Основные направления развития и принципы построения современных цифровых систем передачи данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные направления развития и принципы построения современных цифровых систем передачи данных

1. Теоретическая часть

Прежде голосовой сигнал в телефонных сетях передавался исключительно в аналоговом виде. При этом для концентрации нескольких телефонных разговоров в один сигнал высокой плотности (впрочем, в этом случае сам термин "высокая плотность" достаточно условен) применялось мультиплексирование с разделением по частотам: для передачи каждого телефонного соединения использовалась своя частота (точнее, узкий диапазон частот вблизи несущей) в пределах общей полосы пропускания телефонного канала.

В начале семидесятых годов произошла первая революция в технологии телефонных сетей - переход от мультиплексирования с разделением по частотам к мультиплексированию с разделением по времени. При использовании этой технологии аналоговый сигнал передается только на участке между абонентским телефонным аппаратом и телефонной станцией. На телефонной станции голосовой сигнал оцифровывается, иногда - сжимается (кстати, сигналы, генерируемые модемом и факсимильным аппаратом, поддаются сжатию существенно хуже, чем обычные голосовые сигналы) и передается по линиям связи в цифровом виде. При этом общее время работы канала разделяется на определенные промежутки, которые называют временными слотами. В течение одного слота передается сигнал, соответствующий одному телефонному соединению. Такой временной фрагмент цифрового сигнала именуется кадром. Затем канал используется для передачи кадра, соответствующего другому соединению, и так далее. На время передачи кадра устанавливается сквозное соединение по всем участкам сети, находящимся на пути следования кадра от исходной телефонной станции до конечной. В течение следующего временного слота устанавливается другое соединение, соответствующее начальной и конечной станциям передаваемого кадра и так далее. Подчеркнем еще раз, что во время передачи кадра устанавливается именно сквозное соединение, причем оно обеспечивается независимо от того, действительно ли передается информация по линиям связи. Пропуск временного слота, даже пустого, может привести к сбою синхронизации всего канала связи. Несмотря на то, что физически канал связи существует лишь определенную долю времени соединения, на логическом уровне он существует с момента соединения до момента разъединения. Такой подход к передаче информации по коммутируемым сетям именуется коммутацией каналов.

Следующим шагом в развитии телефонной связи по коммутируемым сетям - новой революцией в телефонии - стал переход от коммутации каналов к коммутации пакетов. Идея проста - раз голосовой сигнал уже оцифрован и известно, куда его следует передавать, то достаточно снабдить кадр голосовых данных заголовком с указанием адреса назначения, чтобы получить обычный сетевой пакет, для передачи которого можно использовать технологии, обычно применяемые для передачи данных в глобальных сетях. При этом каждый из пакетов может передаваться к месту назначения по своему собственному пути и никакого прямого соединения между источником вызова и местом его назначения не устанавливается.

Выгоды, получаемые от такого способа передачи голосовой информации, очевидны. Во-первых, одну и ту же линию можно использовать и для передачи данных, и для передачи голоса, причем пропускная способность линии используется куда более эффективно, чем это было при передаче цифровых данных по аналоговым сетям через модем. Цифровые данные передаются непосредственно в цифровом виде, как соответствующая принятой кодировке последовательность импульсов, а голосовая информация перед передачей сжимается. Во-вторых, при передаче голоса в виде пакетов возможно динамическое использование пропускной способности имеющихся каналов связи: суммарная емкость канала расходуется только на фактическую передачу информации, никаких "простоев" не допускается (вспомним, что при работе с коммутацией каналов временной слот выделяется в течение всего времени соединения, независимо от того, действительно ли передается информация). Получается, что после оцифровки речи голосовая информация ничем не отличается от обычных цифровых данных - правда, только с "точки зрения" передающей среды.

