Учебнопрактическое пособие Владимир 2021
 Скачать 7.94 Mb.
|
|
Из обзора ученых мы видим, что сети 6G будут иметь четы- ре новых смены парадигмы: Во-первых, чтобы удовлетворить требования глобального охва- та, 6G не будут ограничены наземными сетями связи, они должны быть дополнены сетями расположенными вне земли. Это будут спут- никовые и беспилотные летательные аппараты (БЛА) сетей связи, обеспечивая таким образом пространство воздух-земля-море инте- грированную сеть связи. Во-вторых, все спектры будут полностью исследованы для дальнейшего увеличения скорости передачи данных и плотности под- ключения, включая диапазоны частот ниже 6 ГГц, миллиметровые, терагерцевые (ТГц) и оптические диапазоны частот. В-третьих, столкновение с большими наборами данных, со- зданными с помощью чрезвычайно разнородных сетей, разнообраз- ных коммуникаций. Сценарии, большое количество антенн, широкая полоса пропускания и новые требования к услугам, сети 6G позволят создать новый спектр интеллектуальных приложений с помощью ис- кусственного интеллекта (ИИ) и технологий больших данных. В-четвертых, при развитии сетей 6G необходимо усилить без- опасность сети. В статье ученых и экспертов представлен всесторонний обзор последних достижений и будущих тенденций в этих четырех аспек- тах. Очевидно и предположительно, что сети будущего 6G с дополни- тельными техническими требованиями помимо 5G обеспечат более 138 быструю инновационную связь до такой степени, что исчезнет грани- ца между физическим и кибер-мирами. 2.4. Магистральные сети передачи данных Определение и история развития. Магистральные сети передачи данных по охватываемой ими территории принято делить на: региональные сети (Metropolitan Area Network – MAN) глобальные сети (Wide Area Network – WAN). Основными отличиями между сетями различных групп, помимо территориального охвата, являются используемые в сетях техноло- гии. При этом следует отметить, что в последнее время наблюдается взаимопроникновение технологий из одних групп в другие. Так, например, технология Ethernet, ранее используемая только в локаль- ных сетях, сегодня выходит на уровень сетей MAN и даже WAN. Магистральные сети передачи данных начали активно разви- ваться на рубеже 60–70х годов. В то время основными сетями были телефонные сети, в которых использовались аналоговые каналы, так называемые каналы тональной частоты (ТЧ). Эти каналы являются каналами низкого качества. При передаче данных по этим каналам коэффициент ошибок на бит может достигать значений 10 3 (одна ошибка на 1000 переданных бит). Такой уровень ошибок абсолютно неприемлем при передаче данных, ибо высокая верность является од- ним из основных требований, предъявляемых к сети трафиком дан- ных. Важной особенностью трафика данных является также его большая неравномерность во времени и требования, связанные с ми- нимизацией задержек при его передаче через сеть. Данные обстоя- тельства (низкоскоростные каналы с высоким коэффициентом оши- бок, неравномерность трафика во времени и требования по миними- зации задержек) послужили основными причинами, по которым в се- тях передачи данных стал использоваться метод коммутации пакетов (КП). Этот метод позволяет с одной стороны обеспечить эффективное 139 использование канальных ресурсов в условиях неравномерного тра- фика, а, с другой – обнаружение и исправление ошибок по мере про- движения пакетов на отдельных участках сети. С сетями передачи данных связано также появление модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection – OSI), называемой иногда семи- уровневой моделью. Дело в том, что в компьютерных сетях, как в се- тевых, так и в оконечных устройствах используются средства вычис- лительной техники и, соответственно, аппаратные, и программные средства. В этих условиях сложную задачу взаимодействия удален- ных устройств через сеть передачи данных удобно, как это принято в программировании, разбить на отдельные более простые подзадачи (т. е. провести декомпозицию) и решать каждую подзадачу независи- мо. Это также обеспечивает большую гибкость при изменении каких- либо условий, например, изменении среды передачи. Платой за оче- видные преимущества такого подхода является увеличение числа за- головков, т.е. увеличение накладных расходов, связанных с передачей информации по сети. На рис. 2.14 представлен процесс взаимодей- ствия двух оконечных устройств с использованием модели OSI. Рис. 2.14. Модель OSI Сети с коммутацией пакетов Х.25 Сети Х.25 являются одними из первых сетей передачи данных общего пользования. Учитывая время, когда создавался данный стан- 140 дарт, в технологии Х.25 заложены мощные механизмы защиты от ошибок, (обнаружение и исправление ошибок), позволяющие обеспе- чивать передачу данных по каналам низкого качества. Другая особен- ность сетей Х.25 заключается в низких скоростях передачи данных. Эта особенность также связана с тем, что эти сети были рассчитаны на работу по каналам тональной частоты, скорость передачи в кото- рых ограничивается полосой частот 300 – 3400 Гц. Даже сегодня ско- рость передачи по этим каналам не превышает 33,6 кбит/c. Скорость 56 кбит/с, обеспечиваемая современными модемами при доступе в Internet, связана с особенностями построения современной цифровой телефонной сети и возможна только в направлении к абоненту. Более высокие скорости могут обеспечиваться при использовании цифро- вых каналов, но даже в этом случае оборудование Х.25, выпускаемое сегодня работает на скоростях не более 256 кбит/с. Технология Х.25, как и технологии Frame Relay (FR), и АТМ использует технику виртуальных соединений, которая как и ТфОП/ISDN предполагает наличие 3-х этапов: установление (виртуального) соединения передача информации разрушение соединения. Но в отличие от ТфОП/ISDN при виртуальных соединениях от- сутствует жесткое закрепление канальных ресурсов за каждым соеди- нением. Вместо этого за установленным соединением фиксируется маршрут, т.