Проектирование сети передачи данных общего пользования для развития местных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

коммутация сеть протокол

Мировая связь как динамично развивающаяся инфраструктура, удовлетворяющая все возрастающие требования, предъявляемые современным обществом к средствам связи, сетям связи и качеству связи, обязана подстраиваться и идти на один шаг впереди, создавая новые технологии и совершенствуя старые, если это возможно с экономической точки зрения, чтобы уменьшить капитальные вложения и направить их на дальнейшее развитие и модернизацию существующих сетей и средств связи.

Безусловно, потребности людей значительно рознятся: если одному достаточно простого телефонного разговора с использованием обычной аналоговой линии, то другому необходимо иметь возможность, например, одновременно работать в Интернете и разговаривать по телефону или принимать участие в видеоконференции. В таких условиях телекоммуникационные компании вынуждены оперативно реагировать на запросы потребителей, чтобы не потерять свою долю рынка из-за действий наиболее активных конкурентов. В этой конкурентной борьбе задействуются как ценовые, так и неценовые методы конкуренции, последние из которых могут реализовываться при расширении спектра предоставляемых услуг новыми востребованными услугами.

Связь, как часть инфраструктуры общества, которая определяет жизнедеятельность страны, является одним из источников подъема экономики государства. Телекоммуникационная сеть создает единое информационное пространство и является важнейшим инструментом в управлении.

При быстром развитии телекоммуникационных инфраструктур и услуг, связанных с передачей данных, городские транспортные сети (Metropolitan Area Transmission Network -- MATN) приобретают особое значение для операторов связи, поскольку являются важнейшим средством в конкурентной борьбе за конечного пользователя и за новые возможности развития бизнеса. При планировании таких сетей нужен детальный анализ требований к услугам, возможностей оборудования и различных сетевых архитектур.

Конъюнктура рынка и технический прогресс меняют всю индустрию связи. Роль традиционной телефонной сети постепенно пересматривается. Основными средствами передачи данных как для групп пользователей, так и для отдельных абонентов становятся средства ISDN, ADSL, модемные коммутируемые соединения и выделенные линии.

Традиционные сети передачи данных имеют ряд серьезных недостатков, ограничивающих возможности их использования для построения широкополосных мультисервисных инфраструктур. Эти новые инфраструктуры должны отвечать ряду важных требований: обеспечивать непосредственный доступ к широкополосным услугам; быть унифицированными, что облегчит их построение и эксплуатацию; обеспечивать оперативное расширение полосы пропускания для услуг типа “видео по заказу”; динамически устанавливать соединения для передачи быстро меняющегося трафика данных.

Стремительное развитие сетевых технологий позволяет сейчас строить городские сети, одинаково хорошо подходящие для предоставления как традиционных услуг, так и услуг передачи данных. Известное правило доходов “80/20” гласит, что 80% совокупного дохода приносят 20% от общего числа пользователей, как правило, из корпоративного сектора.

Поэтому первым шагом для оператора является определение круга ключевых пользователей и предложение реально необходимых им решений.

Маршрутизатор серии Cisco 7600, выбранный для уровня ядра, реализует надежные и высокопроизводительные функции IP/MPLS и предназначен для использования в качестве граничного маршрутизатора в сетях провайдеров услуг, а также в сетях MAN/WAN крупных предприятий. Поддерживая различные интерфейсы и технологию адаптивной обработки сетевого трафика, маршрутизаторы серии Cisco 7600 предлагают интегрированные услуги Ethernet, частных линий и агрегации абонентских подключений.Не менее важным является оборудование агрегации и терминирования пользовательских сервисов, были использованы маршрутизаторы Cisco серии 7200 с супервизором NPE-G2 и маршрутизаторы Cisco ASR 1000. Это новейший модуль маршрутизации для шасси Cisco, отличающийся самой высокой в отрасли эксплуатационной надежностью и удобством управления. Он имеет вдвое большую производительность (2 000 000 PPS) при работе в мультисервисной среде. Реальная нагруженная WAN-производительность маршрутизатора Cisco 7200 с NPE-G2 близка к 200 мбит/с. Объектом исследования является транспортная сеть Чуйской области.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

1.1 Принципы коммутации пакетов

Прогресс вычислительной техники породил новый вид электросвязи - передачу данных. В начале развития передачи данных (конец 60-х годов прошлого столетия) и примерно в течение 25 лет объем трафика данных составляет не более одного - двух процентов трафика телефонных сетей. Однако в середине 90-х годов ситуация начала изменяться, мировой трафик данных стал расти достаточно быстро, и в последние годы объём трафика данных удваивается каждые два года.

Говоря о росте трафика данных, мы подразумеваем всю совокупность трафика, первоначально обслуживавшегося специализированными сетями передачи данных, которые называются более строго в образовательном стандарте сетями документальной электросвязи (СДЭ), а в переводной литературе - компьютерными сетями. Не вдаваясь в детали, все три приведенных термина мы будем считать синонимами.

Широкое разнообразие услуг передачи данных в сетях документальной электросвязи, требует применения принципиально другого механизма доставки информации, в отличие от принятого в телефонных сетях метода коммутации каналов.

Этот механизм должен быть адаптирован не только к разнообразию типов данных и услуг, но и к пачечной структуре трафика, что является характерной чертой СДЭ.

Названные фундаментальные различия определили два принципиально разных вида сетей:

• сети с коммутацией каналов, по которым передаются непрерывные потоки информации с постоянной скоростью, как правило, равной 64 кбит/с.

• сети с коммутацией пакетов с пачечной структурой трафика, передаваемые в широком диапазоне скоростей, начиная от сотен бит/с вплоть до десятков Мбит/с.