Требования к условиям передачи голоса и данных весьма различны, поэтому унифицированный подход к обмену цифровой и голосовой информацией порождает ряд специфических проблем. Первой и, пожалуй, главной является проблема задержек при передаче пакетов. Не все современные сети, используемые для передачи информации в виде коммутируемых пакетов, могут гарантировать доставку пакета за определенное время. В результате может оказаться, что пакет с очередной "порцией" разговора не будет доставлен в необходимый момент, что приведет к задержке в разговоре, продолжительность которой может достигать сотен миллисекунд. Такие задержки, возможно, допустимы при ведении каких-то рабочих переговоров, но крайне нежелательны для коммерческих сетей связи. Впрочем, некоторые особенности голосовой информации смягчают требования к качеству связи, по сравнению с передачей цифровой информации. Если при передаче чисто цифровой информации недопустима потеря даже одного бита (в результате все данные будут испорчены), то при передаче голоса вполне можно потерять определенную часть информации - человеческое ухо все равно окажется в состоянии правильно воспринять информацию.

Конечно, скорость передачи цифровой информации должна быть достаточно высокой, иначе ни о какой передаче звука не может быть и речи. В частности, скорости X.25 для этого явно недостаточно. Полное решение проблемы передачи звука по сетям с коммутацией пакетов принесет повсеместное внедрение ATM. Но это произойдет, мягко говоря, не завтра. Пока же достаточно скоростной технологии коммутации пакетов, нашедшей широкое применение в глобальных сетях, является frame relay.

1.1 Модель OSI

Из того, что протокол является соглашением, принятым двумя взаимодействующими объектами, в данном случае двумя работающими в сети компьютерами, совсем не следует, что он обязательно является стандартным. Но на практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты.

В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации - ISO, ITU-T и некоторые другие - разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью OSI. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, даёт им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель OSI была разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютерных сетей, в основном глобальных, в 70-е годы. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

В модели OSI (рисунок 1.1) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определённым аспектом взаимодействия сетевых устройств.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.

Следует также иметь в виду, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI. Например, некоторые СУБД имеют встроенные средства удалённого доступа к файлам. В этом случае приложение, выполняя доступ к удаленным ресурсам, не использует системную файловую службу; оно обходит верхние уровни модели OSI и обращается напрямую к системным средствам, ответственным за транспортировку сообщений по сети, которые располагаются на нижних уровнях модели OSI.

Рис. 1.1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например, к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сообщение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. В нашем случае заголовок, очевидно, должен содержать информацию о месте нахождения файла и о типе операции, которую необходимо над ним выполнить. Поле данных сообщения может быть пустым или содержать какие-либо данные, например те, которые необходимо записать в удаленный файл. Но для того чтобы доставить эту информацию по назначению, предстоит решить еще много задач, ответственность за которые несут нижележащие уровни.

После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию - заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протокола представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообщение передаётся вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т.д. (Некоторые реализации протоколов помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в виде так называемого "концевика"). Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передаёт его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту сообщение "обрастает" заголовками всех уровней (рисунок 1.2).

Когда сообщение по сети поступает на машину-адресат, оно принимается её физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень.

Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передаёт сообщение вышележащему уровню.

Наряду с термином сообщение (message) существуют и другие термины, применяемые сетевыми специалистами для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных определённых уровней - часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment).

Рис. 1.2. Вложенность сообщений различных уровней

В модели OSI различают два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения (connection-oriented) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать некоторые параметры протокола, которые они будут использовать при обмене данными. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Телефон это пример взаимодействия, основанного на установлении соединения.

Вторая группа протоколов - протоколы без предварительного установления соединения (connectionless). Такие протоколы называются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто передаёт сообщение, когда оно готово. Опускание письма в почтовый ящик - это пример связи без предварительного установления соединения. При взаимодействии компьютеров используются протоколы обоих типов.

1.2 Уровни модели OSI

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизируются типы разъёмов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъём RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических параметров.

Канальный уровень. На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определённым способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например, в Ethernet и frame relay.

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определённая структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определённой топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптерами и их драйверов. osi сетевой протокол джиттер

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивают обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединёнными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка-точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространённые протоколы PPP и LAP-B. В таких случаях для доставки сообщений между конечными узлами через всю сеть используются средства сетевого уровня. Именно так организованы сети Х.25. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, так как в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay.

