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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5. Глобальные сети связи

429

редавать мультимедийный трафик и широко применять методы обеспечения

качества обслуживания QoS.

Дальнейшим шагом на пути интеграции IP-технологии с технологиями

виртуальных каналов явилась технология MPLS (MultiProtocol Label Switch-

ing). Она занимает промежуточное положение между уровнем IP и уровнями

таких технологий как ATM, Frame Relay или Ethernet, объединяя их в еди-

ную технологию.

Технология MPLS обеспечивает построение магистральных сетей,

имеющих практически неограниченные возможности масштабирования, по-

вышенную скорость обработки трафика и гибкость с точки зрения организа-

ции дополнительных сервисов. Кроме того, интеграция сети IP и ATM по-

зволила поставщикам услуг не только сохранить средства, инвестированные

в оборудование асинхронной передачи, но и получить дополнительную вы-

году из совместного использования этих протоколов.

5.8.2. Функционирование IP-сетей поверх ATM/FR

При построении IP-сети поверх сетей ATM или FR между сетевым и

канальным уровнями функционирует сеть АТМ или Frame Relay. Благодаря

более высокой скорости и разветвленной шкале параметров качества обслу-

живания QoS, в качестве промежуточного слоя преимущественно использу-

ется сеть АТМ (рисунок 5.35).

Рисунок 5.35 – Структура IP-сети, наложенной на АТМ

В такой сети IP-маршрутизаторы соединяются с коммутаторами АТМ.

Для этой цели маршрутизаторы IP-сети снабжаются портами, поддержи-

вающими технологию АТМ. После установления виртуального соединения

между маршрутизаторами IP-сети эти маршрутизаторы могут пользоваться

такими соединениями как обычными цифровыми линиями и отправлять

данные порту на соседний (по отношению к виртуальному каналу) маршру-

Компьютерные сети

430

тизатор. Сеть АТМ является прозрачной для IP-маршрутизаторов, а сеть IP

– наложенной (оверлейной) по отношению к сети АТМ.

Чтобы протокол IP мог корректно работать, в его распоряжении долж-

ны быть сведения о соответствии между IP-адресами узлов и адресами вир-

туальных каналов АТМ, с помощью которых достижим соответствующий

IP-адрес. Поскольку сеть АТМ не поддерживает режим широковещательных

запросов, таблица соответствия адресов не может быть создана автоматиче-

ски. Поэтому администратор IP-сети вынужден вручную выполнить конфи-

гурирование каждого интерфейса маршрутизатора, задавая таблицу соответ-

ствия для всех номеров входящих и исходящих виртуальных каналов, соеди-

ненных с данным интерфейсом.

Если многослойная сеть IP/ATM должна передавать трафик различных

классов с соблюдением параметров QoS для каждого класса, то соседние

маршрутизаторы связывают несколькими виртуальными каналами, минимум

по одному для каждого класса.

Наложенная IP-сеть может также использовать режим коммутируемых

виртуальных каналов (SVC) для передачи IP-трафика. Такой режим целесо-

образно применять для пульсирующих потоков, существующих в течение

небольших промежутков времени. Для того чтобы маршрутизаторы могли

использовать режим SVC, необходимо задавать отображение IP-адресов не

на номера виртуальных каналов, а на АТМ-адреса конечных точек сети

АТМ, то есть АТМ-адреса интерфейсов маршрутизатора. Эта функция раз-

решения адресов выполняется администратором сети вручную.