Основным свойством таких сетей является использование принципа коммутации каналов, в основе которого лежит закрепление канальных ресурсов за обобщающимися терминалами на все время сеанса связи, независимо от его длительности. Такое закрепление ресурсов может приводить при определенных условиях к перегрузкам и, как следствие, к отказам или к ощутимым задержкам в обслуживании. К счастью для абонентов, фиксированные телефонные сети проектируются так, что практически никогда не используется их пропускная способность, рассчитанная на периоды наибольшей нагрузки. Но, с другой стороны, такие сети не эффективны при передаче данных. Альтернативный подход к построению сети базируется на принципе коммутации пакетов. Техника коммутации пакетов, развитая в 70-х годах прошлого столетия, основана на разделении полезной нагрузки (сообщений, подлежащих передаче) на множество пакетов или ячеек. Перед передачей к пункту назначения каждый пакет дополняется заголовком (служебная часть содержимого пакета). В заголовке пакета указываются его порядковый номер и адрес пункта назначения, а также другая сигнальная информация. Хотя заголовок не переносит полезную нагрузку рассматривается при передаче данных как разновидность накладных расходов, но без служебной информации пакет не может передаваться по сети. Последовательность пакетов, принадлежащих одному сообщению, определяется как логический канал.

Базируясь на понятии логических каналов, можно говорить о том, что коммутация пакетов делает возможной организацию определенного количества логических каналов в одной линии передачи. Если N пакетов, соответствующих разным пунктам назначения, передаются по одной линии, это означает, что в такой линии существует одновременно N логических каналов. При достижении очередного узла сети пакеты вначале накапливаются, а затем поступают в коммутатор пакетов.

Коммутатор считывает адрес пункта назначения из заголовка пакета и направляет пакет к следующему узлу в соответствии с выбранным маршрутом и правилами Сеть, в которой пакеты одного логического канала на пути к пункту назначения проходят через разные пути, называется сетью, ориентированной на соединения. В такой сети реализуется маршрутизация, известная как маршрутизация датаграмм, и соответствующий режим транспортировки пакетов получил название датаграммного режима. В сетях такого типа возможны потери пакетов в процессе транспортировки по ряду причин (например, из-за перегрузки коммутаторов или из-за ошибок маршрутизации). В этом случае в пункте назначения имеется возможность послать запрос повторить передачу потерянных пакетов. Альтернативный подход к построению сетей с коммутацией пакетов состоит в выделении одного и того же пути для последовательности пакетов, связанной с одним и тем же логическим каналом. Тогда пакеты достигают пункта назначения в правильном порядке, в соответствии с их номерами. Такие сети называются сетями, ориентированными на соединения; в сети реализуется путь-ориентированная маршрутизация, а путь передачи пакетов одного сообщения называется виртуальным каналом. Важно отметить, что метод виртуальных каналов не должен рассматриваться как полный аналог коммутации каналов, поскольку путь для последовательности пакетов формируется на базе выделения памяти в узлах коммутации, а не за счет резервирования всех ресурсов между источником и получателем.

Достоинством сетей, ориентированных на соединения, является возможность управления потоком пакетов, что обеспечивает более высокие показатели качества обслуживания. Среди недостатков путь-ориентированной маршрутизации необходимо отметить менее полное, по сравнению с маршрутизацией датаграмм, использование сетевого ресурса.

Сети с коммутацией пакетов могут быть использованы для передачи данных и речи в сетях всех типов, начиная с локальных сетей (Local Area Network, LAN) и кончая крупномасштабными городскими (Metropolitan Area Network, MAN) и территориально распределенными сетями (Wide Area Network, WAN).

Для реализации процессов транспортировки в таких сетях должны быть определены специальные протоколы, в которых описываются правила инициирования вызовов, установления логических соединений и обмена данными между элементами сетей.

Известны четыре наиболее широко используемых протокола для передачи информации в сетях с коммутацией пакетов - протокол X.25, протокол Frame Relay, протокол АТМ и протокол IP. Эти протоколы будут описаны в следующих подпунктах.

1.2 Модель взаимосвязи открытых систем

Прежде чем перейти к характеристике протоколов, на базе которых построены сети передачи данных, рассмотрим модель взаимосвязи открытых систем, содержащую набор стандартных уровней, определяющих процессы транспортировки и обработки информации в современных телекоммуникационных сетях. В начале 80-х годов прошлого столетия Международная организация по стандартизации ISO (International Standardization Organization) в сотрудничестве с ITU начала разработку нового стандартов области технологий для компьютерных сетей, получившего в русском языке название Взаимосвязи Открытых Систем (ВОС), а в английском языке - Open Systems Interconnection (OSI).

В основе стандарта OSI, в результате разработки которого была создана эталонная модель OSI, лежала идея построения общей модели расположенных на разных уровнях протоколов, которые соответствуют основным процессам в компьютерных сетях и определяют взаимодействие между этими уровнями в различных системах. Стандарт

OSI был принят в 1982 году и, по существу, принятие такого стандарта означало создание сетевых стандартов для обеспечения совместимости оборудования разных производителей. Следует отметить, что после принятия стандарта OSI все работы по стандартизации протоколов взял на себя ITU. Эталонная модель OSI определяет процессы в компьютерных сетях через стандартный набор уровней, число которых в документах ISO было выбранным равным семи. Семь уровней модели OSI представлены на рис.1.2. Они формируют модель, в соответствии с которой разные сетевые функции могут быть реализованы в иерархической форме и в нужной последовательности.

На верхнем уровне модели расположен уровень приложений. Этот уровень является первым между оборудованием пользователя (например, компьютером) и оборудованием сети, поскольку этот уровень оперирует с содержанием информации, которая должна быть передана от пункта отправления к пункту назначения.

Нижний, физический уровень, где данные генерируются в электрической или оптической форме, наиболее удален от пользователя. Каждый уровень реализует свой набор функций с тем, чтобы представить данные на следующий уровень. При передаче терминал реализует процессы сверху вниз, начиная от уровня приложений (формирование содержания сообщения, например, подготовка электронной почты) и заканчивая генерацией «единиц» и «нулей». Приемный терминал реализует процессы снизу вверх, начиная с детектирования «единиц» и «нулей», заканчивая выводом информации на уровне приложений (вывод на экран компьютера, вывод на печать и так далее).

Физический уровень (уровень 1) преобразует электрические (оптические) сигналы в стандартную форму с определенными значениями напряжения, частот и длин волн. Для обмена информацией на уровне 1 имеется ряд стандартов ITU-Т, используемых для передачи речи и данных: E1, T1, SDH, а также относительно новые протоколы, такие, как xDSL и WDM.