е. последовательность коммутаторов, через которые будут передаваться блоки данных от источника к получателю. Это означает, что при малой загрузке сети в принципе одно соединение может ис- пользовать всю доступную полосу участков сети, через которые оно проходит. Но т.к. информация от источников поступает неравномерно (имеются значительные промежутки времени, когда информация не передается), то это позволяет разделять канальные ресурсы между большим числом виртуальных соединений. В этом и состоит суть ста- тистического уплотнения (в отличие от статического закрепления ка- нальных ресурсов в ТфОП/ISDN), при котором в общем случае зна- чительно эффективнее используются канальные ресурсы. Это и поз- 141 воляет обеспечить более низкую стоимость услуг таких сетей. Следу- ет иметь в виду, что статистическое уплотнение предполагает воз- можность возникновения как кратковременных и долговременных перегрузок в сети. Кратковременные перегрузки приводят к возник- новению очередей в коммутаторах и, как следствие к увеличению за- держек при передаче информации через сеть. Долговременные пере- грузки могут приводить к переполнению очередей и к потере части передаваемой информации. В сетях с коммутацией пакетов, использующих режим вирту- альных соединений, различают коммутируемые (switched virtual connection – SVC) и постоянные (permanent virtual connection – PVC) виртуальные соединения. Различие между ними примерно такое же, как между коммутируемыми соединениями в ТфОП/ISDN и арендо- ванными каналами PDH/SDH. При организации виртуальных соединений адреса источников и получателей информации используются только на этапе установления соединения. Во время передачи информации для идентификации со- единения вместо адресов источников и получателей используются специальные комбинации бит, называемые метками (рис. 2.15) Значе- ния меток никак не связаны с указанными адресами так, что во время передачи информации определение источников и получателей за- труднительно. Данный механизм обеспечивает повышенную безопас- ность, особенно если учесть, что при организации частных сетей обычно используются постоянные виртуальные соединения, т.е. этап установления соединения отсутствует. 142 Рис. 2.15. Виртуальные соединения Технология Х.25 работает на 3-х нижних уровнях модели OSI (рис. 2.16). На 2-м уровне определен протокол LAPВ, обеспечиваю- щий надежную передачу кадров между смежными устройствами. Для обнаружения ошибок в протоколе используется циклический код с образующим полиномом P(x) = x 16 +х 5 +х 2 +1, а для их исправления обратная связь. Кроме того, используется ряд дополнительных меха- низмов, направленных на повышение верности при передаче: цикли- ческая нумерация кадров, механизм окна, управление передачей. Рис. 2.16. Стек протоколов X25 Виртуальные соединения организуются на 3-м уровне модели OSI. При этом, для обеспечения гарантированной доставки пакетов на 143 3-м уровне для каждого виртуального соединения фактически дубли- руются многие механизмы, используемые на 2-м уровне. Следует отметить, что при передаче данных по каналам низкого качества у сетей Х.25, пожалуй, сегодня нет конкурентов. Поэтому не удивительно, что в современных модемах, используемых для работы по каналам ТЧ, для защиты от ошибок используются те же механиз- мы, что и в Х.25 (протокол LAPM, рекомендация V.42). Раньше сети Х.25 были основными сетями для передачи данных. Сегодня с разви- тием цифровых каналов ситуация резко изменилась. Но в нашей стране еще имеется много регионов, в которых можно рассчитывать только на технологию Х.25. Также можно отметить, что хотя сети Х.25 являются сетями пе- редачи данных общего пользования, тем не менее, на практике их услугами пользуются, в основном, только предприятия и учреждения, а не частные лица, что также способствует повышению безопасности при использовании этих сетей. Пример использования сетей Х.25 для объединения удаленных офисов показан на рис. 2.17. Рис. 2.17. Использования сетей Х.25 для объединения удаленных офисов 144 Сети с ретрансляцией кадров (FrameRelay). Ретрансляция кадров (Frame Relay – FR) – это технология пере- дачи информации в сетях передачи данных с коммутацией пакетов. Первоначально разработка стандарта FR ориентировалась на цифро- вые сети интегрального обслуживания – ISDN для поддержки услуг передачи данных вместо технологии Х.25. Однако сегодня техноло- гия FR в основном используется как самостоятельная технология. Появление технологии FR вызвано с одной стороны появлением высокоскоростных цифровых каналов, а с другой – повышением «ин- теллектуальности" оконечного оборудования. Цифровые каналы, ис- пользующие, как правило, оптоволоконные линии, кроме высокой скорости по сравнению с аналоговыми каналами обеспечивают на не- сколько порядков меньший коэффициент ошибок по битам. Это вме- сте с повышением возможностей оконечного оборудования позволи- ло отказаться от многих сложных механизмов обеспечения достовер- ности при передаче информации, использующихся в сетях Х.25 и тем самым значительно упростить технологию FR. Это отражено и в названии технологии. Сети Х.25 работают на сетевом и канальном уровнях и оперируют с блоками информации, называемыми соответ- ственно пакетами и кадрами, в то время как сети FR при передаче ин- формации работают только на канальном уровне и оперируют только с кадрами. В отличие от сетей Х.25, которые гарантируют надежную доставку информации, в сетях FR эта задача возлагается на оконечное оборудование. Основная задача технологии FR – максимально быст- рая передача информации так, что если кадр получен без искажений, он направляется далее по соответствующему маршруту. Искаженные кадры просто сбрасываются сетью без уведомления об этом источни- ка. При возникновении проблем, связанных с перегрузкой сети FR, ее узлы также могут сбрасывать кадры. Такой подход, наряду с высокими по сравнению с сетями Х.25 скоростями (в настоящее время в соответствии со стандартами FR может работать со скоростями до 155 Мбит/с, что соответствует уровню STM-1 технологии SDH), обеспечивает малое время задержки 145 передачи информации через сеть и простой формат кадров, содержа- щих минимум управляющей информации. Можно сказать, что техно- логия FR на сегодня является, пожалуй, является самой простой и эффективной с точки зрения накладных расходов технологией. Надо отметить, что сегодня технология FR в основном исполь- зуется для объединения локальных сетей, т.е. фактически для созда- ния корпоративных сетей. При этом, как и в Х.25 используется техни- ка организации постоянных виртуальных соединений (рис. 2.18). Но в отличие от Х.25 при заключении договора между клиентом и постав- щиком услуг сети в нем помимо скорости физического подключения указывается еще ряд параметров: гарантированная скорость передачи данных (Committed Information Rate, CIR), при этом обеспечивается требуемое качество доставки; гарантированный объем передачи информации (Committed Burst Size, Bc = CIR*T), при обеспечении требуемого качества достав- ки; дополнительный объем передачи информации (Excess Burst Size, Be) качество передачи данных может снижаться. Другими словами можно говорить, что в технологии FR вводят- ся элементы соглашения о качестве обслуживания. Проверка выпол- нения указанного соглашения выполняется с использованием меха- низма, называемого “Leaky Bucket” (рис. 2.18). 146 Рис. 2.18. Алгоритм механизма «Leaky bucket» Узел доступа к сети FR измеряет объем информации, поступа- ющей от клиента. Если этот объем не превышает Bc = CIR*T, то кад- ры передаются без изменений. Если измеренный объем превышает Вс, но не более чем величину Be, то в передаваемых кадрах устанав- ливается в "1" специальный бит DE, что дает возможность сети уда- лять эти кадры при возникновении перегрузок (абонент также имеет право решать, какие кадры для него менее важны). Наконец, если из- меренный объем превышает Вс + Ве, то поступающие кадры не при- нимаются сетью вне зависимости от каких-либо условий. Клиент мо- жет воспользоваться соглашением и для того, чтобы уменьшить свои затраты следующим способом. Стоимость услуг при передаче кадров с битом DE, установленным в "1" значительные ниже. При наличии в сети значительного запаса пропускной способности клиент может определить CIR равной "0". В этом случае во всех передаваемых кад- рах бит DE будет установлен в "1", но при наличии запаса пропуск- ной способности это практически не скажется на качестве передачи. 147 Понимая это, большинство операторов устанавливают минимальное значение CIR. Первоначально технология FR разрабатывалась только для пе- редачи данных. Соответственно, все реализующие этот метод меха- низмы и качество обслуживания (QoS) определялись только для тра- фика данных, т.е. трафика не чувствительного к задержкам. С повышением скоростей передачи и интеллектуальных воз- можностей используемого оборудования в технологии FR, как и в других технологиях передачи данных, введена возможность передачи трафика реального времени и, прежде всего, речи. Для повышения эффективности передачи речи используются сжатие (компрессия) ре- чи и подавление пауз, благодаря чему минимизируется объем трафи- ка, передаваемого по сети. Уменьшение задержек передачи, что очень важно для трафика реального времени, достигается за счет приорите- зации речевого трафика и использования достаточно больших скоро- стей передачи на магистральных линиях связи. Для уменьшения за- держек на низкоскоростных каналах применяется уменьшение мак- симального размера кадров неречевого трафика (фрагментация). Это позволяет избежать задержек, связанных с нахождением в очереди на передачу очень длинных кадров, с целью уменьшения задержки. Для передачи речи по сетям FR разработаны соответствующие стандарты, в частности стандарты форума Frame Relay (Frame Relay Forum – FRF): “Data Compression – FRF.9”, “Voice Over Frame Relay - FRF.11”, “Frame Relay Fragmentation – FRF.12” и некоторые другие. Следует отметить, что эффективность передачи голоса с использованием FR выше, чем с использованием технологии TCP/IP. В настоящее время выпускается оборудование VFRAD (Voice Frame Relay Access Device), которое обеспечивает эффективное мультиплексирование голосового трафика и трафика данных при передаче по сети FR. Как уже говорилось выше, технология FR первоначально разра- батывалась как служба передачи данных в сетях ISDN, т.