ТЕМА 10. ТЕХНОЛОГИИ СЕТЕЙ ОБЩЕГО

ПОЛЬЗОВАНИЯ

Принципы и соглашения, положенные в основу реализации той или иной сети, принято называть технологией сети. По наименованию принятой технологии часто называют и сами сети. Первой сетью, отличающейся глубиной и качеством проработки, стала сеть общего пользования с коммутацией пакетов по технологии Х.25.

Стандарт «Рекомендация Х.25» ратифицирован Международным Консультативным Комитетом по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) в Женеве в 1976 г. Технология Х.25 предназначена для организации надежной передачи данных по разветвленным территориально распределенным сетям на базе низко- и среднескоростных каналов невысокого качества. При этом обеспечивается достоверная (за счет необходимых повторов) и упорядоченная передача данных между каждой парой соседних узлов сети по всему маршруту следования пакета. «Рекомендация Х.25» определяет двухточечный выделенный полнодуплексный интерфейс между пакетным и терминальным оборудованием пользователя (DTE) и оконечным оборудованием пользователя (DCE) в сети общего пользования. Это показано на рис.10.1.

Рис.10.1. Организация сети Х.25

Под DTE (Date Terminal Equipment) понимается устройство с аппаратными и программными возможностями, необходимыми для реализации трех уровней стека Протокол Х.25, соответствующих трем нижним уровням модели ВОС/МОС, как показано в таблице. В качестве DTE может использоваться, например, персональный компьютер.

На физическом уровне работают протоколы Х.21 и Х.21 bis (в США и Канаде). Доступные скорости передачи от 300 бит/с до 1,544 Мбит/с по линиям связи Т1/Е1. На канальном уровне реализуется протокол сбалансированной процедуры доступа к каналу связи LAPB (Link Access Procedure - Balanced). На сетевом уровне в Х.25 принят протокол уровня пакета Х.25 PLP (Paket – Layer Protocol). Протокол PLP является статически мультиплексируемым протоколом, т. е. через один канал связи протокола LAPB может быть установлено одновременно множество виртуальных соединений, отличающихся друг от друга уникальным номером логического канала. Это означает, что один DCE в режиме разделения времени может обслужить несколько DTE.

Под DСE (Date Communication Equipment) понимается устройство связи с сетью (аппаратура передачи данных), например, модем, коммутатор пакетов или другой порт сети общего пользования. Максимальное расстояние между DTE и DCE составляет 15 м.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что “Рекомендация Х.25” ничего не говорит относительно взаимодействия узлов DCE в сети общего пользования. Это, с точки зрения Х.25, несущественно, важно лишь соблюдение внешнего относительно самой сети интерфейса.

Сквозная передача между устройствами DTE выполняется через двунаправленную связь, которая называется “виртуальная цепь”. Виртуальные цепи позволяют связывать различные узлы сети через любое число промежуточных узлов (как будет проложен маршрут) без назначения частей физической среды на весь сеанс, что характерно для физических, пространственных цепей. Диаграмма (рис.10.2) иллюстрирует процесс установления виртуального соединения Х.25 и его разъединения после завершения обмена.

Порядок действий при этом следующий:

1) DTE вызывающей стороны (например, отправитель) посылает пакет запроса соединения своему локальному DCE с адресом вызываемой стороны (например, получателя) и свободным номером логического канала;

2) устройство DCE локальное включает в пакет запроса адрес вызывающей стороны и передает его по сети;

3) пакет запроса соединения появляется из сети у получателя как пакет входящего вызова от DCE, удаленного относительно получателя, к вызываемому DTE (адресату);

4) если вызываемая сторона не возражает против установления контакта, она принимает вызов и отправляет вызывающей стороне (отправителю) пакет принятия вызова. При этом используется тот же номер логического канала, что и в пакете входящего вызова;

5) вызывающая сторона узнает о принятии вызова от “своего” локального DCE в виде извещения об установлении соединения под ею же заданным номером логического канала. На этом заканчивается фаза установления соединения и начинается фаза передачи данных;

6) в процессе передачи данных стороны обмениваются данными и сигнальной информацией (интерфейс Х.25 является дуплексным), возможно, с применением пакетов управления потоком данных для предотвращения потери данных;

7) по окончании передачи одна из сторон (для определенности пусть это будет вызывающая сторона) инициирует процесс разрыва виртуального соединения путем направления пакета с запросом на разъединение логического канала;

8) локальное DCE осуществляется отсоединение “своего” DTE, направляет ему подтверждение об этом и передает запрос вызываемой стороне;

9) пакет запроса разъединения поступает из сети как пакет индикации разъединения с вызывающей стороной;

10) вызываемая сторона отвечает “своему” локальному DCE пакетом подтверждения. На этом связь считается завершенной.