Уровень звена данных (уровень 2) поддерживает управление потоками данных, обнаружение и исправление ошибок и мультиплексирование логических каналов. На втором уровне пакеты преобразуются в кадры, размер которых существенно меньше размера пакетов.

В то время как пакеты содержат адрес пункта назначения, кадр на уровне 2 включает в свой состав маршрутный адрес соседнего коммутатора, к которому должен быть послан этот кадр.

Кадры фланкируются на обоих концах флагами, используемыми как разделители кадров. Структура байтов флагов выбирается таким образом, чтобы она не повторялась в оставшейся части кадра. На уровне 2 используются, в частности, такие протоколы, как Frame Relay, Ethernet, маркерные протоколы (Token bus, Token ring) и протокол АТМ (Asynchronous Mode).

Сетевой уровень (уровень 3) связан с функциями маршрутизации (выбор наиболее быстрого пути) и борьба с перегрузками (минимизация задержек в очередях коммутаторов).

Маршрутизация может быть статической и динамической. Статическая маршрутизация базируется на принципе минимального числа узлов на маршруте (минимальное число скачков), в то время как динамическая маршрутизация выбирает наилучший путь в соответствии с реальными данными о нагрузке в сети. Этот принцип может быть реализован путем анализа маршрутных таблиц, которыми коммутаторы обмениваются друг с другом. Такие таблицы обеспечивают узлы информацией о нагрузке на каждом коммутационном узле, доступности портов коммутатора и возможных перегрузках. Примерами протоколов для уровня 3 являются протоколы Х.25 и IP. Следующие четыре уровня реализуют функции взаимодействия сетей.

Транспортный уровень (уровень 4) обеспечивает коррекцию ошибок и управление потоками, в целом отвечая за качество передачи. Уровень 4 поддерживает также возможности выбора между разными сетевыми конфигурациями (WAN, LAN, ТфОП…), используя сетевую адресацию. Транспортный уровень принимает от уровня 5 запросы обслуживания нескольких одновременных сессий или поддерживает одиночную сессию, обрабатываемую одновременно сетями разных типов.

Уровень сеанса (уровень 5) управляет открытием, поддержкой и закрытием сессий. Понятие сессии наиболее хорошо знакомо пользователю персональных компьютеров, поскольку оно связано со всем тем, что может произойти между вызовом и закрытием определенной программы. Примером сессии является подключение к сети Интернет, во время которого могут быть удовлетворены запросы всех видов (Web-поиск, загрузка файлов, отправка почтовой корреспонденции).

Уровень представления (уровень 6) определяет формат кода, который используется для кодировки информации, поступающей с уровня 7 (режим передачи), или для детектирования информации, поступающей с уровня 5 (режим приема). Наиболее популярным кодом на уровне 6 является код ASCII (American Standard Code for Information Exchange). На этом же уровне может быть реализована процедура защиты данных. Кроме того, возможна реализация алгоритмов сжатия информации, что особенно важно при передаче изображений и видео информации. Наиболее популярными для этой цели являются, соответственно, стандарты JPPEG (Joint Photographic Expert Group) и MPEG (Moving Pictures Expert Group).

Уровень приложений (уровень 7) оперирует со смысловым содержанием данных, передаваемых или получаемых компьютерным терминалом. Примерами таких «смысловых» приложений являются подключение к Web-сайтам и электронная почта. Использование протокола пересылки гипертекстовых файлов HTTP (Hypertext File Transfer Protocol) и простого протокола пересылки почты SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) обеспечивает возможность передачи сообщений через мировую компьютерную сеть, независимо от того, как сконфигурирован компьютер к каким интерфейсам он подключен. Другие широко используемые приложения уровня 7 включают в свой состав корпоративные сети Интранет, удаленный доступ к базам данных (например, по протоколу Х.500 /ITU-T), а также управление сетями, необходимое для системных администраторов.

1.3 Характеристика протоколов СПД

1.3.1 Сети на базе протокола X.25

Рассматриваемые сетевые технологии на базе виртуальных каналов, являются, в той или иной степени, компромиссом между сетями с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов.

Сети с коммутацией пакетов (КП) на базе протокола X.25 были разработаны в середине

- конце 1970 годов с целью обеспечить передачу данных между двумя удаленными пунктами через аналоговую передающую среду. Основной сферой их использования была связь между терминалами и рабочими компьютерами (хостами). Протокол X.25, разработанный в ITU-T, обеспечивает передачу пакетов через сеть, являясь протоколом третьего (сетевого) уровня модели BOC. Фрагмент сети X.25, включающий в себя различные сетевые элементы сети КП, представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Фрагмент сети X.25

В сети на базе протокола Х.25 устанавливаются виртуальные соединения между оконечным оборудованием данных (ООД) разных пользователей, то есть технология Х.25 является технологией, ориентированной на соединения.

Режим виртуальных соединений характеризуется тем, что между терминалами абонентов сети не создается физическое соединение, а организуется виртуальный канал путем резервирования памяти во всех узлах сети, расположенных на пути от одного терминала к другому. При этом виртуальные каналы могут быть коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC), аналогично выделенным или арендованным каналам.

В протоколе X.25 задача сохранения целостности сообщений возлагалась на сеть, что что достигалось путем применения помехоустойчивых кодов, запросов и повторений пакетов между узлами сети.

Соединение между ООД и аппаратурой канала данных (АКД), выполняющей функции шлюза сети КП, обеспечивают три нижних уровня модели ВОС, а именно, уровни: физический (1), звена данных (2) и сетевой (3).

Протокол, определяющий процедуру доступа на уровнях (1) и (2), называется процедурой доступа к звену (link access procedure, LAP). На уровне звена данных обмен между ООД и АКД происходит на основе протокола HDLC (High-level Data Link Protocol) с помощью протокольных блоков, называемых кадрами.

Длина кадров может варьироваться, однако рекомендованная длина выбирается в пределах 128 - 256 байтов. Отметим, что функции ООД реализуются в терминале абонента, а функции АКД обычно выполняются модемом. На рис. 1.4 показана структура кадра одного из типов - информационного, предназначенного для транспортировки полезной нагрузки. В состав информационного кадра входят служебные поля и поле полезной нагрузки. Служебные поля располагаются в начале и в конце кадра. Отношение длин служебных полей, к общей длине кадра определяет в процентах избыточность протокольного блока.