е. сети, предоставляющей, прежде всего, услуги по требованию (коммутиру- емый сервис). С этой целью для FR разработаны стандарты для под- держки коммутируемых виртуальных соединений – SVC. Эти стан- 148 дарты основаны на стандартах для установления соединений с ком- мутацией каналов, применяемых в ISDN. Для адресации может ис- пользоваться план нумерации E.164, используемый в ISDN или, ис- пользуемый в сетях Х.25, план нумерации Х.121. Однако на практике данный сервис большинством операторов не поддерживается. Следует еще раз особо подчеркнуть, что технология FR эффек- тивно работает только на каналах с низким коэффициентом ошибок. Тем не менее, если технология FR используется на выделенных кана- лах, то в этом случае это требование не является обязательным. На рис. 2.19 показан пример соединения центрального офиса с филиала- ми посредством выделенных каналов с использованием FR для эф- фективного мультиплексирования разнородного трафика (речь + дан- ные). Рис. 2.19. Соединения центрального офиса с филиалами посредством выделен- ных каналов с использованием FR 149 В целом можно сказать, что технология FR является недорогой и высокоэффективной технологией и во многих случаях может яв- ляться хорошей альтернативой (по критерию цена/качество) выде- ленным каналам. Сети АТМ. Технология TCP/IP. В отличие от FR, которая изначально создавалась только для передачи данных (как впрочем и технология TCP/IP), технология АТМ с самого начала создавалась как универсальная технология для передачи всех видов информации (речь, данные, видео и т.д.). Техно- логия АТМ разрабатывалась как основа для создания так называемой широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания – B- ISDN (сегодня чаще используется термин мультисервисная сеть). С этой целью в технологии АТМ заложены мощные механизмы, позво- ляющие ей эффективно передавать разнородный трафик. Но это же и определило высокую стоимость оборудования АТМ (особенно, если учесть, что появилась эта технология уже достаточно давно) и приве- ло к тому, что использование этой технологии в корпоративных сетях носит ограниченный характер. В современных условиях в связи с об- щей тенденцией стремительного роста производительности аппарат- но-программных средств при одновременном снижении их стоимости можно отметить возрождение интереса к технологии АТМ, хотя надо отметить и возрастающую конкуренцию со стороны, постоянно наращивающей возможности, технологии TCP/IP. Асинхронный режим переноса (АТМ), обеспечивает интегриро- ванную передачу речи, данных, подвижных и неподвижных изобра- жений методом статистического мультиплексирования в едином циф- ровом тракте. Передача всех видов информации в виде коротких па- кетов фиксированной длины – ячеек, размером 53 байта позволяет перейти к распределению сетевых ресурсов по потребности, когда каждый потребитель в любой момент времени получает тот сетевой ресурс, который ему необходим в виде виртуального канала с изме- няющейся скоростью передачи. Использование ячеек обеспечивает 150 эффективное мультиплексирование разнородного трафика при опре- деленных гарантиях качества обслуживания - QoS. Есть еще одна причина, по которой в АТМ используются ячейки фиксированной длины. Дело в том, что данная технология с точки зрения размеров передаваемых блоков является компромиссом между технологиями, использующими метод КК и технологиями, использующими метод КП. Когда создавалась технология АТМ, еще не было каналов со ско- ростями, измеряемыми в Гбит/c и, поэтому, с одной стороны надо было экономить канальные ресурсы, а с другой – в условиях относи- тельно низкоскоростных каналов надо было обеспечить эффективное перемешивание трафика различных соединений, с тем чтобы обеспе- чить требуемое качество обслуживания (в первую очередь для трафи- ка реального времени). Для этого надо использовать блоки данных минимального размера, как это сделано в цифровой телефонии. Но, оставаясь в рамках КП, всегда есть ограничение на минимальный размер блока. Таким ограничением является размер заголовков. По- этому в технологии АТМ используется минимально возможный раз- мер заголовка – 5 байт, который почти целиком используется под метку виртуального соединения (рис. 2.20) и отсутствуют привычные для технологий, использующих КП, разграничители блоков – флаги, что возможно только при использовании блоков постоянной длины – ячеек. Кстати по этой причине в АТМ невозможно корректно реали- зовать датаграммный режим, и он всегда реализуется через установ- ление виртуального соединения, т.