Введение в сетевые технологии. Глобальные сети с коммутацией пакетов

Сети с коммутацией пакетов были разработаны правительством США в 70-е годы для обеспечения надежной цифровой передачи данных по телефонным линиям. Коммутация пакетов представляет собой метод доставки сообщений, при котором данные помещаются в небольших пакетах. Пакеты могут передаваться в место назначения по различным маршрутам сети коммутации пакетов. Разные пакеты сообщения могут иметь различные маршруты. В маршрутизации трафика важно достичь наилучшего маршрута и скорейшей доставки.
Для пользователя виртуальный канал между системами выглядит как выделенная линия, связывающая системы Реально передача осуществляется путем разбиения информации на пакеты и передачи ее по высокоскоростной линии наряду с другими пакетами. На приемном конце ваши пакеты отделяются от других пакетов, принадлежащих другим пользователям и обрабатываются. Сеть коммутации пакетов обычно имеет много узлов и обеспечивает альтернативные и резервные маршруты.
В 80-е годы для надежного объединения локальных сетей и крупных компьютеров в корпоративную сеть использовалась практически одна технология глобальных сетей с коммутацией пакетов - Х.25. Сегодня выбор стал гораздо шире, помимо сетей Х.25 он включает такие технологии, как Frame relay, xDSL и АТМ.

Тип сети	Скорость доступа	Примечания
X.25	1,2-64 Кбит/с	Большая избыточность протоколов, хорошо работает на каналах низкого качества
Frame Relay	64 Кбит/с - 2 Мбит/с	Сравнительно новые сети, хорошо передают пульсации трафика, в основном поддерживают службу постоянных виртуальных каналов
АТМ	1,544-45 Мбит/с	Новые сети, коммерческая эксплуатация началась с 1996 года, пока используется в основном для передачи компьютерного трафика

Общие принципы построения Сети X.25

Основу X.25 сетей составляют Центры Коммутации Пакетов (ЦКП), расположенные во многих городах и обеспечивающие доступ к сети. Обычно абонент получает доступ к сети, соединяясь с ближайшим ЦКП, т.е. можно получить доступ к сети из любого места, где есть телефонная связь, без привязки к конкретному ЦКП. Абоненты сети подключаются к ней для того, чтобы передавать информацию или принимать ее от других абонентов или хост-машин. Для этого в сети устанавливается временная логическая связь между этими абонентами, называемая виртуальным соединением. После установления виртуального соединения между абонентами может происходить обмен данными одновременно в двух направлениях (дуплекс), причем задержка передачи пакетов данных не превышает долей или нескольких секунд в зависимости от загруженности сети.

Основные принципы построения сетей Frame Relay

Стандарт Frame Relay описывает интерфейс доступа к сетям с быстрой коммутацией кадров и обеспечивает функции первого, частично второго и третьего уровней модели OSI, включая в себя небольшой набор правил и процедур организации информационного обмена.
Отличительной особенностью Frame Relay является отсутствие механизмов коррекции ошибок и управления потоком данных, характерных для X. 25. Кадр, принятый промежуточным или оконечным узлом с ошибками, сбрасывается сетью, а функции исправления ошибок возлагаются на протоколы более высоких уровней, например, TCP.
Механизмы, с помощью которых обеспечивается надежная передача данных в X.25, предусматривают квитирование и буферизацию кадров/пакетов, требующих подтверждения, повторную передачу неправильно принятых кадров и некоторые другие алгоритмы. Эти процедуры вносят дополнительные задержки, величина которых зависит от вероятности возникновения ошибок на канальном уровне звена передачи данных, а также от загруженности буферной памяти промежуточных узлов.
Отказ от этих алгоритмов уменьшает задержки в сети при передаче данных пользователей, а главное, позволяет их прогнозировать. Кроме того, из формата кадра исключается несколько служебных полей. Таким образом, сокращается протокольная избыточность, а следовательно, повышается эффективность использования пропускной способности канала. Такой подход ограничивает допустимую величину BER до 10-7 и предъявляет более строгие требования к качеству каналов.
Абонентским доступом к сети Frame Relay управляет интерфейс "пользователь-сеть" (UNI — User-to-Network Interface). Его основной задачей является описание характеристик и особенностей мультиплексирования логических соединений PVC (Permanent Virtual Connection), а также контроль их состояния и конфигурации. Каждое такое логическое соединение обладает своим уникальным номером — DLCI (Data Link Connection Identifier).
Как уже отмечалось, процедуры Frame Relay не предусматривают управления потоком данных. Вместо этого в стандарт заложены очень простые механизмы уведомления о перегрузках, информирующие устройство пользователя о том, что ресурсы сети практически, исчерпаны. Стандарт Frame Relay определяет основные характеристики каждого логического соединения, в соответствии с которыми система варьирует темп передачи кадров в сеть абонентским устройством.
Первой такой характеристикой является гарантированная скорость передачи данных CIR (Committed Information Rate) — средняя скорость доставки сообщений конечному устройству. Вторая характеристика — гарантированный импульсный объем передаваемой информации Вc (Committed Burst Size) — определяет количество битов, которые могут быть переданы в сеть по PVC с. заданной гарантированной скоростью за время Т. Последний параметр — дополнительный импульсный объем передаваемой информации Be (Excess Burst Size) — указывает число бит, которые передаются в сеть без гарантии доставки. Если ресурсы сети позволяют, то кроме сообщения объемом Вc будет отправлен (со скоростью, превышающей CIR) дополнительный объем данных, меньший или равный Be. Все кадры при этом будут помечены битом DE: для любого устройства сети этот бит означает разрешение сбросить кадр в случае, если узел испытывает перегрузку. Всю информацию, переданную сверх объема, равного (Вc + Вe), сеть сбросит.
Однако сброс любого кадра влечет за собой его повторную передачу в соответствии с процедурами коррекции ошибок протоколов более высокого уровня, а значит, сеть по-прежнему будет перегружена. Чтобы проинформировать передатчик о необходимости снизить темп передачи кадров, для оконечных устройств виртуального канала создаются служебные сообщения BECN (Backward Explicit Congestion Notification) — они передаются источнику — и FECN (Forward Explicit Congestion Notification) — передаются адресату. Получение устройством такого сообщения означает необходимость снизить скорость передачи данных в сеть.