Рис. 1.4. Формат информационного кадра в протоколе Х.25

Каждый кадр определятся от другого кадра с помощью флага. Затем идет двухбайтовый заголовок, содержащий байт адреса и байт управления. Адресный байт определяет, является ли кадр командой (между ООД и АКД) или откликом.

Эта информация позволяет интерпретировать байт управления. Имеются три типа байтов управления: информационные (только команды) - для кадров, переносящих полезную информацию; супервизорные (только команды), содержащие инструкции управления звеном данных; ненумерованные (команды/отклики), используемые для дополнительных функций управления. Проверочная последовательность (2 байта) формируется в соответствии с правилами кодирования циклических кодов.

Поле полезной нагрузки имеется только в информационных кадрах. В этом поле располагаются данные, поступающие с третьего сетевого уровня.

Задача сетевого уровня состоит в передаче протокольных блоков, получивших название пакетов. Рекомендация Х.25 определяет более 20 типов пакетов, выполняющих как служебные функции, так и функции переноса полезной информации. Из общего числа возможных форматов пакетов только три используются для переноса полезной нагрузки. На рис. 1.5 приведен пример пакета для транспортировки данных.

При установлении в сети ПД виртуального соединения или постоянного виртуального канала на стыке ООД - АКД создается логический канал, которому присваивается групповой номер (ГНЛК), меньший или равный 15, и номер самого канала (НЛК), меньший или равный 225. Таким образом, теоретически в одном физическом канале можно организовать до 4095 логических каналов.

Номера ГНЛК и НЛК присваиваются виртуальному соединению в фазе его установления и сохраняются за ним в течение фаз обмена данными и завершения обмена.

Номера ГНЛК и НЛК служат идентификаторами логического канала. Поле данных (полезной нагрузки) пакета содержит информационные данные, максимальный объем которых не превышает 1 кбайт.

Оборудование ООД представляет собой устройство, работающее в пакетном режиме, то есть на выходе ООД формируются пакеты для передачи и поступают пакеты в режиме приема.

Вместе с тем, имеется возможность подключения низкоскоростных не пакетных устройств для асинхронного соединения с сетью Х.25. В этом случае необходимо использовать концентратор, называемы сборщиком/разборщиком пакетов, СРП (Packet Assembler/Disassembler, PAD). Как следует из названия, СРП подготавливает и распаковывает кадры Х.25 от/к асинхронным терминалам (смотри рис. 1.3).

Протокол Х.28 определяет процедуры обмена между асинхронными терминалами и устройством СРП. Протокол, обеспечивающий взаимодействие СРП и удаленного ООД, известен как протокол Х.29.

Коммутатор одной сети Х.25 может быть соединен с коммутатором другой сети Х.25 через интерфейс Х.75. Одним из главных достоинств протокола Х.25 является возможность подключения относительно большого числа терминалов к коммутатору путем разделения сетевых ресурсов на скоростях до десятков кбит/с. Количество подключаемых терминалов определяется производительностью коммутатора или СРП. При этом могут использоваться линии невысокого качества, поскольку протокол предполагает коррекцию ошибок.

Основным недостатком протокола Х.25 является его относительно невысокое быстродействие. Во-первых, реализация протокола Х.25 связана с необходимостью передачи большого числа команд, откликов, запросов и подтверждений, то есть велик объем «накладных расходов», не связанных с передачей полезной информации.

Во-вторых, пачечная природа трафика, характерная для компьютерных сетей, может приводит к перегрузкам и, как следствие, к росту сетевых задержек.

Наконец, в телефонных сетях, для которых и был разработан протокол Х.25, имеет место высокая (для передачи данных) вероятность ошибки (10^-3 - 10^-4), что ведет к потере пакетов и необходимости их повторной передачи. Решение перечисленных выше проблем обеспечивается технологией Frame Relay, представляющей собой упрощенную версию протокола Х.25.

1.3.2 Сети на базе протокола Frame Relay

Протокол Х.25 разрабатывался в конце 70-х годов и был рассчитан для применения в аналоговых телефонных каналах, то есть в каналах весьма невысокого качества, что определило высокую избыточность этого протокола.

В конце 1980-х годов появились сети с цифровыми каналами и цифровыми узлами коммутации. Передача стала более надежной, сочетая более высокую скорость с меньшей частотой появления ошибок.

Протокол Frame Relay (коммутация/ретрансляция кадров), который был стандартизирован в начале 90-х годов ХХ века, разрабатывался уже во время широкого использования цифровых каналов со значительно меньшей вероятностью ошибки в канале (порядка 10^-6).

Технология Frame Relay явилась первой технологией, получившей широкое распространение в компьютерных сетях благодаря тому, что в этой технологии использовались преимущества более надежной цифровой передачи.

Как и технология Х.25, протокол Frame Relay также ориентирован на установление соединений. Протокол Frame Relay реализуется не на трех уровнях эталонной модели ВОС, а только на первых двух уровнях. В качестве протокольных блоков в технологии Frame Relay используются кадры, в которых длина поля полезной нагрузки увеличена до 4096 байтов по сравнению с 256 байтами кадров в протоколе Х.25.

В сетях Frame Relay задача обеспечения целостности данных была возложена не на сеть (как в случае Х.25), а на аппаратуру, установленную в помещении пользователя. При обнаружении кадра, содержащего ошибки, этот кадр отбрасывался в приемном оконечном устройстве.

Технология Frame Relay позволяет построить более высокоскоростные сети передачи данных (от 56 кбит/с до 34 кбит/с). В сетях Frame Relay предлагается дополнительная услуга гарантированной минимальной битовой скорости (в отличие от сети Х.25), определяемой как гарантированная скорость передачи (Committed Information Rate, CIR).

При отсутствии перегрузки для пользователя может быть доступной повышенная скорость передачи информации (Excess Information Rate, CIR).

В целом, с учетом функций оконечных устройств, протокол Frame Relay позволяет удовлетворить требованиям пользователей к времени доставки и к достоверности информации при достаточно высокой скорости передачи.

