Интеграция сетевых технологий в цифровых сетях

Выбор оптимальной технологии для построения широкополосных мульти- сервисных сетей в настоящее время опирается на процессы интеграции и конвергенции сетевых технологий при создании современных сетей. Общей технологической основой конвергентных сетей являются универсальные среды. Эти среды передают цифровые потоки с любой мультимедийной информацией. А специальные транспортные протоколы позволяют передавать информационные потоки с за­данной скоростью и качеством. Необходимо четко осознавать, каким образом строить универсальную мультисервисную сеть для предоставления новых услуг, и какие требования к ней предъявлять. При по­строении сетей, следует иметь в виду, что новые услуги все чаще являются суперпозицией традиционных услуг телефонии, видео и передачи данных и, соответственно, требуют универсальных, приспособленных к таким услугам сетей. Универсальность сети заключается, прежде всего, в том, на что такая сеть должна быть способна:

• быть адаптированой для всех необходимых протоколов и передачи всех типов ин­формационных потоков;
• поддерживать необходимый уровень качества передачи информационных потоков с возможностью контроля и гарантий этого качества от абонента до точки предоставле­ния услуги;
• удовлетворять всем требованиям безопасности при пользовании услугами данного типа.

Таким образом, современная сеть (даже если она планируется только как сеть передачи данных) должна строиться с учетом обеспечения необходимого качества передачи и безо­пасности информационных потоков, что требует, как правило, значительных инвестиций. При этом построенная таким образом сеть должна обладать всеми необходимыми качест­вами для того, чтобы стать универсальной, и, соответственно, должны быть возмо-жности для ее использования и для передачи альтернативных типов инфор-мационных потоков (го­лоса и видео). Опыт создания сетей показывает, что локальные сети строят преимущественно с исполь­зованием Ethernet, а гло-бальные, несмотря на отдельные попытки использо­вания протокола РРР (о них часто и говорят как о чисто IP-сетях), к середине 90-х гг, стали строить с использованием технологии Frame Relay. Позже к концу 90 гг., с развитием техно­логии ATM, повсеместно при создании сетей передачи данных, пере-шли на технологию ATM.

Несколько лет назад сети ряда операторов достигли таких размеров, что вопрос их мас­штабирования встал довольно серьезно. Это и стало причиной начала работ по разработке протокола MPLS (компания Lucent и др.). Основной задачей была, прежде всего, разработка процедур автоматизации установления соединений в сети ATM в соответствии с маршрута­ми IP-трафика. При большом числе узлов это облегчает управление и повышает масштаби­руемость сети. Таким образом, протокол MPLS (называемый протоколом MPLS/ATM) можно использовать в сетях ATM для передачи данных IР и других протоколов сетевого уровня.

Другой путь (компания Cisco) - обеспечить хорошую передачу трафика IР по сетям, где в качестве протоколов второго уровня используется протокол РРР. Поскольку протокол РРР сам по себе не имеет никаких средств контроля качества, это потребовало больших усилий. В частности, протокол MPLS/PPP должен решать функции установления и контроля каче­ства соединений и т.д..
Во-первых, требуется стандартизация уже существующих реализаций протоколов MPLS/ATM, MPLS/FR и MPLS/PPP.
Во - вторых, начаты работы над спецификациями MPLS/Ethernet.
В-третьих, требуется стандартизация методов взаимодействия всех методов инкапсуляции меток MPLS. Рассматривая перспективы применения протокола MPLS в современных сетях, необхо­димо отметить, что протокол MPLS/ATM можно успешно применять уже сегодня, при этом оптимизируются возможности для передачи IP-трафика. Одновременно обеспечивается ка­чественная передача других видов информационных потоков - голоса, видео с использова­нием стандартных функций технологии ATM.

В на­стоящее время стек протоколов TCP/IP является самым популярным и наиболее распро­страненным средством организации составных сетей. Поэтому в дальнейшем функции сете­вого уровня эталонной модели ВОС будут рассматриваться на примере этого стека.

В стеке протоколов TCP/IP определены четыре уровня(рис. 9.4.1). Каждый из них не­сет па себе нагрузку по решению основной задачи - организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе разных сетевых технологий.

Таблица 3.6 Многоуровневая архитектура стека TCP/IP

Уровень межсетевого взаимодействия является основой всей архитектуры стека протоколов TCP/IP, который реализует пе­редачу пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным спо­собом. Передача пакетов идет по маршру­ту, который в данный момент наиболее ра­циональный.

Основным для сетевого уровня в модели ВОС OSI в стеке TCP/IP является протокол IP, который хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Являясь дейтаграммным, протокол, не гарантирует доставку пакетов до узла назначе­ния в сети, но предусматривает механизмы повышения надежности их доставки.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP(Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщает о невозмож­ности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки паке­та из фрагментов, об аномальных значениях параметров, об изменении маршрута пересыл­ки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Поскольку в стеке TCP/IP на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то не гарантируется и их доставка но назначению, включая и порядок их доставки. Задачу обеспечения надежной информационной связи между двумя конечными узлами сети решает основной уровень стека TCP/IP. называемый также транспортным.

На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами, благодаря образованию логических соединений. Он позволяет объектам одинакового ранга в сети (компьютерам отправителю и получателю) поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. Протокол TCP позволяет без ошибок передать и доставить сформированный на одном из компьютеров поток пакетов в любой другой компьютер, входящий в составную сеть, разделить поток пакетов на части - сегменты и передать их нижнему уровню. После того, как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток данных - переданное сообщение.

