локальных сетей это - Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, lOOVG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точ­ ка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальньпс сетей с коммутацией паке­ тов Х.25, Frame relay. Обычно при появлении новой технологии локальньпс или глобальных сетей ее протокол включают в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсулящш пакетов IP в кадры.

316

5.4. Протоколы IVуровня стека TCP/IP

Уровень Ш - это уровень межсетевого взаимодействия, осуществляющий передачу пакетов с использованием различных транспортных технологий ло­ кальных сетей, территориальных сетей, линий спещ1альной связи и т. п.

В качестве основного протокола уровня межсетевого взаимодействия в стеке TCP/IP используют протокол IP, который хорошо работает в сетях со сложной топологией. Протокол ЕР - дейтаграммный протокол, т. е. он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связан­ ные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие, как прото­ колы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), a также протокол межсетевых управляющих сооб­ щений ICMP (Internet Control Message Protocol).

Уровень П - основной. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользо­ вателя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, но выполняя только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Уровень I (верхний уровень) - прикладной. За долгие годы использования в сетях различньпс стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количе­ ство протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широ­ ко используемые протоколы, как протокол передачи файлов FTP, протокол эму­ ляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие, как WWW, и многие другие.

5.4. Протоколы IV уровня стека ТСРЯР

Протокол HDLC

HDLC - бит-ориентированный протокол управления каналом передачи дан­ ных, опубликован стандартом ISO и базовым для построения других протоко­ лов канального уровня (LAP, LAPB, LAPD, LAPX и LLC802.2). Для управле­ ния потоком и обнаружения ошибок используется алгоритм «скользящего окна», протокол поддерживает полудуплексную и полнодуплексную передачу, одно­ точечную и многоточечную конфигурации, а также коммутируемые и неком­ мутируемые каналы.

Существует три типа станций HDLC:

Первичная станция (ведущая) управляет звеном передачи данных (кана­ лом). Несет ответственность за организацию потоков передаваемых данных и восстановление работоспособности звена передачи данных. Эта станция пере­ дает кадры команд вторичным станциям, подключенным к каналу. В свою оче­ редь она получает кадры ответа от этих станций. Если канал многоточечный,

317

5. Сетевые протоколы

главная станция отвечает за поддержку отдельного сеанса связи с каждой стан­ цией, подключенной к каналу.

Вторичная станция (ведомая) работает как зависимая по отношению к первичной станции (ведущей). Она реагирует на команды, получаемые от пер­ вичной станции, отсьшая кадры ответов. Поддерживает только один сеанс связи с первичной станцией. Вторичная станция не отвечает за управление каналом.

Комбинированная станция сочетает в себе одновременно функции пер­ вичной и вторичной станций. Передает как команды, так и ответы и получает команды и ответы от другой комбинированной станции, с которой поддержива­ ет сеанс.

Станции в процессе взаимодействия друг с другом могут находиться в од­ ном из трех логических состояний: логического разъединения, инициализации, передачи информации.

Состояние логического разъединения (LDS). В этом состоянии станция не может вести передачу или принимать информацию. Если вторичная станция находится в нормальном режиме разъединения (NDM - Normal Disconnection Mode), она может принять кадр только после получения явного разрешения на это от первичной станции. Если вторичная станция находится в асинхронном режиме разъединения (ADM - Asynchronous Disconnection Mode), то она мо­ жет инициировать передачу без получения на это явного разрешения.

Состояние инициализации (IS). Это состояние используется для переда­ чи управления на удаленную вторичную/комбинированную станцию, ее коррек­ ции в случае необходимости, а также для обмена параметрами между удален­ ными станциями.

Состояние передачи информации (ITS). Вторичной, первичной и комби­ нированным станциям разрешено вести передачу и принимать информацию пользователя. В этом состоянии станция может находиться в режимах NRM, ARM и АВМ.

Режим нормального ответа (NRM - Normal Response Mode) требует, чтобы прежде, чем начать передачу, вторичная станция получила явное разре­ шение от первичной. После получения разрешения вторичная станция начина­ ет передачу ответа, который может содержать данные. Пока канал использует вторичная станция, может передаваться один или более кадров. После после­ днего кадра вторичная станция должна снова ждать явного разрешения, преж­ де чем снова начать передачу. Как правило, этот режим используется вторич­ ными станциями в многоточечных конфигурациях звена передачи данных.

Релсим асинхронного ответа (ARM - Asynchronous Response Mode) по­ зволяет вторичной станции инициировать передачу без получения явного раз­ решения от первичной станции (обьршо, когда канал свободен, т. е. в состоянии покоя). Этот режим придает большую гибкость работы вторичной станции. Можно передавать один или несколько кадров данных или управляющую ин­ формацию, отражающую изменение состояния (статуса) вторичной станции. С помощью ARM можно уменьшить накладные расходы, поскольку вторичная

318

5.4. Протоколы IVуровня стека TCP/IP

станция для передачи данных, не нуждается в опросе. Как правило, такой ре­ жим используется для управления соединенными в кольцо станциями или же в многоточечных соединениях с опросом по цепочке. В обоих случаях вторич­ ная станция может получить разрешение от другой вторичной станции и в от­ вет на него начать передачу. Таким образом разрешение на работу продвига­ ется по кольцу или вдоль соединения.

Асинхронный сбалансированный реэюим (АВМ - Asynchronous Balanse Mode) используют комбинированные станции. Комбинированная станция мо­ жет инициировать передачу без получения предварительного разрешения от другой комбинированной станции. Этот режим обеспечивает двусторонний об^ мен потоками данных между станциями, является основным (рабочим) и ши­ роко используемым на практике.

Для обеспечения совместимости взаимодействий между станциями, исполь­ зующих различные процедуры и способных в процессе работы менять свой статус (первичная, вторичная, комбинированная) в протоколе HDLC предус­ мотрены три способа конфигурирования канала:

• несбалансированная конфигурация (UN - Unbalanced Normal) обеспе­ чивает работу одной первичной и одной или большего числа вторичных стан­ ций в одноточечной или многоточечной, полудуплексной или полнодуплексной конфигурациях, с коммутируемым и некоммутируемым каналом. Конфигура­ цию называют несбалансированной потому, что первичная станция отвечает за управление каждой вторичной станцией и за выполнение команд установле­ ния режима;

• симметричная конфигурация (UA - Unbalanced Asynchronous) была в исходной версии стандарта HDLC и использовалась в первых сетях. Эта кон­ фигурация обеспечивает функционирование двух независимых двухточечных несбалансированных конфигураций станций. Каждая станция обладает стату­ сом первичной и вторичной и, следовательно, логически рассматривается как две станции - первичная и вторичная. Несмотря на то, что станция может работать как в качестве первичной, так и вторичной станции, реальные коман­ ды и ответы мультиплексируются в один физический канал. Этот способ в настоящее время используется редко;

• сбалансированная конфигурация (ВА - Balanced Asynchronous) состо­ ит из двух комбинированных станций, метод передачи - полудуплексный или дуплексный, канал ~ коммутируемый или некоммутируемый. Комбинирован­ ные станции имеют равный статус в канале и могут несанкционированно посы­ лать друг другу трафик. Каждая станция несет одинаковую ответственность за управление каналом.

В протоколе HDLC в качестве протокольного блока данных выступает кадр. Различают кадры трех типов:

• информахщонного формата (1-кадр). Необходим для передачи данных ко­ нечных пользователей между двумя устройствами;

319