Введение в глобальные сети

Глобальная сеть соединяет компьютеры и/или локальные сети с помощью устройства, которое называется маршрутизатором (router). Это позволяет каждой локальной сети пре­доставить доступ своим пользователям к ресурсам другой локальной сети без потери соб­ственной индивидуальности. Другими словами, маршрутизатор связывает локальные сети, не превращая их при этом в одну большую локальную сеть. Две локальных сети, соеди­ненные с помощью маршрутизатора и образующие глобальную сеть, показаны на рисунке 1.

Глобальная сеть, изображенная на рис. 1, может охватывать любую географичес­кую область. Локальные сети могут быть расположены в одном здании или на разных континентах. Естественно, развертывание глобальной сети на большой территории невоз­можно без повторителей.

Повторители, устройства первого уровня, принимают в локальных и глобальных се­тях различные ипостаси. Повторители в локальных сетях обычно называются концентра­торами. Повторители глобальных сетей, как правило, остаются прозрачными для пользо­вателей и администраторов глобальных сетей. Они интегрированы в коммерческую инфраструктуру, которая предоставляет возможность взаимодействия в глобальной сети, и остаются невидимыми.

В последнее время возможность доступа к глобальной сети рассматривается как не­что само собой разумеющееся. Большинство пользователей (и даже некоторые админис­траторы локальных сетей) не знают, что именно находится по другую сторону маршру­тизатора, связывающего их с глобальной сетью. К сожалению, глобальные сети вовсе не так просты, как это может показаться. Для разработки безупречного проекта глобальной сети необходимо досконально разбираться в различных способах передачи данных, типах маршрутизаторов, протоколах маршрутизации и топологической структуре объединяемых локальных сетей. В этом разделе будут рассмотрены аспекты проектирования глобаль­ных сетей, показаны преимущества и недостатки всех существующих техноло­гий и топологий глобальных сетей.

РИС. 1. Глобальная сеть.

Требования к компонентам глобальной сети

Выбор "корректной" глобальной сети невозможен без набора определенных критери­ев, которые позволяют судить о производительности сети. Очевидно, если производитель­ность глобальной сети не отвечает предъявляемым ей требованиям, проект сети был раз­работан неправильно. Следовательно, для выбора типа глобальной сети, прежде всего, необходимо сформулировать подходящие критерии. С их помощью можно будет выбрать необходимые сетевые технологии, определить предполагаемый трафик и оптимизировать топографическую структуру глобальной сети.

Ресурсы маршрутизатора

Маршрутизаторы — это одни из самых важных компонентов глобальной сети. В от­личие от каналов передачи они не принадлежат к области действия телефонной сети и, следовательно, находятся во власти пользователя. Маршрутизатор — это интеллектуаль­ное устройство, содержащее процессор и блок памяти. Эти физические ресурсы необхо­димы для вычисления маршрутов глобальной сети и передачи пакетов; кроме того, их можно использовать для осуществления контроля производительности маршрутизатора.

Если интенсивность использования процессора или памяти достигает 100%, произво­дительность устройства падает. К временному превышению номинальной интенсивности использования любого из этих ресурсов может привести множество условий, при этом наблюдается существенное снижение производительности. Одним из примеров может быть внезапное возрастание объема данных, передаваемых из локальной в глобальную сеть. Локальные сети могут функционировать со скоростями передачи данных вплоть до 1 Гбит/с, хотя обычными являются скорости всего лишь 10, 16 или 100 Мбит/с. Ни одна из этих пропускных способностей не характерна для нормального канала передачи гло­бальной сети, которые предоставляют пропускную способность только 1.544 Мбит/с. Это несоответствие следует решать путем буферизации данных в памяти маршрутизатора. Ло­гично ожидать, что в результате свободные ресурсы маршрутизатора оперативно умень­шаться, и возникнет угроза затора в сети.

Проблему регулярного использования всех вычислительных ресурсов процессора нельзя решить так же просто, как в случае с перерасходом объема памяти. Существует только две возможности оптимизировать интенсивность использования процессора:

• Установить более производительный маршрутизатор

• Проанализировать структуру трафика глобальной сети и определить, нельзя ли уменьшить загрузку проблематичного маршрутизатора

Оперирование с распределением трафика по времени является возможным только в больших глобальных сетях со сложными топологиями, обладающими многочисленными избыточными маршрутами. Хотя в том случае, если рассматриваемый маршрутизатор яв­ляется краевым устройством (в противоположность магистральному маршрутизатору), единственный выход — модернизировать устройство.

Технологии глобальных сетей

Значение глобальных сетей и технологий их составляющих продолжает возрастать. Не так давно единственной задачей развертывания глобальных сетей в компаниях было объе­динение двух или нескольких рабочих групп. В настоящее время эта задача по-прежне­му является одной из основных, но начинают появляться и другие возможные области применения. Например, у компании с одной локальной сетью может возникнуть необхо­димость в надежном подключении к Internet, позволяющем расширить возможности для продажи продукции, общения с покупателями и т.п. С другой стороны, внешние опера­ции и функционирование, в том числе и попытки сотрудничать с другими компаниями, также могут повлечь за собой необходимость организации взаимодействия частных ло­кальных сетей.

К сожалению, глобальные сети принципиально отличаются от локальных сетей по сво­ей природе. Если большая часть технологий локальных сетей строго придерживается про­мышленных стандартов, глобальные сети являются симбиозом структур, развернутых по различным технологиям — как определенным стандартами, так и запатентованным в ча­стном порядке. Кроме того, многие из конкурирующих технологий радикально отлича­ются функциональными особенностями, производительностью и стоимостью. Самой слож­ной задачей при развертывании глобальной сети является интеграция соответствующих

технологий таким образом, чтобы удовлетворить основные требования рабочих групп. Это требует глубокого понимания каждого аспекта всех компонентов глобальной сети.

Компонентами глобальных сетей можно считать:

• Каналы передачи данных

• Коммуникационное оборудование

• Межсетевую адресацию

• Протоколы маршрутизации

Каждая из этих технологических компонентов разрастается в неожиданно широкую область разновидностей отдельных технологий. Такое разнообразие обусловлено возмож­ностью выбора производителей, моделей и конфигураций оборудования. Прежде чем выб­рать производителя и конкретные продукты, следует рассмотреть каждую технологию с точки зрения потенциальной производительности в отношении предполагаемого трафика глобальной сети и требований к быстродействию. Несмотря на то, что исчерпывающий анализ линии продуктов всех производителей находится вне области рассмотрения этой книги, краткий обзор каждой технологии предоставит сведения для объективной оценки продуктов, предлагаемых на рынке.

Использование каналов передачи данных

При развертывании глобальной сети разработчику предоставляется широкий набор физических средств передачи данных, которые значительно отличаются по своим пара­метрам. Например, пропускная способность каналов передачи данных может варьировать­ся в пределах от 9.6 Кбит/с до 44.736 Мбит/с и выше. Такие каналы поддерживают циф­ровой поток данных, характеризуемый фиксированной предопределенной скоростью. Они могут быть реализованы на базе различных физических сред (в качестве примера можно привести витую пару или волоконно-оптический кабель). Отдельного упоминания заслуживает поддержка разнообразных форматов кадров.

Спецификация DS-3 предлагает пропускную способность 44.736 Мбит/с (в разговор­ной речи это значение часто округляется до 45 Мбит/с).

Рассматриваемые средства передачи разительно отличаются способами установления соединений. Можно выделить две основные категории каналов связи — с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. Эти две категории охватывают все разновидности средств передачи, однако сразу следует отметить, что уже существуют новейшие разра­ботки, в которых грань между методами коммутации несколько стирается. Все упомяну­тые технологии вкратце рассмотрены в контексте глобальных сетей.

Линии связи с коммутацией каналов

Коммутация каналов — это метод коммуникации, который предполагает создание выделенного маршрута следования данных между двумя конечными станциями. Хорошим примером использования коммутации каналов является телефонная сеть. Телефон под­ключается к центральному коммутатору, которым управляет местная телефонная сеть (LEC — Local Exchange Carrier). В мире существует множество LEC и еще больше ком­мутаторов, однако каждый телефон может установить соединение с любым телефоном че­рез последовательность промежуточных центральных коммутаторов. Это соединение и является выделенным физическим каналом на время сеанса связи. После завершения се­анса физический канал через коммутируемые инфраструктуры связи разрывается, и за­нимаемые ресурсы освобождаются до следующего звонка.

