Методи комутації

 

1. Методи комутації


Будь-які мережі зв'язку підтримують деякий спосіб комутації своїх абонентів між собою. Цими абонентами можуть бути віддалені комп'ютери, локальні мережі, чи факс-апарати просто співрозмовники, що спілкуються за допомогою телефонних апаратів. Практично неможливо надати кожній парі взаємодіючих абонентів свою власну фізичну лінію зв'язку, що не комутується, якою б вони могли монопольно «володіти» протягом тривалого часу. Тому в будь-якій мережі завжди застосовується який-небудь спосіб комутації абонентів, що забезпечує приступність наявних фізичних каналів одночасно для декількох сеансів зв'язку між абонентами мережі.

Абоненти з'єднуються з комутаторами індивідуальними лініями зв'язку, кожна з який використовується в будь-який момент часу тільки одним, закріпленим за цією лінією абонентом. Між комутаторами лінії зв'язку розділяються декількома абонентами, тобто використовуються спільно.

Існують три принципово різні схеми комутації абонентів у мережах: комутація каналів (circuit switching), комутація пакетів (packet switching) і комутація повідомлень (message switching). Мережі з комутацією каналів мають більш багату історію, вони ведуть своє походження від перших телефонних мереж. Мережі з комутацією пакетів порівняно молоді, вони з'явилися наприкінці 60-х років як результат експериментів з першими глобальними комп'ютерними мережами. Мережі з комутацією повідомлень послужили прототипом сучасних мереж з комутацією пакетів і сьогодні вони в чистому виді практично не існують.

Кожна з цих схем має свої переваги і недоліки, але за прогнозами багатьох фахівців майбутнє належить технології комутації пакетів, як більш гнучкої й універсальний.

Як мережі з комутацією пакетів, так і мережі з Комутацією каналів можна розділити на два класи по іншій ознаці - на мережі з динамічною комутацією і мережі з постійною комутацією.

У першому випадку мережа дозволяє встановлювати з'єднання з ініціативи користувача мережі. Комутація виконується на час сеансу зв'язку, а потім (знову ж з ініціативи одного з взаємодіючих користувачів) зв'язок розривається. У загальному випадку будь-який користувач мережі може з'єднатися з будь-яким іншим користувачем мережі. Звичайно період з'єднання між парою користувачів при динамічній комутації складає від декількох секунд до декількох годин і завершується при виконанні визначеної роботи - передачі файлу, перегляду сторінки чи тексту зображення і т. п.

В другому випадку мережа не надає користувачу можливість виконати динамічну комутацію з іншим довільним користувачем мережі. Замість цього мережа дозволяє парі користувачів замовити з'єднання на тривалий період часу. З'єднання встановлюється не користувачами, а персоналом, що обслуговує мережа. Час, на яке встановлюється постійна комутація, виміряється звичайно декількома місяцями. Режим постійної комутації в мережах з комутацією каналів часто називається сервісом виділених (dedicated) чи орендованих (leased) каналів.

Прикладами мереж, що підтримують режим динамічної комутації, є телефонні мережі загального користування, локальні мережі, мережі TCP/IP.

Найбільш популярними мережами, що працюють у режимі постійної комутації, сьогодні є мережі технології SDH, на основі яких будуються виділені канали зв'язку з пропускною здатністю в декілька гігабіт у секунду.

Деякі типи мереж підтримують обидва режими роботи. Наприклад, мережі Х.25 і ATM можуть надавати користувачу можливість динамічно зв'язатися з будь-яким іншим користувачем мережі й у той же час відправляти дані по постійному з'єднанню одному цілком визначеному абоненту.


1.1 Комутація каналів


Комутація каналів має на увазі утворення безупинного складеного фізичного каналу з послідовно з'єднаних окремих канальних ділянок для прямої передачі даних між вузлами. Окремі канали з'єднуються між собою спеціальною апаратурою - комутаторами, що можуть установлювати зв'язку між будь-якими кінцевими вузлами мережі. У мережі з комутацією каналів перед передачею даних завжди необхідно виконати процедуру встановлення з'єднання, у процесі якої і створюється складений каналу

Комутатори, а також з'єднуючі їхні канали повинні забезпечувати одночасну передачу даних декількох абонентських каналів. Для цього вони повинні бути високошвидкісними і підтримувати яку-небудь техніку мультиплексування абонентських каналів.

В даний час для мультиплексування абонентських каналів використовуються дві техніки:

техніка частотного мультиплексування (Frequency Division Multiplexing, FDM);

техніка мультиплексування з поділом часу (Time Division Multiplexing, TDM).


.1.1 Комутація каналів на основі частотного мультиплексування

Техніка частотного мультиплексування каналів (FDM) була розроблена для телефонних мереж, але застосовується вона і для інших видів мереж, наприклад мереж кабельного телебачення.

Розглянемо особливості цього виду мультиплексування на прикладі телефонної мережі.

Мовні сигнали мають спектр шириною приблизно в 10 000 Гц, однак основні гармоніки укладаються в діапазон від 300 до 3400 Гц. Тому для якісної передачі мови досить утворити між двома співрозмовниками канал зі смугою пропущення в 3100 Гц, що і використовується в телефонних мережах для з'єднання двох абонентів. У той же час смуга пропущення кабельних систем із проміжними підсилювачами, що з'єднують телефонні комутатори між собою, звичайно складає сотні кілогерців, а іноді і сотні мегагерц. Однак безпосередньо передавати сигнали декількох абонентських каналів по широкополосному каналі неможливо, тому що усі вони працюють у тому самому діапазоні частот і сигнали різних абонентів змішаються між собою так, що розділити їхній буде неможливо.


Для поділу абонентських каналів характерна техніка модуляції високочастотного несущого синусоїдального сигналу низькочастотним мовним сигналом. Ця техніка подібна техніці аналогової модуляції при передачі дискретних сигналів модемами, тільки замість дискретного вихідного сигналу використовуються безупинні сигнали, породжувані звуковими коливаннями. У результаті спектр модульованого сигналу переноситься в інший діапазон, що симетрично розташовується щодо несущої частоти і має ширину, що приблизно збігається із шириною сигналу, що модулює.

Якщо сигнали кожного абонентського каналу перенести у свій власний діапазон частот, то в одному широкополосном каналі можна одночасно передавати сигнали декількох абонентських каналів.

На входи FDM-комутатора надходять вихідні сигнали від абонентів телефонної мережі. Комутатор виконує перенос частоти кожного каналу у свій діапазон частот. Звичайно високочастотний діапазон поділяється на смуги, що приділяються для передачі даних абонентських каналів. Щоб низькочастотні складові сигналів різних каналів не змішувалися між собою, смуги роблять шириною в 4 кгц, а не в 3,1 кгц, залишаючи між ними страховий проміжок у 900 Гц. У каналі між двома FDM-комутаторами одночасно передаються сигнали всіх абонентських каналів, але кожний з них займає свою смугу частот. Такий канал називають ущільненим.

Вихідний FDM-комутатор виділяє модульовані сигнали кожної несущої частоти і передає їх на відповідний вихідний канал, до якого безпосередньо підключений абонентський телефон.

У мережах на основі FDM-комутації прийнято кілька рівнів ієрархії ущільнених каналів. Перший рівень ущільнення утворять 12 абонентських каналів, що складають базову групу каналів, що займає смугу частот шириною в 48 кгц із границями від 60 до 108 кгц Другий рівень ущільнення утворять 5 базових груп, що складають супергрупу, зі смугою частот шириною в 240 кгц і границями від 312 до 552 кгц. Супергрупа передає дані 60 абонентських каналів тональної частоти. Десять супергруп утворять головну групу, що використовується для зв'язку між комутаторами на великих відстанях. Головна група передає дані 600 абонентів одночасно і жадає від каналу зв'язку смугу пропущення шириною не менш 2520 кгц із границями від 564 до 3084 кгц.

Комутатори FDM можуть виконувати як динамічну, так і постійну комутацію. При динамічній комутації один абонент ініціює з'єднання з іншим абонентом, посилаючи в мережу номер викликуваного абонента. Комутатор динамічно виділяє даному абоненту одну з вільних смуг свого ущільненого каналу. При постійній комутації за абонентом смуга в 4 кгц закріплюється на тривалий термін шляхом настроювання комутатора по окремому вході, недоступному користувачам.

Принцип комутації на основі поділу частот залишається незмінним і в мережах іншого виду, міняються тільки границі смуг, виділюваних окремому абонентському каналу, а також кількість каналів в ущільненому високошвидкісному.


.1.2 Комутація каналів на основі поділу часу

Комутація на основі техніки поділу частот розроблявся в розрахунку на передачу безупинних сигналів, що представляють голос. При переході до цифрової форми представлення голоси була розроблена нова техніка мультиплексування, що орієнтується на дискретний характер переданих даних.

Ця техніка зветься мультиплексування з поділом часу (Time Division Multiplexing, TDM). Рідше використовується й інша її назва - техніка синхронного режиму передачі (Synchronous Transfer Mode, STM). Малюнок 2.28 пояснює принцип комутації каналів на основі техніки TDM.

Апаратура TDM-мереж - мультиплексоры, комутатори, демультиплексоры - працює в режимі поділу часу, по черзі обслуговуючи протягом циклу своєї роботи всі абонентські канали. Цикл роботи устаткування TDM дорівнює 125 мкс, що відповідає періоду проходження вимірів голосу в цифровому абонентському каналі. Це значить, що мультиплексор чи комутатор устигає вчасно обслужити будь-який абонентський канал і передати його черговий вимір далі по мережі. Кожному з'єднанню виділяється один квант часу циклу роботи апаратури, називаний також тайм-слотом. Тривалість тайм-слота залежить від числа абонентських каналів, що обслуговуються мультиплексором TDM чи комутатором.


Комутація на основі поділу каналу в часі


Мультиплексор приймає інформацію з N вхідним каналам від кінцевих абонентів, кожний з який передає дані по абонентському каналі зі швидкістю 64 Кбит/з - 1 байт кожні 125 мкс. У кожнім циклі мультиплексор виконує наступні дії:

прийом від кожного каналу чергового байта даних;

складання з прийнятих байтів ущільненого кадру, називаного також обоймою;

передача ущільненого кадру на вихідний канал з бітовою швидкістю, рівної Nx64 Кбит/с.

Порядок байт в обоймі відповідає номеру вхідного каналу, від якого цей байт отриманий. Кількість що обслуговуються мультиплексором абонентських каналів залежить від його швидкодії. Наприклад, мультиплексор Т1, що представляє собою перший промисловий мультиплексор, що працював за технологією TDM, підтримує 24 вхідних абонентських каналу, створюючи на виході обойми стандарту Т1, передані з бітовою швидкістю 1,544 Мбит/с.

Демультиплексор виконує зворотну задачу - він розбирає байти ущільненого кадру і розподіляє їх по своїм декількох вихідний каналам, при цьому він вважає, що порядковий номер байта в обоймі відповідає номеру вихідного каналу.

Комутатор приймає ущільнений кадр по швидкісному каналі від мультиплексора і записує кожен байт із нього в окремий осередок своєї буферної пам'яті, причому в тім порядку, у якому ці байти були упаковані в ущільнений кадр. Для виконання операції комутації байти витягаються з буферної пам'яті не в порядку надходження, а в такому порядку, що відповідає підтримуваним у мережі з'єднанням абонентів. Так, наприклад, якщо перший абонент лівої частини мережі мал. 2.28 повинний з'єднатися з другим абонентом у правій частині мережі, то байт, записаний у перший осередок буферної пам'яті, буде витягатися з її другим. «Перемішуючи» потрібним образом байти в обоймі, комутатор забезпечує з'єднання кінцевих абонентів у мережі.

Один раз виділений номер тайм-слота залишається в розпорядженні з'єднання «вхідний канал-вихідний слот» протягом усього часу існування цього з'єднання, навіть якщо переданий трафік є пульсуючим і не завжди вимагає захопленої кількості тайм-слотов. Це означає, що з'єднання в мережі TDM завжди володіє відомою і фіксованою пропускною здатністю, кратної 64 Кбит/с.

Робота устаткування TDM нагадує роботу мереж з комутацією пакетів, тому що кожен байт даних можна вважати деяким елементарним пакетом. Однак, на відміну від пакета комп'ютерної мережі, «пакет» мережі TDM не має індивідуальної адреси. Його адресою є порядковий номер у чи обоймі номер виділеного тайм-слота в мультиплексоре чи комутаторі. Мережі, що використовують техніку TDM, вимагають синхронної роботи всього устаткування, що і визначило другу назву цієї техніки - синхронний режим передач (STM). Порушення синхронності руйнує необхідну комутацію абонентів, тому що при цьому губиться адресна інформація. Тому перерозподіл тайм-слотов між різними каналами в устаткуванні TDM неможливо, навіть якщо в якомусь циклі роботи мультиплексора тайм-слот одного з каналів виявляється надлишковим, тому що на вході цього каналу в цей момент немає даних для передачі (наприклад, абонент телефонної мережі мовчить).

Існує модифікація техніки TDM, називана статистичним поділом каналу в часі (Statistical TDM, STDM). Ця техніка розроблена спеціально для того, щоб за допомогою тимчасово вільних тайм-слотов одного каналу можна було збільшити пропускну здатність інших. Для рішення цієї задачі кожен байт даних доповнюється полем адреси невеликої довжини, наприклад у 4 чи 5 біт, що дозволяє мультиплексировать 16 чи 32 каналу. Однак техніка STDM не знайшла широкого застосування і використовується в основному в нестандартному устаткуванні підключення терміналів до мейнфреймам. Розвитком ідей статистичного мультиплексування стала технологія асинхронного режиму передачі - ATM, що увібрала в себе кращі риси техніки комутації каналів і пакетів.

Мережі TDM можуть підтримувати або режим динамічної комутації, або режим постійної комутації, а іноді й обоє ці режиму. Так, наприклад, основним режимом цифрових телефонних мереж, що працюють на основі технології TDM, є динамічна комутація, але вони підтримують також і постійну комутацію, надаючи своїм абонентам службу виділених каналів.

Існує апаратура, що підтримує тільки режим постійної комутації. До неї відноситься устаткування типу Т1/Е1, а також високошвидкісне устаткування SDH. Таке устаткування використовується для побудови первинних мереж, основною функцією яких є створення виділених каналів між комутаторами, що підтримують динамічну комутацію.

Сьогодні практично всі дані - голос, зображення, комп'ютерні дані - передаються в цифровій формі. Тому виділені канали TDM-технології, що забезпечують нижній рівень для передачі цифрових даних, є універсальними каналами для побудови мереж будь-якого типу: телефонних, телевізійних і комп'ютерних.


1.1.3 Загальні властивості мереж з комутацією каналів

Мережі з комутацією каналів володіють декількома важливими загальними властивостями незалежно від того, який тип мультиплексування в них використовується.

Мережі з динамічною комутацією вимагають попередньої процедури встановлення з'єднання між абонентами. Для цього в мережу передається адреса викликуваного абонента, що проходить через комутатори і набудовує їх на наступну передачу даних. Запит на встановлення з'єднання маршрутизируется від одного комутатора до іншого і зрештою досягає викликуваного абонента. Мережа може відмовити у встановленні з'єднання, якщо ємність необхідного вихідного каналу уже вичерпана. Для FDM-комутатора ємність вихідного каналу дорівнює кількості частотних смуг цього каналу, а для TDM-комутатора - кількості тайм-слотов, на які поділяється цикл роботи каналу. Мережа відмовляє в з'єднанні також у тому випадку, якщо запитуваний абонент вже установив з'єднання з ким-небудь іншим. У першому випадку говорять, що зайнято комутатор, а в другому - абонент. Можливість відмовлення в з'єднанні є недоліком методу комутації каналів.

Якщо з'єднання може бути встановлено, то йому виділяється фіксована смуга частот у чи FDM-мережах же фіксована пропускна здатність у TDM-мережах. Ці величини залишаються незмінними протягом усього періоду з'єднання. Гарантована пропускна здатність мережі після встановлення з'єднання є важливою властивістю, необхідним для таких додатків, як передача голосу, чи зображення керування об'єктами в реальному масштабі часу. Однак динамічно змінювати пропускну здатність каналу за вимогою абонента мережі з комутацією каналів не можуть, що робить їх неефективними в умовах пульсуючого графіка.

Недоліком мереж з комутацією каналів є неможливість застосування користувацької апаратури, що працює з різною швидкістю. Окремі частини складеного каналу працюють з однаковою швидкістю, тому що мережі з комутацією каналів не даних користувачів.

Мережі з комутацією каналів добре пристосовані для комутації потоків даних постійної швидкості, коли одиницею комутації є не окремий чи байт пакет даних, а довгостроковий синхронний потік даних між двома абонентами. Для таких потоків мережі з комутацією каналів додають мінімум службової інформації для маршрутизації даних через мережу, використовуючи тимчасову позицію кожного біта потоку в якості його адреси призначення в комутаторах мережі.

У залежності від напрямку можливої передачі дані способи передачі даних по лінії зв'язку поділяються на наступні типи:

симплексний - передача здійснюється по лінії зв'язку тільки в одному напрямку;

напівдуплексний - передача ведеться в обох напрямках, але поперемінно в часі. Прикладом такої передачі служить технологія Ethernet;

дуплексний - передача ведеться одночасно в двох напрямках.

Дуплексний режим - найбільш універсальний і продуктивний спосіб роботи каналу. Найпростішим варіантом організації дуплексного режиму є використання двох незалежних фізичних каналів (двох пар чи провідників двох световодов) у кабелі, кожний з який працює в симплексному режимі, тобто передає дані в одному напрямку. Саме така ідея лежить в основі реалізації дуплексного режиму роботи в багатьох мережних технологіях, наприклад Fast Ethernet чи ATM. Модеми для організації дуплексного режиму роботи на двухпроводной лінії застосовують техніку FDM. Модеми, що використовують частотну модуляцію, працюють на чотирьох частотах: дві частоти - для кодування одиниць і нулів в одному напрямку, а інші дві частоти - для передачі даних у зворотному напрямку.

При цифровому кодуванні дуплексний режим на двухпроводной лінії організується за допомогою техніки TDM. Частина тайм-слотов використовується для передачі даних в одному напрямку, а частина - для передачі в іншому напрямку. Звичайно тайм-слоты протилежних напрямків чергуються, через що такий спосіб іноді називають «пинг-понговой» передачею. TDM-поділ лінії характерно наприклад, для цифрових мереж з інтеграцією послуг (ISDN) на абонентських двухпроводных закінченнях.

У волоконно-оптических кабелях при використанні одного оптичного волокна для організації дуплексного режиму роботи застосовується передача даних в одному напрямку за допомогою світлового пучка однієї довжини хвилі, а в зворотному - іншої довжини хвилі. Така техніка відноситься до методу FDM, однак для оптичних кабелів вона одержала назву поділу по довжині хвилі (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM застосовується і для підвищення швидкості передачі даних в одному напрямку, звичайно використовуючи від 2 до 16 каналів.

1.2 Комутація пакетів


.2.1 Принципи комутації пакетів

Комутація пакетів - це техніка комутації абонентів, що була спеціально розроблена для ефективної передачі комп'ютерного трафіка. Експерименти по створенню перших комп'ютерних мереж на основі техніки комутації каналів показали, що цей вид комутації не дозволяє досягти високої загальної пропускної здатності мережі. Суть проблеми полягає в пульсуючому характері графіка, що генерують типові мережні додатки. Наприклад, при звертанні до вилученого файлового сервера користувач спочатку переглядає вміст каталогу цього сервера, що породжує передачу невеликого обсягу даних. Потім він відкриває необхідний файл у текстовому редакторі, і ця операція може створити досить інтенсивний обмін даними, особливо якщо файл містить об'ємні графічні включення. Після відображення декількох сторінок файлу користувач якийсь час працює з ними локально, що взагалі не вимагає передачі даних по мережі, а потім повертає модифіковані копії сторінок на сервер - і це знову породжує інтенсивну передачу даних по мережі.

Коефіцієнт пульсації графіка окремого користувача мережі, дорівнює відношенню середньої інтенсивності обміну даними до максимально можливого, може складати 1:50 чи 1:100. Якщо для описаної сесії організувати комутацію каналу між комп'ютером користувача і сервером, то велику частину часу канал буде простоювати. У той же час комутаційні можливості мережі будуть використовуватися - частина тайм-слотов чи частотних смуг комутаторів буде зайнята і недоступна іншим користувачам мережі.

При комутації пакетів усі передані користувачем мережі повідомлення розбиваються у вихідному вузлі на порівняно невеликі частини, називані пакетами. Нагадаємо, що повідомленням називається логічно завершена порція даних - запит на передачу файлу, відповідь на цей запит, що містить весь файл, і т. п. Повідомлення можуть мати довільну довжину, від декількох байт до багатьох мегабайт. Навпроти, пакети звичайно теж можуть мати перемінну довжину, але у вузьких межах, наприклад від 46 до 1500 байт. Кожен пакет забезпечується заголовком, у якому вказується адресна інформація, необхідна для доставки пакета вузлу призначення, а також номер пакета, що буде використовуватися вузлом призначення для зборки повідомлення (мал. 2.29). Пакети транспортуються в мережі як незалежні інформаційні блоки. Комутатори мережі приймають пакети від кінцевих вузлів і на підставі адресної інформації передають їхній один одному, а в остаточному підсумку - вузлу призначення.


Розбиття повідомлення на пакети


Комутатори пакетної мережі відрізняються від комутаторів каналів тим, що вони мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового збереження пакетів, якщо вихідний порт комутатора в момент прийняття пакета зайнятий передачею іншого пакета (мал. 2.30). У цьому випадку пакет знаходиться якийсь час у черзі пакетів у буферній пам'яті вихідного порту, а коли до нього дійде черга, то він передається наступному комутатору. Така схема передачі даних дозволяє згладжувати пульсації графіка на магістральних зв'язках між комутаторами і тим самим використовувати їхній найбільш ефективним образом для підвищення пропускної здатності мережі в цілому.

Дійсно, для пари абонентів найбільш ефективним було би надання їм в одноособове користування скоммутированного каналу зв'язку, як це робиться в мережах з комутацією каналів. При цьому способі час взаємодії цієї пари абонентів було б мінімальним, тому що дані без затримок передавалися б від одного абонента іншому. Простої каналу в. час пауз передачі абонентів не цікавлять, для них важливо швидше вирішити свою власну задачу. Мережа з комутацією пакетів сповільнює процес взаємодії конкретної пари абонентів, тому що їхні пакети можуть очікувати в комутаторах, поки по магістральних зв'язках передаються інші пакети, що прийшли в комутатор раніше.


Згладжування пульсацій трафіка в мережі з комутацією пакетів


Проте загальний обсяг переданих мережею комп'ютерних даних в одиницю часу при техніку комутації пакетів буде вище, ніж при техніку комутації каналів. Це відбувається тому, що пульсації окремих абонентів і відповідності з законом великих чисел розподіляються в часі. Тому комутатори постійно і досить рівномірно завантажені роботою, якщо число абонентів, що обслуговуються ними, дійсно велике. На мал. 2.30 показано, що графік, що надходить від кінцевих вузлів на комутатори, дуже нерівномірно розподілений у часі. Однак комутатори більш високого рівня ієрархії, що обслуговують з'єднання між комутаторами нижнього рівня, завантажені більш рівномірно, і потік пакетів у магістральних каналах, що з'єднує комутатори верхнього рівня, має майже максимальний коефіцієнт використання.

Більш висока ефективність мереж з комутацією пакетів у порівнянні з мережами з комутацією каналів (при рівній пропускній здатності каналів зв'язки) була доведена в 60-і роки як експериментально, так і за допомогою імітаційного моделювання. Тут доречна аналогія з мультипрограмними операційними системами. Кожна окрема програма в такій системі виконується довше, ніж в однопрограмній системі, коли програмі виділяється весь процесорний час, поки вона не завершить своє виконання. Однак загальне число програм, виконуваних за одиницю часу, у мультипрограмній системі більше, ніж в однопрограмній.


1.2.2 Віртуальні канали в мережах з комутацією пакетів

Описаний вище режим передачі пакетів між двома кінцевими вузлами мережі припускає незалежну маршрутизацію кожного пакета. Такий режим роботи мережі називається дейтаграмним, і при його використанні комутатор може змінити маршрут якого-небудь пакета в залежності від стану мережі - працездатності каналів і інших комутаторів, довжини черг пакетів у сусідніх комутаторах і т. п.

Існує й інший режим роботи мережі - передача пакетів по віртуальному каналі (virtual circuit чи virtual channel). У цьому випадку перед тим, як почати передачу даних між двома кінцевими вузлами, повинний бути установлений віртуальний канал, що являє собою єдиний маршрут, що з'єднує ці кінцеві вузли. Віртуальний канал може бути динамічним чи постійної. Динамічний віртуальний канал установлюється при передачі в мережу спеціального пакета - запиту на встановлення з'єднання. Цей пакет проходить через комутатори і «прокладає» віртуальний канал. Це означає, що комутатори запам'ятовують маршрут для даного з'єднання і при надходженні наступних пакетів даного з'єднання відправляють їхній завжди по прокладеному маршруті. Постійні віртуальні канали створюються адміністраторами мережі шляхом ручного настроювання комутаторів.

При відмовленні чи комутатора каналу на шляху віртуального каналу з'єднання розривається, і віртуальний канал потрібно прокладати заново. При цьому він, природно, обійде ділянки мережі, що відмовили.

Кожен режим передачі пакетів має свої переваги і недоліки. Дейтаграмний метод не вимагає попереднього встановлення з'єднання і тому працює без затримки перед передачею даних. Це особливо вигідно для передачі невеликого обсягу даних, коли час установлення з'єднання може бути порівнянним згодом передачі даних. Крім того, дейтаграмний метод швидше адаптується до змін у мережі.

При використанні методу віртуальних каналів час, витрачений на установлення віртуального каналу, компенсується наступною швидкою передачею всього потоку пакетів. Комутатори розпізнають приналежність пакета до віртуального каналу по спеціальній мітці - номеру віртуального каналу, а не аналізують адреси кінцевих вузлів, як це робиться при дейтаграмному методі.


1.2.3 Пропускна здатність мереж з комутацією пакетів

Одним з відмінностей методу комутації пакетів від методу комутації каналів є невизначеність пропускної здатності з'єднання між двома абонентами. У методі комутації каналів після утворення складеного каналу пропускна здатність мережі при передачі даних між кінцевими вузлами відома - це пропускна здатність каналу. Дані після затримки, зв'язаної з установленням каналу, починають передаватися на максимальній для каналу швидкості (мал. 2.31, а). Час передачі повідомлення в мережі з комутацією каналів до дорівнює сумі затримки поширення сигналу по лінії зв'язку 1 з.р і затримки передачі повідомлення 1 з.п Затримка поширення сигналу залежить від швидкості поширення електромагнітних хвиль у конкретному фізичному середовищі, що коливається від 0,6 до 0,9 швидкості світла у вакуумі. Час передачі повідомлення дорівнює V/C, де V - обсяг повідомлення в бітах, а З - пропускна здатність каналу в бітах у секунду.

У мережі з комутацією пакетів спостерігається принципово інша картина.

Затримки передачі даних у мережах з комутацією каналів і пакетів


Процедура встановлення з'єднання в цих мережах, якщо вона використовується, займає приблизно такий же час, як і в мережах з комутацією каналів, тому будемо порівнювати тільки час передачі даних.

На мал. 2.31, (показано приклад передачі в мережі з комутацією пакетів. Передбачається, що в мережу передається повідомлення того ж обсягу, що і повідомлення, иллюстрируемое мал. 2.31, а, однак воно розділено на пакети, кожний з який постачений заголовком. Час передачі повідомлення в мережі з комутацією пакетів позначено на малюнку Тк п При передачі цього повідомлення, розбитого на пакети, по мережі з комутацією пакетів виникають додаткові тимчасові затримки. По-перше, це затримки в джерелі передачі, що, крім передачі власне повідомлення, витрачає додатковий час на передачу заголовків tn з, плюс до цього додаються затримки 1 инт, викликані інтервалами між передачею кожного наступного пакета (цей час іде на формування чергового пакета стеком протоколів).

По-друге, додатковий час витрачається в кожнім комутаторі. Тут затримки складаються з часу буферизации пакета ten (комутатор не може почати передачу пакета, не прийнявши його цілком у свій буфер) і часу комутації tic. Час буферизации дорівнює часу прийому пакета з бітовою швидкістю протоколу. Час комутації складається з часу чекання пакета в черзі і часі переміщення пакета у вихідний порт. Якщо час переміщення пакета фіксоване і звичайно невелико (від декількох мікросекунд до декількох десятків мікросекунд), то час чекання пакета в черзі коливається в дуже широких межах і заздалегідь невідомо, тому що залежить від поточної завантаження мережі пакетами.

Проведемо грубу оцінку затримки в передачі даних у мережах з комутацією пакетів у порівнянні з мережами з комутацією каналів на найпростішому прикладі. Нехай тестове повідомлення, яке потрібно передати в обох видах мереж, складає 200 Кбайт. Відправник знаходиться від одержувача на відстані 5000 км. Пропускна здатність ліній зв'язку складає 2 Мбит/с.

Час передачі даних по мережі з комутацією каналів складається з часу поширення сигналу, що для відстані 5000 км можна оцінити приблизно в 25 мс, і часу передачі повідомлення, що при пропускній здатності 2 Мбит/з і довжині повідомлення 200 Кбайт дорівнює приблизно 800 мс, тобто усього передача даних зайняв 825 мс.

Оцінимо додатковий час, що буде потрібно для передачі цього повідомлення по мережі з комутацією пакетів. Будемо вважати, що шлях від відправника до одержувача пролягає через 10 комутаторів. Вихідне повідомлення розбивається на пакети в 1 Кбайт, всего 200 пакетів. Спочатку оцінимо затримку, що виникає у вихідному вузлі. Припустимо, що частка службової інформації, розміщеної в заголовках пакетів, стосовно загального обсягу повідомлення складає 10%. Отже, додаткова затримка, зв'язана з передачею заголовків пакетів, складає 10% від часу передачі цілого повідомлення, тобто 80 мс. Якщо прийняти інтервал між відправленням пакетів рівним 1 мс, тоді додаткові втрати за рахунок інтервалів складуть 200 мс. Разом, у вихідному вузлі через пакетування повідомлення при передачі виникла додаткова затримка в 280 мс.