Рис. 10.2. Диаграмма установления и разрыва виртуального соединения Х.25

Описанный процесс соответствует типу сервиса Х.25, который называется “коммутируемый виртуальный канал” (SVC). В большинстве сетей общего доступа существует и другой тип сервиса - “постоянный виртуальный канал” (PVC). При этом он предоставляется оператором сети, обычно через несколько суток, но не требует посылки пакетов – запросов на установление соединения и его разрыв (соединение используется только непосредственно для обмена).

На сегодня накоплен большой опыт использования сетей технологии Х.25. Он убедительно показывает, что сети на Х.25 эффективны для широкого круга задач передачи данных: обмен сообщениями, обращение большого числа пользователей к удаленной базе данных, связь локальных сетей, организация сетей кассовых аппаратов или банкоматов и многое другое. Везде, где трафик сети не является равномерным во времени.

Для объединения локальных сетей в узлах, подключенных к сети Х.25, применяются методы инкапсуляции пакетов информации из локальной сети в пакеты Х.25. Стандартный механизм инкапсуляции позволяет передавать различные протоколы локальных сетей через одно виртуальное соединение одновременно. Этот механизм реализован практически во всех современных маршрутизаторах. Таким образом, сети Х.25 предлагают универсальный транспортный механизм для передачи информации между практически любыми приложениями. При этом разные типы трафика передаются по одному каналу связи, ничего не “зная” друг о друге.

Важным достоинством сетей по технологии Х.25 является возможность передачи данных по каналам телефонной сети общего пользования как выделенным, так и коммутируемым, с максимальными для этих каналов скоростью и достоверностью. Еще одним плюсом сети Х.25 является механизм альтернативной маршрутизации. Возможность задания альтернативных маршрутов в дополнение к основному предусмотрена в оборудовании для Х.25 практически всех фирм, его выпускающих. Переход к запасному маршруту происходит либо в случае полного отказа одного из звеньев основного маршрута, либо динамически в зависимости от загруженности всех возможных маршрутов. Если между парой точек подключения к сети существует более одного маршрута, надежность работы сети значительно возрастает.

К началу ХХІ в. в мире насчитывались десятки сетей Х.25 общего пользования. Их узлы расположены практически во всех крупных деловых, промышленных и административных центрах. В России услуги Х.25 предлагают Роснет, Infotel и ряд других компаний. Для подключения к любому ресурсу сети Х.25 пользователю достаточно иметь компьютер с последовательным асинхронным портом и модем.

В настоящее время принято считать, что сети Х.25 медленны, дороги и вообще устарели. Действительно, практически не существует сетей Х.25, работающих на скорости, большей 128 кбит/с. Объясняется это в частности тем, что протокол Х.25 включает мощные средства коррекции ошибок, обеспечивая передачу данных без искажений даже на линиях плохого качества. Сегодня в России, к сожалению, каналов хорошего качества нет практически нигде. Понятно, что за надежность связи приходится платить быстродействием оборудования сети и сравнительно большими, хотя и предсказуемыми, задержками распространения информации. В целом, на линиях невысокого качества сети Х.25 вполне эффективны и дают значительный выигрыш по цене и возможностям в сравнении с выделенными линиями даже с учетом невозможности передачи голоса и видео по сети Х.25.

Сетевая топология передачи данных, позволившая объединить передачу речи и неголосовые сервисы, появилась в 1984 г. Она завершила переход от полностью аналоговой сети к полностью цифровой, которая называется – цифровая сеть связи с интеграцией услуг ISDN (Integrated Services Digital Network). Она сама является промышленным стандартом (это гарантирует совместную работу оборудования разных производителей) и основана на рекомендациях МККТТ серий I-, Q-, и Е -. Например, рекомендации I.430 и I.431 определяют два различных физических интерфейса ISDN, Q.931 определяет процедуры управления вызовами сетевого уровня модели ВОС/МОС интерфейса “пользователь - сеть”, Е.401 – Е.880 обеспечивают качество сервиса и сетевое управление.

Одним из основных элементов любой коммуникационной системы являются линии связи. В ISDN применяются несколько принципиально различных типов линий связи, или интерфейсов. В их число входят: аналоговые линии связи, цифровые линии связи и два специфических типа интерфейсов, предназначенных для связи центральных узлов сети между собою и с периферийными узлами сети.