Эти свойства отличают протокол Frame Relay от протокола Х.25, разработанного для сетей общего пользования, что и обеспечило широкое применение протокола Frame Relay при организации высокоэффективных частных сетей передачи данных с высокой пропускной способностью.

1.3.3 Сети АТМ

Технология АТМ является результатом эволюции всех рассмотренных выше технологий (коммутации каналов, протоколов Х.25, Frame Relay). Технология АТМ позволяет передавать речь, видеоинформацию и данные и поддерживает механизмы обеспечения гарантированного

QoS для приложений с высоким приоритетом, обеспечивая обслуживание видео и речевого трафика и передачу больших массивов данных в реальном времени. Как и протокол Frame Relay, АТМ является протоколом уровня 2. Но в отличие от Frame Relay в АТМ передача данных происходит ячейками фиксированной длины, а не кадрами переменной длины.

Технология АТМ была разработана как основная технология для широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (сетей B-ISDN), стандартизированных ITU в конце 80-х годов прошлого столетия.

В русскоязычной литературе технологию АТМ иногда переводят как Асинхронный режим доставки. Под асинхронным режимом подразумевается способ выделения ресурсов в сети АТМ, отличный от используемого в сетях на базе синхронного мультиплексирования с временным разделением (TDM), где полоса пропускания распределяется при планировании или конфигурировании сети. В технологии АТМ используется принцип статического мультиплексирования (как в протоколах Х.25 и Frame Relay).

Протокол АТМ является протоколом, ориентированным на соединения. В сетях АТМ существуют два основных типа виртуальных соединений:

• Постоянное виртуальное соединение (Permanent Virtual Connection, PVC); PVC устанавливается вручную администратором сети и сохраняется до его удаления тем же лицом (или лицо, его замещающим).

• Коммутируемое виртуальное соединение (Switched Virtual Connection, SVC); SVC динамически создается, когда конечный пункт запрашивает создание соединения с определенным адресатом, и этот канал разрушается после завершения связи.

Структура ячейки АТМ. Определим ячейку АТМ как пакет фиксированной определенной длины, в противоположность пакетам и кадрам Х.25 и Frame Relay, имеющим переменную длину. Ячейка АТМ состоит из заголовка и поля полезной нагрузки.

Стандартная структура ячейки представлена на рис. 1.6. В соответствии со стандартами АТМ, принятыми ITU, длина ячейки составляет 53 байта. Заголовок и поле полезной нагрузки ячейки составляют, соответственно, 5 байтов и 48 байтов. Кроме того, в поле полезной нагрузки также может быть небольшой заголовок длиной от одного до двух байтов. В терминах АТМ разделение пользовательских данных на блоки носит название сегментации; добавление заголовка к тому или иному блоку полезной нагрузки определено как процесс инкапсуляции.

Определим функции полей, расположенных в заголовке в следующем порядке:

* Общее управление потоком (General Flow Control, GFC), длина 4 бита;

этот идентификатор функционирует только в интерфейсе пользователь-сеть.

Основная функция этого поля состоит в регулировании трафика на уровне мультиплексирования, где ячейки, приходящие от разного терминального оборудования, объединяются в единый поток данных.

• Идентификатор виртуального пути (маршрутка) (Virtual Path Identifier, VPI),

длина 8 битов; виртуальный путь, ВП, (Virtual Path, VP) представляют собой мультиплексированную группу виртуальных каналов (Virtual Channel, VC). Адресная часть идентификатора VP может быть расширена до 12 битов за счет поля GFC. Это расширение позволяет сформировать до 212_1=4095 идентификаторов виртуальных путей.

• Идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), длина 16 битов; виртуальный путь соответствует пользовательскому адресу назначения, к которому должна быть направлена ячейка.

• Идентификатор типа данных (Payload Type Identifier, PTI), длина 3 бита; это поле выполняет несколько функций. Имеются 8 возможных значений (от 000 до 111) для кодирования различной специфической информации. Например, значения от 000 до 001 указывают отсутствие или наличие перегрузки в сети от источника к получателю (или в обратном направлении); значения 100 и 101 показывают, генерируется ли ячейка, соответственно, конечным пользователем или сетевым сегментом и так далее. Следующий по порядку бит резервируется (поле RES).

• Приоритет при потере ячейки (Cell Loss Priority,CLP), длина 1 бит; значение бита CLP указывает на то, должна ли быть отброшена данная ячейка (CLP=1) или ячейка должна быть сохранена (CLP=0) в случае перегрузки коммутатора или сети.

• Контроль ошибок заголовка (Header Error Control, HEC), длина 8 битов; это поле выполняет функцию коррекции ошибок с использованием избыточного циклического кода, обеспечивающего исправление одиночных ошибок в заголовке и обнаружение многократных ошибок. При обнаружении многократных ошибок ячейка отбрасывается.

Эталонная модель протоколов АТМ. Протокол АТМ действует на двух первых уровнях модели ВОС - на физическом (уровень 1) и на уровне звена данных (уровень

2). Эталонная модель протоколов АТМ требует более детального описания процессов в связи с разделением функций на уровне звена. Модель включает в себя следующие четыре уровня:

• Служба верхнего уровня (выше уровня 2) определяет информацию, которая должна быть передана через сеть АТМ. Эта информация может быть связана с типом источника/получателя (речь, данные, видео), видом управления (установление или разрушение соединений ВК) и видом сетевого менеджмента (мониторинг, конфигурирование сетевых элементов и сигнализация).

• Уровень адаптации АТМ (уровень 2) содержит два подуровня:

• подуровень сегментации и повторной сборки (Segmentation And Reassembly, SAR); этот подуровень отвечает за генерацию (при передаче) 48-байтовых сегментов (без заголовков) из входных данных, поступающих с верхнего уровня, а также за обратный процесс (восстановление исходных данных при приеме полезной части ячеек после удаления заголовков);

• подуровень конвергенции (Convergence Sublayer, CS); этот подуровень различает четыре класса обслуживания, соответственно, от класса А до класса Д; более детальная характеристика классов дана ниже.

Уровень АТМ (уровень 2) поддерживает следующие 5 функций:

• статистическое мультиплексирование ячеек на передаче и демультиплексирование ячеек на приеме;

• формирование заголовков ячеек и инкапсуляцию;

• управление транспортом ячеек (коммутация ВП и ВК, назначение идентификаторов ВП и ПК);

• идентификацию типа полезной нагрузки (ячейка пользователя или сетевая ячейка);

• контроль потока ячеек с использованием поля общего управления GFC.