Создание выделенных физических каналов с помощью коммутатора — это и есть суть коммутации каналов. Каждый передаваемый блок, будь то ячейка, кадр или другая кон­струкция, проделывает один и тот же физический путь через сетевую инфраструктуру. Эта концепция может быть реализована и с некоторыми отступлениями. В следующих разде­лах рассматривается три примера линий связи с коммутацией каналов — выделенные ли­нии, линии ISDN и коммутируемые каналы 56 Кбит/с (Switched 56).

Выделенные линии

Выделенная линия считается самой универсальной и гибкой из линий связи с комму­тацией каналов. Она называется "выделенной", поскольку выделяется из телефонной сети за ежемесячную абонентскую плату.

В Северной Америке широкое распространение получили выделенные цифровые ли­нии, называемые "Т-каналами". Т-канал состоит из двух пар проводов и дает возможность разделять общую полосу пропускания 1.544 Мбит/с на 24 отдельных канала. Каждый ка­нал в результате обладает пропускной способностью 64 Кбит/с и допускает дробление на еще меньшие каналы, например, с пропускной способностью 9.6 Кбит/с. Канал с про­пускной способностью 1.544 Мбит/с обозначается Т-1. В системе Т-каналов существуют каналы и с большей пропускной способностью (например, канал Т-3 с производитель­ностью 44.73 Мбит/с).

Выделенные линии часто называют "частными", поскольку их полоса пропускания ре­зервируется исключительно для арендующей компании.

Линии ISDN

Технология ISDN (Integrated Services Digital Network — Цифровая сеть интегрально­го обслуживания) предоставляет возможность установления соединения по запросу с по­мощью технологии цифровой коммутации каналов, что позволяет одновременно переда­вать голосовую информацию и цифровые данные по одному физическому соединению. Такая цифровая сеть может использовать интерфейсы базовой (Basic Rate Interface — BR1) или номинальной (Primary Rate Interface — PRI) скорости передачи данных.

Интерфейс BR1 обеспечивает скорость передачи 144 Кбит/с способом, известным под названием 2B+D. Аббревиатура 2В свидетельствует о наличии двух В-каналов по 64 Кбит/с каждый, которые вместе образуют одно логическое соединение с пропускной способно­стью 128 Кбит/с. D-канал 16 Кбит/с используется для передачи служебной информации, в частности, для вызова процедур настройки, освобождения ресурсов и т.д.

Интерфейсы PRI используются в линиях типа Т-1 и поддерживают высокую скорость передачи данных 1.544 Мбит/с. Обычно вся полоса пропускания делится на двадцать три В-канала по 64 Кбит/с и один D-канал с такой же пропускной способностью. В качестве альтернативы (совместно с В- и D-каналами или вместо них) может использоваться вы­сокоскоростной Н-канал, поддерживающий скорости передачи данных 384 Кбит/с, 1536 Кбит/с и 1920 Кбит/с.

Каналы типа НЗ, поддерживающие скорость 1920 Кбит/с, доступны лишь в Европе, где стандартная скорость передачи составляет 2.048 Мбит/с. В США, Канаде и Японии стандартной считается скорость 1.544 Мбит/с. Любая попытка организовать канал НЗ на линии, пропускная способность которой ограничена 1.544 Мбит/с, заранее обречена на неудачу.

Хотя с технической точки зрения сеть ISDN использует линии с коммутацией кана­лов, в ее спецификациях оговаривается возможность поддержки коммутации пакетов и даже полупостоянных соединений.

Switched 56

Еще один вариант установления соединения по запросу с помощью коммутации ка­налов предлагает технология Switched 56, которая обеспечивает скорость передачи дан­ных 56 Кбит/с в полосе частот между двумя точками, которые принадлежат этой службе. Как и во многих других службах установления соединения по запросу, до помещения вызова канал, как таковой, не существует. После вызова он создается между начальной точкой и запрашиваемой точкой назначения. Реальная траектория данных через коммутируемую инфраструктуру является невидимой и несущественной дня конечных пользо­вателей. Этот канал разрушается по завершении сеанса соединения.