Основы технологии ATM

Подход, реализованный в технологии ATM, состоит в представлении потока данных от каждого канала любой природы - компьютерного, телефонного или видеоканала пакетами фиксированной и очень маленькой длины - 53 байта вместе с небольшим заголовком в 5 байт. Пакеты ATM называются ячейками - cell. Небольшая длина пакетов позволяет сократить время на их передачу и тем самым обеспечить небольшие задержки при передаче пакетов, требующих постоянного темпа передачи, характерного для мультимедийной информации.
При приоритетном обслуживании мультимедийного трафика коммутаторами сети, его пакеты будут вынуждены даже при дисциплине относительных приоритетов ожидать в худшем случае в течение небольшого и фиксированного времени - времени передачи пакета из 53 байт, что при скорости в 155 Мб/с составит менее 3 мкс. Для того, чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент служебной информации не был большим по сравнению с размером поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием - эти сети всегда работают по протоколу с установлением соединения и, адреса конечных узлов используются только на этапе установления соединения. При установлении соединения ему присваивается текущий номер соединения и в дальнейших передачах пакетов в рамках этого соединения (то есть до момента разрыва связи) в служебных полях пакета используется не адрес узла назначения, а номер соединения, который намного короче.
В пакете имеется небольшой заголовок в 5 байт, из которых 3 байта отводятся под номер виртуального соединения, уникального в пределах всей сети ATM, а остальные 48 байт могут содержать 6 замеров оцифрованного голоса или 6 байт данных вычислительной сети. Небольшие пакеты фиксированной длины позволяют гарантировать небольшие задержки при передаче синхронного трафика. Ясно, что при отказе от жестко фиксированных канальных интервалов для каждого канала, идеальной синхронности добиться будет невозможно.
Однако, если пакеты разных видов трафика будут обслуживаться с разными приоритетами, то максимальное время ожидания приоритетного пакета будет равно времени обработки одного пакета, и если эти пакеты небольшого размера, то и отклонение от синхронизма будет небольшое. Введение типов трафика и приоритетное обслуживание являются еще одной особенностью технологии ATM, которая позволяет ей успешно совмещать в одном канале синхронные и асинхронные пакеты. В сетях ATM соединение конечного узла с сетью осуществляется индивидуальной линией связи, а коммутаторы соединяются между собой каналами с уплотнением, которые передают пакеты всех узлов, подключенных к соответствующим коммутаторам .

