Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5. Глобальные сети связи

409

узла назначения.

Высокую скорость в сети Frame relay обеспечивает постоянный вир-

туальный канал, благодаря чему известен весь маршрут между конечными

точками. Поэтому устройства Frame relay избавлены от некоторых постоян-

ных процедур: фрагментации, восстановления, выбора оптимального мар-

шрута. Кроме того, сети FR могут выделять абонентам практически любую

скорость передачи. Для передачи по FR-сети необходим совместимый с этой

сетью маршрутизатор или мост. Формат кадра сети Frame relay показан на

рисунке 5.28. Заголовок длиной 16 или 32 битов содержит идентификатор

виртуального канала ИВК (DLCI – Data-Link Connection Identifier), признак

команда/ответ К/О (C/R –Command/Response), признак расширения адреса

РА (EA – Extended Address), биты уведомления приемника БУПП (FECN –

Forward Explicit Notification) и источника БУИП (BECN – Backward Explicit

Notification) о перегрузке, а также бит допустимости удаления кадра ДУК

(DE – Discard Eligibility). В начале и конце кадра располагается флаг кадро-

вой синхронизации.

Вместо приоритезации трафика в Frame relay применяется процедура

заказа качества обслуживания в процессе установления соединения. Уста-

новлен ряд параметров качества, а именно:

 согласованная информационная скорость, с которой сеть будет пере-

давать данные;

 согласованный объем пульсаций скорости;

 дополнительный объем пульсаций.

Большинство процедур обработки и управления передачей информа-

ции в Frame relay осуществляется оконечным оборудованием данных с по-

мощью протоколов более высокого уровня. Например, в рамках протокола

ретрансляции кадров FR, защита от ошибок ограничивается проверкой кон-

Рисунок 5.28 – Формат кадра сети Frame relay

Компьютерные сети

410

трольной последовательности кадра. Какие-либо механизмы для корректи-

ровки ошибочных файлов, например, за счет повторной передачи кадров,

данным протоколом не предусматриваются. В случае ошибки сообщение об

этом передается протоколам более высокого уровня.

Узлам сети FR разрешено уничтожать искаженные кадры, не уведом-

ляя об этом пользователя. Искаженным считается кадр, которому присущ

какой-либо из следующих признаков:

 нет корректного ограничения флагами;

 имеется менее пяти октетов между флагами;

 нет целого числа октетов после удаления бит обеспечения прозрачно-

сти передачи;

 обнаружена ошибка в принятом кадре;

 искажено поле адреса (для случая, когда проверка не выявила ошибки

в КПК);

 содержится несуществующий идентификатор виртуального канала;

 превышен допустимый максимальный размер кадра (в некоторых ва-

риантах реализации стандартов FR возможна принудительная обработка

кадров, превышающих допустимый максимальный размер).

Перераспределение функций между сетевым и канальным уровнями

отразились и на структуре информационных блоков. Если в сетях Х.25 на

канальном уровне информационной единицей является кадр, а на сетевом –

пакет, то в сетях FR на этих уровнях используется единая структурная еди-

ница – кадр. Следует также отметить меньшую избыточность кадров сети

Frame relay. Так, при максимальной длине кадра 1024 байта служебная ин-

формация составляет 6…8 байтов.

5.6.2. Управление доступом и защита от перегрузок

Управление доступом к сети Frame relay возлагается на интерфейс ло-

кального управления LMI (Local Management Interface). Доступ в сеть FR

обеспечивают порты FR и FR-адаптеры - сборщики/разборщики кадров FR.

Добиться высокой эффективности использования пропускной способ-

ности физических линий и каналов связи, а также исключения перегрузок

узлов связи и всей сети FR позволяет метод статистического мультиплекси-

рования кадров, в соответствии с которым выполняется следующее:

 постоянное "наблюдение" аппаратурой канала данных (АКД) за пото-

ком заявок от пользователей на передачу сообщений и за текущей загрузкой

сети (линий, каналов и узлов связи);

 перераспределение свободного (и высвобождающегося) ресурса про-

Раздел 5. Глобальные сети связи

411

пускной способности в соответствии с реальными потребностями абонентов;

 предоставление пользователям каналов информационного обмена,

удовлетворяющих их требованиям.

В протоколе ретрансляции кадров FR отсутствует явно выраженное

управление потоками для каждой виртуальной цепи. Вместо этого преду-

смотрены простые механизмы уведомления о перегрузках, позволяющие ин-

формировать абонента о том, что ресурсы сети приближаются к состоянию

перегрузки.