е. с большими издержками. Вооб- ще, передача поверх АТМ трафика других технологий, использую- щих КП сопряжена с большими издержками, связанными с разбиени- ем пакетов большого размера и размещением получающихся фраг- ментов в короткие ячейки на одном конце соединения и восстановле- нием из фрагментов пакетов на другом. Особенно, если учесть воз- можность потери ячеек. 151 Рис. 2.20. Заголовки ячейки АТМ Таким образом, в технологии АТМ реализован принцип комму- тации ячеек, как разновидность пакетной коммутации c установлени- ем виртуальных соединений. В этом отношении она близка к техно- логиям FR и Х.25. Использование виртуальных соединений, обеспе- чивает лучшие по сравнению с технологией TCP/IP условия для обес- печения безопасности. При этом отпадает необходимость в организа- ции “туннелей”, одного из основных механизмов обеспечения без- опасности, используемого в технологии TCP/IP, в которой каждый передаваемый пакет данных содержит в явном виде адреса источника и получателя. Тем не менее в АТМ разработаны надежные механизмы обеспечения безопасности, включающие: Аутентификацию, позволяющую обеим сторонам, участ- вующим в соединении быть уверенным, что абонент на противопо- ложной стороне действительно является тем, за кого он себя выдает. Аутентификация основывается на криптографических методах; Конфиденциальность, т.е. предотвращение несанкциони- рованного раскрытия передаваемой информации. Конфиденциаль- ность обеспечивается шифровкой данных; 152 Целостность, гарантирующая то, что во время сеанса дан- ные не были изменены. Механизмы целостности используют шифро- вание контрольных сумм и последовательной нумерации передавае- мых блоков данных. Контроль доступа, который ограничивает использование ресурсов или данных незарегистрированными пользователями. В рамках Форума АТМ имеется специальная рабочая группа по безопасности в ATM. Как и FR технология АТМ работает на 2-х нижних уровнях мо- дели OSI. На рис. 2.21 представлена архитектура протоколов АТМ. Физический уровень включает спецификацию передающей среды и обеспечивает передачу битов, включая линейное кодирование и элек- трооптическое преобразование. Следует отметить, что физический уровень предполагает использование синхронных каналов, например, SDH или PDH или каналов с собственной структурой цикла. Важной функцией физического уровня является определение границ ячеек. Эта функция реализуется путем проверки заголовка ячейки на наличие ошибок. В настоящее время, в соответствии со стандартами, оборудование АТМ работает на скоростях до 622,08 Мбит/с (STM-4). Рис. 2.21. Архитектура АТМ 153 Уровень АТМ определяет, куда будут перенаправлены входя- щие ячейки, переустанавливает соответствующие идентификаторы соединения для следующего звена. При этом обеспечивается асин- хронное мультиплексирование различных соединений. Уровень АТМ также управляет функциями управления трафиком и буферами вхо- дящих и исходящих ячеек; он указывает следующему (более высоко- му) уровню AAL о наличии ситуации перегрузки во время передачи. Наконец, уровень АТМ контролирует соответствие трафика каждого соединения условиям обслуживания, которые были определены на этапе установления соединения (трафик-контракт) – формирование и контроль трафика. Отметим, что во время установления соединения при недостатке ресурсов сеть может отклонить вызов (или предло- жить обслуживание с другим качеством, поставить на ожидание и т. д.) с тем, чтобы обеспечить надлежащее обслуживание уже установ- ленных соединений. Для обеспечения возможности передачи разнородного трафика с требуемым качеством в технологии АТМ определены различные службы, которые реализуются с помощью уровня адаптации – AAL. Если физический уровень и уровень АТМ являются общими для всех служб и обеспечивают перенос ячеек, то уровень AAL зависит от служб. Основное назначение уровня AAL – изолировать высшие уровни от специфических характеристик уровня АТМ посредством отображения блоков данных протокола высшего уровня – PDU в ин- формационное поле ячеек АТМ с целью возможности переноса по се- ти АТМ, а затем собрать блоки данных из ячеек АТМ для доставки верхним уровням. В АТМ определены следующие категории служб: Службы реального времени: Постоянная битовая скорость (Constant Bit Rate – CBR); Переменная битовая скорость реального времени (real-time Variable Bit Rate – rt-VBR); Службы не реального времени: Переменная битовая скорость не реального времени (non- real-time Variable Bit Rate – nrt-VBR); Доступная битовая скорость (Available Bit Rate – AVR); 154 Неопределенная битовая скорость (Unspecified Bit Rate – UBR); Гарантированная скорость передачи кадров (Guaranteed Frame Rate – GFR). Служба CBR используется приложениями, для которых требу- ется передача с постоянной скоростью с жестким ограничением на величину задержки и её вариацию. Служба ориентирована на созда- ние соединения. Типичным примером является передача речи с по- стоянной скоростью (64 кбит/с) или транспортирование по сети АТМ цифровых каналов Е1/Т1. Еще одним примером может