Доступность коммутируемых каналов 56 Кбит/с делает их возможной альтернативой выделенным линиям. Пользователь платит за использование, а не за роскошь обладания зарезервированной полосой частот, плата за которую не зависит от степени загруженно­сти. Тем не менее, доступность уравновешивается потерями в быстродействии. Коммути­руемые каналы 56 Кбит/с должны осуществлять вызов запрашиваемых абонентов, что за­нимает некоторое время. Таким образом, установить соединение можно значительно быстрее по выделенной линии со скоростью передачи данных 56 Кбит/с, чем с помощью коммутируемого канала 56 Кбит/с. После установления соединения быстродействие этих двух линий должно быть аналогичным.

Switched 56 — это уже зрелая технология. Когда-то эта технология характеризовалась более низкими затратами по сравнению с выделенными линиями и быстродействием, пре­вышающим быстродействие модемов и телефонных линий. Но достижения в области сиг­нальных методик существенно повысили производительность модемов. Правда, техноло­гия Switched 56 все еще предоставляет небольшое преимущество перед так называемыми модемами 56 Кбит/с (несмотря на число в названии, такие модемы не могут поддержи­вать заявленную скорость передачи данных). На данный момент коммутируемые каналы 56 Кбит/с лучше всего подходят в качестве запасного варианта для выделенных линий.

Линии связи с коммутацией пакетов

Линии связи с коммутацией пакетов поддерживают внутренний формат пакетов, ко­торый используется для инкапсуляции передаваемых данных. В отличие от линий с ком­мутацией каналов они не устанавливают выделенного соединения между двумя точками. Вместо этого устройство доступа подключается к коммутируемой инфраструктуре теле­фонной сети, и пакеты пересылаются через эту коммерческую сеть с коммутацией пакетов (packet switched network — PSN) — способом, не требующим установления логического соединения. Отсутствие четко определенного маршрута между любыми двумя точками привело к общепринятому сравнению всеохватывающей и одновременно бесформенной сети с облаком. В следующих разделах рассматривается два примера сетей с коммутаци­ей пакетов — это хорошо известная сеть Х.25 и ее более молодая родственница, исполь­зующая методику ретрансляции кадров (Frame Relay).

Сеть Х.25

Х.25 — это давно известный протокол передачи данных в глобальных сетях, разрабо­танный консультативным комитетом по международной телефонной и телеграфной свя­зи CCITT (теперь эта организация называется Международное телекоммуникационное общество, International Telecommunications Union — ITU). В начале 70-х годов телеком­муникационные компании предложили использующую этот протокол сеть в качестве ком­мерческой службы.

Спецификации организации ITU иногда обозначаются приставкой ITU-T, где суффикс Т обозначает спецификацию как составную часть телекоммуникационных стандартов ITU.

Протокол Х.25 поддерживает использование как коммутируемых, так и постоянных виртуальных каналов. Коммутируемые виртуальные каналы (SVC — switched virtual circuit) устанавливаются по мере необходимости и ликвидируются по окончании сеанса связи. Постоянные виртуальные каналы (PVC — permanent virtual circuit) являются зара­нее установленными логическими соединениями между двумя точками коммутируемой сети. Преимущества SVC — это универсальность и возможность использования для уста­новления соединения между любыми двумя точками сети Х.25 по запросу. Их недостат­ки проявляются в значительном времени обработки запроса на установление соединения, лишь по истечении которого можно обмениваться информацией с другим устройством сети.

Каналы PVC не обладают гибкостью и должны определяться заблаговременно, но их основное преимущество заключается в мгновенном установлении соединения. Таким об­разом, каналы PVC обычно используются для организации взаимодействия устройств, которым для нормального функционирования необходимо постоянное соединение, тог­да как каналы SVC используются для установления соединений по запросу.

Протокол Х.25 предоставляет универсальный набор методик определения и коррек­ции ошибок, благодаря которому он считается высоконадежным протоколом, имеющем возможность компенсировать влияние электромеханических шумов коммутирующих ус­тройств. Для обеспечения такой надежности протокол Х.25 приносит в жертву произво­дительность. На сегодняшний день, в эру цифровых и оптических соединений, механиз­мы определения/коррекции ошибок протокола Х.25 являются избыточными. Сейчас эти функции эффективно выполняются собственно коммуникационными устройствами вме­сто того, чтобы возлагаться на все сетевые устройства. Производительность приложений, которые все еще требуют использования протокола Х.25, может быть повышена в резуль­тате его эмуляции в другом канале передачи данных.