Интерфейс локального управления LMI предусматривает три способа

локального управления:

 синхронное симплексное;

 синхронное дуплексное;

 асинхронное.

Для организации синхронного симплексного управления используют-

ся два вида сообщений: "Запрос состояния" и "Состояние". С помощью этих

сообщений интерфейс проверяет целостность соединения, уведомляет о

включении или выключении, а также о готовности постоянного виртуально-

го канала PVC.

В процессе реализации процедуры симплексного управления оконеч-

ное оборуддование данных ООД периодически запрашивает через интерфейс

LMI состояние сети, посылая через определенный временной интервал в

сеть сообщение "Запрос состояния" с целью подтверждения целостности со-

единения. На этот запрос сеть отвечает сообщением "Состояние", содержа-

щим требуемый элемент информации о целостности соединения.

На протяжении процедуры опроса проводится подсчет числа запросов.

По достижении определенного числа переданных сообщений "Запрос со-

стояния" ООД запрашивает у сети информацию о так называемом полном

состоянии, также используя сообщение "Запрос состояния". Аппаратура ка-

нала данных АКД отвечает на него сообщением "Состояние", в котором при-

сутствуют информационные элементы для каждого PVC (если ООД имеет

несколько портов). Отсутствие в этом ответе информационного элемента для

какого-либо PVC воспринимается терминалом пользователя как отсутствие

PVC в интерфейсе "пользователь-сеть". Проверка целостности соединения

основана на генерации последовательности специальных пронумерованных

кадров и проверке корректности ее передачи. ООД может обнаруживать сле-

дующие ошибки:

 прием кадра, информирующего о целостности соединения, с непра-

вильным порядковым номером (не соответствующим порядковому номеру

последнего переданного кадра);

 отсутствие приема сообщения "Состояние" по истечении определенно-

го временного интервала после передачи сообщения "Запрос состояния";

Компьютерные сети

412

 прием кадра с ошибкой в контрольной последовательности.

В этой ситуации виртуальный канал, при опросе которого обнаружены

ошибки, исключается из списка активных каналов.

Синхронное дуплексное управление отличается от симплексного

только тем, что сообщения "Запрос состояния" и "Состояние" имеют право

передавать обе стороны интерфейса.

Главным недостатком синхронных способов управления является по-

тенциальная задержка информирования оконечного оборудования данных

ООД или аппаратуры канала данных АКД об изменениях в сетевых вирту-

альных каналах PVC. Например, при задержке проверки состояния, равной

60 с и скорости передачи 64 кбит/с, пользователь направит в сеть приблизи-

тельно 3,5 Mбит данных, прежде чем получит информацию о состоянии по-

стоянного виртуального канала PVC.

Способ асинхронного управления позволяет при изменении состоя-

ния PVC сети FR сразу передавать стандартные сообщения "Запрос состоя-

ния" и "Состояние". Эти сообщения содержат информацию только об от-

дельных PVC, которые изменили свое состояние. Проверка целостности со-

единения также основана на генерации последовательности специальных

пронумерованных кадров и проверке корректности ее передачи. Асинхрон-

ное управление может осуществляться совместно с синхронным, однако, ес-

ли в сети FR применяются одновременно коммутируемые SVC и постоянные

PVC виртуальные каналы, то рекомендуется использовать только асинхрон-

ное управление.

Управление потоком в сети ведется как узлами коммутации, так и

ООД. Первые проверяют загруженность сети, а вторые собственно и управ-

ляют потоком данных. Для контроля над перегрузкой сети используются би-

ты уведомления о перегрузке. При возникновении перегрузки аппаратура

канала данных узла АКД отправляет устройствам-адресатам пакет с битом

БУПП=1, а узлам, шлющим ему информацию, пакет с битом БУИП=1.

Большое число пакетов с такими битами говорит о перегрузке и источник

должен снизить частоту посылки пакетов или вовсе ее прекратить. Как пра-

вило, реакцией на перегрузку сети является снижение скорости передачи

информации. Эта процедура реализуется протоколами более высоких уров-

ней, чем канальный. Устранение перегрузок заключается в удалении части

кадров сетевым оборудованием. В первую очередь удаляются кадры с при-

знаком допустимости их удаления. Признак допустимости удаления может

устанавливаться как системой, так и пользователем.

Все это позволяет существенно сократить время задержки кадров в уз-

лах коммутации и в сочетании с высокоскоростными каналами обеспечить

скорость передачи данных свыше 1,544 Мбит/с, в то время как скорость в се-

ти Х.25 не превышает 56 Кбит/с.