служить пере- дача видео с постоянной скоростью. Предоставление такой услуги в сетях АТМ называется эмуляцией канала – CES. В службе rt-VBR также необходимо обеспечивать требуемые характеристики по задержке и её вариации для служб, которые ори- ентированы на соединение. Отличие от службы CBR в том, что ис- точниками трафика являются источники с переменной скоростью пе- редачи. Типичными примерами являются передача подвижных изоб- ражений и звука со сжатием. Служба nrt-VBR предназначена для приложений не реального времени, для которых допустимы более высокие задержки и их вари- ация по сравнению службами реального времени. При её использова- нии оконечные устройства указывают максимальную скорость пере- дачи ячеек, а также описывают степень неравномерности потока яче- ек. Основываясь на этой информации, сеть резервирует необходимые ресурсы с тем, чтобы удовлетворить требованиям приложений с точ- ки зрения минимизации задержки и потерь ячеек. Служба ориентиро- вана на соединения. Примером использования этой службы может служить резервирование железнодорожных и авиабилетов, банков- ские операции. Служба ABR предназначена для приложений, генерирующих неравномерный трафик. Приложения с таким трафиком определяют максимальную или пиковую и минимальную скорости передачи ячеек (Peak Cell Rate – PCR и Minimum Cell Rate – MCR, соответственно). Сеть резервирует ресурсы таким образом, чтобы каждое приложение, 155 использующее службу ABR, получило как минимум ресурс, обеспе- чивающий MCR. По мере возможности остающиеся свободными ре- сурсы распределяются между всеми приложениями. При этом ис- пользуется механизмы обратной связи, обеспечивающие справедли- вое распределение ресурсов. Службу ABR может использоваться при передаче трафика между LAN. Служба UBR рассчитана на приложения, допускающие значи- тельные задержки. Эта служба использует ресурсы, остающиеся сво- бодными после удовлетворения потребностей других служб. Источ- ник передачи не получает каких-либо гарантий по задержке и потере ячеек. Примером приложения, использующего службу UBR, может быть передача текста. Служба GFR была разработана для поддержки передачи IP- трафика, который часто передается через АТМ. Дело в том, что при передаче между маршрутизаторами, соединенными через сеть АТМ, IP-пакетов, имеющих большие размеры, их разбивают на короткие ячейки. При этом, если хотя бы одна ячейка будет сброшена, напри- мер, вследствие перегрузки сети АТМ, то придется повторно переда- вать все ячейки, из которых состоял исходный IP-пакет, т.е. повторять передачу большого количества уже переданных ячеек и, таким обра- зом, еще больше увеличивать перегрузку. Поэтому, важно, чтобы все коммутаторы АТМ знали о границах фрагментированных пакетов или кадров. Тогда при перегрузке коммутатор АТМ сможет сбрасывать не одну ячейку, а и все последующие ячейки, вплоть до последней, соот- ветствующей границе пакета. Именно эта возможность реализована в этой службе. Требования по доставке информации в каждой службе суще- ственно различаются. Например, речь и видео критичны к задержкам (требования соблюдения реального времени), а данные критичны к потерям информации (требование целостности информации). Поэто- му на этапе установления соединения между сетью АТМ и приложе- ниями заключается соглашение о качестве обслуживания, так называ- емый трафик-контракт. В этом соглашении, с одной стороны, описы- ваются параметры подлежащего передаче трафика, а, с другой сторо- 156 ны, сеть обязуется гарантировать приложению запрашиваемые пара- метры качества передачи. В трафик-контракт входят параметры, ха- рактеризующие максимальную и минимальную скорости поступле- ния ячеек от отправителя и такие параметры качества обслуживания, как задержка при передаче ячеек через сеть и её вариация, а также процент потерянных ячеек. Еще раз отметим, что сеть АТМ устанав- ливает соединение только в случае, если вновь устанавливаемое со- единение не ухудшит параметры качества обслуживания для уже установленных соединений. Для поддержки различных служб в технологии АТМ определен набор протоколов уровня AAL. Уровень адаптации состоит из двух подуровней: подуровень конвергенции (Convergence Sublayer – CS) и подуровень сегментации и сборки (Segmentation And Reassembly sublayer – SAR). В настоящее время определены 4 типа протоколов AAL: AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5. Из этих четырех типов на практике по различным причинам используются только 2 типа: AAL1 и AAL5. AAL1 используется для поддержки служб реального времени, а AAL5 – для передачи данных. На рис. 2.22 показано использование протокола AAL5 для передачи IP-пакетов. Рис. 2.22. Использование протокола AAL5 для передачи IP-пакетов 157 Для обеспечения QoS в технологии АТМ используются различ- ные механизмы, из которых в первую очередь можно отметить алго- ритм GCRA (Generic Cell Rate Algorithm), являющийся модификаци- ей, рассмотренного ранее алгоритма “Leaky Bucket”. Рис. 2.23. Алгоритм GCRA Технология АТМ может применяться и как технология, исполь- зуемая из конца в конец, так и как технология для объединения уда- ленных площадок предприятия. При использовании АТМ из конца в конец