Центральные узлы – это цифровые ISDN-станции, периферийные узлы – это внешние устройства сети – абоненты центральных узлов, занимающиеся преобразованием форматов и протоколов внесетевых абонентов – пользователей. Схема соединений в сети ISDN представлена на рис. 10.3.

Рис.10.3. Сеть ISDN

По составу участников сети уже видна функция интеграции услуг. Но для этого дополнительно к известным аналоговому и цифровому потребовались специальные интерфейсы: интерфейс базового уровня (Basic Rate Interface) и интерфейс первичного уровня (Primary Rate Interface). Первый регламентирует соединение ISDN-станции с абонентом, второй обеспечивает связь между ISDN-станциями. (Вспомните, как АТС соединялись с абонентами по абонентским линиям, а между собою – по магистральным). Логически BRI представляет собой особым образом структурированный цифровой поток, разделенный на три канала: два информационных и один служебный. Информационные каналы (в терминологии сети ISDN – каналы типа В) имеют пропускную способность 64 кбит/с каждый, служебный (канал типа D) - 16 кбит/с. При использовании BRI для организации удаленного доступа к ЛВС или отдельному РС по В-каналам идет обмен данными. При этом по одной линии BRI можно передавать два независимых потока сообщений: каждый по своему В-каналу.

По каналу типа D передается служебная информация – сигналы вызова, маршрут звонка, номера соединяемых абонентов… Протокол обмена сигналами D-канала охватывает три нижних уровня модели ВОС/МОС, что и зафиксировано в Рекомендации МККТТ I.430.

Сами ISDN-станции (коммутаторы ISDN) соединяются магистралями интерфейса первичного уровня PRI. Логически PRI построен аналогично BRI: некоторое количество (естественно, больше двух) В – каналов и один D – канал. Используемое число В - каналов определяется региональными стандартами. Так, в США и Японии – зоне действия стандарта Т1, это 23, а в Европе стандарт Е1 требует 30 В – каналов. Для обслуживания возросшего потока информации необходимо большее количество сопровождающих служебных сигналов. Поэтому в PRI пропускная способность D – канала увеличена до 64 кбит/с. Протоколы обмена на уровне PRI прописаны в Рекомендации МККТТ I.431.

Технология ISDN позволяет “заказывать” пропускную способность через интерфейс сети ISDN. Такая возможность называется формированием канала N × 64 кбит/с, где 2 < N ≤ 24. Этот “заказ” делается при инициации вызова.

Теперь познакомимся с набором оборудования, применяемого для строительства сети ISDN, и способами его соединения.

От станции, ISDN – коммутатора к любому своему абоненту можно направить (или принять) информацию только через оконечное сетевое оборудование – устройство сетевого завершения типа 1- NT1(Network Terminator Type 1). Оно обычно располагается у клиента и обеспечивает соединение с ISDN – станцией. Спецификации (точный перечень того, что следует делать, без указания - как) для взаимодействия функциональных элементов сети в ISDN - технологии принято называть “опорными точками”. Между NT1 и ISDN-станцией размещается опорная точка U. По другую сторону NT1, как показано на рис. 10.4, могут находиться различные устройства. Они могут быть как ISDN – совместимыми, так и несовместимыми.

К оборудованию, совместимому с ISDN – сетью, относятся:

- оконечное сетевое оборудование типа 2 – NT2. Это может быть, например, мультиплексор;

- оконечное оборудование пользователя типа 1 – ТЕ1 (Terminal Equipment Type 1). Это может быть специальный телефонный аппарат или РС со встроенным адаптером.

К оборудованию, не совместимому с ISDN – сетью, можно отнести любые технические средства (одиночные или целые комплексы), не оснащенные преобразователями в форматы ISDN – сети. Это может быть аналоговый телефонный аппарат, автономный РС, корпоративная сеть или отдельная ЛВС - все они относятся к оконечному оборудованию пользователя типа 2- TE2. Для его подключения необходимо применить терминальный адаптер ТА (Terminal Adapter), который конвертирует протокол пользователя в протокол сети. Естественно, ТА не может быть универсальным.

Рис. 10.4. Подключение к сети ISDN

.

Оборудование ТА, NT1 и NT2 в необходимых сочетаниях может быть выполнено в одном конструктиве – внешнем устройстве ISDN.

Соединение каждой пары единиц оборудования описывается спецификациями опорных точек. Так, опорные точки S и Т определяют границу между пользовательским и сетевым оборудованием. Выбор S или Т зависит от оборудования пользователя. Для подключения к ТА также необходимы правила, выражающиеся в спецификации опорной точки R. Это позволяет подключать огромное количество существующего оборудования к сети ISDN, где реализуются три нижних уровня модели ВОС/МОС с протоколами по рекомендациям Q.920 и Q.931.