Раздел 5. Глобальные сети связи

413

5.7. Асинхронная сеть передачи сообщений АТМ

5.7.1. Основные принципы технологии АТМ

Открытость стека протоколов TCP/IP, его возможности поддержки ло-

кальных и глобальных сетей и сегодня способствуют росту его популярно-

сти. Однако стандарты на стек протоколов TCP/IP были разработаны доста-

точно давно. Поэтому он уже не может удовлетворить современным требо-

ваниям, например, к передаче аудио- и видеоинформации в реальном време-

ни, так как не имеет возможности резервировать требуемую для приложения

часть пропускной способности сети.

Правила обработки информации в соответствии с протоколами TCP/IP

одинаковы для всех приложений, будь то электронная почта или видеокон-

ференция, т. е. данные имеют одинаковый приоритет при обработке и пере-

даются с одинаковой скоростью. Кроме того, следует принимать во внима-

ние то, что пересылка пакетов осуществляется в случайном порядке, а это

противоречит концепции передачи, критичной к задержкам информации,

при которой пакеты должны передаваться в строго определенной последова-

тельности. С целью более полного удовлетворения противоречивых требо-

ваний к транспортированию разнородной информации, критичной к задерж-

кам в сети, была предложена новая быстродействующая технология по-

строения сетей с коммутацией пакетов АТМ.

АТМ (Asynchronous Transfer Mode – асинхронный режим передачи)

представляет собой технологию построения и функционирования сети с па-

кетной коммутацией и высокоскоростным асинхронным режимом передачи.

Сеть ориентирована на виртуальное (логическое) соединение и обеспечение

большого числа услуг (рисунок 5.29).

Рисунок 5.29 – Схема мультиплексирования информационных

потоков в сети АТМ

Компьютерные сети

414

Технология ATM имеет значительные преимущества по сравнению с

протоколом IP: благодаря ориентации на установление логического соеди-

нения между абонентами, она гарантирует эффективную и устойчивую рабо-

ту, становясь идеальным решением для передачи по сети аудио- и видеоин-

формации. Слово асинхронный в названии означает, что тактовые генерато-

ры передатчика и приемника не синхронизованы. Асинхронная передача

также не предполагает упорядочивания пакетов по каналам при пересылке.

Технология АТМ может использоваться как для построения высоко-

скоростных локальных сетей, так и магистралей, объединяющих традицион-

ные локальные сети. Одно из главных преимуществ АТМ - возможность за-

давать для различных потоков трафика тот или иной уровень обслуживания

QoS (Quality of Service), определяющий, по существу, степень приоритетно-

сти трафика при передаче его по сети.

В ATM-сетях для создания информационных магистралей между пе-

редающим и принимающим узлами используются виртуальные каналы (вир-

туальные цепи). Виртуальный канал представляет собой некоторый тракт

(путь) передачи между двумя узлами коммутируемой сети, который с точки

зрения передачи информации выглядит как выделенное двухточечное соеди-

нение, "прозрачное" для пользователя. В ATM-сетях существуют три типа

виртуальных каналов: постоянные, коммутируемые и интеллектуальные по-

стоянные виртуальные каналы. Детальнее о них сказано ниже.

АТМ осуществляет передачу с высокой скоростью небольших пакетов

фиксированной длины через широкополосные каналы связи. По терминоло-

гии, принятой в АТМ, пакеты называются ячейками (cells). Этот термин

введен, чтобы отличить пакеты ATM от пакетов низкоскоростных сетей.

Ячейки имеют два важных преимущества перед кадрами. Во-первых, по-

скольку кадры имеют переменную длину, каждый поступающий кадр дол-

жен буферизироваться, что гарантирует его целостность передачи. В связи с

тем, что ячейки всегда имеют одну и те же длину, они требуют меньшей за-

траты памяти, так как можно предсказать требуемый размер буфера. Во-

вторых, все ячейки имеют одинаковую длину, поэтому появление полей па-

кетов предсказуемо. Их заголовки всегда находятся на одном и том же месте.

В результате коммутатор автоматически обнаруживает заголовки ячеек и их

обработка происходит быстрее. В сети с трансляцией ячеек размер каждой из

них должен быть достаточно мал, чтобы сократить время ожидания (очень

важно для телефонии), но достаточно велик, чтобы повысить эффективную

скорость передачи данных.