необходимо обеспечить поддержку АТМ всеми устройствами в локальной сети предприятия (рис. 2.23). Однако в настоящее время сложилась такая ситуация, что в большинстве предприятий исполь- зуются локальные сети (Local Area Network – LAN), построенные, как правило, на основе достаточно дешевой технологии Ethernet. Очевид- но, что переход на технологию АТМ был бы связан с большими за- тратами. При этом надо иметь в виду, что технология Ethernet не сто- ит на месте и постоянно развивается. Для обеспечения совместимости с локальными сетями была разработана технология эмуляции локаль- ной сети – LAN Emulation (LANE). Данная технология призвана ис- пользовать преимущества АТМ применительно к пользователям ло- 158 кальных сетей. Она фактически как бы превращает различные ло- кальные сети в одну с сохранением функциональности локальной се- ти (рис. 2.24): Сохранение доступности всех существующих приложений LAN; Использование АТМ в качестве транспортной среды меж- ду территориально разнесенными LAN; Обеспечение доступа из LAN к серверам, подключенным непосредственно к АТМ. Рис. 2.24. Использование технологии LANE Заключая рассмотрение технологии АТМ отметим, что в насто- ящее время данная технология в наибольшей степени отвечает задаче построения мультисервисной сети. Однако сейчас акцент все больше смещается в пользу технологии TCP/IP. Основными аргументами в пользу TCP/IP являются, с одной стороны, сложность и дороговизна оборудования АТМ, а с другой стороны, доступность и повсеместная распространенность технологии TCP/IP, которая постепенно наращи- вает свои возможности, представляя таким образом эволюционный подход к построению мультисервисной сети. Немаловажным факто- ром также является стремительный рост канальных ресурсов, что в значительной мере нивелирует преимущество коротких пакетов (яче- ек АТМ). 159 Технология Ethernet в магистральных сетях передачи данных В 1998 году появился Gigabit Ethernet, а в 2002 году - техноло- гия 10 Gigabit Ethernet. Раньше в Ethernet использовался метод досту- па CSMA/CD (полудуплексный режим – Half Duplex) и основным оборудованием в сети были концентраторы или хабы (Hub), работа- ющие на 1-м уровне модели OSI. Метод CSMA/CD, основанный на обнаружении коллизий, имеет ограничения на максимальную длину сегмента, причем, чем выше скорость передачи, тем меньше допусти- мая длина сегмента. Если на скорости 10 Мбит/c максимальная длина сегмента составляет 2500 м, то на скорости 1000 Мбит/c – только 25 м. Кроме того, сеть, построенная на концентраторах, плохо масшта- бируется. Сегодня можно говорить об отказе от CSMA/CD и переходе на коммутируемый Ethernet (полнодуплексный режим – Full Duplex) с использованием коммутаторов (Switch), работающих на 2-м уровне OSI. Использование коммутаторов позволило снять ограничения на длину сегмента, связанные с методом CSMA/CD. Дополнительным аргументом в пользу перехода на коммутируемый Ethernet может служить также то, что в настоящее время в технологию Ethernet вве- дены механизмы приоритезации трафика (IEEE 802.1p), что очень важно для построения мультисервисных сетей. Введение возможно- сти по созданию виртуальных локальных сетей – VLAN (IEEE 802.1Q) значительно увеличило возможности по структуризации ло- кальных сетей. Тем не менее, в технологии еще остаются ограниче- ния, связанные, например, с топологией сети (протокол STP – IEEE 802.1D). С появлением 10 Gigabit Ethernet появилась возможность ис- пользования привычной для всех технологии не только в локальных сетях, но и в региональных сетях (Metropolitan Area Network – MAN) и даже в глобальных сетях (Wide Area Network – WAN). Особенно- стью данной технологии являются: использование только режима Full Duplex; управление скоростью передачи; 160 использование только оптической среды передачи; возможность использования на расстояниях до 40 км; возможность подключения к оборудованию SDH/SONET. Сегодня даже появился термин Metro Ethernet, означающий ис- пользование технологии Ethernet в сетях MAN. На рис. 2.25 и 2.26 по- казаны различные варианты использования 10 Gigabit Ethernet для по- строения корпоративной сети. Преимущества использования концеп- ции Metro Ethernet для построения корпоративной сети очевидны и заключаются, прежде всего, в использовании единой технологии во всей корпоративной сети без необходимости преобразования прото- колов. Рис. 2.25. Первый вариант использования 10 Gigabit Ethernet для построения корпоративной сети 161 Рис. 2.26. Второй вариант использования 10 Gigabit Ethernet для построения корпоративной сети С локальными сетями связано и появление в сетях MAN техно- логии динамических (эластичных) пакетных колец – RPR (IEEE 802.17), которая становится все более популярной (рис. 2.27). В осно- ву данной технологии положена известная локальная сеть с методом доступа “Вставка регистра”. Рис. 2.27. MAN - технология динамических (эластичных) пакетных колец 162 Как уже говорилось, сегодня при построении мультисервисных сетей сделан выбор в пользу технологии TCP/IP. И здесь решающим фактором, позволяющим данной технологии (и вообще технологиям КП) претендовать на обеспечение мультисервисности, конечно же, является переход