Лекция 1точка. Лекция Введение. Повторение основных понятий сетевых технологий, классификация сетей
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
Лекция 5. Развитие и классификация сетевых технологий. Основы ISDN, АТМ- технологии. Тенденции развития технологий передачи данных для территориально-распределенных сетей можно проследить на примере технологий PDH (плезиохронная цифровая иерархия) и АТМ (асинхронный режим передачи). 1980-1990 - широкое распространение TDM-оборудования, как основы для построения сетей PDH; 1991-1995 - развитие Frame Relay и АТМ; 1996-1997 - принятие концепции мультисервисных сетей АТМ; 1998-2002 - широкое распространение АТМ. Отсюда становятся очевидными два направления: Продолжать развитие сетей на базе TDM-оборудования и отвечать на современные требования по предоставлению телекоммуникационных услуг путем инсталляции дополнительного магистрального оборудования ('технологических заплат') и, как следствие, создание наложенных сетей. Используя полную совместимость сетей АТМ с TDM осуществлять переход на современные технологии мультисервисных сетей с постепенным вытеснением TDM по мере амортизации устаревшего оборудования, выигрывая время на подготовку к взрывному росту спроса на услуги мультисервисных сетей в обозримом будущем. Первый путь подразумевает продление жизни устаревающей технологии и соответствует оптимальному решению для конца 80-х - начала 90-х годов. Тем не менее, такое решение не исключает перехода на АТМ-сети, а лишь оттягивает этот переход на более позднее время, накапливая на балансе неперспективное оборудование и откладывая переоснащение сети на период массового спроса на услуги мультисервисных сетей АТМ, чем предопределяются еще большие затраты на будущие. Второй путь соответствует современному технологическому уровню.  Рисунок 1. Использование полосы пропускания технологиями TDM и ATM Сети TDM по своему назначению предусматривают использование мультиплексоров для предоставления фиксированной полосы пропускания для независимых услуг. Основным же достоинством технологии ATM является предоставляемая ею возможность объединять различные типы трафика в единый поток с помощью механизма статистического мультиплексирования, позволяющего более эффективно использовать полосу пропускания К недостатку синхронных методов передачи, таких как TDM, относится то, что они не позволяют смещать блоки данных по времени для заполнения 'пустот' в канале. Это приводит к неэффективному использованию полосы пропускания. Любой же статистический мультиплексор способен 'по своему усмотрению' буферизовать данные так, чтобы уплотнить трафик разных пользователей в один общий поток (см. рис 2). Это позволяет избежать незаполненных участков и обеспечить максимально эффективное использование каналов. На рис. 2 показано, как статистический мультиплексор ATM заполняет трафиком полосу пропускания, которая при использовании мультиплексора TDM осталась бы незадействованной. Еще раз подчеркнем, что мультиплексор ATM не резервирует тайм-слоты для входящих потоков. Потоки могут иметь лишь различные уровни приоритета на использование полосы пропускания; эти уровни определяются параметрами качества обслуживания. Отсутствие резервирования тайм-слотов означает, что данные не могут мгновенно вводиться в тракт передачи и вынуждены проводить некоторое время в буферах, ожидая появления свободного 'окна'.  Рисунок 2. Уплотнение трафика с помощью мультиплексоров АТМ и традиционного TDM Другое узкое место технологии PDH/TDM - слабые возможности в организации служебных потоков для целей контроля и управления потоком в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне важно для использования в сетях передачи данных. В связи с отсутствием специальных средств маршрутизации, при формировании PDH-фреймов и мультифреймов увеличивается (при мультиплексировании и переключении потоков) возможность ошибки в отслеживании истории текущего переключения, а значит, увеличивается возможность потерять сведения о его истории в целом, что приводит к нарушению схемы маршрутизации всего трафика. Frame relay (англ. «ретрансляция кадров», FR) — протокол канального уровня сетевой модели OSI. Служба коммутации пакетов Frame Relay в настоящее время широко распространена во всём мире. Максимальная скорость, допускаемая протоколом FR — 34.368 мегабит/сек (каналы E3). Frame Relay был создан в начале 1990-х в качестве замены протоколу X.25 для быстрых надёжных каналов связи, технология FR архитектурно основывалась на X.25 и во многом сходна с этим протоколом, однако в отличие от X.25, рассчитанного на линии с достаточно высокой частотой ошибок, FR изначально ориентировался на физические линии с низкой частотой ошибок, и поэтому большая часть механизмов коррекции ошибок X.25 в состав стандарта FR не вошла. В разработке спецификации принимали участие многие организации; многочисленные поставщики поддерживают каждую из существующих реализаций, производя соответствующее аппаратное и программное обеспечение. Frame relay обеспечивает множество независимых виртуальных каналов (Permanent Virtual Circuits, PVC) в одной линии связи, идентифицируемых в FR-сети по идентификаторам подключения к соединению (Data Link Connection Identifier, DLCI), но не имеет средств коррекции и восстановления. Вместо средств управления потоком включает функции извещения о перегрузках в сети. Возможно назначение минимальной гарантированной скорости (CIR) для каждого виртуального канала. В основном применяется при построении территориально распределённых корпоративных сетей, а также в составе решений, связанных с обеспечением гарантированной пропускной способности канала передачи данных (VoIP, видеоконференции и т. п.). X.25 — семейство протоколов канального уровня сетевой модели OSI. Предназначалось для организации WAN на основе телефонных сетей с линиями с достаточно высокой частотой ошибок, поэтому содержит развитые механизмы коррекции ошибок. Ориентирован на работу с установлением соединений. Исторически является предшественником протокола Frame Relay. X.25 обеспечивает множество независимых виртуальных каналов (Permanent Virtual Circuits, PVC и Switched Virtual Circuits, SVC) в одной линии связи, идентифицируемых в X.25-сети по идентификаторам подключения к соединению (идентификаторы логического канала (Logical Channel Identifyer, LCI) или номера логического канала (Logical Channel Number, LCN). Благодаря надёжности протокола и его работе поверх телефонных сетей общего пользования X.25 широко использовался как в корпоративных сетях, так и во всемирных специализированных сетях предоставления услуг, таких как SWIFT (банковская платёжная система) и SITA (фр. Société Internationale de Télécommunications Aéronautiques — система информационного обслуживания воздушного транспорта), однако в настоящее время X.25 вытесняется другими технологиями канального уровня (Frame Relay, ISDN, ATM) и протоколом IP, оставаясь, однако, достаточно распространённым в странах и территориях с неразвитой телекоммуникационной инфраструктурой. ATM (англ. Asynchronous Transfer Mode — асинхронный способ передачи данных) — сетевая технология, основанная на передаче данных в виде ячеек (cell) фиксированного размера (53 байта), из которых 5 байтов используется под заголовок. Ячейки данных, используемые в ATM, меньше в сравнении с элементами данных, которые используются в других технологиях. Небольшой, постоянный размер ячейки, используемый в ATM, позволяет: передавать данные по одним и тем же физическим каналам, причём как при низких, так и при высоких скоростях; работать с постоянными и переменными потоками данных; интегрировать любые виды информации: тексты, речь, изображения, видеофильмы; поддерживать соединения типа точка-точка, точка-многоточка, многоточка-многоточка. Технология ATM предполагает межсетевое взаимодействие на трёх уровнях. Для передачи данных от отправителя к получателю в сети ATM создаются виртуальные каналы, VC (англ. Virtual Circuit), которые бывают двух видов: постоянный виртуальный канал, PVC (Permanent Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками и существует в течение длительного времени, даже в отсутствие данных для передачи; коммутируемый виртуальный канал, SVC (Switched Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками непосредственно перед передачей данных и разрывается после окончания сеанса связи. Сети SDH Технология синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) позволяет создавать надежные транспортные сети и гибко формировать цифровые каналы в широком диапазоне скоростей — от нескольких мегабит до десятков гигабит в секунду. Основная область ее применения — первичные сети операторов связи. Мультиплексоры SDH с волоконно-оптическими линиями связи между ними образуют среду, в которой администратор сети SDH организует цифровые каналы между точками подключения абонентского оборудования или оборудования вторичных (наложенных) сетей самого оператора — телефонных сетей и сетей передачи данных. Технология SDH находит также спрос в крупных корпоративных и ведомственных сетях, когда имеются технические и экономические предпосылки для создания собственной инфраструктуры цифровых каналов, например