Аверянов Современная информатика 2011

Когда сообщение по сети поступает в машину (адресат), оно принимается ее физическим уровнем. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет заголовок и передает сообщение вышестоящему уровню.

4.4. Глобальные вычислительные сети, методы доступа, современное состояние и ближайшие перспективы

Глобальные или всемирные сети (GAN – Global Area Network) предназначены для связи абонентов, расположенных в различных географических регионах, и включают в себя множество сетей различной протяженности – материковые (WAN – Wide Area Network), региональные или городские ГВС (MAN – Metropolitan Area Network), а также локальные (LAN – Local Area Network), о кото-

рых будет сказано отдельно, так как они имеют ряд принципиальных отличий от перечисленных выше, кампусная сеть, объединяющая локальные сети, близко расположенных зданий (CAN – Campus* Area Network).

Особый вид сетей – так называемые корпоративные (EWN – Enterprise Wide Network). Термин «корпоративная» отражает, с одной стороны, величину сети, так как корпорация – крупное большое предприятие. С другой стороны, этот термин несет в себе смысл объединения, т.е. корпоративная сеть – сеть, получившаяся в результате объединения нескольких, как правило, разнообразных сетей. Кроме этого дух корпоративности – дух некоторого единства, общности, в этом смысле корпоративные сети – сети, в которых неоднородные компоненты живут в единстве и согласии. Эти сети могут включать в себя все перечисленные выше типы сетей, сложно связаны и могут покрывать город, регион или даже континент.

В глобальных вычислительных сетях (ГВС) на первый план выходят администрация сети и средства связи, так как именно они составляют основную эксплуатационную стоимость сети. В сеть объединяются большие и суперкомпьютеры, а также центры с многомашинной структурой. В качестве абонентских пунктов, как правило, используются персональные компьютеры, в качестве каналов

* Campus – студенческий городок.

161

связи – традиционные средства телекоммуникаций (телеграфнотелефонные линии, оптоволоконные каналы, спутниковые каналы, радиорелейная связь и т.п.). Топология сетей имеет сложную разветвленную структуру.

В качестве методов доступа (протоколов нижнего уровня) обычно используют коммутацию цепей, коммутацию пакетов, селекцию пакетов. Рассмотрим кратко достоинства и недостатки этих методов.

1. Принцип коммутации цепей – традиционная коммутируемая телефонная связь. На рис. 4.9 представлена схема установления связи между двумя абонентами при таком методе доступа (эту схему следует рассматривать с учетом рис. 4.1, 4.2 и 4.3).

Как видно из рисунка, каждый разговор или передача данных резервирует на время некоторую часть сети, отводимую переключающим устройством (коммутатором). При этом два абонента соединяются напрямую одной цепью. Главное достоинство этого способа – повсеместное распространение персональных телефонных линий. Однако он имеет целый ряд недостатков:

низкая эффективность использования сети (если среднестатистический человек произносит в минуту 12 – 20 слов, что соответствует примерно 30 бодам*, то пропускная способность каналов составляет от 2400 до 107 бод и более); проводя аналогию, американцы говорят, что такой способ подобен перекрытию одной полосы шоссе № 61 Нью-Йорк – Вашингтон и пропусканию по ней по одной машине в течение всего времени движения ее на этом участке;

на установление связи (соединения) также затрачивается время, за которое (при указанных пропускных способностях канала) может быть передано очень большое количество информации (хотя для телефонных разговоров это время может показаться незначительным);

высокий уровень шумов в коммутирующих АТС может вызывать сбои при передаче данных;

необходимость одинаковых (синхронных) устройств у абонентов, имеющих равные скорости приема-передачи.

* Бод – единица измерения скорости передачи в каналах связи. Названа в честь французского изобретателя телеграфного аппарата Эмиля Бодо. 1 бод 1 бит/с и зависит от методов кодирования в каналах.

162

Тем не менее, этот вид компьютерной связи использовался до последнего времени частными абонентами при подключении домашних ПК.

Рис. 4.9. Принципиальная схема коммутации цепей

2. Принцип коммутации пакетов представлен на рис. 4.10.