Разработчикам АТМ было достаточно трудно найти компромисс меж-

ду временем ожидания и издержками передачи (снижение эффективной ско-

рости). Они должны были учесть интересы как телефонной отрасли, так и

производителей оборудования передачи данных. Телефонистам нужен был

Раздел 5. Глобальные сети связи

415

маленький размер ячейки, поскольку голос обычно передается маленькими

фрагментами, и уменьшение задержек обеспечивало бы более качественную

связь (без пауз). Специалисты по передачи данных требовали большего раз-

мера ячеек, поскольку большие файлы обеспечивают более высокую эффек-

тивную скорость передачи данных.

В результате дискуссии разработчики нашли компромисс в размере

ячейки: 53 байта, из которых 48 информационные, а 5 – заголовок. Прове-

рочная последовательность отсутствует, так как используются высококаче-

ственные каналы связи. Заголовок пакета содержит лишь 5 байтов и предна-

значен главным образом для определения принадлежности данного пакета

определенному виртуальному каналу. Отсутствие контроля ошибок и по-

вторной передачи на физическом уровне приводит к эффекту размножения

ошибок. Если происходит ошибка в поле идентификатора виртуального

пути или виртуального канала, то коммутатор может отправить ячейку дру-

гому получателю. Таким образом, один получатель не получит ячейку, а

другой получит то, что ему не предназначалось.

Для передачи пакетов по сетям АТМ от источника к получателю ин-

формации отправитель должен сначала установить соединение с получате-

лем информации. Установление соединения в АТМ происходит так же, как и

в сети ISDN. Формально эта процедура не является частью ATM-протокола.

Сначала посылается запрос с нулевым номером виртуального пути VPI=0 и

пятым номером виртуального канала VCI=5. Если процедура завершилась

успешно, то можно начинать формирование виртуального канала. При соз-

дании канала возможно использование 6 разновидностей сообщений:

setup – запрос формирования канала;

call proceeding – запрос в процессе исполнения;

connect – запрос принят;

connect ACK – подтверждение получения connect;

release – сообщение о завершении;

release compleate – подтверждение получения сообщения release.

Схема обмена сообщениями при установлении (и разрыве) виртуаль-

ного соединения показана на рисунке 5.30. Предполагается, что между ком-

пьютером-источником и компьютером-адресатом находится два ATM-

коммутатора. Каждый из узлов по пути к месту назначения при получении

запроса setup откликается, посылая сообщение call proceeding. Адрес места

назначения указывается в сообщении setup.

Преимуществом наличия процедуры установления соединений являет-

ся гарантированность для данного соединения определенной пропускной

способности и запрошенного качества сервиса (допустимое количество по-

терянных пакетов, допустимое изменение интервалов между ячейками и

т.д.). В результате этого сети с установлением соединений могут использо-

Компьютерные сети

416

ваться для передачи различных видов информации: звука, видео, данных.

В сети АТМ все источники, такие как рабочие станции, серверы, мар-

шрутизаторы и мосты, подсоединены непосредственно к коммутатору. Когда

одно устройство запрашивает соединение с другим, коммутаторы его уста-

навливают. При этом они определяют оптимальный маршрут (традиционно

эту функцию в объединенной сети выполняют маршрутизаторы).

После установления соединения коммутаторы начинают функциони-

ровать как мосты, просто пересылая пакеты. Отличие состоит лишь в том,

что если мосты отправляют пакеты по всем достижимым адресам, то комму-

таторы пересылают ячейки только следующему узлу заранее выбранного

маршрута.

5.7.2. Уровни и протоколы сети АТМ

В отличие от общеизвестной 7-уровневой модели взаимодействия от-

крытых сетей АТМ имеет свою собственную модель, разработанную между-

народными организациями по стандартизации (ITU-Т и ANSI). Модель АТМ

состоит из трех уровней:

1) физического;

2) уровня АТМ;

3) уровня адаптации АТМ.

Рисунок 5.30 – Обмен сообщениями при установлении и разрыве

виртуального соединения в АТМ

Раздел 5. Глобальные сети связи

417

Эти уровни примерно соответствуют по функциям физическому, ка-

нальному и сетевому уровням ВОС. В настоящее время модель АТМ не

включает в себя никаких дополнительных уровней, которые соответствовали

бы более высоким уровням эталонной модели ВОС.

Физический уровень устанавливает способ передачи битов через сре-

ду, типы линий связи и скорости передачи. Стандарт ATM не вводит свои

спецификации на реализацию физического уровня. Здесь он основывается на

технологии SDH/SONET, принимая ее иерархию скоростей. В соответствии

с этим начальная скорость доступа пользователя сети – это скорость 155

Мбит/с. Другой скоростью, регламентируемой стандартом, является ско-

рость 622 Мбит/с. При скорости передачи 155 Мбит/с можно использовать

не только волоконно-оптический кабель, но и неэкранированную витую пару

категории 5. На скорости 622 Мбит/с допустим только волоконно-

оптический кабель. Имеются и другие физические интерфейсы к сетям ATM,

отличные от SDH/SONET. К ним относятся интерфейсы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ, рас-

пространенные в глобальных сетях, а также интерфейсы локальных сетей, в

частности, интерфейс с кодировкой 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с (FDDI).