В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу поверх них непосредственно протоколов прикладного уровня или приложений, без привлечения средств сетевого и транспортного уровней. Например, существует реализация протокола управления сетью SNMP непосредственно поверх Ethernet, хотя стандартно этот протокол работает поверх сетевого протокола IP и транспортного протокола UDP. Естественно, что применение такой реализации будет ограниченным - она не подходит для составных сетей разных технологий, например, Ethernet и Х.25, и даже для такой сети, в которой во всех сегментах применяется Ethernet, но между сегментами существуют петлевидные связи. А вот в двухсегментной сети Ethernet, объединённой мостом, реализация SNMP над канальным уровнем будет вполне работоспособна.

Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня - сетевой и транспортный.

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использоваться совершенно разные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Начнем их рассмотрение на примере объединения локальных сетей.

Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией, например, топологией иерархической звезды. Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадёжные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Можно было бы усложнять протоколы канального уровня для поддержания избыточных петлевидных связей, но принцип разделения обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы с одной стороны сохранить простоту процедур передачи данных для топологий, а с другой допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.

На сетевом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимаются совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определённый для этой топологии.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на её основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщения от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от hop - прыжок), каждый раз, выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

На рисунке 1.3 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Между узлами А и В данной сети пролегают два маршрута: первый через маршрутизаторы 1 и 3, а второй через маршрутизаторы 1, 2 и 3.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы сейчас рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надёжных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

1.3 Маршрутизаторы

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из старшей части - номера сети и младшей - номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину "сеть" на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть - это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

Рис. 1.3. Пример составной сети

На сетевом уровне определяются два вида протоколов. Первый вид - сетевые протоколы (routed protocols) - реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Транспортный уровень. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуются. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное - способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надёжности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, это зависит от того, насколько надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного - сетевым, канальным и физическим. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приёмами повышения надёжности. Если же транспортные средства нижних уровней изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок, - с помощью предварительного установления логического соединения, контроля доставки сообщений по контрольным суммам и циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т.п.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Протоколы нижних уровней обобщённо называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать всё с начала. На практике немногие приложения используют сеансовой уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительский уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом её содержания. За счет уровня представления информации, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например, кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполнятся шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socked Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень (Application layer) - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделённым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Существует очень большое разнообразие служб прикладного уровня. Приведём в качестве примера хотя бы несколько наиболее распространённых реализаций файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

1.4 Обзор сетевых протоколов передачи данных

Сети Х.25 - это сети коммутации пакетов по протоколам Х.25, предложенным ITU. C помощью сетей Х.25 удобно соединять локальные сети в территориаль-ную сеть, устанавливая между ними мосты Х.25.

Стандарт Х.25 относится к трем нижним уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем, т.е. включает протоколы физического, канального и сетевого уровней. На сетевом уровне используется коммутация пакетов.

Характеристики сети:

пакет содержит адресную, управляющую, информационную и контрольную части;

дейтаграммная передача данных;

конечный узел, обнаружив ошибку, запрашивает повторную передачу пакета.

В сетевом протоколе Х.25 значительное внимание уделено контролю ошибок (в отличие, например, от протокола IP, в котором обеспечение надежности передаётся на транспортный уровень). Эта особенность приводит к уменьшению скорости передачи, т.е. сети Х.25 низкоскоростные, но зато эти сети можно реализовать на каналах связи с невысокой помехоустойчивостью. Контроль ошибок производится при инкапсуляции и восстановлении пакетов (во всех мостах и маршрутизаторах), а не только в оконечном узле.

При использовании на физическом уровне телефонных каналов для подключения к сети достаточно иметь компьютер и модем. Подключение осуществляет провайдер (провайдерами являются, например, владельцы ресурсов сетей Sprint, Infotel, Роспак и др.)

Типичная структура сети Х.25 показана на рисунке 1.4.

Рис. 1.4. Структура сети Х.25

Типичная АКД в Х.25-синхронный модем с дуплексным бит-ориентированным протоколом. Скорость составляет от 9.6 до 64 Кбит. Протокол физического уровня для связи с цифровыми каналами передачи данных - Х.21, а с аналоговыми - Х.21bis. На канальном уровне используется протокол LAPB - Link Access Procedure (Balanced) - разновидность HDLC.

