Сети передачи данных

3

Содержание.

Введение………………………………….…………….…………..…….3

1. Сети передачи данных………………………………………..........…4

2. Сети ATM……………………………………………………....….…..5

3. Появление концепции Сети с интеграцией сервисов……........……6

4. Составные части СИС……………………………………….…..……7

5. Понятие QoS………………………………………………….….……9

6. Протоколы управления потоком данных…………………………..14

7. Концепция построения СИС…………………………………….….18

8. АТМ в ядре транспортной сети……………………………………..20

9. Интеграция с архитектурой MPLS………………………...………..22

Заключение……………………………………………………..……….23

Список литературы………..…………………………………..……..…24

Введение.

В настоящее время история развития систем, предназначенных для хранения и обработки информации с использованием ЭВМ, насчитывает уже более полувека. Еще относительно недавно в ходу были перфораторы в качестве устройств ввода данных, листинги в виде рулонов бумаги длиной порою до нескольких метров - в качестве носителя результатов машинной обработки, недельные, либо месячные временные интервалы - в качестве нормативных сроков обработки информации.

В последнее десятилетие ушедшего века ситуация претерпела качественные изменения. Если попытаться сформулировать "портрет" современной информационной системы масштаба предприятия в виде десятка тезисов, то мы увидим, что она имеет: в основе - методологию управления, направленную на достижении стратегических целей высшего менеджмента предприятия, выраженной в информационной системе в виде системы управляющих воздействий, регламентирующей деятельность пользователей. Возможность доступа к данным для множества пользователей, объединенных в локальную сеть предприятия, а зачастую - и для пользователей, удаленных от центрального офиса на сотни и тысячи километров. Наличие средств коммуникации и элементов корпоративного решения задач коллективом пользователей;

развитый, дружественный графический интерфейс конечного пользователя,

режимы обработки оперативной информации, близкие к режиму реального времени. Средства аутентификации и разграничения доступа, позволяющие дозировать информацию в соответствии с должностными обязанностями пользователя; высокий уровень защищенности от несанкционированного доступа. Один или более серверов баз данных, суммарный объем которых измеряется в гига- или терабайтах; возможность обработки тысяч и миллионов записей при составлении отчетности, инвариантность (в определенных пределах) к аппаратным и операционным средам функционирования серверных и клиентских приложений. Использование стандартизованных языков и протоколов для представления и манипулирования данными.

Основу информационной системы составляют "три кита". Это - база данных, как правило, реляционного типа, поддерживающая доступ на основе стандарта SQL, программные средства, обеспечивающие логику обработки данных, интерфейс пользователя.

1. Сети передачи данных

Современные тенденции развития сетей передачи данных можно рассматривать как результат постоянного взаимодействия базовых телекоммуникационных технологий. До недавнего времени основными объектами коммуникационной индустрии были телефонные сети общего пользования (ТфОП) и сети передачи данных. Сегодня мы присутствуем при появлении новой концепции -- сетей с интеграцией сервисов (СИС), которые наследуют лучшие свойства своих предшественников.

Строительство первой глобальной сети передачи данных ARPANET, основанной на коммутации пакетов, началось в США около 30 лет назад. В 1974 г. на базе пятилетних исследований сети ARPANET была разработана модель TCP/IP, которая вскоре дополнилась другими протоколами и оказалась «двигателем» Internet.

C развитием инфраструктуры глобальных сетей, ростом их пропускной способности и уменьшением задержек, связанных с обработкой пакетов, видоизменялись и сетевые приложения. В частности, возросла доля трафика, приходящегося на мультимедиа-объекты, появился ряд совершенно новых мультимедийных сервисов, например аудио и видео по запросу, IP-телефония.

2. Сети ATM.

Метод асинхронной передачи, основанный на коммутации ячеек данных, представляет собой определенный компромисс между двумя указанными выше группами технологий. Для обмена данными он требует предварительной установки (и резервирования) виртуального канала, по которому будут передаваться ячейки, но пользуется преимуществами статистического мультиплексирования. В совершенствовании технологии АТМ принимают активное участие как компании, традиционно специализировавшиеся на СПД, так и представители телефонии. Поэтому АТМ отлично подходит и для сетей передачи данных, и для сетей с интеграцией сервисов и телефонных систем.

Весьма элегантная и хорошо продуманная технология асинхронной передачи, однако, не получила того распространения, особенно в области ЛВС, которое предрекали эксперты. Произошло это главным образом потому, что в качестве универсальной сетевой среды АТМ оказалась сложной в настройке и сопровождении, а соответствующее оборудование -- сравнительно дорогим. Тем не менее АТМ определенно имеет будущее и как самостоятельная технология, и как составная часть сетей с интеграцией сервисов.

3. Появление концепции Сети с интеграцией сервисов.

Быстрое развитие Internet, появление новых услуг выявили недостатки и сетей передачи данных, и ТфОП. Телефонная сеть не в силах предоставить качественный и эффективный доступ к СПД, а Internet не может гарантировать требуемых характеристик передачи информации в режиме реального времени. В этой связи весьма распространенной стала практика одновременной поддержки нескольких сетевых инфраструктур, например для телефонии и передачи данных. Было очевидно: если все потребности пользователей в области обмена информацией смогут обеспечить (не принося в жертву качество и надежность) единые инфраструктура и технология, это существенно упростит архитектуру коммуникационных систем и приведет к немалой экономии средств.