ISDN явилась революционной для своего времени концепцией для интеграции множества услуг, предлагаемых через один интерфейс. Интерфейс BRI широко используется для организации видеоконференций и доступа в Интернет. Интерфейс PRI также часто выбирается провайдерами Интернета в качестве окончания коммутируемых соединений. И все же сеть ISDN часто не является ни более дешевым, ни более скоростным сервисом. Уже сегодня многие клиенты предпочитают пользоваться кабельной телефонией.

Одной из сетей, предоставляющие такие услуги, является сеть Frame relay. Ее история начинается с 1991 г. Frame, или кадр, - это сообщение, содержащее всю необходимую информацию для его идентификации. Поэтому сеть Frame relay есть сеть передачи, ретрансляции данных кадрами. Основным режимом работы сети является так называемый дейтаграммный режим. В этом режиме кадры передаются по сети независимо друг от друга, и порядок их получения может не совпадать с последовательностью их отправления за счет маршрутизации или отбрасывания из-за ошибок передачи. Но это создает и некоторые преимущества сети Frame relay, особенно в сочетании с ее низкой протокольной избыточностью: высокую пропускную способность и небольшие задержки кадров.

Ретрансляция кадров описывает базирующийся на стандартах интерфейс между пользовательским оборудованием и глобальной вычислительной сетью (ГВС), основанной на виртуальных каналах. Узлы ретрансляции кадров осуществляют минимальную проверку принятого кадра и транслируют его в направлении получателя. Если при обработке кадра в узле возникают какие-либо проблемы, кадр отбрасывается.

Стандарты ретрансляции кадров определяют интерфейс с ГВС и между сетями. Основы ретрансляции кадров изложены в Рекомендациях МККТТ I.122 и I.123. В целях гарантии совместимости оборудования, применяемого в сети, промышленная группа Frame relay Forum (FRF) разработала набор соглашений по ретрансляции кадров. В этот набор входят соглашения по реализации:

- интерфейса “ пользователь - сеть”, FRF.1.1;

- интерфейса “ сеть- сеть”, FRF.2.1;

- сервиса клиентского сетевого управления, FRF.6;

- передачи голоса, FRF.11;

- определений уровня обслуживания, FRF.13;

- интерфейса Физического уровня, FRF.14;

всего 16 документов.

Ретрансляция кадров была разработана для расширения возможностей коммутации пакетов интерфейса Х.25 для сети ISDN. Она обеспечивает сервис виртуальных каналов, поддерживает как постоянные, так и коммутируемые виртуальные каналы. Сегодня уже предлагается и третий тип сервиса, объединяющий первые два, – “программный” или “коммутируемый” постоянный виртуальный канал. Он сочетает простоту использования SVC с надежностью PVC.

Для каждого виртуального соединения определено несколько параметров, влияющих на качество обслуживания:

1) скорость доступа R (Rate). Это скорость передачи данных канала доступа в битах за секунду. Изменяется в широких пределах от

56 кбит/с до 600 Мбит/с. Основные варианты для выделенных линий –

Т1 (1,44 Мбит/с), а при высоких скоростях – Е3 (155 Мбит/с);

2) согласованная скорость передачи CIR (Committed Information Rate). Величина скорости передачи данных пользователя, которую сеть обязана поддерживать при обычных условиях. Она, конечно, не может превышать скорость доступа и определяется в соглашении на предоставление услуг сети;

3) дополнительная скорость передачи информации EIR (Excess Information Rate) – количество битов в секунду, которое сеть попытается передать при нормальных условиях. Эта “добавка” может быть обеспечена только за счет разности скорости доступа канала и согласованной скорости передачи;

4) согласованный размер посылки B_c (Committed Burst Size) – максимальное количество битов, которое сеть обязуется передавать за согласованное время Т_с;

5) дополнительный объем посылки В_е – максимальное количество битов сверх согласованного, которое сеть попытается доставить за согласованное время Т_с;

6) согласованный интервал времени для измерения скорости передачи данных Т_с.

Естественно, согласованные параметры связаны соотношением:

CIR × Т_с = B_c.

Сам факт наличия согласования значений параметров качества обслуживания говорит о возможности пользователя заказать то, что ему больше подходит, а не то, что дают.

Если при заключении соглашения на предоставление услуг зафиксированы значения CIR, Т_с и В_е, а размер посылки – их производная, то реакция сети на поведение пользователя может быть представлена так (рис.10.5): B_c = CIR × Т_с.