Коммутация пакетов была изобретена специально для компьютерных сетей. На рис. 4.10, а компьютер передает сообщение. В первом узле коммутации пакетов (или на интерфейсе между компьютером и узлом) сообщение разбивается на пакеты каждый со своим адресом (см. рис. 4.10, б). Пакеты передаются по сети независимо. Каждый узел на трассе пакета выбирает дальнейшее направление его движения, учитывая информацию о потоках, неисправностях и т.п., полученную от соседних узлов. В результате пакеты могут пойти разными путями (см. рис. 4.10, в) и прибыть в точку назначения в неправильном порядке (см. рис. 4.10, г). Узел коммутации в точке назначения восстанавливает порядок перед доставкой их принимающему компьютеру (см. рис. 4.10, д).

При коммутации пакетов информация, посылаемая одним из компьютеров другому, не передается непрерывным потоком по отведенной для нее цепи. Вместо этого компьютер каждого пользова-

163

теля подключается к узлу (через коммутируемые телефонные линии) – мощному компьютеру, который разбивает поступающее сообщение на пакеты одинаковой длины, каждому из которых предшествует небольшая адресная информация (адрес назначения, адрес посылки, порядковый номер пакета и т.п.). Затем пакеты поступают в сеть, в которой все узлы скоммутированы (соединены). Сеть действует как быстродействующий вариант почты, пакеты самого разного назначения могут использовать одни и те же линии. При этом:

1)нет задержки при коммутации, так как таковая отсутствует; уменьшается полная задержка сообщений и объем памяти, так как пакет может быть передан, как только он поступил, до получения всего сообщения;

упрощается управление буферной памятью, так как размеры пакета фиксированы;

при обнаружении ошибки требуется повторить передачу только одного пакета, а не всего сообщения;

короткие порции приводят к более эффективному использованию пропускной способности, временные промежутки между пакетами могут использоваться другими сообщениями;

отказ одной линии (обрыв) не приводит к нарушению связи, так как маршрутизаторы (в узлах) отправят сообщения по другим направлениям;

2)нет избыточности пропускной способности, так как нет отдельных резервируемых линий;

Небольшая часть пропускной способности расходуется на маршрутизацию. Кратчайший маршрут по сети определяется совместно узлами в соответствии с распределенным алгоритмом маршрутизации. В каждом узле оценивается расстояние в некоторой «метрике» до всех точек назначения с учетом повреждений линий, загруженности узлов и т.п.

Пакеты одного и того же сообщения могут попасть в точку назначения различными путями, поэтому порядок их прибытия может отличаться от порядка отправления. Узел назначения выстраивает относящиеся к нему пакеты в правильном порядке. С точки зрения пользователя все выглядит так, как будто ему выделена целая цепь. При этом способе передачи говорят о «виртуальной цепи», или «виртуальном канале». В случае, когда порядок следова-

164

ния не важен или сообщение размещается в одном пакете, протокол передачи значительно упрощается (повышается производительность канала) и говорят о дейтаграммном протоколе. Дейтаграмма (или датаграмма) в данном случае – синоним пакета.

Рис. 4.10. Принцип коммутации пакетов

165

3. Метод селекции пакетов представлен на рис. 4.11.

Пакеты рассылаются всем абонентам без исключения. Адресат отбирает адресованные ему пакеты, а остальные игнорирует. Одной из первых сетей такого типа была созданная в 70-х годах профессором Гавайского университета Абрамсоном сеть Алоха.

Передающая среда, называемая моноканалом, – конус пространства с вершиной в пассивной отражающей антенне геостационарного спутника (израсходовавшего запасы питания). В зоне приема отраженных сигналов расположены университеты на Гавайских островах, в Японии, США, Австралии. Абоненты имеют радиоприемник и радиопередатчик с остронаправленной на спутник антенной.