Сети с интеграцией сервисов, позволяющие объединить различные типы трафика -- от обычных данных до аудио и видео в реальном времени, -- и стали качественным скачком в развитии сетевых технологий. СИС унаследовали лучшие свойства своих предшественников -- ТфОП и СПД. На роль основы таких сетей наилучшим образом подходит технология коммутации пакетов, используемая в Internet и позаимствовавшая некоторые важные свойства у сетей с коммутацией каналов.

4. Составные части СИС.

Чтобы IP-сеть превратилась в сеть с интеграцией услуг, необходимо поменять саму модель обслуживания Internet (сказанное относится к любой сети, использующей стек протоколов TCP/IP). Правда, такое изменение не означает полного отказа от старой модели «best effort», в соответствии с которой оборудование IP-коммутации старается доставить данные как можно быстрее. Документ RFC 1633 определяет расширение модели обслуживания Internet как архитектуру интегрированных сервисов (Integrated Services Architecture), чьей основой являются две важные концепции.

Во-первых, нужно, чтобы ресурсы сети допускали явное управление, иначе не удастся гарантировать качество обслуживания (QoS). В результате механизм резервирования ресурсов и система управления соединениями становятся главными составляющими СИС. Дабы обеспечивать определенный уровень QoS, маршрутизаторы должны резервировать ресурсы под нужды отдельных потоков и, соответственно, хранить информацию о проходящих через них потоках. Именно этот факт и означает отход от традиционной концепции СПД, подразумевающей, что каждый пакет обрабатывается независимо от предыдущих.

Другими словами, сетевые устройства СИС должны управлять судьбой любого пакета в потоке. Потоком называется последовательность пакетов, для которых требуется одинаковое качество обслуживания. IP-адрес, тип и порт транспортного протокола получателя определяют поток, который в СИС является наименьшим объектом, различимым сетевыми устройствами и допускающим задание параметров QoS.

Во-вторых, для реализации функций передачи обычных данных, трафика реального времени и мультимедийного трафика нужно задействовать единую сетевую инфраструктуру и одно семейство протоколов. Совместная транспортировка по одной сети различных типов трафика дает не только те преимущества, которые были упомянуты выше; она выгодна еще и потому, что увеличивает эффективность использования сетевых ресурсов за счет статистического мультиплексирования потоков.

В рамках модели интеграции сервисов (ИС) сеть должна предоставлять приложениям несколько классов обслуживания с варьируемыми параметрами. Практически все существующие приложения можно разделить на три основных типа: неадаптивные приложения реального времени, адаптивные реального времени и «эластичные» (табл.1). Запросы «эластичных» приложений наилучшим образом удовлетворяются классом сервиса Internet «best effort», а вот два других типа требуют более предсказуемого поведения сети по отношению к генерируемому или обрабатываемому ими трафику. Поэтому в дополнение к «best effort» в архитектуру ИС были включены еще два класса: гарантированного сервиса (guaranteed service) и сервиса контролируемой загрузки (controlled load service).

Табл.1 - Типы и характеристики сетевых приложений.

Тип приложений	Характеристика	Пример
Неадаптивные приложения реального времени	Если данные не доставляются вовремя, они оказываются бесполезными	Дистанционное управление, мультимедиа-потоки без буферизации, приложения, ориентированные на сервис сети с коммутацией каналов, некоторые виды распределенных систем
Адаптивные приложения реального времени	Данные, доставленные немного раньше или немного позже требуемого времени, будут использованы	Мультимедиа-потоки с адаптивной буферизацией, приложения с низким уровнем интерактивности, приложения, ориентированные на мультимедиа-сервисы Internet, инструменты mbone
Гибкие, или "эластичные", приложения	Данные будут использованы сразу после получения	Традиционные протоколы обмена данными -- HTTP, FTP, SMTP и др.; большинство "традиционных" приложений Internet

Класс гарантированного сервиса ориентирован на неадаптивные приложения реального времени. Он вводит жесткие ограничения на задержку и гарантирует отсутствие потерь пакетов при буферизации в процессе передачи, если характеристики потока соответствуют указанным в спецификации.

Класс сервиса контролируемой загрузки должен обеспечивать потребности адаптивных приложений реального времени и мультимедиа-программ. Приложения получают сервис, аналогичный классу "best effort" в состоянии малой нагрузки, однако, в отличие от последнего, качество этого сервиса остается неизменным при увеличении нагрузки на сеть.

5. Понятие QoS.

Качеству обслуживания (QoS -- Quality of Service) сегодня по праву отводится все более значимая роль в многофункциональных сетях. Эта технология призвана обеспечить платформу, необходимую для работы современных приложений, которые предъявляют гораздо более жесткие требования к ширине полосы пропускания и времени задержек прохождения информации по сети. Кроме того, без QoS невозможна разработка соглашений об уровне сервиса (SLA, Service Level Agreement), определяющих стоимость различных услуг сети передачи данных.

Ранние реализации технологии QoS опирались главным образом на различные алгоритмы организации очередей (например, "первым пришел -- первым ушел", очередь с приоритетами, "справедливая" очередь и т. д.), которые устанавливались и поддерживались сетевыми маршрутизаторами и другими устройствами. Эти методы не обеспечивали непосредственного управления непрерывными потоками трафика и сводились к косвенному воздействию на трафик путем буферизации либо искусственного введения ошибок.