Рис. 10.5. Поведение сети Frame Relay при нарушении пользователем соглашения на предоставление услуг

За время Т_с пользователь посылает кадры k₁, k₂, … ,k₅ со скоростью

R > CIR. При этом кадры k₁ и k₂ будут переданы получателю с гарантией, кадр k₃ – без гарантии, а кадры k₅ и k₄ будут точно удалены.

Чтобы отличать кадры гарантированной доставки от кадров с доставкой без гарантии, сеть помечает их признаком DE (Discard Eligibility) – возможно удаление при значении DE = 1.

Кадры сохраняются и доставляются адресату, если коммутаторы сети не испытывают перегрузки. Это наблюдается при объеме передачи, не превышающем (B_c + В_е). В противном случае кадр не помечается, а сразу удаляется, что и произойдет с кадрами k₄ и k₅.

Еще раз подчеркнем, что необходимые параметры должны быть согласованы для каждого отдельного PVC в канале доступа. Что касается превышения CIR (как в рассмотренном примере), то это возможно только в силу пульсирующей природы трафика. Чем продолжительнее интервалы между посылками, тем лучше условия для превышения согласованной скорости, так как мала вероятность достижения уровня CIR во всех каналах PVC одновременно.

Пользователь может заказать включение не всех параметров качества обслуживания, а лишь некоторых. Так, если использованы только CIR и B_c, то коммутатор никогда не отбросит кадры сразу, но пометит потенциально удаляемые признаком DE = 1. Если в сети нет перегрузки, то кадры такого канала всегда доходят до адресата, даже если пользователь постоянно нарушает договор с сетью. Логическим пределом такой ситуации стала с 1994 г. возможность заказа уровня CIR = 0. При этом все передаваемые в сеть кадры отправляются со скоростью выше CIR, помечаются как возможные для отбрасывания и доставляются по адресу в 99 % случаев. При таких результатах величина CIR вообще не имеет значения.

Обычно доступ к сети осуществляют каналы с достаточно большой пропускной способностью. Но пользователь платит только за согласованные параметры CIR, B_c и В_е. Так, при использовании канала доступа Т1 и заказа службы со скоростью CIR = 128 кбит/с пользователь будет платить только за скорость 128 кбит/с, а скорость канала 1,544 Мбит/с будет влиять на верхнюю границу размера посылки (B_c + В_е).

Набор оборудования включает устройства доступа к сети FRAD (Frame Relay Access Device), маршрутизаторы и коммутаторы – узлы самой сети. Устройства FRAD используются, в основном, для соединения небольших ответвлений в корпоративных сетях. Они являются недорогими, но мощными устройствами, поддерживают трафик ЛВС, передачи речи и многие существующие протоколы. Именно последнее делает выгодным их применение в качестве сетевых окончаний. Маршрутизаторы поддерживают большой набор протоколов маршрутизации и рассматривают ретрансляцию кадров всего лишь как другой тип интерфейса глобальной сети.

Производителей устройств FRAD и маршрутизаторов много, различий между ними – мало. Поэтому при выборе производителя руководствуются стоимостью и/или необходимостью сопряжения с уже существующим оборудованием (прежде всего, по поддерживаемым протоколам). Технология ретрансляции кадров создала огромный рынок для производителей коммутаторов. Основными производителями являются компании Alcatel, Cisco, IBM, Lucent, Siemens.

Технология ретрансляции кадров распространяется с высокой скоростью. По этому показателю она занимает первое место в индустрии телекоммуникаций.

Вопросы для самопроверки:

1.Что такое “технология сети”, в чем состоит технология сети с коммутацией пакетов X.25?

2. Каковы требования к DTE и DCE?

3. Опишите процедуру установления соединения между абонентами сети X.25 по коммутируемому виртуальному каналу (SVC).

4. Каково отличие постоянного виртуального канала (PVC) от коммутируемого?

5. Области приложений сети X.25, ее преимущества и недостатки.

6. Чем принципиально ISDN отличается от своих предшественниц?

7. За счет чего в ISDN обеспечивается интеграция услуг?

8. Какова логическая структура интерфейсов соединения узлов сети ISDN?

9. Построение сети ISDN, опорные точки сети.

10. Что стимулировало появление сети Frame relay, каково ее назначение?

11. Какова правовая база сети Frame relay?

12. Параметры качества обслуживания в Frame relay и связь между ними.

13. Какова реакция сети Frame relay на несоблюдение пользователем оговоренных значений параметров качества обслуживания?