Кожний з 10 комутаторів вносить затримку комутації, що може мати великий розкид, від часток до тисяч миллисекунд. У даному прикладі приймемо, що на комутацію в середньому витрачається 20 мс. Крім того, при проходженні повідомлень через комутатор виникає затримка буферизации пакета. Ця затримка при величині пакета 1 Кбайт і пропускної здатності лінії 2 Мбит/з дорівнює 4 мс. Загальна затримка, внесеними 10 комутаторами, складе приблизно 240 мс. У результаті додаткова затримка, створена мережею з комутацією пакетів, склала 520 мс. З огляду на, що вся передача даних у мережі з комутацією каналів зайняла 825 мс, цю додаткову затримку можна вважати істотної.

Хоча приведений розрахунок носить дуже приблизний характер, але він робить більш зрозумілими ті причини, що приводять до того, що процес передачі для визначеної пари абонентів у мережі з комутацією пакетів є більш повільним, чим у мережі з комутацією каналів.

Невизначена пропускна здатність мережі з комутацією пакетів - це плата за її загальну ефективність при деякім обмеженні інтересів окремих абонентів. Аналогічно, у мультипрограмній операційній системі час виконання додатка пророчити заздалегідь неможливо, тому що воно залежить від кількості інших додатків, з якими поділяє процесор даний додаток.

На ефективність роботи мережі істотно впливають розміри пакетів, що передає мережу. Занадто великі розміри пакетів наближають мережа з комутацією пакетів до мережі з комутацією каналів, тому ефективність мережі при цьому падає. Занадто маленькі пакети помітно збільшують частку службової інформації, тому що кожен пакет несе із собою заголовок фіксованої довжини, а кількість пакетів, на які розбиваються повідомлення, буде різко рости при зменшенні розміру пакета. Існує деяка золота середина, що забезпечує максимальну ефективність роботи мережі, однак її важко визначити точно, тому що вона залежить від багатьох факторів, деякі з них до того ж постійно міняються в процесі роботи мережі. Тому розроблювачі протоколів для мереж з комутацією пакетів вибирають межі, у яких може знаходитися довжина пакета, а точніше його поле даних, тому що заголовок, як правило, має фіксовану довжину. Звичайно нижня межа полючи даних вибирається рівним нулю, що дозволяє передавати службові пакети без користувацьких даних, а верхня межа не перевищує 4-х кілобайт. Додатка при передачі даних намагаються зайняти максимальний розмір полючи даних, щоб швидше виконати обмін даними, а невеликі пакети звичайно використовуються для квитанцій про доставку пакета.

При виборі розміру пакета необхідно враховувати також і інтенсивність бітових помилок каналу. На ненадійних каналах необхідно зменшувати розміри пакетів, тому що це зменшує обсяг повторно переданих даних при перекручуваннях пакетів.


1.3 Комутація повідомлень


Під комутацією повідомлень розуміється передача єдиного блоку даних між транзитними комп'ютерами мережі з тимчасовий буферизацией цього блоку на диску кожного комп'ютера (мал. 2.32). Повідомлення на відміну від пакета має довільну довжину, що визначається не технологічними розуміннями, а змістом інформації, що складає повідомлення. Наприклад, повідомленням може бути текстовий документ, файл із кодом програми, електронний лист.

Транзитні комп'ютери можуть з'єднуватися між собою як мережею з комутацією пакетів, так і мережею з комутацією каналів. Повідомлення зберігається в транзитному комп'ютері на диску, причому час збереження може бути досить великим, якщо комп'ютер завантажений іншими чи роботами мережа тимчасово перевантажена.

За такою схемою звичайно передаються повідомлення, що не вимагають негайної відповіді, найчастіше повідомлення електронної пошти. Режим передачі з проміжним збереженням на диску називається режимом «збереження-і-передача» (store-and-forasard).

Режим комутації повідомлень розвантажує мережу для передачі трафіка, що вимагає швидкої відповіді, наприклад трафіка служби WWW чи файлової служби.

Кількість транзитних комп'ютерів намагаються по можливості зменшити. Якщо комп'ютери підключені до мережі з комутацією пакетів, то число проміжних комп'ютерів звичайно зменшується до двох. Наприклад, користувач передає поштове повідомлення своєму серверу вихідної пошти, а той відразу намагається передати повідомлення серверу вхідної пошти адресата. Але якщо комп'ютери зв'язані між собою телефонною мережею, те часто використовується кілька проміжних серверів, тому що прямий доступ до кінцевого сервера може бути неможливий у даний момент через перевантаження телефонної мережі (абонент зайнятий) чи економічно невигідний через високі тарифи на далекий телефонний зв'язок.

Техніка комутації повідомлень з'явилася в комп'ютерних мережах раніш техніки комутації пакетів, але потім була витиснута останньої, як більш ефективної за критерієм пропускної здатності мережі. Запис повідомлення на диск займає досить багато часу, крім того, наявність дисків припускає спеціалізовані комп'ютери як комутатори, що здорожує мережу.

Сьогодні комутація повідомлень працює тільки для деяких не оперативних служб, причому найчастіше поверх мережі з комутацією пакетів, як служба прикладного рівня.

Висновки

У мережах для з'єднання абонентів використовуються три методи комутації: комутація каналів, комутація пакетів і комутація повідомлень.

Як комутація каналів, так і комутація пакетів може бути або динамічної, або постійної.

У мережах з комутацією каналів абонентів з'єднує складений канал, утворений комутаторами мережі по запиті одного з абонентів.

Для спільного поділу каналів між комутаторами мережі декількома абонентськими каналами використовуються дві технології: частотного поділу каналу (FDM) і поділу каналу в часі (TDM). Частотний поділ характерно для аналогової модуляції сигналів, а тимчасове - для цифрового кодування.

Мережі з комутацією каналів добре комутирують потоки даних постійної інтенсивності, наприклад потоки даних, створювані співрозмовниками, що розмовляють по телефоні, але не можуть перерозподіляти пропускну здатність магістральних каналів між потоками абонентських каналів динамічно.

Мережі з комутацією пакетів були спеціально розроблені для ефективної передачі пульсуючого комп'ютерного графіка. Буферизация пакетів різних абонентів у комутаторах дозволяє згладити нерівномірності інтенсивності графіка кожного абонента і рівномірно завантажити канали зв'язку між комутаторами.

Мережі з комутацією пакетів ефективно працюють у тім відношенні, що обсяг переданих даних від всіх абонентів мережі в одиницю часу більше, ніж при використанні мережі з комутацією каналів. Однак для кожної пари абонентів пропускна здатність мережі може виявитися нижче, ніж у мережі з комутацією каналів, за рахунок черг пакетів у комутаторах.

Мережі з комутацією пакетів можуть працювати в одному з двох режимів: дейтаграммном чи режимі режимі віртуальних каналів.

Розмір пакета істотно впливає на продуктивність мережі. Звичайно пакети в мережах мають максимальний розмір у 1-4 Кбайт.

Комутація повідомлень призначена для організації взаємодії користувачів у режимі off-line, коли не очікується негайної реакції на повідомлення. При цьому методі комутації повідомлення передається через кілька транзитних комп'ютерів, де воно цілком буферизуется на диску.


2. Високошвидкісні мережі


Нові вимоги до продуктивності мереж, пропоновані сучасними додатками, такими як мультимедіа, розподілені обчислення, системи оперативної обробки транзакцій, викликають нагальну потребу розширення відповідних стандартів. Звичний десятимегабітный Ethernet, що довгий час займає чільні позиції, у всякому разі на наших просторах, активно витісняється більш сучасними й істотно більш швидкими технологіями передачі даних.

На ринку високошвидкісних (більш 100 Мбіт/с) мереж, декілька років тому представлених лише мережами FDDI, сьогодні пропонується біля десятка різних технологій, які розвивають вже існуючі стандарти, так і заснованих на концептуально нових. Серед них варто особливо виділити:

  • Старий добрий оптоволоконний інтерфейс FDDI, а також його розширений варіант, FDDI II, спеціально адаптований для роботи з інформацією мультимедіа, і CDDI, що реалізує FDDI на мідних кабелях. Усі версії FDDI підтримують швидкість обміну 100 Мбіт/с.
  • 100Base X Ethernet, що представляє собою високошвидкісний Ethernet із множинним доступом до серед і виявленням колізій. Дана технологія - екстенсивний розвиток стандарту IEEE802.3.
  • 100Base VG-AnyLAN, нова технологія побудови локальних мереж, що підтримує формати даних Ethernet і Token Ring зі швидкістю передачі 100 Мбіт/сек по стандартних кручених парах і оптоволокну.
  • Gigabit Ethernet. Продовження розвитку мереж Ethernet і Fast Ethernet.
  • ATM, технологію передачі даних, працюючу як на існуючому кабельному устаткуванні, так і на спеціальних оптичних лініях зв'язку. Підтримує швидкості обміну від 25 до 622 Мбіт/сек з перспективою збільшення до 2.488 Гбіт/сек.
  • Fibre Channel, оптоволоконну технологію з комутацією фізичних з'єднань, призначену для додатків, що вимагають надвисоких швидкостей. Орієнтири - кластерні обчислення, організація взаємодії між суперкомп'ютерами і високошвидкісними масивами накопичувачів, підтримка з'єднань типу робоча станція - суперкомп'ютер. Декларовано швидкості обміну від 133 Мбіт до гігабіту в секунду (і навіть більше).

Привабливі, але далеко не ясні обриси технології FFOL (FDDI Follow on LAN), покликані в майбутньому замінити FDDI з новим рівнем продуктивності 2.4 Гбайт/сек.


.1 АТМ


АТМ - дитина телефонних компаній. Технологія ця розроблялася далеко не в розрахунку на комп'ютерні мережі передачі даних. ATM радикально відрізняється від звичайних мережних технологій. Основна одиниця передачі в цьому стандарті - це комірка, на відміну від звичного пакета. Комірка містить у собі 48 байт даних і 5 байт заголовка. Частково це необхідно, щоб забезпечити дуже маленький час затримки при передачі мультимедійних даних. (Фактично, розмір комірки став компромісом між американським телефонними компаніями, що віддають перевагу розміру комірки 64 байта, і європейськими, у яких він дорівнює 32 байтам).

Пристрої АТМ встановлюють зв'язок між собою і передають дані по віртуальних каналах зв'язку, що можуть бути тимчасовими чи постійними. Постійний канал зв'язку - це шлях, по якому передається інформація. Він завжди залишається відкритим поза залежністю від трафіка. Тимчасові канали створюються за вимогою і, як тільки передача даних закінчується, закриваються.

Із самого початку АТМ проектувалася як система комутації за допомогою віртуальних каналів зв'язку, що забезпечують заздалегідь специфікований рівень якості сервісу (Quality of Service - QoS) і підтримують постійну чи перемінну швидкість передачі даних. Модель QoS дозволяє додаткам запросити гарантовану швидкість передачі між приймачем і джерелом, не звертаючи уваги на те, як складний шлях між ними. Кожен АТМ - комутатор, зв'язуючи з іншим, вибирає такий шлях, що гарантує необхідну додатку швидкість.

Якщо система не може задовольнити запит, то вона сповіщає про це додатку. Правда, існуючі протоколи передачі даних і додатка не мають ніякого поняття про QoS, так що це ще одна відмінна властивість, яку ніхто не використовує.

Наприклад, АТМ не має убудованої системи широкомовного оповіщення. І хоча широкомовні повідомлення - споконвічний головний біль для будь-якого адміністратора, у деяких випадках вони просто необхідні. Клієнт, що шукає сервер, повинен мати можливість розіслати повідомлення «Де сервер?», що б потім, одержавши відповідь, направляти свої запити вже безпосередньо по потрібній адресі.

Форум АТМ спеціально розробив специфікації для емуляції мережі - LAN emulation (LANE). LANE перетворює «точка-крапка» - орієнтовану АТМ мережу в звичайну, де клієнти і сервери бачать її як нормальну широкомовну мережу, що використовує протокол IP. LANE складається з чотирьох різних протоколів: протоколу конфігурації сервера (LAN emulation configuration service - LECS), протоколу сервера (LAN emulation server - LES), протоколу загального віщання і невідомого сервера (Broadcast and Unknown Server - BUS) і протоколу клієнта (LAN emulation client - LEC).

Коли клієнт за допомогою LANE намагається підключитися до мережі АТМ, те спочатку він використовує протокол LECS. Оскільки АТМ не підтримує широкомовних повідомлень, форум АТМ виділив спеціальну адресу LECS, що ніхто інший уже не використовує. Посилаючи повідомлення по цій адресі клієнт одержує адресу відповідного йому LES. Рівень LES забезпечує необхідні функції ELAN (emulated LAN). З їхньою допомогою клієнт може одержати адресу BUS-сервісу і послати йому повідомлення «підключився такий-то клієнт», щоб потім BUS рівень міг, одержуючи повідомлення, переслати його всім клієнтам, що зареєструвалися.

Для того щоб використовувати не АТМ протоколи, необхідно використовувати LEC. LEC працює як конвертор, емулюючи звичайну топологію мережі, що має на увазі IP. Оскільки LANE тільки моделює Ethernet, те він може усунути деякі старі технологічні помилки. Кожен ELAN може використовувати різні розміри пакетів. ELAN, що обслуговує станції, підключені за допомогою звичайного Ethernet, використовує пакети розміром 1516 байт, у той час як ELAN які забезпечують зв'язок між серверами можуть посилати пакети по 9180 байт. Усім цим керує LEC.перехоплює широкомовні повідомлення і посилає їхній BUS. Коли BUS одержує таке повідомлення, то посилає його копію кожному зареєстрованому LEC. Одночасно, перед тим як розіслати копії, він перетворить пакет назад у Ethernet-форму, указуючи замість своєї адреси широкомовну.

Розмір комірки в 48 байт плюс пятибайтовий заголовок є причиною того, що тільки 90,5% пропускної смуги витрачається на передачу корисної інформації. Таким чином, реальна швидкість передачі даних - усього лише 140 Мбіт/с. І це без обліку накладних витрат на встановлення зв'язку та інші службові взаємодії між різними рівнями протоколів - BUS і LECS.- даною абревіатурою позначається технологія асинхронної передачі даних (Asynchronous Transfer Mode). Дану технологію побудови високошвидкісних обчислювальних мереж з комутацією пакетів характеризує унікальна масштабованість від невеликих локальних мереж швидкостями обміну 25-50 Мбіт/сек до трансконтинентальних мереж.

Як передавальне середовище використовується або кручена пару (до 155 Мбіт/сек) або оптоволокно.є розвитком STM (Synchronous Transfer Mode), технології передачі пакетних даних і мовлення на великі відстані, традиційно використовуваної для побудови телекомунікаційних магістралей і телефонної мережі. Тому насамперед ми розглянемо STM.

Модель STM

STM представляє собою мережевий механізм із комутацією з'єднань, де з'єднання встановлюється перш, ніж почнеться передача даних, і розривається після її закінчення. Таким чином, взаємодіючі вузли захоплюють і утримують канал, поки не визнають за необхідне роз'єднатися, незалежно від того, передають вони дані чи «мовчать».

Дані в STM передаються за допомогою поділу всієї смуги каналу на базові трансмісійні елементи, називані тимчасовими каналами чи слотами. Слоти об'єднані в обойму, що містить фіксоване число каналів, пронумерованих від 1 до N. Кожному слоту ставитися у відповідність одне з'єднання. Кожна з обойм (їх теж може бути декілька - від 1 до М), визначає свій набір з'єднань. Обойма надає свої слоти для встановлення з'єднання з періодом Т. При цьому гарантується, що протягом цього періоду необхідна обойма буде доступна. Параметри N, M і Т визначаються відповідними комітетами зі стандартизації і розрізняються в Америці і Європі.

У рамках каналу STM кожне з'єднання асоціюється з фіксованим номером слоту в конкретній обо5ймі. Один раз захоплений слот залишається в розпорядженні з'єднання протягом усього часу існування цього з'єднання.

Дана модель небагато нагадує вокзал, від якого у визначеному напрямку з періодом Т відбуває потяг. Якщо серед пасажирів є той, котрому цей потяг підходить, він займає вільне місце. Якщо такого пасажира ні, то місце залишається порожнім і не може бути зайняте ніким іншим. Природно, що пропускна здатність такого каналу губиться, до того ж здійснити одночасно всі потенційні з'єднання (M*N) неможливо.

Перехід на ATM

Дослідження застосування оптоволоконних каналів у трансокеанських і трансконтинентальних масштабах виявили ряд особливостей передачі даних різних типів. У сучасних комунікаціях можна виділити два типи запитів:

передача даних, стійких до деяких втрат, але критичних до затримок (наприклад, сигнали телебачення високої чіткості і звукова інформація);

передача даних, не дуже критичних до затримок, але які не допускають втрат інформації (цей тип передачі, як правило, відноситься до міжкомпютерних обмінів).

Передача різнорідних даних приводить до періодичного виникнення запитів на обслуговування, що вимагають великої смуги пропускання, але при малому часі передачі. Вузол, часом, вимагає пікової продуктивності каналу, але відбувається це відносно рідко, займаючи, скажемо, одного десяту часу. Для такого виду каналу реалізується одне з десяти можливих з'єднань, на чому, природно, губиться ефективність використання каналу. Було б чудово, якби існувала можливість передати тимчасово невикористовуваний слот іншому абоненту. На жаль, у рамках моделі STM це неможливо.

Модель ATM була узята на озброєння одночасно AT&T і декількома європейськими телефонними гігантами.

Головна ідея полягала в тім, що необхідності у твердій відповідності з'єднання і номера слота немає. Досить передавати індентифікатор з'єднання разом з даними на будь-який вільний слот, зробивши при цьому пакет настільки маленьким, щоб у випадку втрати він легко заповнювався б. Усе це досить подібно до комутації пакетів і навіть називається схоже: «швидка комутація коротких пакетів фіксованої довжини». Короткі пакети дуже привабливі для телефонних компаній, що прагнуть зберегти аналогові лінії STM.

У мережі ATM два вузли знаходять один одного по «віртуальному ідентифікатору з'єднання» (Virtual Circuit Identifier - VCI), використовуваному замість номерів слота й обойми в моделі STM. Швидкий пакет передається в такий же слот, як і раніш, але без яких-небудь вказівок чи ідентифікатора.

Статистичне мультиплексування

Швидка комутація пакетів дозволяє вирішити проблему невикористовуваних слотів за допомогою статистичного мультиплексування декількох з'єднань по одній лінії зв'язку відповідно до параметрів їхнього трафіка. Іншими словами, якщо велике число з'єднань носять імпульсний характер (співвідношення пікової активності до середнього - 10 чи більш до 1), є надія, що піки активності різних з'єднань будуть збігатися не занадто часто. У випадку збігу один з пакетів буферизується поки не з'являться вільні слоти. Такий спосіб організації з'єднань при правильно підібраних параметрах дозволяє ефективно завантажувати канали. Статистичне мультиплексування, нездійсненне в STM, і є основним достоїнством ATM.

Типи мережевих користувацьких інтерфейсів ATM

Насамперед - це інтерфейс, орієнтований на підключення до локальних мереж, що оперують кадрами даних (сімейства IEEE 802.x і FDDI). У цьому випадку апаратура інтерфейсу повинна транслювати кадри локальної мережі в елемент передачі мережі ATM, що виступає як глобальну магістраль, що зв'язує два значно віддалених один від одного сегмента локальної мережі.

Альтернативою може служити інтерфейс, призначений для обслуговування кінцевих вузлів, що безпосередньо оперують форматами даних ATM. Такий підхід дозволяє підвищити ефективність мереж, що вимагають значних обсягів передачі даних. Для підключення кінцевих користувачів до такої мережі використовуються спеціальні мультиплексори.