Следующим шагом на пути к реализации QoS стала разработка механизма явного управления скоростью трафика (ECR, Explicit Rate Control), который в течение ряда лет довольно активно используется в сетях ATM. В последнее время все чаще высказывается мнение, что ECR можно применять также со стеком протоколов TCP/IP. Этот механизм способен работать автономно либо совместно с существующими алгоритмами организации очередей. Основные задачи, которые он позволяет решать, -- рост производительности каналов связи, уменьшение времени ожидания реакции сети и увеличение степени детализации сетевого управления за счет контроля за отдельными потоками трафика.

Преимущества ECR таковы: возможность точного управления распределением полосы пропускания между входящими и исходящими потоками трафика, снижение нагрузки на сеть, связанной с повторной передачей пакетов с ошибками, уменьшение длины очередей в маршрутизаторе (и, как следствие, снижение нагрузки на его центральный процессор), значительное сокращение времени доставки пакета и уменьшение его флуктуаций, более быстрая адаптация к изменениям ситуации в сети. Отдельное сетевое устройство может осуществлять полное управление потоками трафика, следующими в обоих направлениях.

Именно поэтому задача реализации ECR в реальных сетях представляется весьма актуальной. Первыми "кандидатами" на его внедрение являются сети, транспортирующие критически важную информацию в условиях ограничения полосы пропускания, а также информационные системы, использующие для передачи такого трафика внешние сети ATM, frame relay или IP.

В ранних реализациях сетей передачи данных почти весь передаваемый трафик был основным. Дело в том, что стоимость создания и поддержания самой сети была столь высокой, что приложения, менее важные для предприятия, не финансировались. Нередко для каких-либо приложений или их групп создавалась специальная сеть, финансирование и техническая поддержка которой осуществлялись отдельно от других сетей.

Сегодня среда передачи информации значительно усложнилась. Сети отдельных предприятий и сети связи специального назначения объединяются в большие многофункциональные сети, способные работать с широким спектром изменяющихся приложений и предоставлять все виды связи. Однако в таких сетях управление и контроль за использованием сетевых ресурсов становятся определяющими, поскольку индивидуальные приложения могут влиять на параметры функционирования системы в целом.

Различные топологические изменения в сети предприятия также могут серьезно воздействовать на производительность и другие параметры этой сети. Развертывание сетей и коррекция их топологии часто производятся быстро и без анализа потенциальных негативных последствий столь поспешных преобразований. Кроме того, становится все сложнее прогнозировать на стадии проектирования возможные отклонения в работе сети.

В этой ситуации технология QoS призвана обеспечить при прохождении трафика более "высокой" категории заданные значения параметров независимо от интенсивности трафика других категорий. Эта технология необходима именно для защиты наиболее приоритетного трафика от различного рода "посягательств" со стороны менее приоритетного трафика, а не просто для "использования мультимедиа в сети".

Обеспечение QoS очень важно для справедливого распределения сетевых ресурсов и выработки у пользователей привычки ожидать от сети именно тех значений параметров, которые они запрашивали. Потребность в использовании данной технологии увеличивается по мере того, как многочисленные магистрали сетей с различными характеристиками и системами приоритетов объединяются в процессе создания единой сети в масштабах одного или нескольких предприятий.

Передаваемый по сети трафик может быть классифицирован по типам создающих его приложений и по протоколам, на базе которых осуществляется передача. Тип приложения определяет необходимую рабочую производительность сети; учет характеристик протоколов обусловлен тем, что сами протоколы способны предъявлять дополнительные сетевые требования (например, определенного времени ожидания). Все виды трафика можно разделить на три основные категории.

Трафик реального времени включает в себя аудио- и видеоинформацию, критичную к задержкам при передаче. Допустимые значения задержек обычно не превышают 0,1 с (сюда входит время на обработку пакетов конечной станцией). Кроме того, задержка должна иметь малые флуктуации (с ними связан эффект "дрожания"). При сжатии информации трафик данной категории становится очень чувствительным к ошибкам при передаче, а из-за жестких требований к задержкам при передаче потоков в режиме реального времени возникающие ошибки не могут быть исправлены с помощью повторной посылки.

Трафик транзакций (интерактивный). При передаче этого вида трафика задержки не должны превышать 0,1 с. В противном случае пользователи будут вынуждены прерывать работу и ждать ответа на свои сообщения. Такая схема обмена информацией снижает производительность труда, а разброс в значениях задержек может привести к возникновению чувства дискомфорта у пользователей. В некоторых случаях превышение допустимого времени задержек приводит к сбою рабочей сессии.

Задержки при передаче трафика данных этой категории могут иметь практически любые значения и достигать даже нескольких секунд. Для такого трафика полоса пропускания более важна, чем время задержек: увеличение пропускной способности сети влечет за собой уменьшение времени передачи. Приложения, передающие большие объемы данных, разработаны преимущественно в расчете на предоставление им всей доступной полосы пропускания сети.

В пределах каждой категории трафик может быть распределен по приоритетам, причем последнее не следует путать с распределением по категориям. Деление трафика на категории практически одинаково трактуется во всех организациях и сетях. Если не соблюсти требования к передаче трафика той или иной категории, то соответствующее приложение просто не сумеет работать. Механизм назначения приоритетов, в свою очередь, меняется от одной сети к другой. Высокоприоритетный трафик имеет преимущества при обработке из-за его важности для данного предприятия.