Сети Frame Relay (FR) это сети пакетной коммутации. В них в отличие от сетей Х.25 обеспечивается большая скорость за счёт исключения контроля ошибок в промежуточных узлах, так как контроль, адресация, инкапсуляция и восстановление выполняются в оконечных пунктах, то есть на транспортном уровне. Но для реализации FR нужны помехоустойчивые каналы передачи данных. Другая особенность - пункты доступа фиксируются при настройке порта подключения к сети. Поэтому наиболее подходящая сфера применения FR - объединение совокупности ЛВС, находящихся на значительном расстоянии друг от друга.

В сетях FR применена маршрутизация от источника, сигнализация о перегрузках осуществляется вставкой соответствующих битов в заголовок пакетов, проходящих по перегруженному маршруту.

Транспортный протокол TCP в стеке протоколов TCP/IP. Эти протоколы берут своё начало от одной из первых территориальных сетей ARPANET. Они получили широкое распространение благодаря реализации в ОС Unix и в сети Internet и в настоящее время оформлены в виде стандартов RFC (Requests For Comments) организацией IETF (Internet Engineering Task Force).

ТСР/IP - пятиуровневые протоколы, но основными среди них, давшими название всей совокупности, являются протоколы сетевого (IP - Internet Protocol) и транспортного (TCP - Transport Control Protocol) уровней.

ТСР - дуплексный транспортный протокол с установлением соединения. Его функции: упаковка и распаковка пакетов на концах транспортного соединения; установление виртуального канала путем обмена запросом и согласием на соединение; управление потоком - получатель при подтверждении правильности передачи сообщает размер окна, т.е. диапазон номеров пакетов, которые получатель готов принять; помещение срочных данных между специальными указателями, т.е. возможность управлять скоростью передачи.

В ТСР имеется программа-демон, которая постоянно готова к работе и при приходе запроса генерирует свою копию для обслуживания создаваемого соединения, а сама программа-родитель ждет новых вызовов.

Схема установления соединения в одно-ранговых сетях такова: инициатор соединения обращается к своей ОС, которая в ответ выдаёт номер протокольного порта и посылает сегмент получателю. Тот должен подтвердить получение запроса и послать свой сегмент-запрос на создание обратного соединения (так как соединение дуплексное). Инициатор должен подтвердить создание обратного соединения. Получается трёхшаговая процедура (handshake) установления соединения. Во время этих обменов партнёры сообщают номера байтов в потоках данных, с которых начинаются сообщения. На противоположной стороне счетчики устанавливаются в состояние на единицу больше, чем и обеспечивается механизм синхронизации в дейтаграммной передаче, реализуемой на сетевом уровне. После установления соединения начинается обмен. При этом номера протокольных портов включаются в заголовок пакета. Каждое соединение (socket) получает свой идентификатор ISN. Разъединение происходит в обратном порядке.

Схема установления соединения в сетях "клиент\сервер" аналогична (за исключением handshake) и включает посылку клиентом запроса на соединение (команда ACTIVE_OPEN) с указанием адреса сервера, тайм-аута (времени жизни), уровня секретности. Можно сразу же поместить в запрос данные (тогда команда ACTIVE_OPEN_WITH_DATA). Если сервер готов к связи, он отвечает командой согласия (OPEN_RECEIVED), в которой назначает номер соединения. Далее командой SEND посылается данные, а командой DELIVER подтверждается их получение. Разъединение выполняется обменом командами CLOSE и CLOSING.

Структура ТСР-пакета (в скобках указано число битов):

порт отправителя (16);

порт получателя (16);

код позиции в сообщении, т.е. порядковый номер первого байта в поле данных (32);

номер следующего байта (32);

управление (16);

размер окна (16);

контрольная сумма (16);

дополнительные признаки, например, срочность передачи (16);

опции (24);

заполнитель (8);

данные (не более 65,5 тыс. байт).