Уровень АТМ регламентирует способ передачи сигналов, управление

передачей и установление соединения. Функции передачи и управления по-

добны функциям канального уровня ВОС, а функции соединения ближе все-

го к функциям маршрутизации, которые определены стандартами модели

ВОС для сетевого уровня.

Процедуры уровня АТМ регламентируют, как принимать ячейку, сге-

нерированную на физическом уровне, добавлять 5-байтный заголовок и по-

сылать ячейку уровню адаптации АТМ. Они также задают способ установ-

ления соединения с конечной станцией.

При установлении соединения различают образование виртуальных

путей и виртуальных каналов. Виртуальный путь VP (Virtual Path)– это

путь между двумя коммутаторами, который существует постоянно, незави-

симо от того, установлено ли соединение. По виртуальному пути проходят

все сообщения от одного коммутатора к другому. Виртуальный путь объе-

диняет несколько виртуальных каналов, проходящих по одному и тому же

направлению на некотором участке сети. Этот параметр дает возможность

коммутатору переключать целые группы виртуальных каналов, не затрачи-

вая времени на анализ информации по каждому каналу в отдельности.

Виртуальный канал VC (virtual channel) – это тракт передачи, уста-

навливаемый между двумя станциями на время их взаимодействия. Вирту-

альный канал представляет собой фиксированный маршрут, состоящий из

последовательности номеров портов коммутаторов, через которые проходят

все ячейки при данном сеансе связи от одного пользователя к другому.

Двухпроводные виртуальные каналы всегда однонаправленные. Для переда-

Компьютерные сети

418

чи данных в обратном направлении используются другие номера портов.

Виртуальные каналы бывают постоянного включения и коммутируе-

мые. Первый тип называется постоянным виртуальным каналом PVC

(Permanent Virtual Circuit), а второй — коммутируемым виртуальным кана-

лом SVC (Switched Virtual Circuit). Постоянный канал PVC представляет со-

бой выделенную логическую цепь с заранее определенным путем, которая

может иметь фиксированную полосу пропускания между двумя конечными

точками. PVC используется только для соединений, которые существуют без

изменений продолжительное время (несколько недель или лет). Его устанав-

ливает оператор вручную путем ввода с пульта управления команд инициа-

лизации коммутатора.

В отличие от канала PVC, коммутируемый виртуальный канал SVC

автоматически создается программным обеспечением и разрывается, как

только в нем исчезает необходимость. Программное обеспечение узла сети

инициирует создание канала SVC путем посылки запроса локальному ком-

мутатору. В запросе указывается полный адрес удаленного компьютера, с

которым необходимо установить канал SVC, а также параметры, опреде-

ляющие требуемое качество соединения (например, пропускная способ-

ность и величина задержки). Затем узел сети ожидает, пока коммутатор ATM

создаст канал и пришлет ответ на запрос.

После установления соединения коммутаторы применяют адресные

таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо направлять ячейки.

В процессе передачи ячеек по сети АТМ используется следующая управ-

ляющая информация:

 адрес порта, из которого приходят ячейки;

 специальные значения в заголовках ячейки, называемые идентифика-

торами виртуального канала и виртуального пути.

Номера виртуальных каналов и виртуальных путей, включаемые ком-

мутатором в заголовки ячеек перед их передачей, указываются в адресных

таблицах.

Интеллектуальный постоянный виртуальный канал ATM (ATM smart

permanent virtual circuit, SPVC) объединяет в себе свойства постоянного и ком-

мутируемого виртуальных каналов. Такой канал, как и постоянный PVC, тре-

бует ручного конфигурирования (хотя только на оконечных устройствах). Как

и в коммутируемом виртуальном SVC-канале, для каждого сеанса связи с ис-

пользованием интеллектуального SPVC-канала указывается индивидуальный

путь к коммутатору или к тем коммутаторам, через которые должны переда-

ваться данные. Кроме того, как и для постоянных PVС-каналов, операции

создания и удаления интеллектуального SPVC-канала не вызывают задержек,

поскольку этот канал сконфигурирован заранее. Подобно коммутируемым

SVC-каналам, интеллектуальный SPVC-канал отказоустойчив благодаря нали-