Главное требование большинства интерактивных и мультимедиа-приложений -- ограничение времени задержки данных в сети. Понятие качества сервиса, введенное для IP-сетей в спецификациях RFC 2212, предусматривает следующее. Гарантируется, что задержка, связанная с буферизацией пакетов при их передаче сетевыми устройствами, не превысит некоторого максимально возможного значения. Причем сеть «обязуется» соблюдать ограничение по задержке и минимизировать вероятность потери пакетов в том случае, если пользовательская программа выдерживает объявленные параметры генерируемого ею трафика. Таким образом, поддержка требуемого уровня обслуживания является результатом соглашения между пользователем и СИС. Чтобы реализовать механизм взаимодействия пользователя с сетью, консорциум IETF разработал и стандартизировал протокол резервирования ресурсов RSVP (Resource Reservation Protocol).

Данные о необходимых потоку ресурсах могут быть введены в сетевые устройства несколькими способами: вручную с применением процедур управления, с помощью протоколов управления сетью и с использованием протокола RSVP. Последний способ является наиболее динамичным и стандартным.

RSVP -- это не протокол передачи данных или маршрутизации, а управляющий протокол Internet, как, например, ICMP. Достаточно сложный по своей сути, он позволяет приложениям информировать сеть (т. е. сетевые устройства, через которые проходит маршрут) о необходимости зарезервировать определенные ресурсы для выполнения требований приложения к QoS. Основные свойства протокола RSVP таковы:

ресурсы резервируются только для потока, передаваемого в одном направлении. Другими словами, протокол логически отделяет источник трафика от приемника;

резервирование инициализируется получателем данных, что обеспечивает хорошую масштабируемость;

протокол поддерживает потребности многоадресной рассылки (multicasting), т. е. область резервирования ресурсов ограничивается ближайшей точкой дерева рассылки многоадресных сообщений;

сами сообщения RSVP могут передаваться либо средствами отдельного протокола (поверх IP), либо путем инкапсуляции в сообщения UDP.

В начале сеанса клиент передает RSVP-запрос (RESV) на маршрутизатор, который является ближайшим на пути к источнику потока. Запрос содержит описания потока (flow spec) и фильтра (filter spec), а кроме того, однозначно идентифицирует поток, для которого запрашивается резервирование ресурсов. Описание фильтра и идентификатор потока определяют набор пакетов, которым требуется запрашиваемый уровень обслуживания. Описание потока указывает на необходимый класс сервиса и в общем случае содержит два набора параметров: Tspec устанавливает параметры самого потока, а Rspec -- нужное QoS.

Приложения, запрашивающие гарантированный класс сервиса, должны сообщать сети параметры ожидаемого потока и свои требования к качеству обслуживания, причем последние могут быть указаны с той или иной степенью точности, что позволяет уменьшить вероятность отказа за счет увеличения коэффициента неточности (slack term). Количественная характеристика QoS потока выражается как верхняя граница задержки, вызванной буферизацией пакетов при передаче. Зная собственное распределение ресурсов, характеристики запрашиваемого потока и суммарную задержку в цепочке сетевых устройств, функционирующий в маршрутизаторе объект протокола RSVP совместно с контроллером соединений (см. ниже) могут определить, не станет ли прохождение трафиком данного устройства причиной суммарной задержки, которая окажется больше запрошенной приложением (с учетом коэффициента неточности). Если требования соединения не удастся выполнить, клиенту будет послано сообщение RSVP, уведомляющее о неудаче запроса (т. е. фактически об отказе в обслуживании).

В каждом из промежуточных сетевых узлов получение RSVP-запроса приводит к двум событиям:

непосредственному резервированию ресурсов в канале;

передаче сообщения RSVP узлу, находящемуся ближе к источнику потока. Перед этим сетевое устройство произведет перерасчет параметров, при необходимости увеличив значение статистической ошибки и уменьшив коэффициент неточности в описании требуемого класса сервиса.

Когда RSVP-запрос достигнет участка дерева многоадресной рассылки, где для данного потока уже зарезервированы ресурсы, параметры которых больше или равны запрашиваемым, процесс резервирования завершится.

Реализация компонентов СИС. В конечной системе протокол RSVP может быть воплощен в виде библиотеки либо отдельного процесса. В сетевых устройствах объект протокола RSVP, как правило, представляет собой часть операционной системы. Помимо объекта протокола резервирования ресурсов в конечную систему или сетевое устройство СИС должны входить еще несколько объектов, образующих целостную архитектуру ИС. Эти объекты определяются в RFC 1633 как диспетчер (Packet scheduler), классификатор (Classifier) и контроллер соединений (Admission control). Необходимо, чтобы сетевые устройства в дополнение к таблице маршрутизации содержали базы управления ресурсами, с которыми взаимодействуют объекты ИС.

Основной задачей контроллера соединений является принятие решения о выделении ресурсов для очередного поступившего запроса или об отказе в соединении с требуемым QoS. Диспетчер обеспечивает различные уровни обслуживания для потоков, попадающих на один выходной порт, в то время как классификатор определяет принадлежность каждого конкретного пакета к одному из потоков.