Протокол UDP передает прикладные пакеты дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами.

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек протоколов TCP/IP вобрал в себя большое число протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от прото­колов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня «занимаются» деталями кон­кретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуа­тацию, сетевым службам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP, сравнительно новых служб та­ких, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP .

Принципиальным отличием архитектуры стека протоколов TCP/IP от многоуровневой архитектуры для других стеков является интерпретация функций самою нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию различных сетевых технологий или других сетей в составную или единую. При этом задача интеграции определена так: сеть TCP/IP должна предусматривать включение в себя средств любой другой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть не ис­пользовала. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить однозначно. Для каждой сетевой технологии, включаемой в составную сеть подсети, должны быть разработаны соб­ственные интерфейсные средства, к которым относятся протоколы инкапсуляции IP-пакетов уровня межсетевого взаимодействия в кадры локальных и базовых сетевых техно­логий транспортных сетей, таких как Ethernet, ATM, SDHи др.

Уровень сетевых интерфейсов в протоколах стека TCP/IP не регламентируется. Однако он поддерживает все наиболее распространенные стандарты физического и канального уровней. Для ЛВС - это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, lOOVG-AnyLAN. Для глобальных сетей - это протоколы соединений типа «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы глобальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, Frame Relay, и транспортных сетей -ATM, SDH. Для последнего случая разработаны спецификации, определяющие использование технологии ATM и SDH в качестве транспорта канального уровня.

Обычно при появлении новая технология локальных или глобальных сетей быстро включается в стек TCP/IP благодаря разработке спецификации, определяющей метод инкап­суляции IP-пакетов в кадры сетевой технологии.

Соответствие уровней стека протоколов TCP/IP семиуровневой модели BOC/OSI. Так как стек протоколов TCP/IP был разработан до появления модели BOC/OSI, то, несмот­ря на его многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели BOC/OSI достаточно условно (табл.3.7). Подобно архитектуре модели BOC/OSI в много­уровневой архитектуре стека TCP/IP можно выделить уровни, функции которых зависят от конкретной технической реализации сети, и уровни, функции которых ориентированы на работу с приложениями.

Таблица 3.7 Соответствие уровней стека протоколов TCP/IP эталонной модели BOC/OSI.

Протоколы прикладного уровня стека протоколов TCP/IP работают на компьютерах и сетевых узлах, выполняющих приложения пользователей. Даже полная замена сетевого оборудования в общем случае не должна влиять на работу приложений, если они получают доступ к сетевым возможностям через протоколы прикладного уровня.

Протоколы транспортного уровня в большей степени зависят от сети, так как они реа­лизуют интерфейсы к уровням стека протоколов TCP/IP. непосредственно организующим передачу данных по сети. Однако, подобно протоколам прикладного уровня, программные модули, реализующие протоколы транспортного уровня, устанавливают только на конеч­ных узлах сети. Протоколы двух нижних уровней полностью определяются аппаратной реализацией сети, т.е. являются сетезависимыми, поэтому программные модули протоколов уровней межсетевого взаимодействия и сетевых интерфейсов устанавливаются как на конеч­ных узлах составной сети, так и на маршрутизатора и коммутаторах сети.

Каждый коммуникационный протокол в рамках эталонной модели BOC/0SI оперирует с определенными единицами объема передаваемых данных. Для стека протоколов TCP/IP существует устоявшаяся терминология. Потоком называют данные, поступающие от приложений на вход протоколов транспортного уровня TCP и UDP. Протокол TCP нарезает из потока данных сегменты. Единицу данных протокола UDP часто называют дейтаграм­мой. Дейтаграмма это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоко­лы без установления соединений. К таким протоколам относится и протокол межсетевого взаимодействия IP. Дейтаграмму протокола IP называют также пакетом. В стеке протоко­лов TCP/IP принято называть кадрами (фреймами) единицы данных протоколов, на основе которых IP-пакеты переносятся через подсети составной сети. Таким образом, составная сеть - это объединение или совокупность нескольких сетей, называемых подсетями, которые соединяются между собой маршрутиза­торами. Организацию совместной транспортной службы в составной сети называют меж­сетевым взаимодействием. На сетевом уровне передаются пакеты между конечными узла­ми в составных сетях, выбирается маршрут, согласуются локальные и глобальные сетевые технологии отдельных подсетей и сетей. При этом маршрут определяется как путь, который должен пройти пакет от узла - отправителя до узла - получателя конечного пункта назначе­ния по последовательности маршрутизаторов. Выбор маршрута из нескольких возможных осуществляют маршрутизаторы и конечные узлы на основе таблиц маршрутизации, в которые записи заносятся автоматически с помощью протоколов маршрутизации. Протоколы маршрутизации следует отличать от сетевых протоколов. Первые собирают и передают по сети чисто служебную информацию о возможных маршрутах, а вторые толь­ко пользовательские данные. Сетевые протоколы и протоколы маршрутизации реализуются в виде программных модулей находящихся на конечных узлах у пользователей сети (компью­терах), а на промежуточных узлах сети - в маршрутизаторах. Функции маршрутизаторов мо­гут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры.