 |
Классификация сетей передачи данных
|
|
|
|
Лекция 1. Общие сведения об нновационных сетевых технологиях
Краткая аннотация лекции: приведены основные элементы и устройства телекоммуникационных сетей, их классификация, описание семиуровневой модели взаимодействия открытых систем.
Цель лекции: изучить основную терминологию сетевых технологий, функции уровней модели OSI.
Основы сетевых технологий
Телекоммуникационные сети представляют комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих передачу информационных сообщений между абонентами с заданными параметрами качества. При создании сетей телекоммуникаций невозможно соединить всех абонентов между собой отдельными (выделенными) линиями связи. Это нецелесообразно экономически и невыполнимо практически. Поэтому соединение многочисленных абонентов (А), находящихся на большом расстоянии между собой, обычно производится через транзитные (телекоммуникационные) узлы (ТУ) связи (Рисунок1.1).
Рисунок 1.1 Телекоммуникационная сеть
Таким образом, телекоммуникационная сеть образуется совокупностью абонентов (А) и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи. Узлы ТУ производят коммутацию поступившего сообщения с входного порта (интерфейса) на выходной. Например, в сети Рисунок 1.1 при передаче сообщения от абонента А2 абоненту А6 транзитный узел ТУ1 производит коммутацию сообщения с входного интерфейса В на выходной С, транзитный узел ТУ3 – с входного интерфейса В на выходной Е. При этом формируется определенный маршрут, по которому передается сообщение. Процесс формирования маршрута, получил название коммутация. Коммутацией также называют передачу (продвижение) сообщения с входного интерфейса на выходной.
|
|
|
В некоторых сетях все возможные маршруты уже созданы и необходимо только выбрать наиболее оптимальный. Процесс выбора оптимального маршрута получил название маршрутизация, а устройство ее реализующее – маршрутизатор. Выбор оптимального маршрута узлы производят на основе таблиц маршрутизации (или коммутации) с использованием определенного критерия – метрики.
Таким образом, различают сети: с коммутацией каналов, когда телекоммуникационные узлы выполняют функции коммутаторов, и с коммутацией пакетов (сообщений), когда телекоммуникационные узлы выполняют функции маршрутизаторов. Различие коммутации пакетов или сообщений состоит в том, что сообщение может быть очень большим. Поэтому, если в нем обнаруживается ошибка, то повторно нужно передавать все сообщение большого объема. В сетях с коммутацией пакетов большое сообщение предварительно разбивается на сравнительно небольшие пакеты (сегменты). Поэтому при потере или искажении части сообщения повторно передается только потерянный пакет (сегмент).
В сетях с коммутацией каналов предварительно устанавливается соединение между абонентами (создается канал связи), затем по созданному каналу передаются сообщения. Поскольку канал связи полностью выделяется паре абонентов, то для него можно задать требуемые параметры и характеристики, обеспечив значения задержки и вариации задержек – джиттера.
Так как скоммутированный канал связи выделяется в полное распоряжение пары абонентов, то он используется не эффективно. Паузы между словами и, особенно, между фразами могут быть достаточно большими. Коэффициент использования канала обычно оценивают значением 0,25. В отличие от сетей с коммутацией каналов сети с коммутацией пакетов могут более эффективно использовать свои ресурсы.
Сети с коммутацией пакетов или сообщений (компьютерные сети) первоначально создавались для передачи данных, поэтому значения задержки и джиттер не играли существенной роли.
|
|
|
Сети с коммутацией каналов, когда телекоммуникационные узлы выполняют функции коммутаторов, и сети с коммутацией пакетов на маршрутизаторах характеризуются двумя принципиально различными видами трафика:
- потоковым(равномерным), например, трафиком телефонных сетей;
- пульсирующим(не равномерным) трафиком компьютерных сетей передачи данных.
При передаче аудио-сигналов телефонных сетей связи трафик будет равномерным (потоковым), как показано на Рисунок1.2а. Параметры задержкаи вариация задержек (джиттер) должны быть минимальны, чтобы не влиять на качество передаваемой информации.
При передаче компьютерных данных трафик является неравномерным (Рисунок1.2б), он также называется пульсирующим или эластичным. Передаваемые данные мало чувствительны к задержкам и джиттеру, однако очень чувствительны к потерям и искажениям пакетов. Поэтому наряду со средней скоростью трафика и его пульсацией, необходимо обеспечить надежностьприема передаваемый пакетов информации.
Рисунок 1.2 Равномерный (а) и неравномерный (б) потоки данных
Из Рисунок1.2б видно, что на интервале времени Т 2 канал не используется парой абонентов (источником передаваемых данных и адресатом – получателем). Поэтому на этом интервале времени можно передавать информацию других абонентов, что повышает эффективность сети с пакетной коммутацией. Это и предопределило использование сетей с коммутацией пакетов для передачи всех видов трафика
В создаваемых в настоящее время сетях следующего поколения(Next Generation Network - NGN) предполагается использовать коммутацию пакетов для передачи всех видов трафика: аудио-сигналов (IP-телефония), видео-информации, компьютерных данных. Подобные сети также называют мультисервисными ( Internet Multi Service – IMS)в отличие от ранее существовавших моносервисных сетей. Поскольку в сети NGN передается трафик различного вида, то и требования к качеству обслуживания(Quality of Service – QoS) разных видов передаваемого трафика будут различны.