Механизм управления соединениями принимает или отвергает поступающие запросы на установление соединения с определенным QoS, исходя из наличия требуемых ресурсов. Клиенту будет отказано, если обслуживание запрашиваемого соединения может привести к деградации качества сервиса, предоставляемого уже существующим потокам, т.е. в том случае, когда для обслуживания всех соединений, включая и запрашиваемое, необходимо больше ресурсов, чем имеет маршрутизатор (вопрос об адекватной оценке доступных ресурсов до сих пор является предметом многочисленных исследований). Кроме того, решение об обслуживании по запросу зависит от установленных управляющих параметров; может потребоваться идентификация клиента.

В дополнение к функциям управления соединениями важными задачами контроллера являются учет и тарификация использования ресурсов клиентами, а также, естественно, своевременное уведомление администратора сети о возникающей нехватке ресурсов СИС.

6. Протоколы управления потоком данных.

Поскольку трафик проходит через всевозможные сетевые устройства и соединения, которые имеют различные характеристики, то его параметры могут быть искажены. Современные информационные системы характеризуются высокоскоростной связью на границах (например, локальные сети) и малым быстродействием в центре сети (например, региональные сети связи). Напротив, первым реализациям сетей были присущи единые, достаточно низкие диапазоны скоростей; именно для них первоначально и разрабатывались транспортные протоколы.

Трафик, проходящий от высокоскоростной к низкоскоростной зоне сети, должен быть обработан устройством, расположенным на границе этих зон. Если трафик прибывает слишком быстро, граничное устройство сообщает источнику, что скорость велика и ее необходимо уменьшить. Данная идея и была заложена в сообщение "подавление отправителя" (Source Quench) протокола ICMP, которое теперь практически не применяется (такая схема оказалась слишком грубой и неэффективной). Без использования специальных механизмов сигнализации в IP-сети маршрутизаторы и коммутаторы вынуждены или отказываться от трафика, который "не вписывается" в канал с малым быстродействием, или пытаться временно буферизировать его.

Непрерывное управление потоком данных необходимо и для того, чтобы управлять передачей данных, если "узкое место" появляется на промежуточном переходе. Алгоритм "Предотвращение перегрузки" был разработан как раз для ограничения скорости передачи и приведения ее в соответствие с эффективной шириной полосы пропускания самого переполненного перехода. Но этот метод стабилизирует скорость передачи по широкополосным магистралям слишком медленно и не обеспечивает совместного использования полосы пропускания несколькими потоками.

Появились новые методы, реализуемые, например, протоколом резервирования ресурсов (RSVP), которые были разработаны для того, чтобы заранее запрашивать необходимые объем буферной памяти и ширину полосы пропускания, за счет чего для определенных потоков трафика уменьшается вероятность переполнения буферного пространства и потерь пакетов. Однако такие методы не нашли применения в крупномасштабных сетях, поскольку имеют довольно много ограничений. В сентябре 1997 г. вышел документ RFC (где, в частности, говорится: "...проблемы с масштабируемостью делают невозможным в настоящее время развертывание протокола RSVP в широкополосных сетях".

В какой-то мере качество обслуживания IP-потоков может быть обеспечено маршрутизаторами (и другими устройствами, расположенными на границах локальных и глобальных сетей) за счет организации входных очередей. Использование различных очередей позволяет устранить проблемы, возникающие при взрывном росте IP-трафика, при отсутствии способа непрерывного управления потоком данных. Когда трафик достигает маршрутизатора, пакеты помещаются в одну из множества очередей в соответствии с алгоритмом организации очереди, установленным при конфигурации маршрутизатора.

Самый простой из таких алгоритмов -- "первым пришел -- первым ушел" (FIFO, first in -- first out). Однако с ним связаны и самые большие сложности. Здесь используется только одна выходная очередь для каждого порта, в связи с чем возникают две основные проблемы: первоочередной интерактивный трафик легко блокируется идущими следом данными большого объема, а переполнение очереди может вызвать потерю пакетов всего трафика, а не только "виновного" в возникновении этой ситуации.

Вторая проблема обуславливает появление "волн трафика". При переполнении очереди пакеты всех потоков могут теряться (происходит так называемый "отброс хвоста"). Это приводит к одновременному повторению передачи всех проходящих потоков ТСР, а поскольку такая передача инициируется различными потоками трафика, алгоритмы "Медленный старт" и "Предотвращение перегрузки" не помогают. Возникают синхронизированные волны трафика, усугубляющие переполнение очереди в маршрутизаторе.

Попытки избежать переполнения очереди путем увеличения размера самой очереди вызывают другие проблемы. Большая разница между задержками при "пустой" и "полной" очереди увеличивает флуктуации задержек в сети. В свою очередь, для "погашения" флуктуаций необходимо увеличение объема буфера на приемной стороне. По этой причине почти невозможно выполнить требования трафика, передаваемого в масштабе реального времени, когда используются большие промежуточные очереди.

Очереди с приоритетами (потоки трафика с разными приоритетами помещаются в разные выходные очереди) были разработаны для того, чтобы преодолеть первую из основных проблем с очередями FIFO. При этом первоочередные потоки трафика должно быть специально обозначены, например с помощью поля "Тип сервиса" в заголовке дейтаграммы IPv4. Кроме того, сетевой администратор может задать приоритет трафика, идущего к определенным сетевым адресам или портам. Ни один пакет из обычной очереди не может быть передан, если есть более приоритетные очереди Недостаток очередей с приоритетами состоит в том, что менее приоритетные очереди порой востребуют пропускную способность именно в тот момент, когда сеть и без того перегружена. Попытки инициализировать повторные передачи для потоков трафика с низкими приоритетами еще более усугубляют проблему с перегрузкой.