В ТСР повторная передача происходит, если в течение оговоренного интервала времени Тт (тайм-аута) не пришло положительное подтверждение. Следовательно, не нужно посылать отрицательные квитанции. Обычно Тт = 2 * t, где t - время прохождения пакета туда и обратно. Это время периодически корректируется по результату измерения t1, а именно:

t=0,9 * t + 0,1 * t1.

Попытки повторных передач пакета не могут продолжаться бесконечно, и при превышении интервала времени, устанавливаемого в пределах 0,5…0,2 мин, соединение разрывается.

Сетевой протокол IP в стеке протоколов TCP/IP. IP - дейтаграммный сетевой протокол, без установления сетевых соединений. Его функции: фрагментация и сборка пакетов при прохождении через промежуточные сети, имеющие другие протоколы; маршрутизация; проверка контрольной суммы заголовка пакета (правильность передачи всего пакета проверяется на транспортном уровне, то есть с помощью TCP, в оконечном узле); управление протоколом - сброс дейтаграмм при повышении заданного времени жизни.

Структура дейтаграммы в IP (в скобках указанно число бит):

версия протокола IP (4);

длина заголовка (4);

тип сервиса (8);

общая длина (16);

идентификация (16) - указывает принадлежность к определённому сообщению;

место дейтаграммы в сообщении (16) - указывает номер дейтаграммы в сообщении, занимает ли сообщение одну дейтограмму или более;

время жизни дейтаграммы в сети (8);

тип протокола (8);

контрольный код CRC заголовка (16);

адрес источника (32);

адрес назначения (32);

опции (32);

данные не более (65356).

От версии протокола зависит структура заголовка. Сделано это для возможности последующего внесения изменений. Например, предполагается вместо четырёхбайтовых адресов установить в Internet в будущем шестибайтовые адреса.

В поле "тип сервиса" отмечается приоритет (если приоритетность используется), можно указать одно из следующих требований: минимальная задержка, высокая надёжность, низкая цена передачи данных.

Время жизни Т может измеряться в хопах (число пройденных маршрутизаторов). Каждый маршрутизаторов уменьшает число Р, записанное в поле "время жизни" на единицу. При Р=0 дейтаграмма сбрасывается.

Поле "тип протокола" определяет структуру данных в дейтаграмме. Примерами протоколов могут служить UDP, SNA, IGP и т.п.

Поле "опции" в настоящее время рассматривается как резервное.

Протоколы управления в стеке TCP/IP. Протокол ICMP предназначен для определения ошибок(диагностики) и для сообщений о них отправителю для принятия нужных мер. ICMP передаёт отклики квитанций на успешно переданные пакеты; контролирует время жизни дейтаграмм; сообщает о достижимости адресата; формирует и посылает временные метки (измеряет задержки) для контроля t - времени доставки пакетов, что нужно для "оконного" управления. ICMP - пакеты вкладываются в IP - дейтограммы при доставке.

Например, время доставки t, определяется следующим образом. Отправитель формирует ICMP - запрос с временной меткой и отсылает пакет. Получатель меняет адреса местами и отправляет пакет обратно. Отправитель сравнивает метку с текущим временем и тем самым определяет t. Отправление ICMP - пакета с сообщением о невозможности достичь адресата осуществляет маршрутизатор.

При перегрузке адресат (или промежуточный узел) посылает ICMP - пакеты, указывающие о необходимости сокращения интенсивности входных потоков.

Наряду с ICMP используется протокол SNMP (Simple Network Management Protocol). Этот протокол выполняет следующие функции: обеспечивает отказоустойчивость (детектирование ошибок, их исправление, восстановление информации); управляет производительностью (через управление протоколами данных); управляет параметрами (изменяет настроенные параметры типа "время жизни дейтограммы", "уровень секретности" и др.).

Собственно, информация о состоянии сети хранится в базе данных под названием MIB (Management Information Base). Примеры данных в MIB: типы интерфейсов (в сервере SNMP), состояние интерфейса, статистика по числу пакетов и байтов, отправленных или полученных правильно или с ошибками, длины очередей, максимальное число соединений. Команда SNMP могут запрашивать значения объектов MIB, посылать ответы, менять значения. Для посылки команд используется протокол UDP. Реализация SNMP выполнена посредством SNMP-менеджеров и программ SNMP объектов управления.