Физический уровень (уровень 1) обеспечивает разделение ячеек, синхронизацию, контроль битовых ошибок (в поле заголовка), модуляцию и детектирование сигналов, скремблирование/дескремблирование, преобладание сигналов для/от оптических линий и транспорт сигналов.

Процесс генерации ячеек, транспортировки их через сеть и приема может быть просто представлен как проход через стек протокольных уровней сначала сверху вниз, а затем снизу вверх. Служба верхнего уровня передает пользовательские данные на уровень AAL; уровень AAL сегментирует эти данные в 48-байтовые сегменты и передает их на уровень АТМ; уровень АТМ формирует заголовок и упаковывает сегменты полезной нагрузки в ячейки АТМ; затем ячейки передаются на физический уровень. После того как ячейки будут переданы через сеть АТМ, на приемном конце реализуется обратный процесс, в результате которого происходит восстановление пользовательских данных в службе верхнего уровня.

Классы обслуживания на уровне AAL. Выше было отмечено, что уровень AAL, расположенный непосредственно над уровнем АТМ, обеспечивает четыре класса обслуживания, определенных как классы А, В, С и D в рекомендациях ITU-T. Эти классы отличаются друг от друга в соответствии со следующими тремя критериями (табл. 1.1):

• требования к синхронизации между источником и получателем;

• скорость передачи;

• режим соединения.

Класс обслуживания определяет процессы сегментации и инкапсуляции полезной нагрузки. Формируемые ячейки названы по имени классов (соответственно, AAL1, AAL2, AAL3/4 и AAL5), имеющих следующие характеристики:

• AAL1: класс обслуживания А предназначен для поддержки транспортировки речи/видео с постоянной скоростью (Constant Bit Rate, CBR). Другое принятое название для класса AAL1 - эмуляция каналов, что соответствует соединению в сети с коммутацией каналов.

• AAL2: класс обслуживания B предназначен для поддержки транспортировки речи/видео с переменной скоростью (Variable Bit Rate, VBR). Примерами видео в этом классе обслуживания могут служить неподвижные изображения и компрессированное видео.

• AAL3/4: класс обслуживания С (ориентированный на соединения) или класс D (не ориентированный на соединения) предназначены для поддержки транспортировки пакетов переменной длины с длиной до 65,5 кбайтов.

• AAL5: класс D предназначен для поддержки транспортировки пакетов переменной длины без установления соединения. В классе D в отличие от формата AAL3/4 нет защиты от нарушения порядка следования ячеек в последовательности и меньше служебной информации, что приводит к большей эффективности этого класса обслуживания. Поэтому класс AAL5 рассматривается как наиболее простой уровень адаптации.

В таблице 1.1 представлены примеры различных приложений в соответствии с классами обслуживания, в том числе, приложения Х.25 и Frame Relay для класса C и IP для класса D.

Таблица 1.1. Классы обслуживания на уровне адаптации АТМ (ITU-T)

Класс	Класс А (AAL-1)	Класс B (AAL-2)	Класс С (AAL -	Класс D (AAL-
обслуживания			3/4, AAL-5)	3/4, AAL-5)
Синхронизация	Требуется	Треубется	Не требуется	Не требуется
Скорость передачи	Постоянная	Переменная	Переменная	Переменная
Режим соединения	Ориентирован на соединения	Ориентирован на соединения	Ориентирован на соединения	не ориентирован на соединения
Примеры приложений	Речь/видео CBR	Речь/видео VBR	Речь/видео VBR, X.25, Frame Relay	IP

CBR - Constant Bit Rate, постоянная скорость передачи;

VBR - Variable Bit Rate, переменная скорость передачи.

Классы обслуживания в сети АТМ и показатели качества обслуживания.

В предыдущем пункте были описаны классы обслуживания на уровне адаптации AAL в соответствии с рекомендациями ITU-T. Эти классы отличаются друг от друга требованиями к синхронизации, скоростями передачи и связностью (ориентированы или не ориентированы на соединения).

Другой подход для определения сетевых услуг АТМ, разработанный Форумом АТМ, основан на концепции использования сети в реальном времени (Real Time, RT) и не в реальном времени (Non-Real Time, NRT).

В табл. 1.2. представлены пять возможных классов обслуживания в соответствии не только с приложениями RT и NRT, но и с набором показателей качества обслуживания (QoS). Приведем более детальное описание этих классов обслуживания:

Класс 1. Постоянная скорость передачи (CBR) в реальном времени: обеспечивает гарантированную пиковую скорость передачи ячеек (Peak Cell Rate, PCR) и устойчивость вариации задержки ячеек (Cell-Delay Variation Tolerance, CDVT); наиболее подходит приложениям, связанным с речью и видео.

Класс 2. Переменная скорость передачи в реальном времени (VBR-RT): как и CBR, обеспечивает PCR и CDVT, но скорость передачи адаптируется в соответствии с требованиями реального времени при гарантированной поддерживаемой скорости передачи ячеек (Sustained Cell Rate, SCR) и максимальном размере пачки ячеек (Maximum Bursts Size, MBS); используется для компрессированных сигналов речи и видео.

Класс 3. Переменная скорость передачи не в реальном времени (VBR-NRT): без ограничений, связанных с задержками; рекомендована для трафика с ярко выраженной пачечной структурой, характерного для локальных сетей и сетей Интернет.

Класс 4. Не специфицированная скорость передачи (Unspecified Bit Rate, UBR): без ограничений по времени, потерям, задержкам и полосе пропускания; рекомендована для электронной почты, передачи файлов и других случаев неприоритетного обслуживания трафика.

Класс 5. Доступная скорость передачи (Available Bit Rate, ABR): так же, ка и класс 4, но с гарантированной минимальной скоростью передачи ячеек (Minimum Cell Rate, MCR); в этом классе предполагается возможность резервирования сетевых ресурсов для обеспечения минимальных потерь ячеек и полосы пропускания; полоса пропускания распределяется по принципу наилучшей попытки (best effort); рекомендована для передачи файлов, электронной почты, круглосуточного мониторинга сети и других случаев не приоритетного обслуживания трафика.

Кроме указанных параметров для характеристики классов обслуживания используется еще ряд параметров, таких как вариация задержки ячеек (Cell Delay Variation, CDV), максимальная и средняя задержка ячеек (Maximum and Mean Cell Transfer Delay, max-CTD, mean-CTD) и вероятность потери ячеек (Cell Loss Ratio, CLR).

Таблица 1.2. Классы обслуживания и дескрипторы QoS (ATM Forum)

Класс	RT/NRT	Дескрипторы	Потери	Задержки	Полоса
обслуживания					пропускания
CBR	RT	PCR, CDVT	Да	Да	Да
VBR-RT	RT	PCR, CDVT,	Да	Да	Да
		SCR, MBS
VBR-NRT	NRT	PCR, CDVT,	Да	Да	Да
		SCR, MBS
UBR	NRT	PCR, CDVT	Нет	Нет	Нет
ABR	NRT	PCR, CDVT, MCR	Да	Нет	Да

1.4 Сети Интернет

Как было отмечено ранее, в сентябре 1969 года в США стартовал проект по созданию сети передачи данных ARPANET.

В сети ARPANET транспортировка данных между компьютерами осуществлялась методами коммутации пакетов, получившим название метода датаграмм.

Процедура транспортировки пакетов между узлами сети ARPANET определялись протоколом IP (Internet Protocol) - протоколом сетевого уровня - и протоколом TCP (Transmission Control Protocol) - протоколом сетевого уровня. Широкое распространение IP-технологий в последние годы определяется рядом ключевых свойств, среди которых мы отметим наиболее существенные.

• Универсальность. Протоколы семейства IP сегодня используются во всех сетевых сегментах, начиная от локальных и кампусных сетей и кончая магистральными сетями. Технология IP используется для передачи данных, речи и видеоинформации. На базе IP-ориентированных протоколов строятся как фиксированные, так и беспроводные сети. Используемый вначале в корпоративных сетях, стек TCP/IP нашел широкое применение в сетях связи общего пользования.

• Масштабируемость. Крупномасштабные сети должны иметь возможность легко развиваться. Масштабируемость сетей на базе IP была одни из основных свойств, заложенных при разработке сети ARPANET, поскольку с самого начала ставилась задача создать протокол, позволяющий объединять большое число сетей. Количественные оценки, характеризующие современные масштабы Интернет, являются предпосылкой созданию глобальной сети.

• Открытость. Сеть Интернет базируется на принципе открытых систем. Это означает, что при выполнении очень небольшого числа правил, определяющих структуру протоколов и интерфейсов, в сети могут взаимодействовать разнотипные аппаратные и программные средства. Правила присоединения сетей с любыми протоколами сетям IP относительно просты и реализуются на базе шлюзов, обеспечивающих согласование протоколов. Развитие мировой сети Интернет в 90-х годах прошлого столетия является прямым результатом прогресса программного обеспечения, микроэлектроники и высокопроизводительных систем связи, и изменений в телекоммуникационном законодательстве и регулировании. Рост масштабов сети Интернет настолько впечатляет, что среди сетевых Операторов, разработчиков оборудования, поставщиков услуг (провайдеров) и даже пользователей постепенно формируется мнение о возможности преобразования сети Интернет в некую универсальную речь, обеспечивающую предоставление услуг всех видов.

Эталонная модель протоколов сети Интернет. Сеть Интернет предоставляет услуги коммутации пакетов без установления соединений, что является фундаментальным свойством этой сети. Как было отмечено выше, Интернет базируется на двух основных протоколах - протоколе IP и протоколе TCP. Совокупность TCP и IP, а также ряда сопровождающих протоколов, определяется как стек протоколов Интернет TCP/IP.

Разные сети на базе TCP/IP соединяются друг с другом с помощью маршрутизаторов IP, формируя пространство Интернет.

Определим сеть Интернет как набор связанных между собой сетей, которые используют для коммуникаций стек TCP/IP, уникальное адресное пространство Интернет и принципы маршрутизации при транспортировке пакетов. Рассмотрим свойства сети Интернет, начиная со стека TCP/IP и заканчивая услугами приложениями Интернет.

На рис. 1.7. представлена модель протоколов стека TCP/IP, разработанная Комитетом IETF. Прежде всего, отметим, что модель IETF состоит из пяти уровней (а не из семи, как модель OSI). Первые два уровня соответствуют физическому уровню и уровню звена данных модели OSI.

Рис. 1.7. Модели стека протоколов TCP/IP

Протокол IP расположен на третьем уровне модели IETF, и функции этого протокола соответствуют функциям сетевого уровня модели OSI.

Протокольные блоки (пакеты) IP, называемые датаграммами, имеют существенно больший размер, чем пакеты Х.25 (но не свыше 65.5 кбайтов), характеризуются переменной длиной и передаются по сети независимо друг от друга. В отличие от технологии коммутации пакетов (технология Х.25) и коммутации ячеек (технология АТМ), доставка датаграмм на сетевом уровне сетей Интернет производится методом маршрутизации.

Протокол TCP расположен на четвертом уровне модели IETF, и его функции во многом подобны функциям транспортного протокола модели OSI. Протокол TCP обеспечивает сквозной контроль передачи пакетов. На пятом уровне расположены подсистемы, называемые приложениями. Этот уровень соответствует уровню приложений (седьмому уровню) модели OSI.

Далее рассматриваются особенности протоколов сети Интернет на разных уровнях модели IETF.

1.4.1 Протоколы стека TCP/IP

Модель IETF содержит ряд подуровней с соответствующими протоколами и функциями. В результате развития Интернет общее число IP-ориентированных протоколов включает в свой состав более сотни спецификаций. Эти спецификации выпускаются организацией IETF под общим названием RFC (Request for Comments) и свободно доступны в сети Интернет, в отличие от стандартов других организаций (ITU, ETSI и др.).На рис. 1.7. представлены основные протоколы, которые можно разделить на три группы:

первая группа соответствует сетевому уровню, вторая - транспортному уровню и третья - уровню приложений. Рассмотрим функции протоколов IP, TCP и UDP.