5.8.3. MPLS-технология

MPLS (MultiProtocol Label Switching) представляет собой сетевую тех-

нологию, при которой IP-пакеты передаются по виртуальным каналам сети

АТМ или FR. Она объединяет технологии виртуальных каналов и коммута-

ции пакетов. В соответствии с этой технологией в IP-пакеты на основе их

приоритета добавляется специальный идентификатор – метка. Помеченные

пакеты передаются по специально созданным LSP-путям коммутации по

меткам (Label Switching Path). Все передаваемые в MPLS-сети пакеты объе-

диняются в группы (классы), перемещаемые по одному и тому же маршруту

и с одним и тем же качеством обслуживания. Формируемые в MPLS-сети

группы пакетов получили название "класс эквивалентности продвижения

данных" – FEC (Forwarding Equivalence Class). Для каждого класса эквива-

лентности продвижения данных FEC определяется маршрут через сеть узлов

– LSR-маршрутизаторов (Label Switching Router). В каждый FEC-класс

Раздел 5. Глобальные сети связи

431

включаются пакеты, имеющие одинаковые требования по качеству обслу-

живания. Технология многопротокольной коммутации с помощью меток

MPLS представляет собой сетевую технологию, ориентированную на соеди-

нения.

MPLS-сеть (рисунок 5.36) состоит из множества соединенных между

собой узлов, поддерживающих технологию MPLS. Узлы такой сети называ-

ются "LSR-маршрутизаторы". Эти узлы обладают свойством коммутировать

пакеты на основании специальных идентификаторов – меток, добавленных

к каждому пакету. Метки определяют поток пакетов между двумя оконеч-

ными точками, а в случае групповой рассылки – между оконечным пунктом-

источником и группой оконечных пунктов. Кроме LSR-маршрутизаторов в

сети установлены пограничные коммутирующие по меткам маршрути-

заторы LER (Label switch Edge Routers). MPLS-сеть может состоять из не-

скольких независимых MPLS-доменов. Домены соединяются между собой

посредством пограничных маршрутизаторов LER.

Рисунок 5.36 - Структура MPLS-сети

Соединенные между собой LSR-маршрутизаторы MPLS-сети образуют

некоторую разветвленную многоуровневую иерархическую структуру, по

которой прокладываются пути коммутации по меткам LSP. Эти пути форми-

руются предварительно в соответствии с топологией межсетевых соедине-

ний. Каждый путь представляет собой однонаправленный виртуальный ка-

нал. Поэтому для передачи сообщений между двумя LER-узлами устанавли-

ваются два пути коммутации по меткам, т.е. по одному в каждом направле-

Компьютерные сети

432

нии. Если результирующий путь по MPLS-сети состоит из нескольких уча-

стков, относящихся к соответствующим уровням иерархии, то для каждого

участка задается своя метка. Группа меток составного пути объединяется в

стек меток. Детальнее о стеке меток и его использовании сказано ниже.

Для определения путей доставки пакетов LSP и установления пара-

метров качества обслуживания вдоль этих путей применяется либо типовой

протокол внутренней маршрутизации (OSPF), используемый для обмена

сведениями между узлами о достижимости и маршрутах, либо сетевой ад-

министратор явно указывает маршруты и назначает им соответствующие

значения меток. В качестве альтернативы для определения маршрута и уста-

новления меток между соседними LSR-маршрутизаторами может использо-

ваться специальный протокол распределения меток LDP (Label Distribution

Protocol) либо протокол резервирования ресурсов RSVP (Resource reserva-

tion Protocol). Последний предоставляет возможности разнородным пользо-

вателям резервировать сетевые ресурсы под собственные потребности.

Пограничные устройства LER принимают поток пакетов, входящий в

MPLS-домен от других сетей в виде стандартных IP-пакетов. LER путем

анализа заголовка IP-пакета (IP-адресов отправителя и получателя, иденти-

фикаторов IP-протокола, метки потока протокола IPv6 и других полей), до-

бавляют к каждому из пакетов необходимую метку и направляют по соот-

ветствующему пути к выходному LER-маршрутизатору через несколько

промежуточных LSR-маршрутизаторов. При этом пакет продвигается не на

базе IP-адреса, а на основе метки.

Каждый маршрутизатор LSR содержит таблицу, в которой установле-

но соответствие между записью "входной интерфейс, входная метка" и стро-

кой "префикс адреса получателя, выходной интерфейс, выходная метка".