ISDN - сети с интегральными услугами. ISDN (Integrated Services Digital Network) - цифровые сети с интегральными услугами) относятся к сетям, в которых основным режимом коммутации является режим коммутации каналов, а данные обрабатываются в цифровой форме. Идеи перехода телефонных сетей общего пользования на полностью цифровую обработку данных, при которой конечный абонент передаёт данные непосредственно в цифровой форме, высказывались давно. Сначала предполагалось, что абоненты этой сети будут передавать только голосовые сообщения. Такие сети получили название IDN - Integrated Digital Network. Термин "интегрированная сеть" относился к интеграции цифровой обработки информации сетью с цифровой передачей голоса абонентом. Идея такой сети была высказана ещё в 1959 году. Затем было решено, что такая сеть должна предоставлять своим абонентам не только возможность поговорить между собой, но и воспользоваться другими услугами - в первую очередь передачей компьютерных данных. Кроме того, сеть должна была поддерживать для абонентов разнообразные услуги прикладного уровня - факсимильную связь, телетекс (передачу данных между двумя терминалами), видеотекс (получение хранящихся в сети данных на свой терминал), голосовую почту и ряд других. Предпосылки для создания такого рода сетей сложились к середине 70-х годов. К этому времени уже широко применялись цифровые каналы Т 1 для передачи данных в цифровой форме между АТС, а первый мощный цифровой коммутатор телефонных каналов 4ESS был выпущен компанией Western Electric в 1976 году.

В результате работ, проводимых по стандартизации интегральных сетей в CCITT, в 1980 году появился стандарт G.705, в котором излагались общие идеи такой сети. Конкретные спецификации сети ISDN появились в 1984 году в виде серии рекомендаций 1. Этот набор спецификаций был неполным и не подходил для построения законченной сети. К тому же в некоторых случаях он допускал неоднозначность толкования или был противоречивым. В результате, хотя оборудование ISDN и начало появляться примерно с середины 80-х годов, оно часто было несовместимым, особенно если производилось в разных странах. В 1988 году рекомендации серии 1 были пересмотрены и приобрели гораздо более детальный и законченный вид, хотя некоторые неоднозначности сохранились. В 1992 и 1993 годах стандарты ISDN были ещё раз пересмотрены и дополнены. Процесс стандартизации этой технологии продолжается.

Внедрение сетей ISDN началось достаточно давно - с конца 80-х годов, однако высокая техническая сложность пользовательского интерфейса, отсутствие единых стандартов на многие жизненно важные функции, а также необходимость крупных капиталовложений для переоборудования телефонных АТС и каналов связи привели к тому, что инкубационный период затянулся на многие годы, и сейчас, когда прошло уже более десяти лет, распространённость сетей ISDN оставляет желать лучшего. Кроме того, в разных странах судьба ISDN складывалась по-разному. Наиболее давно в национальном масштабе эти сети работают в таких странах, как Германия и Франция. Тем не менее, доля абонентов ISDN даже в этих странах составляет немногим более 5 % от общего числа абонентов телефонной сети. В США процесс внедрения сетей ASDN немного отстал от Европы, поэтому сетевая индустрия только недавно заметила наличие такого рода сетей. Если судить о тех или иных типах глобальных сетей, то может сложиться ложное впечатление, что технология ISDN появилась где-то в 1994-1995 годах, так как именно в эти годы начали появляться маршрутизаторы с поддержкой интерфейса ISDN. Это обстоятельство просто отражает тот факт, что именно в эти годы сеть ISDN стала достаточно распространённой в США - стране, компании которой являются лидерами в производстве сетевого оборудования для корпоративных сетей.

Архитектура сети ISDN предусматривает несколько видов служб:

некоммутируемые средства (выделенные цифровые каналы);

коммутируемая телефонная сеть общего пользования;

сеть передачи данных с коммутацией каналов;

сеть передачи данных с коммутацией пакетов;

сеть передачи данных с трансляцией кадров (frame relay);

средства контроля и управления работой сети.