На третьем (сетевом) уровне протокол IP (Internet Protocol) обеспечивает:

• маршрутизацию пакетов через сеть по принципу «наилучшей попытки»;

• соединения между сетями с различными базовыми протоколами (например, Х.25,

АТМ, Frame Relay, Ethernet);

• контроль перегрузок.

На четвертом (транспортном) уровне протокол TCP (Transmission Control Protocol -

протокол управления транспортировкой) обеспечивает:

• установление надежных соединений между конечными пользователями (инициирование, подтверждение, передача/прием, разрушение соединений);

• целостность сообщений и контроль ошибок;

• восстановление работоспособности сети после сетевых отказов.

Протокол UDP (User Datagram Protocol - пользовательский протокол передачи датаграмм)

является более простой, но и не менее надежной альтернативой протоколу TCP. Функции TCP

и UDP описаны далее в разделе «Структура заголовков TCP и UDP».

Принципы организации сети Интернет. Как уже было отмечено, два первых уровня IETF, обозначенных на рис. 1.7 как уровень сетевого интерфейса, совпадают с двумя первыми уровнями модели OSI. На втором уровне реализуются представление информации в виде кадров и помехоустойчивое кодирование данных. На первом уровне обеспечивается соединение с физическим каналом передачи.

На третьем уровне ключевым элементом является IP-маршрутизатор, называемый так же IP-шлюзом. Через такой интерфейс могут быть соединены сети самых разных типов

- локальные сети (LAN), городские сети (MAN), крупномасштабные сети (WAN). Рабочие станции, подключаемые к сети, называются хостами. В сети Интернет хосты действуют или как клиенты, или как поставщики (провайдеры) услуг. Провайдер, выступающий как сервер, обрабатывается запросы и обеспечивает реализацию запрашиваемых услуг. Таким образом, в сети устанавливается набор отношений между множеством хостов. На рис. 1.8 представлен фрагмент сети Интернет, объединяющей три сети.

Структура заголовков IPv4 и IPv6. Структура заголовка датаграммы IPv4. Каждая датаграмма IP, переносящая полезную нагрузку, включается в свой состав заголовок и данные.

Заголовок состоит, как минимум, из 20 байтов с возможностью расширения путем добавления до 4 байтов, обеспечивающих разные дополнительные опции. Для удобства заголовок представлен в виде набора строк, каждая из которых содержит по4 байта. Общее число таких полей равно 5 или 6.

Дадим краткое описание этих полей. Поле «Версия», 4 бита, идентифицирует заголовок IP, в данном случае, версию IPv4. Поле «Длина заголовка» определяет размер заголовка (20 или 24 байта). Поле «Тип обслуживания» (Type of Service, ToS) состоит из 8 битов. Первые 3 бита определяют приоритет датаграммы (000 - без приоритета, 111 - уровень управления сетью).

Следующие три бита определяют минимальную задержку, высокую пропускную способность и высокую надежность (каждый бит равен единице). Последние два бита не применяются. Отметим, что в сетях Интернет 1990-х годов поле ToS не использовалось.

Поле «Полная длина», 16 битов, определяет полную длину датаграммы в байтах, включая заголовок и данные, передаваемые в пакете. Поскольку длина поля равна 16 битам, максимальная длина датаграммы равна 216-1=65535 байтов. В зависимости от ее длины, датаграмм может быть разделена на блоки (фрагменты) в тех случаях, когда маршрутизаторы не могут обрабатывать датаграммы полного размера. Поля «Идентификатор», «Флаги» и «Указатель фрагмента» используются при восстановлении датаграммы из фрагментов на приемном конце. Поле «Идентификатор», 16 битов, позволяет восстановить датаграмму из фрагментов в пункте назначения. Поле «Флаг», 3 бита, также используется для восстановления датаграммы на приемном конце. Первый бит указывает, допустима ли фрагментация (0 соответствует отсутствию фрагментации), второй бит определяет, является ли фрагмент последним в последовательности фрагментов, принадлежащих одной датаграмме (1 означает последний фрагмент, 0 - наличие дополнительных фрагментов).

Третий бит не используется. Поле «Указатель фрагмента», 13 битов, определяет смещение фрагмента относительно начала исходной диаграммы. Полностью нулевое поле указывает, что датаграмма не фрагментирована.

Поле «Время жизни», 8 битов, определяет предельное время, в течение которого датаграмма может находиться в сети. Время жизни, как правило, задается числом маршрутизаторов (числом шагов), и при каждом прохождении через маршрутизатор этот показатель уменьшается на единицу. Когда значение поля достигает нуля, датаграмма выбрасывается из сети.

Восьмибитовое поле «Протокол» определяет протокол, использующийся на транспортном уровне. Значения в этом поле задают протоколы TCP и UDP для транспортировки информационных датаграмм, а ICMP - для сетевого контроля.

Поле «Контрольная сумма заголовка», 16 битов, предназначено для контроля ошибок в заголовке (только в заголовке, а не во всей датаграмме!) с помощью циклического кода. Это проверка осуществляется при прохождении датаграммы или ее фрагмента через каждый маршрутизатор.

Следующие два поля предназначены для адресов отправителя и получателя. Обычно принято записывать IP-адреса в десятичной форме с разделением в виде точек, т.е. в форме А, В, С, Д. Однако в полях IP-адреса отправителя и получателя представлены IP-адреса в двоичной форме.

Во время прохождения датаграмм одного сообщения через сетевые узлы эти адреса не изменяются. Узел-отправитель, исходя из таблицы маршрутизации, знает, к какому соседнему узлу необходимо передать датаграмму. В свою очередь, IP-маршрутизатор знает, к какому следующему узлу, исходя из адреса узла-получателя, следует переслать датаграму.

Поле «Опции», максимум - 4 байта, делает возможным введение различных функций тестирования и контроля.

Поле «Заполнитель» используется для дополнения строки «Опции» до полной длины 32 бита. Необходимо отметить, что наиболее важное свойство протокола IP в его исходном виде (четвертая версия, без применения поля ToS для контроля качества обслуживания) состоит в том, что датаграммы передаются от источника к получателю без установления любого соединения, практически при отсутствии управления процессом передачи.