Очереди с приоритетами совершенствовались с помощью методов, направленных на получение всеми очередями определенной доли полосы пропускания. Метод справедливой организации очереди (Fair Queuing -- FQ) гарантирует, например, что трафик может своевременно проходить через маршрутизаторы, не блокируя полосу пропускания для других пользователей.

Диспетчер пакетов, важнейший элемент архитектуры СИС непосредственно обслуживает пакеты, предоставляя отдельным потокам соответствующие уровни обслуживания. Диспетчер распоряжается наборами очередей для отдельных интерфейсов маршрутизатора.

Способов организации системы очередей может быть несколько. Наиболее предпочтительная схема -- организация отдельной динамической очереди для каждого потока и дополнительной очереди для класса «best effort» на каждом интерфейсе (при использовании буферизации на выходных портах). Такая схема буферизации позволяет наиболее гибко управлять ресурсами, но довольно сложна в реализации. Возможны и другие варианты, например создание по одной очереди на любой класс сервиса.

Логически диспетчер соответствует канальному уровню эталонной модели OSI, поскольку он должен быть реализован в том месте, где происходит буферизация готовых к отправке пакетов.

Процесс корректного управления очередями требует от диспетчера детального взаимодействия с используемой канальной технологией. Нужно, чтобы диспетчер умел задействовать средства организации канала (ATM, frame relay) в целях резервирования пропускной способности на канальном уровне. Если же канальная технология не позволяет зарезервировать полосу, то диспетчеру придется самостоятельно обеспечивать отправку пакетов в сеть с заданной скоростью, пользуясь системой таймеров. Поскольку диспетчер пакетов функционирует в режиме реального времени, в подавляющем большинстве маршрутизаторов его механизм реализован на аппаратном уровне.

Для выполнения обеих процедур диспетчеру необходимо обмениваться контрольной информацией с объектом протокола RSVP. Такой обмен происходит с помощью совместного доступа к базе ресурсов.

Для управления трафиком СИС и тарификации использования ресурсов требуется, чтобы каждый обслуживаемый пакет был причислен к определенному классу. В пределах данного класса все пакеты обслуживаются одинаково. Класс содержит один или несколько потоков -- в зависимости от конкретной реализации маршрутизатора. Класс является абстракцией, локальной для конкретного устройства; в других устройствах тот же самый поток может быть причислен к другому классу.

Подобно диспетчеру, классификатор использует данные протокола RSVP, а именно -- описание фильтра и идентификатор резервируемого потока. Кроме того, предусмотрена возможность модификации управляющих структур классификатора объектом протокола RSVP. Классификатор, который должен работать со скоростью коммутирующей магистрали маршрутизатора, реализуется аппаратно совместно с механизмом коммутации.

Управление буферизацией. Помимо расширения схемы маршрутизатора СИС функциями классификации потоков и управления соединениями необходимо пересмотреть схему управления очередями. Традиционные маршрутизаторы Internet до недавнего времени имели единственную очередь FIFO на порт. Понятно, что такой подход не обеспечивает дифференциации обслуживания. В общем случае управление системой буферизации в сетевых устройствах является сложной задачей.

После того как классификатор принял решение о принадлежности пакета к конкретному классу, этот пакет поступает на вход алгоритма управления очередью, соответствующей его классу. С помощью данного алгоритма принимается решение о постановке пакета в очередь или его отбрасывании.

Простые алгоритмы типа Drop Tail отбрасывают пакет, если длина очереди превысила максимально возможную. В случае применения более сложных, вероятностных, алгоритмов, например RED (Random Early Detection), вероятность отбрасывания пакета зависит от средней длины очереди, что способствует как уменьшению этой длины (т.е. сокращению задержки буферизации), так и более эффективному использованию пропускной способности за счет лучшего управления трафиком. Однако применение алгоритма RED целесообразно лишь при условии, что трафик порождается адаптивным транспортным протоколом типа TCP. Разновидность алгоритма RED -- WRED (Weighted RED) -- реализуется в маршрутизаторах, которые поддерживают несколько классов трафика. В зависимости от приоритета класса WRED по-разному вычисляет вероятность отказа в обслуживании пакета данного класса.

Если имеется единственная выходная очередь, она обслуживается со скоростью линии соответствующего интерфейса. Если же очередей несколько, то необходим арбитр, переключающий обслуживание между очередями с учетом приоритета каждой. Роль такого арбитра могут играть, например, разновидности алгоритма HRR (Hierarchical Round Robin), который обслуживает каждую очередь последовательно и способен "уделять максимум внимания" более приоритетным очередям.

Кроме того, в интеллектуальных маршрутизаторах существуют механизмы управления буферизацией, формирующие при необходимости (например, при появлении нового класса трафика) новые очереди и перераспределяющие память после устранения очереди.

Наконец, такие системы управления трафиком, как WFQ (Weighted Fair Queuing), одновременно формируют очереди, управляют их наполнением и осуществляют их обслуживание. Кстати, WFQ берет на себя еще и функции классификатора пакетов, но поскольку этот механизм не позволяет распределять пакеты по потокам с разными потребностями, в качестве сервиса для СИС разработан вариант WFQ (CBWFQ -- Class Based Weighted Fair Queuing), в котором используются те же классы, что и в моделях ИС.

7. Концепция построения СИС.