Как видно из приведённого списка, транспортные службы сетей ISDN действительно покрывают очень широкий спектр услуг, включая популярные услуги frame relay. Кроме того, большое внимание уделено средствам контроля сети, которые позволяют маршрутизировать вызовы для установления соединения с абонентом сети, а также осуществлять мониторинг и управление сетью. Управляемость сети обеспечивается интеллектуальностью коммутаторов и конечных узлов сети, поддерживающих стек протоколов, в том числе и специальных протоколов управления.

Стандарты ISDN описывают также ряд услуг прикладного уровня: факсимильную связь на скорости 64 Кбит/с, телексную связь на скорости 9600 бит/с, видеотекс на скорости 9600 бит/c и некоторые другие.

На практике не все сети ISDN поддерживают все стандартные службы. Служба frame relay хотя и была разработана в рамках сети ISDN, однако реализуется, как правило, с помощью отдельной сети коммутаторов кадров, не пересекающейся с сетью коммутаторов ISDN.

Рис. 1.5. Службы ISDN

Базовой скоростью сети ISDN является скорость канала DS-0, то есть 64 Кбит/с. Эта скорость ориентируется на самый простой метод кодирования голоса - ИКМ, хотя дифференциальное кодирование позволяет передавать голос с тем же качеством на скорости 32 или 16 Кбит/c.

Сети АТМ. Перспективными технологиями передачи информации в вычислительных сетях являются технологии, обеспечивающие высокие скорости передачи разнородной информации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, и, следовательно, задержки могут быть только малыми (так, для голосовой связи - около 6 с.).

К числу таких технологий прежде всего относится технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode).

Технология АТМ кратко формулируется как быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длинны (54 байт), называемых ячейками. Поэтому и саму технологию АТМ называют коммутацией ячеек.

Высокие скорости в АТМ обеспечивается рядом технических решений.

Во-первых, большое число каналов с временным мультиплексированием (TDM) можно использовать для параллельной передачи частей одного и того же "объёмного" сообщения (статистическое мультиплексирование). При этом цикл синхронизации состоит из отдельных участков, длинны участка и ячейки совпадают. Под конкретное сообщение можно выделить N интервалов,

Совокупность которых называют виртуальным каналом. Скорость передачи можно регулировать, изменяя N. Если сеть АТМ оказывается перегруженной, то во избежание потери информации и в отличие от коммутации каналов возможна буферизация данных для выравнивания загрузки каналов. Регулирование загрузки (управление потоком) осуществляется периодическим включением (обычно через 32 кадра) RM-ячейки в информационный поток. В эту ячейку промежуточные коммутаторы и конечный узел могут вставлять значения управляющих битов, сигнализирующие о перегрузке или недогрузке канала. RМ-ячейка от конечного узла передаётся источнику сообщения, который может соответственно изменить режим передачи. В частности, применяется режим занятия всех свободных ресурсов при перегрузке. Таким образом, происходит динамическое перераспределение нагрузки.

Во-вторых, отрицательные квитанции при искажениях собственно сообщений (но не заголовков) возможны только от конечного пункта. Это исключает потери времени в промежуточных пунктах на ожидание подтверждений. Такой способ иногда называют коммутацией кадров (в отличие от коммутации пакетов). Контрольный код (четырехбайтный циклический) по информационной части сообщения имеется только в конце последнего пакета сообщения.

В-третьих, упрощена маршрутизация. Собственно, установление соединения выполняется аналогично этой процедуре в ТСР/IP. Однако далее номер рассчитанного маршрута помещается в заголовок каждого пакета, и для них не нужно заново определять маршрут по таблицам маршрутизаторов при прохождении через сеть. Такая передача называется маршрутизацией от источника. Другими словами, осуществляется передача с установлением соединения. При этом клиент направляет серверу запрос в виде специального управляющего кадра. Кадр проходит через промежуточные маршрутизаторы и/или коммутаторы, в которых соединению (каналу) присваивается номер VCI (идентификатор) маршрута. Если передача адресована нескольким узлам, то соответствующий VCI в коммутаторах присваивается нескольким каналам.