Сеть ATM имеет структуру, похожую на структуру телефонной сети - конечные станции соединяются с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются адресами конечных узлов для маршрутизации трафика в сети коммутаторов. Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Виртуальные соединения устанавливаются на основании длинных 20-байтных адресов конечных станций. Такая длина адреса рассчитана на очень большие сети, вплоть до всемирных.
Адрес имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети и использует префиксы, соответствующие кодам стран, городов и т.п. Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC). Постоянные виртуальные соединения соединяют двух фиксированных абонентов и устанавливаются администратором сети. Коммутируемые виртуальные соединения устанавливаются при инициации связи между любыми конечными абонентами. Соединения конечной станции ATM с коммутатором нижнего уровня определяются стандартом UNI (User Network Interface). UNI определяет структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола ATM и способы управления трафиком.

Технологии xDSL

Существует достаточно большое количество технологий высокоскоростной передачи данных, объединенных общим названием xDSL (Digital Subscriber Line или цифровая абонентская линия, где x - символ обозначающий конкретный тип технологий высокоскоростных цифровых абонентских линий DSL). Предоставление голосового трафика, подключение удаленных компьютеров, объединение ЛВС, организация соединения с провайдером, услуга "видео-по-запросу" или "платное ТВ", дистанционное обучение и т.п. - все это можно легко сделать, используя одну из DSL технологий. DSL позволяет перейти на новый технологический уровень использования медных линий, который обеспечивает достаточную пропускную способность для любого из предлагаемых пользователю приложений. При этом может быть организована не только выделенная линия с двумя модемами (например, при использовании технологии HDSL), но и цифровая абонентская линия, соединяющая станционное оборудование с модемом пользователя (ADSL или VDSL). В последнем случае сохраняется возможность использования абонентской линии для обычной аналоговой телефонной связи.

Обзор технологий, входящие в семейство DSL

Появление большого числа отличающихся друг от друга технологий под общим названием DSL поставило ряд проблем даже перед поставщиками услуг. Главная из них - проблема выбора именно той технологии, которая подходит наилучшим образом для конкретного пользователя или провайдера. В число этих технологий входят ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line - асимметричная цифровая абонентская линия), RADSL (Rate-Adaptive Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия с адаптацией скорости соединения), ISDL (ISDN Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия IDSN), HDSL (High Bit-Rate Digital Subscriber Line - высокоскоростная цифровая абонентская линия), SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line - симметричная цифровая абонентская линия), VDSL (Very High Bit-Rate Digital Subscriber Line - сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия), G.Lite (являющаяся упрощенным вариантом технологии ADSL) и их вариации.
Рассматривая варианты технологии DSL с высоты принципиальных различий, можно выделить две основные категории этих технологий. Это симметричные технологии и асимметричные технологии. Принцип разделения предельно простой. Если скорости передачи данных в обоих направлениях (то есть из сети к пользователю и от пользователя в сеть) одинаковы, то это симметричная технология. Если же скорости передачи данных не одинаковы (по направлениям), то такая технология называется асимметричной. К числу симметричных технологий относятся технологии HDSL, HDSL2, SDSL и IDSL. В Соединенных Штатах, например, технологии SDSL и IDSL в основном продвигаются аналогами наших операторов сетей передачи данных (CLEC по-американски; следует учитывать, что все аналогии здесь и ниже проводятся путем сравнения основных задач, выполняемых компаниями). Технологии HDSL и HDSL2 используются операторами местной связи (ILEC, опять же по-американски и опять же по аналогии) в качестве альтернативы технологии E1 (или Т1 в США). Симметричные линии DSL идеально подходят для использования в сфере бизнеса, когда необходимо обеспечить равные скорости передачи данных в обоих направлениях, например, для передачи голоса, электронной почты, видеоконференций, файлов и для обеспечения функционирования ЛВС. Асимметричные технологии DSL, такие как ADSL, RADSL и G.Lite, в основном используются операторами местной связи, которые ориентируются на предоставление высокоскоростного доступа частным абонентам. Ведь именно этим абонентам операторы местной связи предоставляют услугу традиционной телефонной связи. Асимметричные линии DSL имеют более высокую скорость передачи данных из сети в сторону пользователя, что очень удобно для работы в сети Интернет и для различных видеоприложений.
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line - асимметричная цифровая абонентская линия). Данная технология является асимметричной Такая асимметрия, в сочетании с состоянием "постоянно установленного соединения" (когда исключается необходимость каждый раз набирать телефонный номер и ждать установки соединения), делает технологию ADSL идеальной для организации доступа в сеть Интернет, доступа к локальным сетям (ЛВС) и т.п. При организации таких соединений пользователи обычно получают гораздо больший объем информации, чем передают. Технология ADSL обеспечивает скорость "нисходящего" потока данных в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с и скорость "восходящего" потока данных от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. ADSL технология позволяет без существенных затрат сохранить традиционный сервис и предоставить дополнительные услуги, среди которых:

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.