Развертывание СИС -- далеко не тривиальная задача как с точки зрения разработки самой концепции сети и выбора технологий, так и в плане расчета параметров сети. По мнению аналитиков, крупных производителей оборудования и поставщиков решений, на сегодня наиболее перспективной моделью СИС является IP-сеть, развернутая поверх интеллектуальной инфраструктуры канального уровня вроде ATМ.

Исследование современных тенденций в телекоммуникационной отрасли позволило сотрудникам Current Analysis выявить три главные составляющие концепции построения СИС:

применение протокола IP в качестве интегратора доступа;

интеграция сетевой и канальной технологий;

использование интеллектуальной высокоскоростной транспортной подсети.

Без сомнения, IP -- наиболее широко распространенная сетевая технология. Это единственный протокол, который применяется на всех участках сети -- от рабочего стола пользователя до скоростных магистралей. IP хорошо приспособлен как для низкоскоростных каналов доступа, так и для гигабитных линий. Кроме того, эта технология привычна для сетевых администраторов, программистов и пользователей и используется подавляющим большинством приложений.

Протокол IP продолжает успешно играть роль интегратора доступа, обеспечивая единый универсальный интерфейс для приложений, транспортных протоколов и операционных систем. Как технология, которая попадает в поле зрения конечного пользователя, IP объединяет все виды трафика (видео, голос, данные, электронные сообщения и т.д.) на единой платформе. Задача IP -- передавать биты от отправителя к получателю, а назначение сети -- обеспечивать минимальные потери и своевременность такой передачи, чтобы доставленные по назначению данные не оказались бесполезными.

Многие распространенные технологии канального уровня могут не только выделять гарантированную долю общей пропускной способности и ограничивать задержки передачи потоков средствами механизмов СИС, встроенных в узлы IP-сети, но и существенно влиять на качество обслуживания. Рабочая группа по интегрированным сервисам для различных канальных уровней (Integrated Services over Specific Link Layers) в составе IETF разрабатывает варианты реализации модели ИС для различных технологий канального уровня. Этот коллектив рассматривает функционирование и каналов "точка--точка", и ЛВС.

Технологии локальных сетей, такие как разновидности Ethernet, в своем современном состоянии могут внести серьезные нарушения в работу СИС. Даже в коммутируемой ЛВС возникают проблемы, связанные с отсутствием детерминированности в поведении сетевых протоколов. Помочь в их преодолении призваны новые стандарты IEEE 802.1p и 802.1Q. Стандарт 802.1p "Поддержка трафика реального времени" описывает возможности приоритезации трафика ЛВС и многоадресной рассылки в среде коммутируемых и виртуальных ЛВС; функционирование последних регламентирует стандарт 802.1Q. В указанных документах определены механизмы встраивания информации о приоритете в кадр канального уровня и обработки сетевыми устройствами трафика с разными значениями приоритета. В зависимости от технологии и топологии ЛВС приоритет может влиять как на задержку буферизации, так и на время доступа к среде передачи.

Если в качестве несущей подсистемы используется сеть АТМ, которая допускает наличие сложной топологии и развитой системы управления трафиком и уровнями обслуживания, то необходимо иметь возможность отображения классов IP-трафика на различные сервисные категории сети АТМ и передачи информации о резервировании ресурсов с уровня IP на уровень АТМ.

8. АТМ в ядре транспортной сети.

Технология АТМ идеально подходит для использования в качестве основы подсети СИС. Она изначально разрабатывалась для поддержки всех допустимых видов трафика (от голоса, передаваемого по традиционным каналам ТфОП, до данных) с множеством промежуточных градаций QoS. Поэтому реализация интегрированных сервисов в сети АТМ является не предметом компромисса, а центральной частью самой концепции такой сети.

IETF ведет интенсивную работу по стандартизации механизмов АТМ, служащих для передачи IP-трафика с гарантированным качеством обслуживания. Основные аспекты такого применения технологии АТМ и варианты реализации указаны в RFC 2382. В качестве "объединяющего начала" для IP и ATM в сети с интеграцией сервисов немалый интерес представляет технология MPLS.

Хотя версия IPv6 разрабатывается в качестве замены IPv4, решающей, главным образом, проблему исчерпания адресного пространства, она содержит много новых механизмов, часть которых имеет непосредственное отношение к реализации модели ИС.

Заголовок пакета IPv6, в отличие от IPv4, имеет фиксированную длину и содержит меньшее количество полей. Благодаря фиксированному размеру этого заголовка (опции могут передаваться в виде дополнительных подзаголовков) в общем случае ускоряется обработка пакета IPv6, а новое 24-битное поле идентификатора потока позволяет маршрутизатору однозначно определить поток по адресу отправителя и значению идентификатора. Очевидно, что IPv6 дает выигрыш в скорости по сравнению с IPv4, использующим для определения потока адрес получателя, тип протокола и номер порта.

Реализованные в IPv6 возможности задания маршрута отправителем унаследованы от механизмов IPv4, но гораздо более тщательно проработаны и стандартизированы. Подзаголовок маршрутизации (Routing options) позволяет создать список узлов (не обязательно полный), через которые должен пройти пакет на своем пути к месту назначения. Выше уже говорилось о том, что протокол RSVP не является протоколом маршрутизации, т.е. не определяет маршрут следования сначала запроса на резервирование ресурсов, а затем и потока, для которого осуществляется резервирование. Зная, как устроена система доступа в его организации, с помощью подзаголовка маршрутизации IPv6 пользователь может выбирать наиболее благоприятные маршруты для различных типов приложений. Конечно, на решение о маршрутизации влияет не только этот подзаголовок, но он позволяет самому приложению определять путь следования трафика.