З метою адміністрування такої мережі на кожнім пристрої виконується деякий «агент», що підтримує обробку адміністративних повідомлень, керування підключеннями й обробку даних відповідного протоколу керування.

Формат даних ATM

Пакет ATM, визначений спеціальним підкомітетом ANSI, повинен містити 53 байта.

байтів зайнято заголовком, інші 48 - змістовна частина пакета. У заголовку 24 біта віддано ідентифікатору VCI, 8 біт - контрольні, що залишилися 8 біт відведені для контрольної суми. З 48 байт змістовної частини 4 байти можуть бути відведені для спеціального адаптаційного рівня ATM, а 44 - власне під дані. Адаптаційні байти дозволяють поєднувати короткі пакети ATM у більш великі обєкти, наприклад, у кадри Ethernet. Контрольне поле містить службову інформацію про пакет.

Рівень протоколу ATM

Місце ATM у семирівневій моделі ISO - десь у районі рівня передачі даних. Правда, установити точну відповідність не можна, оскільки ATM сама займається взаємодією вузлів, контролем проходження і маршрутизацією, причому здійснюється це на рівні підготовки і передачі пакетів ATM. Утім, точна відповідність і положення ATM у моделі ISO не настільки важливі. Більш істотно - зрозуміти спосіб взаємодії з існуючими мережами TCP/IP і особливо з додатками, що вимагають безпосередньої взаємодії з мережею.

Додаткам, що мають безпосередній інтерфейс ATM, доступні переваги, надані гомогенним мережним середовищем ATM.

Основне навантаження покладене на рівень «Керування віртуальними з'єднаннями ATM», що дешифрує специфічні заголовки ATM, що встановлює і розриває з'єднань, що здійснює демультиплексування і виконує дії, що від нього вимагаються керуючим протоколом.

Фізичний рівень

Хоча фізичний рівень і не є частиною специфікації ATM, він враховується багатьма комітетами, що займаються стандартизацією. В основному, як фізичний рівень розглядається специфікація SONET (Synchronous Optical Network) - міжнародний стандарт на високошвидкісну передачу даних. Визначено чотири типи стандартних швидкостей обміну: 51, 155, 622 і 2400 Мбіт/сек, що відповідають міжнародній ієрархії цифрової синхронної передачі (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). SDH специфікує, яким чином дані фрагментуються і передаються синхронно по оптоволоконних каналах, не вимагаючи при цьому синхронізації каналів і тактових частот усіх вузлів, що беруть участь у процесі передачі і відновлення даних.

Контроль проходження даних

Через високу продуктивність мереж ATM механізм, традиційно використовуваний у мережах ТСР, непридатний. Якби контроль проходження був покладений на зворотний зв'язок, то за час, поки сигнал зворотного зв'язку, дочекавшись виділення каналу і пройшовши всі стадії перетворення, досягне джерела, той устигне передати декілька мегабайт у канал, не тільки викликавши його перевантаження, але, можливо, цілком блокувавши джерело перевантаження.

В основному, ідея контролю проходження в мережах ATM зводиться до впливу на локальний сегмент, не торкаючись при цьому сегментів, що почувають себе добре, і домагаючись максимальної пропускної здатності там, де це можливо.


Стек протоколів користувацького інтерфейсу в TCP/IPБезпосередній інтерфейс ATMДаніДодатки, які розбивають дані на каналиTCPІнтерфейс додатка ОСIPУправління віртуальними зєднаннями ATMПрикладний рівень ATMРівень передачі данихДрайвер інтерфейса ATMФізичний рівень (SONET)ATM

2.2 Мережі FDDI


Мережа FDDI (від англійського Fiber Distributed Data Interface) - це одна з новітніх розробок стандартів локальних мереж. Стандарт FDDI, запропонований Американським національним інститутом стандартів (ANSI), споконвічно орієнтувалася на високу швидкість передачі (100 Мбіт/с) і на застосування перспективного оптоволоконного кабелю (довжина хвилі світла - 850 нм). Тому в цьому випадку виробники не були стиснуті рамками стандартів, що орієнтувалися на низькі швидкості й електричний кабель.

Вибір оптоволокна як середовища передачі відразу ж визначив переваги нової мережі: високий захист від перешкод, таємність передачі інформації і прекрасну гальванічну розв'язку абонентів. Висока швидкість передачі, що при використанні оптоволоконного кабелю досягти набагато простіше, дозволяє вирішувати багато задач, недоступні менш швидкісним мережам, наприклад, передачу зображень у реальному масштабі часу. Крім того, оптоволоконний кабель легко вирішує проблему передачі даних на відстань декількох кілометрів без ретрансляції, що дозволяє будувати набагато більші по розмірах мережі, що охоплюють навіть цілі міста і мають при цьому всі переваги локальних мереж (зокрема, низький рівень помилок). І хоча до дійсного часу апаратура FDD! не одержала ще широкого поширення, її перспективи дуже непогані.

За основу стандарту FDDI був узятий метод маркерного доступу, передбачений міжнародним стандартом IEEE 802.5 Token-Ring. Невеликі відмінності від цього стандарту визначаються необхідністю забезпечити високу швидкість передачі інформації на великі відстані. Топологія мережі FDD 1 - це кільце, причому застосовуються два різнонаправлені оптоволоконні кабелі, що дозволяє використовувати повнодуплексну передачу інформації з подвоєною ефективною швидкістю в 200 Мбіт/с (при цьому кожний із двох каналів працює на швидкості 100 Мбіт/с).

Основні технічні характеристики мережі FDDI наступні.

Максимальна кількість абонентів мережі - 1000.

Максимальна довжина кільця мережі - 20 км.

Максимальна відстань між абонентами мережі - 2 км.

Середовище передачі - оптоволоконний кабель (можливий застосування електричної кручений пари).

Метод доступу - маркерний.

Швидкість передачі інформації - 100 Мбіт/с (200 Мбіт/c для дуплексного режиму передачі).

Як бачимо, FDDI має великі переваги в порівнянні з усіма розглянутими раніше мережами. Навіть мережа Fast Ethernet, що має таку ж пропускну здатність 100 Мбіт/с, не може зрівнятися з FDDI але припустимим розмірам мережі і припустимій кількості абонентів. До того ж маркерний метод доступу FDDI забезпечує на відміну від CSMA/ CD гарантований час доступу і відсутність конфліктів при будь-якому рівні навантаження

Обмеження на загальну довжину мережі в 20 км зв'язано не з загасанням сигналів а з необхідністю обмеження часу повного проходження сигналу по кільцю для забезпечення гранично припустимого часу доступу А максимальна відстань між абонентами (2 км) визначається саме загасанням сигналів у кабелі.

Для передачі даних у FDDI застосовується вже згадуваний у першому розділі код 4В/5В (див табл 11), спеціально розроблений для цього стандарту й забезпечуючий швидкість 100 Мбіт/c при пропускній здатності кабелю 125 мільйонів сигналів у секунду (125 МБіт) а не 200 МБіт як при застосуванні коду Манчестер-11 При цьому кожним чотирьом бітам переданої інформації (кожному напівбайту) ставиться у відповідність п'ять біт для відновлення синхронізації на прийомному кінці

Стандарт FDDI для досягнення високої гнучкості мережі передбачає включення в кільце мережних адаптерів двох типів

Адаптери класу А підключаються до внутрішнього і зовнішнього кільця мережі При цьому реалізується можливість обміну зі швидкістю до 200 Мбіт/с, можливість резервування кабелю мережі (при ушкодженні основного кабелю використовується резервний кабель) Апаратура цього класу використовується в самих критичних частинах мережі.

Адаптери класу В підключаються тільки до зовнішнього кільця мережі. Вони можуть бути більш простими і дешевшими чим адаптери клacу А але не мають їхніх можливостей.

Крім власне абонетів (компютерів терміналів і т.і.) у мережі можуть використовуватися зв'язні концентратори включення яких дозволяє зібрати в одне місце всі точки підключення з метою контролю за роботою мережі, діагностики неполадок спрощення реконфігурування При застосуванні кабелів різних типів (наприклад оптоволоконного кабелю і крученої пари) концентратор виконує перетворення електричних сигналів в оптичні і навпаки. Стандарт FDDI передбачає можливість реконфігурування мережі з метою збереження її працездатності у випадку ушкодження кабелю). Ушкоджена ділянка кабелю виключається з кільця, але цілісність мережі при цьому не порушується внаслідок переходу на одне кільце замість двох (тобто адаптери класу А починають працювати як адаптери класу В).

На відміну від методу доступу, пропонованого стандартом IEEE 802.5, у FDDI застосовується множинна передача маркера. Якщо при використанні Token-Ring новий (вільний) маркер передається абонентом тільки після повернення до його пакета, то в FDDI новий маркер передається абонентом відразу ж після закінчення передачі пакета. Послідовність дій тут наступна.

. Абонент, що бажає передавати, чекає маркера, що йде за кожним пакетом.

. Коли маркер прийшов, абонент видаляє його з мережі і передає свій пакет.

. Відразу після передачі пакета абонент посилає новий маркер.

Одночасно кожен абонент веде свій відлік часу, порівнюючи реальний час звертання маркера (TRT) із заздалегідь установленим контрольним часом його прибуття (РТТ). Якщо маркер повертається раніш, ніж установлена РТТ мережа не завантажена, і отже, абонент може спокійно передавати свою інформацію. Якщо ж маркер повертається пізніше, чим установлене РТТ, то мережа завантажена, п абонент може передавати тільки саму необхідну інформацію. При цьому величини контрольного часу РТТ можуть встановлюватися різними для різних абонентів. Такий механізм дозволяє абонентам гнучко реагувати на завантаження мережі і підтримувати її на оптимальному рівні.

Стандарт FDDI на відміну від стандарту IEEE 802.5 не передбачає можливості установки пріоритетів пакетів і резервування Замість цього всі абоненти розділяються на дві групи: асинхронні і синхронні. Для асинхронних абонентів час доступу до мережі не занадто критично. Для синхронних він повинен бути жорстко обмежене. У стандарті передбачений спеціальний алгоритм, що обслуговує ці два типи абонентів.