В-четвёртых, фиксированная длина пакетов (кадров) упрощает алгоритмы управления и буферизации данных, исключает необходимость инкапсуляции и конвертирования пакетов при смене форматов в промежуточных сетях.

Типично использование концентраторов (switches). Концентраторы объединяются в опорную сеть (обычно на основе ВОЛС) и обеспечивают высокоскоростную коммутацию блоков взаимодействия с различными ЛВС (возможно и отдельных компьютеров), а также связь с территориальной сетью.

В АТМ введены три уровня (рисунок 1.6). Адаптационный уровень (AAL) аналогичен транспортному уровню в ЭМВОС, на нем происходит разделение сообщений на 48-байтные ячейки, преобразование битовых входных потоков в один поток с соблюдением порций между числом ячеек для данных, голосовой и видеоинформации, определение вида сервиса. При этом должна поддерживаться скорость передачи данных, необходимая для обеспечения соответствующего сервиса. На следующем уровне, называемом АТМ, к каждой ячейке добавляется пятибайтовый заголовок с маршрутной информацией. Третий уровень - физический (Р - physical) - служит для преобразования данных в электрические или оптические сигналы. Средой для АТМ обычно служит среда B-ISDN, реализуемая на ВОЛС, витой паре или коаксиальном кабеле.

Рис. 1.6. Уровни протоколов в технологии АТМ

В АТМ предусматриваются следующие стандартные скорости: 51, 155, 622 и 2400 Мбит/с. К сожалению, в распространенных протоколах, таких, как ТСР/IP или Х.25, пакеты имеют переменную длину, что вызывает трудности совмещения программно-аппаратных средств распространенных технологий и АТМ, в связи с чем замедляется внедрение АТМ.

Поэтому в настоящее время более распространены промежуточные технологии. Таковой прежде всего является технология ретрансляции кадров (FR), в которой применена коммутация пакетов длиной 4 кбит с установлением соединения. Другой промежуточной технологией является SMDS (Switched Multimegabit Data Service). В SMDS используется коммутация пакетов фиксированной длины (53 байт) без установления соединения, скорость составляет 45…155 Мбит/c.

Проблемы совмещения технологий АТМ и существующих сетей решаются организацией АТМ Forum и рядом промышленных фирм. Разрабатываются коммутаторы и концентраторы, обеспечивающие совместную работу АТМ магистралей, сетей, работающих по протоколам ТСР/IP, и локальных сетей, таких, как Ethernet, Fast Ethernet, FDDI. В частности, разработаны спецификации IP-сервер-ATM и более современные МРОА (Multi-Protocol-Over-ATM), а также реализующие их средства для передачи IP-дейтаграмм и пакетов, сформированных по другим протоколам, через сети АТМ.

В качестве примеров коммутационного оборудования для совместной работы АТМ и существующих локальных сетей можно назвать коммутатор ES-3810 и концентратор PowerHub фирмы Fore Systems. В ES-3810 предусмотрены 72 порта для подключения сетей Ethernet и Fast Ethernet и один или два порта для АТМ магистрали 155 Мбит/с. PowerHub 7000 имеет следующие характеристики: до 240 портов Ethernet, до 54 портов Fast Ethernet, до 16 колец FDDI, скорость передачи данных по внутренней шине 3,2 Гбит/с.

К числу новых стандартов для высокоскоростной передачи данных относятся также стандарт цифровой синхронной иерархии SDH (Synchronous Digital Hierarchy). SDH подразумевает использование ВОЛС в качестве линий передачи данных. Стандарт устанавливает структуру фреймов, на которые разбивается поток передаваемых данных. Эта структура названа транспортным модулем. В частности, в этот модуль могут загружаться ячейки АТМ.

Рассмотрим модуль STM-1. В нем фрейм состоит из девяти строк и 270 колонок, каждая позиция содержит один байт. В фрейме выделены три зоны. Первая зона содержит теги для разделения фреймов, для коммутации и управления потоком в промежуточных узлах (регенераторах оптических сигналов, устанавливаемых при больших длинах сегментов линии). Данные для управления в концевых узлах содержатся во второй зоне. Третья зона включает передаваемую информацию.

...