Рис. 4.11. Метод селекции пакетов

Каждый из них может отправить на антенну-отражатель сообщение любому из четырех адресатов. Отразившись, оно придет на антенны всех абонентов, в том числе и на антенну пославшего его абонента. Так, на рисунке сообщение посылает абонент 1 для абонента 4; все, кроме 1 и 4, это проигнорируют, 4-й его примет, а первый проверит его правильность. Наложение двух сообщений будет проконтролировано отправляющим и принимающим сообщениями, и через случайный промежуток времени посылка будет

166

повторена. Сеть оказалась очень дешевой, а ее низкая эффективность в первоначальном варианте была значительно повышена за счет наложения дополнительных условий на прием-передачу сообщений. Сети такого типа получили довольно широкое распространение, в том числе и в отечественной практике. Метод селекции пакетов интересен и в связи с тем, что его принцип используется и в самой популярной в мире локальной вычислительной сети

Ethernet.

За достаточно длительную историю своего развития (более 40 лет) ГВС претерпели значительные изменения, как в видах предлагаемых услуг, так и в их стоимости. Эти изменения стали возможны из-за быстрого роста пропускной способности каналов. Если в 60-х годах максимальная пропускная способность каналов ограничивалась 30 – 50 Кбит/с, то в 90-х годах вполне доступны каналы в 10 Мбит/с, существуют каналы со скоростями передачи в 1, 10 и более Гбит/с (на световодах).

Потребность в высокоскоростной передаче связана в значительной степени с изменением услуг, предлагаемых в сетях. Все в меньшей степени использование сетей определяется распределением ресурсов компьютеров, когда решающую роль играет вычислительная техника, и все большее значение приобретают информационные системы, где заглавную роль играют средства телекоммуникации. К примеру, очень высокая производительность каналов связана с мультимедийными приложениями (данные, звук, видео). Так, передача в черно-белом изображении на экран 1000х1000 пикселей (точек) с частотой 30 кадров в секунду (чтобы исключить мерцание экрана) создает поток данных в сети 30 Мбит/с. Для передачи цветного изображения (16 цветов) потребуется уже 120 Мбит/с, хотя и разработаны методы, позволяющие снизить требования к пропускной способности каналов для данных приложений. Общая потребность в повышении их производительности растет.

Чтобы удовлетворить новые требования корпораций в области вычислений и передачи данных, производители оборудования и поставщики услуг разработали ряд схем высокоскоростной передачи.

Среди большого количества каналов, применяемых в глобальных сетях, особо следует отметить выделенные (или арендуемые) каналы, в которых используются разнообразные методы доступа и виды передачи.

167

Среди схем с коммутацией (сеть) следует отметить выделенный канал.

Выделенным называется канал с фиксированной полосой пропускания или фиксированной пропускной способностью, постоянно соединяющий двух абонентов. Абонентами могут быть как отдельные устройства (компьютеры или терминалы), так и целые сети.

Выделенные каналы обычно арендуются у компаний – операторов территориальных сетей, хотя крупные корпорации могут прокладывать свои собственные выделенные каналы.

Выделенные каналы делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от того, какого типа коммутационная аппаратура применена для постоянной коммутации абонентов – FDM или TDM. На аналоговых выделенных линиях для аппаратуры передачи данных физический и канальный протоколы жестко не определены. Отсутствие физического протокола приводит к тому, что пропускная способность аналоговых каналов зависит от пропускной способности модемов, которые использует пользователь канала. Модем собственно и устанавливает нужный ему протокол физического уровня для канала.

На цифровых выделенных линиях протокол физического уровня зафиксирован – он задан стандартом G.703.

На канальном уровне аналоговых и цифровых выделенных каналов обычно используется один из протоколов семейства HDLC или же более поздний протокол РРР, построенный на основе HDLC для связи многопротокольных сетей.

Среди некоммутируемых (выделенных) линий наибольшее распространение получили следующие:

аналоговые линии (самый дешевый вариант представляет собой аренду аналоговой витой пары; при использовании модемов, как правило, такой вариант позволяет передавать данные со скоростями от 4,8 до 56 Кбит/с);

служба цифровой передачи данных (высококачественные циф-

ровые линии связи, для использования которых требуются специальные цифровые устройства (вместо модемов); такие линии дороже аналоговых, но позволяют передавать данные с более высокими скоростями;

линии Т-1 и Т-3 (на протяжении многих лет наиболее распространенной выделенной линией для высокоскоростной передачи

168

данных (в том числе и телефонных разговоров) была все еще популярная линия Т-1; если пропускной способности линии Т-2 недостаточно, можно арендовать линию Т-3);

frame relay (хотя frame relay (ретрансляция кадров) представляет собой коммутируемую сетевую технологию, протокол frame relay может работать на выделенной линии, обеспечивая удобный и гибкий мультиплексный метод передачи данных; для этого подхода потребителю требуется специальное оборудование);

SONET (в выделенных линиях с максимальными скоростями передачи данных используется технология SONET/SDH).