Получая пакет, LSR по номеру интерфейса, на который пришел пакет, и по

значению присоединенной к пакету метки определяет для него выходной ин-

терфейс. Причем значение префикса адреса применяется лишь для построе-

ния таблицы и в самом процессе коммутации не используется. Старое значе-

ние метки заменяется новым, содержавшимся в поле «выходная метка» таб-

лицы, и пакет отправляется к следующему устройству на пути LSP.

Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений по-

лей в одной строке таблицы. Это занимает гораздо меньше времени, чем

сравнение IP-адреса отправителя с наиболее длинным адресным префиксом

в таблице маршрутизации, которое используется при традиционной маршру-

тизации.

Как и в других технологиях, использующих технику виртуальных ка-

налов, метки имеют только локальное значение в пределах каждого узла

LER и LSR. Поэтому LSR-маршрутизатор удаляет из пакета входную метку

Раздел 5. Глобальные сети связи

433

и перед последующей передачей присоединяет к нему соответствующую но-

вую выходную метку.

Выходной узел LER удаляет метку и передает пакет в следующую IP-

сеть в стандартном IP-формате. Таким образом, технология MPLS является

прозрачной для остальных IP-сетей, соединенных с MPLS-сетью.

Если многослойная сеть IP/ATM должна передавать трафик различных

классов с соблюдением параметров QoS для каждого класса, то соседние

маршрутизаторы должны быть связаны несколькими виртуальными канала-

ми, по одному для каждого класса. Причем маршрутизаторам должна быть

задана политика классификации пакетов, позволяющая отнести передавае-

мый пакет к определенному классу.

5.8.4. Форматы MPLS-заголовков и стек меток

Заголовки MPLS, добавляемые в кадры канального уровня соответст-

вующих протоколов, содержат четыре поля (рисунок 5.37). Поле "Метка"

занимает 20 бит и используется для выбора соответствующего пути комму-

тации по меткам LSP. Затем следует поле, указывающее "Класс обслужива-

ния" CoS (Class of Service). Оно занимает 3 бита и используется для указания

класса трафика, требующего определенного показателя CoS. Следующее од-

нобитовое поле является указателем дна стека меток S. Последнее 8-

битовое поле определяет время жизни пакета. Оно дублирует аналогичное

поле IP-пакета.

Рисунок 5.37 – Заголовок кадра MPLS-сети

Последовательность MPLS-заголовков объединяется в стек. Поэтому

всегда имеется метка, расположенная в вершине стека, и метка, находящаяся

на дне стека. Стек меток позволяет создавать систему объединенных (агре-

гированных) путей LSP с любым количеством уровней иерархии. Кадр, пе-

ремещаемый по объединенному пути должен включать столько заголовков

Компьютерные сети

434

MPLS, сколько уровней иерархии содержит путь. Продвижение MPLS-кадра

осуществляется только на основе метки, расположенной в данный момент в

вершине стека.

Над метками выполняются следующие операции, задаваемые в поле

действий таблицы продвижения: помещение метки в стек "Push", замена те-

кущей метки "Swap" и удаление из стека верхней метки "Pop".

5.8.5. Применение технологии MPLS

В настоящее время существует несколько областей практического

применения MPLS-технологии, позволяющие повысить эффективность ис-

пользования компьютерных сетей. Одно из простейших применений – уско-

рение продвижения пакетов сетевого уровня, перемещающихся по маршру-

там, составленных на основе стандартных внутренних шлюзовых протоко-

лов IGP. При использовании технологии MPLS-IGP пути коммутации по

меткам прокладываются в соответствии с существующей топологией IP-

сетей, связанных MPLS-доменом, и не зависит от интенсивности трафика

между этими сетями. Протокол MPLS-IGP ускоряет продвижение пакетов за

счет сокращения просматриваемых таблиц продвижения по меткам, так как

обычная таблица маршрутизации содержит намного больше записей, чем

таблица продвижения. Эффективность функционирования MPLS заметно

повышается на крупных магистральных сетях, где маршрутизаторы опери-

руют с таблицами в несколько десятков тысяч записей.

Другим типовым назначением сетей MPLS является обеспечение га-

рантированной средней пропускной способности на основе применения ме-

тодов рационального распределения трафика ТЕ (Traffic Engineering). В этом

состоит основное отличие технологии MPLS-ТЕ от технологии MPLS-IGP,

так как последняя обеспечивает прокладку путей коммутации по меткам

только на основе топологии составной сети, а интенсивность трафика при

этом не учитывается. Кроме того, в отличие от MPLS-IGP в технологии

MPLS-ТЕ пути коммутации по меткам, называемых ТЕ-туннелями, не про-

кладываются автоматически, а задаются администратором сети. ТЕ-туннели

подобны постоянным виртуальным каналам PVC в технологиях АТМ и

Frame relay.

Третья область применения MPLS-технологии – построение частных

виртуальных сетей VPN. Создание таких сетей возможно за счет разграни-

чения трафика, без необходимости обязательного шифрования данных. Тра-

фик данного предприятия прозрачно проходит через объединенную сеть,

причем можно легко отделять этот трафик от остальных пакетов объединен-

ной сети, предоставляя гарантии производительности и безопастности.

Раздел 5. Глобальные сети связи

435

Таким образом, основным преимуществом MPLS-технологии, с точки

зрения пользователя, является качество обслуживания QoS, а следующим по

важности - упрощение защиты и процедуры доступа к частным виртуальным

сетям VPN.

5.9. Выводы по разделу

1. Глобальные сети на начальном этапе развития широко использовали

каналы связи общего пользования: телефонные каналы тональной частоты и

первичные широкополосные каналы, образованные аналоговой аппаратурой

уплотнения с частотным разделением каналов.

2. С развитием и внедрением в системы связи цифровых технологий в

глобальных компьютерных сетях повсеместно стали применяться цифровые

каналы на основе плезиохронной цифровой иерархии PDH, образованные

аппаратурой уплотнения с временным разделением каналов и импульсно-

кодовой модуляцией (ИКМ).

3. Глобальные сети используются преимущественно как транзитная

транспортная система, обеспечивающая доставку сообщений между абонен-

тами сети. Такие сети предоставляют в основном услуги трех нижних уров-

ней эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI.

4. При создании высокоскоростных сетей передачи данных, речи, ви-

део и мультимедиа в территориальных и крупных корпоративных сетях в ка-

честве транспортной среды все чаще применяются выделенные цифровые

каналы первичной сети связи, созданные на основе новых коммуникацион-

ных технологий, таких как цифровая синхронная иерархия SDH и техноло-

гия плотного волнового мультиплексирования DWDM.

5. В аналоговых телефонных сетях составной канал между абонентами

имеет ограниченную полосу пропускания. Для передачи двоичных импуль-

сов постоянного тока по такому каналу необходимо перенести их спектр в

полосу прозрачности канала. Эта процедура осуществляется путем модуля-

ции несущего колебания. На приемной станции принимаемый сигнал демо-

дулируется. Модуляция и демодуляция сигналов реализуется в модемах.

6. Для соединения модема с компьютером МККТТ был разработан

стандартный интерфейс (стык) С2, в состав которого входит около двух де-

сятков цепей. В современных модемах соединение внешнего модема с ком-

пьютером осуществляется преимущественно через последовательный ин-

терфейс RS-232C.

Компьютерные сети

436

7. В состав типового модема входят передатчик и приемник прямого

канала и приемо-передатчик обратного (служебного) канала связи. Служеб-

ный канал используется для подтверждения (квитирования) правильности

приема или запроса повторной передачи блока.

8. Современные телефонные модемы являются мультистандартными и

могут работать со скоростями передачи от 300 бит/с до 56 кбит/с, причем,

скорость модуляции составляет от 300 до 3000 бод. На низких и средних

скоростях в прямом канале применяется двухпозиционная частотная или фа-

зовая модуляция, на скоростях свыше 2400 бит/с используется многопозици-

онная фазовая или амплитудно-фазовая модуляция. В обратном канале сиг-

налы квитирования во всех типах модемов модулируются по частоте и пере-

даются со скоростью 75 бод. Для повышения помехоустойчивости в модемах

используется циклическое и треллис-кодирование. Количество позиций сиг-

нала достигает 512. Во всех типах современных модемов применяется про-

цедура сжатия входных данных.

9. Для повышения скорости на участке "последней мили" – абонент-

ской линии, соединяющей сетевой компьютер с АТС, используется цифро-

вая технология DSL. На АТС устанавливается специальная аппаратура DSL-

доступа, позволяющая "обойти" коммутационное и каналообразующее обо-

рудование телефонной станции, сужающее полосу пропускания абонентско-

го тракта до 3,4 кГц. Благодаря этому удается достичь скорости передачи на

участке "провайдер-пользователь" в несколько Мбит/с. Существуют асим-

метричные и симметричные, высокоскоростные и адаптивные DSL-модемы

на широкий диапазон скоростей от 1,5 до 51 Мбит/с.

10. В современных DSL-модемах используется цифровая обработка

сигналов, коррекция частотных характеристик кабельной линии на пере-

дающей и приемной сторонах, комбинирование различных помехоустойчи-

вых способов кодирования (циклическое, Рида-Соломона, перестановочное).

11. Для подключения к сети Интернет посредством модема через те-

лефонный канал и создания соединения с использованием протокола TCP/IP

на канальном уровне применяется преимущественно протокол PPP. Он реа-

лизует процедуры: инкапсуляции данных, позволяющей на одном и том же

канале использовать различные сетевые протоколы; управления соединени-

ем LCP, служащей для установки, конфигурации и тестирования соедине-

ния; управления сетью с использованием протокола NCP позволяющего

РРР-соединению применять протоколы различных сетевых уровней.

12. Для обмена файлами между компьютерами, подключенными к те-

лефонной сети посредством модемов, применяются протоколы передачи

файлов, такие как Xmodem, Xmodem-CRC и 1k, Ymodem и Zmodem. Наибо-

лее совершенным является Zmodem. Он совместим со всеми предыдущими

типами модемных протоколов и позволяет динамически адаптироваться к

Раздел 5. Глобальные сети связи

437

состоянию канала, возобновлять прерванную передачу файла с места сбоя,

осуществлять групповую передачу файлов.

13. Цифровая плезиохронная иерархия представляет собой транс-

портную среду с широким диапазоном цифровых каналов от 64 кбит/с до 140

Мбит/с. Недостатком технологии PDH является невозможность извлечения

на промежуточных узлах сети потоков данных со скоростью 64 кбит/с или 2

Мбит/с, входящих в групповой поток со скоростью 140 Мбит/с без полного

демультиплексирования и удаления выравнивающих битов.

14. Этот недостаток был ликвидирован в синхронной цифровой ие-

рархии SDH. Она позволяет гибко формировать цифровые каналы широкого

диапазона скоростей: от единиц мегабит до десятков гигабит в секунду. Ка-

налы SDH относятся к классу полупостоянных. Формирование канала про-

исходит по инициативе оператора сети SDH. Пользователи же лишены такой

возможности, в связи с чем каналы SDH обычно применяются для передачи

достаточно устойчивых во времени потоков.

15. SDH обладает гибкой иерархической схемой мультиплексирова-

ния цифровых потоков разных скоростей. Это позволяет вводить в магист-

ральный канал и выводить из него пользовательскую информацию любого

поддерживаемого технологией уровня скорости, не демультиплексируя по-

ток в целом. Основной информационной единицей технологии SDH является

синхронный транспортный модуль, представляющий собой кадр, передавае-

мый со скоростью 155,52 Мбит/с.

16. Селективный доступ к отдельным группам данных без демульти-

плексирования общего транспортного потока в SDH достигается посредст-

вом байт-ориентированного мультиплексирования и непосредственной адре-

сации начала каждого из контейнеров. В контейнере имеются указатели, оп-

ределяющие текущее положение контейнера в структуре более высокого

уровня. Это позволяет мультиплексору находить положение пользователь-

ских данных "на лету", без полного демультиплексирования, как это произ-

водится в PDH.

17. Одной из самых перспективных технологий создания цифровых

каналов для глобальных сетей является технология спектрального мультип-

лексирования WDM основанная на способности оптического волокна одно-

временно передавать свет различных длин волн (цветов) без взаимной ин-

терференции. Каждая длина волны представляет отдельный оптический ка-

нал в волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). Число каналов на входе и

выходе одного волокна может достигать 32, а в отдельных случаях и более

со скоростями передачи в каждом их них 2,5 Гбит/с.

18. К одной из перспективных для создания глобальных компьютер-

ных сетей относится сеть интегрального обслуживания ISDN, представляю-

щая собой цифровую сеть с коммутацией каналов. Основу иерархии состав-

Компьютерные сети

438

ляет цифровой канал со скоростью передачи 64 кбит/с, называемый В-

каналом.

19. Старейшим представителем цифровых сетей с коммутацией паке-

тов является сеть Х.25. Сети Х.25 наилучшим образом подходит для передачи

трафика низкой интенсивности, характерного для терминалов. В сети осущест-

вляется сборка нескольких низкоскоростных старт-стопных потоков байтов от

алфавитно-цифровых терминалов в пакеты, передаваемые по сети и направ-

ляемые компьютерам для обработки.

20. Сеть Х.25 состоит из узлов коммутации пакетов УКП, располо-

женных в различных географических точках и соединенных высокоскорост-

ными выделенными каналами. Асинхронный старт-стопный терминал под-

ключается к сети коммутации пакетов через устройство сборки/разборки па-

кетов данных. Пакет данных состоит обычно из 128 байтов, которые пере-

даются по адресу, содержащемуся в пакете. Стандарт X.25 определяет пер-

вые три уровня эталонной модели взаимодействия открытых систем: физи-

ческий (интерфейс Х.21); канальный (протокол HDLC); сетевой (пакет-

ный).

21. Усовершенствованная технология быстрой коммутации пакетов

переменной длины реализована в сети Frame relay. В технологии исключены

многие функции учета и контроля, используемые в сетях Х.25, в связи с от-

сутствием их необходимости по причине высокой помехозащищенности оп-

товолоконных линий связи. Узлы коммутации выполняют только основные

функции канального уровня, связанные с получением и дальнейшей переда-

чей (ретрансляцией) кадров без их преобразования.

22. Высокую скорость в сети FR обеспечивает постоянный виртуаль-

ный канал, благодаря чему известен весь маршрут между конечными точка-

ми, в связи с чем устройства Frame relay избавлены от ряда постоянных про-

цедур: фрагментации, восстановления, выбора оптимального маршрута.

Большинство процедур обработки и управления передачей информации в FR

осуществляется оконечным оборудованием данных с помощью протоколов

более высокого уровня.

23. АТМ – асинхронный режим передачи – представляет собой техно-

логию построения и функционирования сети с пакетной коммутацией и вы-

сокоскоростным асинхронным режимом передачи. Сеть ориентирована на

виртуальное (логическое) соединение и может использоваться для передачи

данных, аудио- и видеоинформации. Передача информации осуществляется

небольшими пакетами фиксированной длины (53 байта), называемых ячей-

ками.

24. Для передачи ячеек по сетям АТМ от источника к адресату сна-

чала устанавливается соединение отправителя с получателем информации в

процессе которого создается виртуальный канал или виртуальный путь. Со-