В сетях NGN обеспечивается слияние (конвергенция) всех существующих сетей в единую информационную сеть для передачи мультимедийной информации. Пользователи такой сети должны иметь широкий выбор услуг с гарантированным качеством, что обеспечивается соответствующим уровнем управления, транспортным уровнем и уровнем доступа пользователей к мультисервисной сети (Рисунок1.3).
|
|
|
Рисунок 1.3 Уровни мультисервисной сети NGN
Транспортный уровень сети NGN создается на базе IP сетей с распределенной коммутацией пакетов. Доступ к транспортной сети обеспечивается через соответствующие устройства и шлюзы.
Сети следующего поколения NGN обеспечивают широкий набор услуг с гибкими возможностями по их управлению. Телекоммуникационные сети нового поколения используются для передачи всех видов информации: дискретных данных, аудио- и видеоинформации. Услуга передачи указанной триады (голоса, данных, и видеоинформации) по единой мультисервисной сети получила название Triple Play.
На Рисунок1.4 приведен пример структурной схемы сети телекоммуникаций, в которой пользователи (абоненты) через сети доступа подключаются к магистральной сети, обеспечивающей транспорт сообщений. В ряде случаев абонентам удобно объединяться в локальные сети, функционирующие в рамках ограниченного пространства (аудитория, здание, группа зданий).
Рисунок1.4. Структурная схема телекоммуникационной сети
Для доставки сообщения адресату назначения сообщение необходимо адресовать, поскольку оно проходит по соединениям многоканальных систем и сетей передачи, где одновременно передаются данные множестваабонентов. Адресация сообщений позволяет адресату назначения получать только ему предназначенную информацию. Адресация реализуется принципиально по-разному в сетях с коммутацией каналов и в сетях с коммутацией пакетов.
В сетях с коммутацией каналов каждой паре абонентов выделяется индивидуальный канал связи. Поскольку по линии связи может передаваться множество сообщений, то в линии формируется множество каналов. Сигналы по каналу передаются в виде цифровых значений дискретных отсчетов, следующих с определенным периодом дискретизации Т д. Совокупностьканалов,передаваемых по линии связи за период Т д, образует кадр. Начало кадра отмечается соответствующим заголовкомс многоразрядным сигналом синхронизации. Каждый канал находится на определенном месте кадра, что позволяет на приемной стороне точно определить местонахождение своего канала. Таким образом, адрес каждого дискретного отсчета сигнала определяется его местоположением в кадре. При объединении потоков частота передаваемой по каналу информации увеличивается, но период следования кадров остается постоянным (в телефонных сетях Т д = 125 мкс).
|
|
|
В сетях с коммутацией пакетов задают адреса источника и получателя сообщения. Различают физические и логические адреса. Логические адреса принадлежат пользователям (абонентам), а физические адресуют устройства, обычно интерфейсы телекоммуникационных узлов и устройства абонентов.
К логическим адресам относятся, например, IP-адресапользователей. В документации, используемой в настоящее время версии IPv4, адреса IP отображаются в десятичной форме в виде четырех групп чисел. Каждая группа может содержать числа от 0 до 255. Группы разделены между собой точками, например, 192.168.10.21; 172.16.250.17; 10.1.10.122.
В дополнение к логическим адресам в заголовке сообщения задаются физические адреса устройства-источника и устройства-назначения. В широко распространенной сетевой технологией Ethernet или её модификациях (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10Gigabit Ethernet) в качестве физических адресов используются МАС-адреса(Media Access Control). В документации МАС-адреса представлены в виде 12 шестнадцатеричных чисел, например, 00-05-А8-69-CD-F1. Тот же адрес может быть представлен и в несколько другой форме 00:05:А8:69:CD:F1 или 0005.А869.CD-F1. МАС-адреса компьютеров прошиты в ПЗУ сетевой карты.
Классификация сетей передачи данных
Методы и устройства, используемые в вычислительных (компьютерных) сетях передачи данных, широко применяются при создании сетей NGN. Поэтому в настоящем курсе лекций основное внимание уделено аппаратным и программным средствам вычислительных (компьютерных) сетей, т.е. сетей передачи данных, на базе которых и создаются современные мультисервисные сети. В сетях передачи данных (компьютерных или вычислительных) поток может быть представлен различными информационными единицами: битами, байтами, кадрами, пакетами, ячейками, образующими информационный поток. Сети передачи данных, как правило, относятся к сетям с коммутацией пакетов.
Согласно одной из классификаций сети передачи данных подразделяются на локальные и глобальные(Рисунок 1.5). Сеть может размещаться на ограниченном пространстве, например, в отдельном здании, в аудитории. При этом она называется локальной сетью(Local Area Network - LAN). Основными технологиями локальных вычислительных сетей, которые применяются в настоящее время, являются Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Другие технологии ЛВС (Token Ring, 100VG-AnyLAN, FDDI и др.) используются редко.
|
|
|
Рисунок 1.5. Классификация сетей передачи данных
Совокупность нескольких локальных сетей называют составной, распределенной (internetwork, internet) или глобальной сетью (Wide Area Network - WAN). В составную сеть могут входить подсети (subnet) различных технологий. Крупные фирмы (корпорации) создают свои собственные корпоративные сети (intranet), которые используют технологии как глобальных, так и локальных сетей. Таким образом, объединениепользователей, расположенных на широком географическом пространстве, например, в разных городах, для совместного использования информационных данных, производится с помощью глобальных сетей.
Глобальные сети передачи данных часто классифицируют (Рисунок1.5) на:
- сети с коммутацией каналов;
- сети, использующие выделенные линии;
- сети с коммутацией пакетов.
Сети с коммутацией каналов и с использованием выделенных линий строят на основе различных сетевых технологий. При этом используются следующие технологии и линии связи:
- цифровые линии, которые бывают постоянные, арендуемые, а также коммутируемые. В цифровых линиях применяют технологии плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy - PDH), синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy - SDH), а также технологии оптических транспортных сетей (ОТС) со спектральным уплотнением по длине волны (Wave-length Division Multiplexing – WDM) и плотным спекиральным уплотнением (Dense WDM – DWDM).
- цифровые сети с интегрированными услугами (Integrated Services Digital Network – ISDN);
- цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Line – DSL);
- аналоговые выделенные линии и линии с коммутацией каналов (dialup) с применением модемов, т.е. аналоговые АТС.
Технологии PDH, SDH характеризуются высокой скоростью передачи данных. Например, скорость передачи данных по сетям технологии PDH составляет от 2 Мбит/с до 139 Мбит/с; технологии SDH – от 155 Мбит/с до 10 Гбит/с и выше. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных достигнуто в системах со спектральным уплотнением по длине волны (технологии WDM, DWDM) на волоконно-оптических кабелях. Основными аппаратными средствами высокоскоростных технологий с коммутируемыми цифровыми линиями являются мультиплексоры (MUX).
Широкое распространение в настоящее время получили сетис коммутацией пакетов, в которых применяются следующие сетевые технологии:
- технологии виртуальных каналов, к которым относятся сети X.25; сети трансляции кадров (Frame Relay – FR); сети асинхронного способа передачи данных (Asynchronous Transfer Mode – ATM);
- технологии сетевого интернет протокола (Internet Protocol – IP), использующие дейтаграммный метод передачи сообщений.
Таким образом, в сетях с коммутацией пакетов могут использоваться технологии виртуальных каналов, применяемые в сетях X.25, Frame Relay, ATM, или технологии передачи дейтаграммныхсообщений – сети IP в зависимости от предъявляемых требований.
Технологии виртуальных каналов предусматривают предварительное соединение конечных узлов (источника и назначения), при этом прокладывается маршрут (виртуальный канал), по которому затем передаются данные. Получение данных подтверждается приемной стороной. Технология X.25 ориентирована на ненадежные аналоговые линии связи, поэтому характеризуется низкой скоростью передачи данных (до 48 кбит/с). Однако данная технология применяется до настоящего времени, например, в сетях банкоматов, из-за своей высокой надежности при ненадежных линиях. Технология Frame Relay обеспечивает более высокую по сравнению с Х.25 скорость передачи данных до 2 – 4 Мбит/с. Но линии связи должны быть более надежными по сравнению с Х.25. Наибольшую скорость передачи данных (155 Мбит/c, 620 Мбит/c, а также 2,4 Гбит/c) обеспечивают сети АТМ. Однако развитие этих сетей сдерживает их высокая стоимость.
Сети технологии IPявляются дейтаграммными, когда отсутствует предварительное соединение конечных узлов и нет подтверждения приема сообщения. Поэтому отдельные части большого сообщения могут передаваться по разным маршрутам и потеря отдельной части сообщения может остаться незамеченной. Такой метод характеризуется высокой скоростью передачи, но низкой надежностью, поскольку нет подтверждения принятых данных. Высокую надежность обеспечивает протокол управления передачей TCP(Transmission Control Protocol). Набор (стек) протоколов TCP/IP обеспечивает компромиссное решение по цене, скорости и надежности передачи данных. Поэтому на базе протоколов TCP/IP создается транспортный уровень мультисервисных сетей следующего поколения NGN с распределенной коммутацией пакетов. В свою очередь, сети скоммутацией каналов играют роль транспорта для сетей с коммутацией пакетов.
Следует отметить еще одну сетевую технологию, которая стремительно развивается в последнее время, это технология виртуальных частных сетей (Virtual private network - VPN). Даная технология использует сеть общего пользования Интернет, в которой формирует защищенные каналы связи с гарантированной полосой пропускания. Таким образом, при экономичности и доступности Интернет сети VPN обеспечивают безопасность и качествопередаваемых сообщений. Используя VPN, сотрудники фирмы могут получить безопасный дистанционный доступ к корпоративной (частной) сети компании через Интернет.
|
|
|