Характерна риса FDDI полягає в тому, що в мережі марнотрат використовуються як 16-розрядні, так і 48-розрядні мережеві адреси. Кількість розрядів адреси задається спеціальним бітом у полі керування. Розмір поля данних може бути перемінним, але сумарна довжина пакета в будь-якому випадку не може перевищувати 4500 байт. Поле преамбули служить для початкової синхронізації прийому. До пакету використовується 32-розрядна циклічна контрольна сума

Незважаючи на очевидні переваги, мережа FDDI не одержала поки широкого поширення, це зв'язано головним чином з високою вартістю її апаратури (порядку 3-5 тисяч доларів) Однак найближчим часом ситуація може змінитися.


.3 Мережі Gigabit Ethernet


Питання «Gigabit Ethernet - це Ethernet чи ні?» аж ніяк не дозвільний, і, хоча Gigabit Ethernet Alliance відповідає на нього ствердно на тім підставі, що ця технологія використовує той же формат кадрів, той же метод доступу до середовища передачі CSMA/CD, ті ж механізми контролю потоків і ті ж керуючі об'єкти, усе-таки Gigabit Ethernet відрізняється від Fast Ethernet більше, ніж Fast Ethernet від Ethernet. (До того ж, наприклад, Hewlett-Packard думає, що він має більше подібності з 100VG-AnyLAN, чим з Fast Ethernet.) Зокрема, якщо для Ethernet була характерна розмаїтість підтримуваних середовищ передачі, що давало привід говорити про те, що він може працювати хоч по колючому дроті, то в Gigabit Ethernet волоконно-оптические кабелі стають домінуючим середовищем передачі (це, звичайно, далеко не єдина відмінність, але з іншими ми докладніше познайомимося нижче). Крім того, Gigabit Ethernet ставить незрівнянно більш складні технічні задачі і пред'являє набагато більш високі вимоги до якості проводки. Іншими словами, він набагато менш універсальний, чим його попередники.

Стандартизація Gigabit Ethernet.

Інститут IEEE, імовірніше всього, прийме рішення про перенос дати випуску стандарту 802.3z Gigabit Ethernet Task Force. Його ратифікація спочатку була намічена на березень, але невирішені питання фізичного рівня, схоже, змусять перенести твердження стандарту на червень поточного року. «Це рішення змусить найбільш консервативну частину споживачів відкласти придбання подібних продуктів, що у будь-якому випадку ще не готові вийти на цей ринок», - вважає Джон Армстронг, аналітик компанії Dataquest. За його словами, набір характеристик Gigabit Ethernet буде затверджений у другому кварталі 1997 року, тому серйозних питань з интероперабельностью не виникне.

Основні труднощі при використанні Gigabit Ethernet зв'язані з виникненням диференціальної затримки сигналів (differential mode delay, DMD) у багатомодових волоконних кабелях. Ця затримка з'являється при використанні деяких комбінацій багатомодового волокна і лазерних діодів, застосовуваних для прискорення передачі даних по волоконному кабелі. У результаті виникають порушення синхронізації (свого роду тремтіння) сигналу, що обмежують максимальну відстань, на яке можуть передаватися дані по Gigabit Ethernet.

Компанія Cisco Systems має намір вирішити питання фізичного рівня шляхом заміни у своїх недавно анонсованих апаратних системах перетворювачів гігабітного інтерфейсу. Таким чином, для настроювання апаратури на специфікації остаточного стандарту не буде потрібно вносити ніяких внутрішніх змін. «У гіршому випадку зміни торкнуться тільки реалізації фізичного рівня, - заявляє Джеф Моссман, системний інженер Cisco. - Для цього буде досить заміни конвертера гігабітного інтерфейсу».

Патрик Гуай, старший менеджер 3Com, заявив, що його компанія гарантує відповідність своїх продуктів остаточному стандарту Gigabit Ethernet. Споживачі, що купили системи Gigabit Ethernet компанії 3Com до ратифікації стандарту, при необхідності зможуть модернізувати їх зовсім безкоштовно. «Це дуже схоже на гарантію, що ми давали нашим споживачам у випадку переходу на 56-килобитную технологію модемів, - сказав Гуай. - Ми абсолютно упевнені в напрямку розвитку стандарту, так що легко можемо дати таку гарантію». Єдине серйозне питання, поки остающийся невирішеним для Gigabit Ethernet, за словами Гуая, - це можливість використання неекранованої кручений пари. Але оскільки, на його думку, ця технологія ще не швидко дійде до рівня настільних систем, користувачі не постраждають від даного недоліку нової технології.

Мелинда Лебарон, аналітик компанії Gartner Group, радить споживачам, що вже працюють з Gigabit Ethernet, звернутися до виробників систем, якими вони користаються, із приводу можливості внесення змін на фізичному рівні. Тим, хто тільки припускає використовувати Gigabit Ethernet, але поки не уклав договір з яким-небудь визначеним виробником, варто з'ясувати подібні плани у всіх потенційних постачальників.

Основні зусилля робочої групи IEEE 802.3z спрямовані на визначення фізичних стандартів для Gigabit Ethernet. За основу вона взяла стандарт ANSI X3T11 Fibre Channel, точніше, два його нижніх подуровня: FC-0 (інтерфейси і середовище передачі) і FC-1 (кодування і декодування). Залежна від фізичного середовища специфікація Fibre Channel визначає в даний час швидкість 1,062 гигабод у секунду. У Gigabit Ethernet вона була збільшена до 1,25 гигабод у секунду. З урахуванням кодування за схемою 8B/10B ми одержуємо швидкість передачі даних у 1 Гбіт/с.

Специфікація Gigabit Ethernet споконвічно передбачала три середовища передачі: одномодовий і багатомодовий оптичний кабель з довгохвильовими лазерами 1000BaseLX для довгих магістралей для будинків і комплексів будинків, багатомодовий оптичний кабель з короткохвильовими лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магістралей, симетричний екранований короткий 150-омный мідний кабель 1000BaseCX для межсоединения устаткування в апаратних і серверним.

Однак у даний час четырехпарная 100-омная проводка Категорії 5 є найбільш розповсюдженою кабельною системою в усьому світі. З огляду на це, бюро по стандартах IEEE задовольнило в березні 1997 р. запит на створення окремого комітету з розробки стандарту фізичного рівня 1000Base для четырехпарных кабелів з неекранованими крученими парами Категорії 5 довжиною 100 м (тобто для мереж з діаметром 200 м, як і в 100Base). Ця група одержала найменування 803.2ab. Даний стандарт буде спиратися на іншу схему кодування, ніж Fibre Channel, і, імовірніше всього, з'явиться на рік пізніше, ніж інші три стандарти.

Початкова дата прийняття стандарту (березень 1998 р.) була перенесена комітетом IEEE 802.3z на більш пізній термін, коли була виявлена проблема диференціальної затримки (Differential Mode Delay, DMD). Вона виявляється тільки при визначених комбінаціях випромінювачів (лазерів) і багатомодового оптичного кабелю невисокої якості і не властива менш швидкісним технологіям.

Ефект диференціальної затримки полягає в тому, що одним випромінюваний лазером імпульс світла збуджує кілька мод у багатомодовому волокні. Ці моди, чи шляху поширення світла, можуть мати різну довжину і різну затримку. У результаті при поширенні по волокну окремий імпульс може навіть розділитися на кілька імпульсів, а послідовні імпульси можуть накладатися один на одного, так що вихідні дані буде неможливо зупинити.

Одне з ключових питань для Gigabit Ethernet - це максимальний розмір мережі. При переході від Ethernet до Fast Ethernet збереження мінімального розміру кадру привело до зменшення діаметра мережі з 2 км для 10Base до 200 м для 100Base. Однак перенос без зміни усіх відмітних складових Ethernet - мінімального розміру кадру, часу виявлення колізії (чи кванта часу - time slot) і CSMA/CD - на Gigabit Ethernet обернувся б скороченням діаметра мережі до 20 м. Очевидно, що в цьому випадку станції в поділюваній мережі виявилися б у буквальному значенні «на короткому повідці», тому робочий комітет 802.3z запропонував збільшити час виявлення колізії для того, щоб зберегти колишній діаметр мережі в 200 м. Таке перевизначення підрівня MAC необхідно для Gigabit Ethernet, інакше віддалений друг від друга на відстані 200 м станції не зможуть знайти конфлікт, коли вони обидві одночасно передають кадр довжиною 64 байт.

Запропоноване рішення було названо розширенням несущої (carrier extension). Суть його в наступному. Якщо мережний чи адаптер порт Gigabit Ethernet передає кадр довжиною менш 512 байт, то він посилає слідом за ним біти розширення несущої, тобто час виявлення конфлікту збільшується. Якщо за час передачі кадру і розширення несущої відправник зафіксує колізію, то він реагує традиційним образом: подає сигнал затору (jam signal) і застосовує механізм відкоту (back-off algorithm).

Очевидно, однак, що якщо всі станції (вузли) передають кадри мінімальної довжини (64 байт), те реальне підвищення продуктивності складе всього 12,5% (125 Мбіт/із замість 100 Мбіт/с). Ми вибрали гірший варіант, але навіть з обліком того, що середня довжина кадру складає на практиці 200-500 байт, пропускна здатність зросте всього лише до 300-400 Мбіт/с. Звичайно, за-часту і такого підвищення досить, але все-таки подібне рішення дуже вуж неефективно.

З метою підвищення ефективності Gigabit Ethernet комітет запропонував метод пакетної передачі кадрів (на жаль, термін «пакетна передача», як звичайно переводиться на російську мову англійське поняття «bursting», може привести до плутанини, тому що він має на увазі передачу серії кадрів підряд, а не протокольний блок даних третього рівня (пакет)). Відповідно до цього методу короткі кадри накопичуються і передаються разом. Передавальна станція заповнює інтервал між кадрами бітами розширення несущої, тому інші станції будуть утримуватися від передачі, поки вона не звільнить лінію.

Проведене AMD моделювання показує, що в напівдуплексній топології з колізіями мережа Gigabit Ethernet дозволяє досягти пропускної здатності 720 Мбіт/із при повного навантаження мережі (див. Малюнок 2). Проте подібні хитрування (розширення несущої і пакетна передача кадрів) свідчать про те, що метод доступу до середовища CSMA/CD у його теперішньому виді себе практично зжив.