Модем. Модемы, подключенные к общественной телефонной сети, реализуют относительно недорогую, но и низкоскоростную схему передачи данных. Сами модемы недороги, а скорость передачи данных по телефонной линии считается разумной при умеренном времени установки соединения. В различных организациях локальные сети и частные телефонные сети оборудованы модемными пулами для предоставления недорогой услуге по передачи данных.

Стандарт Х25. Является одним из наиболее старых типов сетей (применяется с 80-х годов) с коммутацией пакетов. Обеспечивает надежную передачу сообщения, используя принцип виртуальных цепей. Теоретически может поддерживать до 4096 виртуальных цепей в одном канале, практически – намного меньше. Хорошо работает и в физических каналах низкого качества, обеспечивая скорость передачи 1,2 – 64 Кбит/с.

ISDN. Обеспечивает как коммутацию каналов, так и коммутацию пакетов Ч.25 по 64-килобитным каналам В*. Могут предоставляться и более высокие скорости передачи данных. Как правило, тарифы за использование сети рассчитываются, исходя из длительности соединения, независимо от количества переданной информации.

Протокол Frame Relay (ретрансляция кадров), основанный на использовании кадров переменной длины, представляет разновидность коммутации каналов. Сетевой уровень у этого протокола отсутствует, а для повышения пропускной способности многие основные функции упрощены или устранены. Это высокоскоростной

* B-ISDN – широкополосная сеть ISDN (Broadband ISDN) с интерфейсом АТМ.

169

протокол для поддержки цифровой сети общего доступа с интегрированным обслуживанием (B-ISDN). Он предназначен для передачи разных видов информации, в основном для передачи данных. Протокол не содержит компонентов для осуществления контроля прохождения и коррекции ошибок (которые имеются в Х25), предполагая высоконадежный физический уровень передачи.

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode), или режим асин-

хронной передачи, – одна из самых последних разработок и в наибольшей степени отвечает современным приложениям, являясь разновидностью коммутации пакетов, при которой используются ячейки фиксированного размера (53 байта). Так же, как и в протоколе Frame Relay, сетевойуровень отсутствует, а многиеосновныефункцииеще в большей степени упрощены или устранены для повышения пропускной способности. Кроме традиционного (для Х.25 и Frame Relay) понятия «виртуальные каналы», введено понятие «виртуальные пути» – связка виртуальных каналов с одинаковыми конечными точками, таким образом, все ячейки следующего по виртуальным каналам одного пути коммутируются одновременно. Эта технология включает в себя целый комплекс средств: физический интерфейс, технику высокоскоростной коммутации и передачи данных, унифицированную сетевую технологию и т.п. Сети такого типа способны передавать самые различные виды информации: речь, видео, текст. Скорость передачи зависитотконкретных физическихканалов.

Скоростные характеристики перечисленных каналов коммутируемыхсетейпредставлены втабл. 4.1.

Сделать выбор из различных вариантов выделенных линий и схем с коммутацией непросто, а с увеличением числа предлагаемых вариантов в 90-е годы такой выбор стал еще сложнее.

Взаключение обсуждения наиболее распространенных каналов

ииспользуемых в глобальных сетях, несколько слов о технологиях хDSL и кабельных модемах. Технологии хDSL основаны на превращении абонентской линии обычной телефонной сети в цифровую, что и отражено в их названии (Digital Subscriber Line – цифровая абонентская линия). Существует достаточно много различных технологий, основанных на хDSL. Эти технологии рассчитаны на высокоскоростную передачу данных на коротком отрезке витой пары, соединяющей абонента с ближайшей АТС, т.е. решение проблемы «последней линии», отделяющей потребителя от поставщи-

170