в сетях предприятий энергетического комплекса или железнодорожных компаний. Каналы SDH относятся к классу полупостоянных (semipermanent) — формирование (provisioning) канала происходит по инициативе оператора сети SDH, пользователи же лишены такой возможности, поэтому такие каналы обычно применяются для передачи достаточно устойчивых во времени потоков. Из-за полупостоянного характера соединений в технологии SDH чаще используется термин «кросс-коннект» (cross-connect), а не коммутация. Сети SDH относятся к классу сетей с коммутацией каналов на базе синхронного мультиплексирования с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM), при котором адресация информации от отдельных абонентов определяется ее относительным временным положением внутри составного кадра, а не явным адресом, как это происходит в сетях с коммутацией пакетов. С помощью каналов SDH обычно объединяют большое количество периферийных (и менее скоростных) каналов плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH). Сети SDH обладают многими достоинствами. Назовем главные среди них. Гибкая иерархическая схема мультиплексирования цифровых потоков разных скоростей позволяет вводить в магистральный канал и выводить из него пользовательскую информацию любого поддерживаемого технологией уровня скорости без демультиплексирования потока в целом — а это означает не только гибкость, но и экономию оборудования. Схема мультиплексирования стандартизована на международном уровне, что обеспечивает совместимость оборудования разных производителей. Отказоустойчивость сети. Сети SDH обладают высокой степенью «живучести» — технология предусматривает автоматическую реакцию оборудования на такие типичные отказы, как обрыв кабеля, выход из строя порта, мультиплексора или отдельной его карты, при этом трафик направляется по резервному пути или происходит быстрый переход на резервный модуль. Переключение на резервный путь осуществляется обычно в течение 50 мс. Мониторинг и управление сетью на основе включаемой в заголовки кадров информации обеспечивают обязательный уровень управляемости сети вне зависимости от производителя оборудования и создает основу для наращивания административных функций в системах управления производителей оборудования SDH. Высокое качество транспортного обслуживания для трафика любого типа — голосового, видео и компьютерного. Лежащее в основе SDH мультиплексирование TDM обеспечивает трафику каждого абонента гарантированную пропускную способность, а также низкий и фиксированный уровень задержек. Сети SDH заняли прочное положение в телекоммуникационном мире. Сегодня они составляют фундамент практически всех крупных сетей — региональных, национальных и международных. Это положение еще более укрепилось в результате появления технологии спектрального мультиплексирования DWDM, поскольку сети SDH могут легко интегрироваться с этим новым типом оптических магистралей с поддержкой очень высоких скоростей в сотни гигабит в секунду. В магистральных сетях с ядром DWDM сети SDH будут играть роль сети доступа, т. е. выполнять те же функции, которые сети PDH играют по отношению к SDH. Технологии SDH свойственны, конечно, и недостатки. Сегодня чаще всего говорят о ее неспособности динамически перераспределять пропускную способность между абонентами сети — свойстве, обеспечиваемом пакетными сетями. Значимость этого недостатка будет возрастать по мере увеличения доли и ценности трафика данных по отношению к стандартному голосовому. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ Технология синхронной цифровой иерархии первоначально была разработана компанией Bellcore под названием «синхронные оптические сети» (Synchronous Optical NETs, SONET) и по сути является развитием технологии PDH, появление которой в 60–е гг. позволило создать качественные и относительно недорогие цифровые каналы между телефонными станциями. PDH долгое время хорошо справлялась со своими обязанностями в качестве магистральной технологии, предоставляя пользователям каналы T1 (1,5 Мбит/с) — T3 (45 Мбит/с) в американском варианте, или каналы E1 (2 Мбит/с) — E3 (34 Мбит/с) — E4 (140 Мбит/с) в европейском и международном вариантах. Быстрое развитие телекоммуникационных технологий привело к необходимости расширения иерархии скоростей PDH и максимального использования всех возможностей, которые предоставляла новая среда — волоконно-оптические линии связи. Одновременно с расширением линейки скоростей нужно было освободиться от выявленных за время эксплуатации этих сетей недостатков PDH, прежде всего, от принципиальной невозможности выделения отдельного низкоскоростного потока из высокоскоростного без полного демультиплексирования последнего. Сам термин «плезиохронный», т. е. «почти» синхронный, говорит о причине такого явления — отсутствии полной синхронности потоков данных при объединении низкоскоростных каналов в более скоростные. Для выравнивания скоростей нескольких низкоскоростных каналов с рассогласованными частотами, технология PDH предусматривает вставку нескольких дополнительных бит между кадрами каналов с относительно меньшими скоростями. Затем эти кадры одинаковой частоты мультиплексируются с чередованием бит в составной кадр второго и более высоких уровней иерархии. В результате для извлечения пользовательских данных из объединенного канала необходимо полностью демультиплексировать кадры объединенного канала. Например, если требуется получить данные одного абонентского канала на 64 Кбит/с из кадров канала E3, эти кадры придется демультиплексировать до уровня кадров E2, затем — до уровня кадров E1, и, наконец, демультиплексировать и сами кадры E1. Если сеть PDH используется только в качестве транзитной магистрали между двумя крупными узлами, то операции мультиплексирования и демультиплексирования выполняются исключительно в конечных узлах, и проблем не возникает. Но если необходимо выделить один или несколько абонентских каналов в промежуточном узле сети PDH, то эта задача простого решения не имеет. Как вариант предлагается установка двух мультиплексоров уровня T3/E3 и выше в каждом узле сети. Первый выполняет полное демультиплексирование потока и отвод части низкоскоростных каналов абонентам, а второй опять собирает оставшиеся каналы вместе с вновь вводимыми в выходной высокоскоростной поток. При этом количество работающего оборудования удваивается. Другой вариант — «обратная доставка» (back hauling). В промежуточном узле, где нужно выделить и отвести абонентский поток, устанавливается единственный высокоскоростной мультиплексор, который просто передает данные транзитом дальше по сети без их демультиплексирования. Эту операцию выполняет только мультиплексор конечного узла, после чего данные соответствующего абонента возвращаются по отдельному физическому каналу на промежуточный узел. Естественно, такие взаимоотношения коммутаторов усложняют организацию сети, требуют ее тонкого конфигурирования, что ведет к большому объему ручной работы и ошибкам, а также не обеспечивают необходимую гибкость — для отвода данных абоненту необходим отдельный физический канал. Кроме этого, в технологии PDH не были предусмотрены встроенные средства обеспечения отказоустойчивости и управления сетью. Все эти недостатки были учтены и преодолены разработчиками технологии SONET, первый вариант стандарта которой появился в 1984 г. Затем она была стандартизована комитетом T1 ANSI. Международная стандартизация технологии проходила под эгидой Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) и CCITT, совместно с ANSI и ведущими телекоммуникационными компаниями Америки, Европы и Японии. Основной целью разработчиков международного стандарта было создание технологии, способной передавать трафик всех существующих цифровых каналов уровня PDH (как американских T1–T3, так и европейских E1–E4) по высокоскоростной магистральной сети на базе волоконно-оптических кабелей и обеспечить иерархию скоростей, продолжающую иерархию технологии PDH до скорости в несколько Гбит/с. В результате длительной работы удалось создать международный стандарт на синхронную цифровую иерархию (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) — спецификации ITU-T G.702, G.703, G.704, G.707, G.708, G.709, G.773, G.774, G.782, G.783, G.784, G.957, G.958, Q.811, Q.812 и ETSI — ETS 300 147. Стандарты SONET также были усовершенствованы, и теперь оборудование и сети SDH и SONET стали совместимыми и могут мультиплексировать входные потоки практически любого стандарта PDH — и американского, и европейского. ИЕРАРХИЯ СКОРОСТЕЙ И МЕТОДЫ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ Поддерживаемая технологией SONET/SDH иерархия скоростей представлена в Таблице 1.  Таблица 1. Поддерживаемые скорости SDH/SONET. В стандарте SDH все уровни скоростей (и, соответственно, форматы кадров для этих уровней) имеют общее название: Synchronous Transport Module level N (STM-N). В технологии SONET существует два обозначения для уровней скоростей: Synchronous Transport Signal level N (STS-N) в случае передачи данных в виде электрического сигнала, и Optical Carrier level N (OC-N) в случае передачи данных по волоконно-оптическому кабелю. Далее для упрощения изложения будем ориентироваться на STM-N. |