от скоростей передачи, измеряемых в кбит/c к ско- ростям, измеряемым в Мбит/c, Гбит/c и Тбит/c. То, что в технологии АТМ (уменьшение времени передачи пакета) достигалось путем мак- симального возможного уменьшения размера пакета (короткие ячей- ки), сегодня достигается за счет резкого увеличения скорости переда- чи. Это позволяет, используя механизмы приоритезации, обеспечить возможность передачи трафика реального времени (РВ) средствами КП, с приемлемыми задержкой и её вариацией. Тем не менее, сети с КП хорошо передают трафик РВ только то- гда, когда его доля в общем объеме трафика невелика. В самом деле, если загрузка сети близка к 0, то задержка, связанная с передачей че- рез сеть, минимальна и практически равна некоторой постоянной ве- личине, которая, в основном, определяется суммой задержек переда- чи, распространения и коммутации, независимо от наличия или от- сутствия в сети приоритезации. При увеличении загрузки задержка увеличивается и может изменяться во времени (очереди). Изменение загрузки сети в течение сеанса связи приводит к дополнительному увеличению вариации задержки. Введение приоритезации, например, для трафика РВ приводит к перераспределению задержек между дву- мя (или большим числом) видами трафика, но не устраняет причин вариации задержки. При этом, если доля трафика реального времени увеличивается, то эффективность приоритезации снижается, что, в конце концов, приводит к ситуации наличия в сети только одного ви- да трафика, только теперь это трафик реального времени. Выделение канальных ресурсов для трафика РВ по существу приводит к тому, что этот трафик передается теми же средствами КП в выделенной для него доле канальных ресурсов и, соответственно, как уже сказано, может удовлетворительно передаваться только, если его доля, теперь уже в выделенной части канальных ресурсов, не велика. 163 Сказанное выше подтверждается и практическими рекоменда- циями. Так, по рекомендации компании Cisco доля трафика РВ не должна превышать 33% от доступной пропускной способности. Та- ким образом, сети с КП не инвариантны к структуре трафика (ограни- чение на долю трафика РВ), что, очевидно, является недостатком. Отмеченные ограничения являются следствием отсутствия в сетях с КП учета параметров времени. С одной стороны, асинхронность, ха- рактерная для сетей передачи данных, обеспечивает хорошее исполь- зование сетевых ресурсов. С другой стороны, в таких сетях каждое устройство действует в значительной мере независимо от других. По- ступившие в сетевое устройство пакеты надо как можно скорее от- править дальше. Такое правило, хорошо работающее в двухточечной сети, в сети со сложной топологией, содержащей много узлов, посто- янно создает условия для возникновения локальных перегрузок, ко- торые затем пытаются разрешить, используя сложные механизмы управления трафиком. Данная особенность, присущая сетям с КП и приводящая к образованию очередей большого размера, допустима при передаче трафика данных, но оказывает крайне негативное воз- действие на передачу трафика РВ. Можно отметить, что сегодня в рамках технологий КП отсут- ствуют механизмы обеспечения QoS, сравнимые по эффективности с механизмами, используемыми в КК, так что вопросы обеспечения QoS в значительной мере возлагаются на оконечное оборудование. Каждый из существующих методов коммутации хорошо подхо- дит для трафика определенного типа. Очевидно, что с точки зрения накладных расходов, для передачи трафика с низким коэффициентом пульсаций лучше использовать метод КК, для передачи трафика с вы- соким коэффициентом пульсаций – КП. В современных сетевых тех- нологиях, базирующихся на одном методе коммутации, в полной ме- ре учесть этот параметр практически невозможно. Если бы в реальных условиях доминировал трафик одного типа, то можно было бы строить мультисервисную сеть, оптимизируя её для передачи трафика соответствующего типа. Однако соотношение объемов трафика разного типа с течением времени может изменяться 164 и тогда, оптимальную сегодня сеть необходимо будет коренным об- разом модифицировать. Решая задачу построения мультисервисной сети на базе одной технологии, мы на самом деле создаем моносер- висную сеть с эмуляцией мультисервисности. В такой сети имеется один базовый сервис, соответствующий используемой технологии, так что трафик всех приложений пропускается через один и тот же стек протоколов независимо от того подходит этот стек для конкрет- ного приложения или нет. Отсюда и происходят дополнительные из- держки, связанные со стремлением обеспечить требуемый сервис фактически используя “негодные” средства. В этом и состоит задача эмуляции мультисервисности, неизбежно сопровождаемая значитель- ными издержками. В определенном смысле можно говорить, что в настоящее время реализуется очередной этап построения мультисервисной сети (если рассматривать ISDN и B-ISDN на основе АТМ, как предшествую- щие), учитывающий современное состояние сетевых технологий и имеющиеся технологические возможности. В будущем надо стре- миться к действительно мультисервисной сети, которая будет обеспе- чивать прозрачную передачу разнородного трафика при эффективном использовании сетевых ресурсов |