Наряду с заголовком маршрутизации важную роль в установлении состояния потока (маршрутизаторами) может играть подзаголовок опций для каждого узла (Hop-by-hop options). Пока существуют лишь самые общие соображения о том, как реализовать эту возможность, однако они представляют значительный интерес. Например, если включить сообщения протокола RSVP в подзаголовок опций для каждого узла, то при наличии еще и подзаголовка маршрутизации удастся избежать задержки, связанной с процедурой установления соединения. Встроенная в протокол IPv6 система безопасности, в которую входят средства однозначной идентификации и обеспечения конфиденциальности информации, может способствовать стандартизированному решению задачи идентификации пользователя при резервировании ресурсов. Это лишь наиболее очевидные преимущества использования IPv в качестве протокола СИС.

9. Интеграция с архитектурой MPLS.

Компоненты СИС обеспечивают эффективное управление резервированием ресурсов сети и, следовательно, ее трафиком. Однако масштабирование СИС порой вызывает затруднения, а кроме того, ограничено непомерными нагрузками на маршрутизаторы сетей крупных провайдеров. Большую часть этих проблем весьма элегантно решает технология MPLS.

Кроме того, MPLS позволяет сервис-провайдерам использовать имеющуюся АТМ-магистраль в качестве базовой инфраструктуры и пополняет набор предлагаемых ими сервисов за счет множества свойств интеллектуальной технологии третьего уровня. MPLS может работать не только в сети ATM, но и в обычной сети с коммутацией пакетов. Хотя технология MPLS создавалась с ориентацией на IPv4, ее применение с IPv6 имеет ряд преимуществ. В настоящее время стандарты MPLS находятся в стадии разработки.

Как и в случае с четвертой версией, интеграция IPv6 как протокола СИС с сетью АТМ, выступающей в качестве транспортной подсети, сулит множество преимуществ, если, конечно, имеется возможность распространить резервирование ресурсов на канальный уровень. Принципы передачи пакетов IPv6 по сетям АТМ определены в спецификации RFC 2492.

Заключение.

В процессе своей эволюции СПД претерпели качественное изменение: родилась концепция СИС, объединившая в себе лучшие свойства СПД и ТфОП. Новую технологию поддерживают как потенциальные клиенты, так и разработчики. Крупные поставщики сетевого оборудования и решений, включая Cisco, FORE (подразделения GEC) и 3Com, открыто выражают заинтересованность в развитии и продвижении технологий СИС, которые способствуют дальнейшему усилению позиций сетей с коммутацией пакетов по сравнению с другими телекоммуникационными системами.

Способы реализации новой модели обслуживания являются предметом интенсивных исследований и ждут своего часа в процессе стандартизации. И хотя первые результаты уже налицо, многие компоненты архитектуры СИС еще долго будут предметом обсуждений. Особенный интерес представляет потенциальная возможность вертикальной интеграции различных уровней сетевой иерархии, например АТМ и RSVP, MPLS и RSVP, СИС и канальных технологий.

Спрос на решения СИС, в свою очередь, стимулирует разработку и внедрение новых технологий, вроде IPv6 и MPLS, которые изначально учитывают потребности архитектуры СИС и в недалеком будущем заменят либо дополнят традиционные подходы. Взаимовыгодное объединение СИС с АТМ будет способствовать и дальнейшему распространению технологии асинхронной передачи.

Итак, у СИС есть прекрасные шансы стать доминирующей телекоммуникационной технологией XXI века. Возможности удостовериться в справедливости подобного прогноза осталось ждать совсем недолго.

Список литературы:

1. Вендров А.М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем М: "Финансы и статистика", 2000.

2. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы/ В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. -СПб: Питер, 2001.

3. Ларионов А.М., Горнец Н.Н. Периферийные устройства в вычислительных системах: учебное пособие для ВУЗов по специальности "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети". - М.: Высшая школа, 1991.

4. Маклаков С.В. Создание информационных систем с AllFusion Modelling Suite М.: Диалог-МИФИ, 2003.

5. Мячев А.А. и др. Интерфейсы систем обработки данных: справочник/ Мячев А.А., Степанов В.П., Щербо В.К.; под ред. А.А.Мячева. - М.: Радио и связь, 1989.

6. Пятибратов А.Т. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник/ А.П.Пятибратов, Л.П.Гудыно, А.А.Кириченко; Под. ред. А.П.Пятибратова. - М.:Финансь и статистика, 1998.

7. Плотников В.Н., Суханов Б.А., Жигулевцев Ю.Н. Речевой диалог в системах управления. - М.: Машиностроение, 1988.

8. Пятибратов А.П. Человеко-машинные системы: эффект эргономического обеспечения. - М.:Экономика, 1987.

9. Попов В.Б. Основы компьютерных технологий. - Финансы и статистика, 2002.

10. Смирнова Г.Н.,Сорокин А.А., Тельнов Ю.Ф. Проектирование экономических информационных систем. Учебник М.: "Финансы и статистика", 2002.

11. Черемных С.В., Ручкин В.С., Семенов И.О. Структурный анализ систем. IDEF-технологии. М.: Финансы и статистика, 2001.

12. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия = Телеком, 2000.