Природно, такі нововведення необхідні тільки для напівдуплексного режиму, тому що для полнодуплексной передачі CSMA/CD не потрібний. Дійсно, у повнодуплексному режимі дані передаються і приймаються по різних шляхах, так що чекати завершення прийому для початку передачі не потрібно. Таким чином, у повнодуплексній топології без колізій реальна пропускна здатність може перевершити зазначений 72-процентний бар'єр і наблизитися до теоретичного максимуму в 2 Гбіт/с.

Одним зі способів обійти обмеження, зв'язані з розширенням несущої, є використання так званих буферних розподільників. Цей новий клас пристроїв (іноді їх ще називають повнодупленсними повторювачами) являє собою щось середнє між повторювачем і комутатором.

Усі порти гігабітного буферного розподільника працюють у повнодупленсному режимі і задіють механізми контролю потоків, визначені стандартом IEEE 802.3х. Як звичайний повторювач Ethernet, він передає кадр, що надійшов, на усі свої порти; як і комутатор Ethernet, здатний приймати кадри на декількох портах одночасно, при цьому кадри, що надійшли, містяться в буфери. При заповненні буферів розподільник задіє механізми керування потоками для інформування передавального вузла про необхідність призупинити передачу. Такий підхід дозволяє досягти близької до номінальної пропускної здатності в поділюваному сегменті Gigabit Ethernet.

МЕХАНІЗМИ КОНТРОЛЮ ПОТОКІВ

Механізми контролю потоків визначаються стандартом 802.3х, і, у принципі, їхнє використання необов'язкове. Суть їх у наступному. Якщо приймаюча станція (вузол) на одному кінці прямого з'єднання виявляється перевантажена, то вона відправляє передавальної станції так називаний «кадр припинення передачі» (pause frame) із проханням відмовитися від передачі кадрів на визначений проміжок часу. У результаті передавальна станція зупиняє передачу даних на зазначений проміжок часу. Однак приймаюча станція може відправити кадр із нульовим часом чекання з тим, що відправник відновив передачу.

ОСНОВНІ ДОДАТКИ

Очевидно, що спочатку Gigabit Ethernet буде використовуватися для збільшення пропускної здатності каналів між комутаторами і з'єднань між комутаторами і серверами, про що свідчить і той факт, що серед перших продуктів для Gigabit Ethernet виявилися саме гігабітні модулі для комутаторів і мережні плати для серверів.

З'єднання комутаторів Fast Ethernet по Gigabit Ethernet дозволяє різко підняти пропускну здатність магістралі вашої локальної мережі і підтримувати в результаті більше число комутирува як, так і поділюваних сегментів Fast Ethernet. Установка мережної плати Gigabit Ethernet на сервер дає можливість розширити канал із сервером і в такий спосіб збільшити продуктивність користувачів могутніх робочих станцій.

Серед інших потенційних застосувань - модернізація локальної магістралі Fast Ethernet і територіальної магістралі FDDI. В останньому випадку, наприклад, усе, що потрібно зробити, - це установити нові интерфейсные модулі в маршрутизатори, чи комутатори концентратори (у залежності від того, як організована мережа FDDI), а саму проводку змінювати не потрібно. Нарешті, високопродуктивні робочі станції можна буде підключати до концентраторів (якщо такі з'являться), буферним розподільникам і комутаторам.

Гігабітне устаткування

Міркуючи про закупівлю комутатора для Gigabit Ethernet, випливає в першу чергу звертати увагу на календарні плани постачань різних виробників, серед яких є новачки (начебто Alteon Networks, Extreme Networks, Foun-dry Networks, Packet Engines і Prominet) і великі, устояні гравці (3Com, Bay Networks, Cabletron, Cisco Systems).

Головне з технічної точки зору - щоб комутатор мав пропускну здатність фізичного носія (wire-speed throughput) на всіх інтерфейсах і щоб його шина могла підтримувати роботу всіх портів з повним завантаженням. Деякі комутатори - наприклад, Ace-Switch компанії Alteon - легко перевантажуються.

Комутатор Ace-Switch має вісьмох портів на 10/100 Мбіт/c і два порти Gigabit Ethernet, однак пропускна здатність його шини - усього 2,5 Гбіт/с. «Тому ємність пристрою практично цілком вичерпується при підключенні до нього двох гігабітних каналів», - говорить користувач Gigabit Ethernet Стив Льюис, мережний адміністратор компанії DynCorp.

Необхідно також з'ясувати, масштабируется чи мережа на велике число комутаторів, вважає Джеймин Патель, керівник підрозділу ділової інфраструктури консультативної компанії Predictive Systems.

«Покупці повинні задавати цілий ряд питань, - говорить Патель. - чи Підтримуються запасні канали зв'язку між комутаторами? Чи можливе балансування навантаження при використанні декількох каналів зв'язку між комутаторами? Яким образом можна зв'язувати між собою окремі ділянки гігабітної мережі в межах кампуса?»

Покупця може зацікавити і те, чи підтримується в пристрої комутація третього рівня. «Багато комутаторів Gigabit Ethernet старшого класу випускаються з убудованими функціями комутації третього рівня; таким чином, можна одним пострілом убити двох зайців», - говорить Мак-Аскилл.

Компанії, подібні Rapid City Communications (недавно придбана Bay), Extreme і Foundry, забезпечують

комутацію на швидкості фізичного носія і маршрутизацію на кожнім порту. Однак деякі виробники - наприклад, Pro-minet - поки не зуміли вмонтувати у свої вироби функції комутації третього рівня.

Безсумнівно, варто ознайомитися і з тим, як підтримуються основні функції комутатора - віртуальні LAN, дзеркальне відображення портів, многоадресная розсилання, а також обмеження на підтримуваний простір MAC-адрес. Крім того, необхідно перевірити, чи можна підключити комутатор до магістралі АТМ, - на той випадок, якщо в майбутньому знадобиться спільно використовувати ці технології.

А як щодо підтримки QoS і протоколу RSVP (Resource Reservation Protocol) у комутаторах для Gigabit Ethernet? На думку аналітиків, про це говорити поки рано. «RSVP дозволяє тільки запитувати смугу пропущення; ніхто не гарантує, що мережа зможе виконати цей чи запит хоча б відреагувати на нього», - затверджує Мак-Аскилл. До того ж, стандарти в даній області з'являться нескоро. Internet Engineering Task Force намагається установити відповідність між запитами RSVP і QoS стандарту ATM, що дозволить поєднувати мережі з передачею комірок і пакетів і надавати єдині послуги. «Однак до цього ще далеко», - говорить він. Той, кому потрібно QoS прямо зараз, повинний звернути увагу на АТМ.

Робота над стандартом Gigabit Ethernet буде закінчена тільки в 1998 р., тому покупцю залишається або сподіватися на те, що устаткування різних виробників виявиться сумісним, або просто купувати усі в одного виробника. У будь-якому випадку варто запитати у виробника, чи можна буде модифікувати його продукти таким чином, щоб вони підтримували остаточну версію стандарту.

Де і як застосовувати Gigabit Ethernet

Стандарт Gigabit Ethernet (GE) з'явився в придатне час. Оскільки комутуючі пристрої для мереж Ethernet із пропускною здатністю 10 і 100 Мбіт/із вже одержали досить широке поширення, стандарт Ethernet на 1 Гбіт/з можна вважати наступним, цілком своєчасним кроком. Однак Gigabit Ethernet не є простим розширенням добре знайомого стандарту Ethernet. Хоча GE-пристрої повинні легко вбудовуватися в існуючі мережі і бути простими у використанні і керуванні, вони також повинні витримувати великі навантаження, а отже, мати підвищену надійність.

Нижче коротко описані типи продуктів для Gigabit Ethernet, що з'являться на ринку до середини 1997 р., і ті особливості, на які користувачам варто звернути увагу при оцінці таких продуктів. Для передачі даних з гігабітними швидкостями будуть випущені продукти п'яти типів: мережний адаптер (network interface card - NIC) Gigabit Ethernet, що з'єднують Ethernet-сегменти зі швидкостями 100 Мбіт/c і 1 Гбіт/з, цілком гігабітні комутатори і ретранслятори, а також маршрутизатори, здатні на таку швидкодію.

При модернізації серверів і робочих станцій для переходу на гігабітні швидкості від користувачів буде потрібно ретельний вибір мережевого адаптера. При швидкості 1 Гбіт/із ЦП не зможе підтримувати пропускну здатність мережі, якщо NIC не має інтелектуальні функції взаємодії з хост-машиной. Це відноситься також і до GE-інтерфейсів маршрутизаторів і комутаторів меншої потужності.

Традиційно продуктивність робочої станції залежить від архітектури її шини і пам'яті, а також від робочої частоти ЦП. Комп'ютери з 32-розрядною шиною PCI можуть передавати пакетний трафік зі швидкістю 1 Гбіт/з, тоді як 64-розрядна шина PCI забезпечує удвічі велику пропускну здатність (2 Гбіт/с).

Таким чином, підвищення швидкості роботи шини є основним чинником готовності до переходу на гігабітні швидкості. Однак при такій швидкості ЦП системи може легко витратити всі 100% ресурсів на організацію передачі даних між додатками і мережею, а на виконання самих чи додатків інших задач операційної системи обчислювальної потужності не залишиться. Стандарт Gigabit Ethernet вимагає використання адаптерів третього покоління з убудованими RISC-процесорами, що виконують інтелектуальні функції вивантаження, властиві конкретний хосту.

Дані, що надходять, направляються безпосередньо з мережі в області пам'яті сервера, що відразу ж стають доступними для додатків. Це виключає багаторазові переривання в процесі копіювання пакетів.

Такі мережні адаптери можуть викликати єдине переривання ЦП для багатьох пакетів даних. Тим самим радикально змінюється відношення числа пакетів до числа переривань і зважуються проблеми масштабованості, властиві більш старим конструкціям. Це дозволяє підвищити не тільки пропускну здатність, але й ефективність роботи додатків за рахунок вивільнення ресурсів ЦП. Крім того, для таких адаптерів відношення числа пакетів до числа переривань може бути задано чи користувачем встановлено автоматично. Це дозволяє реалізувати «адаптивні» переривання, частота яких може мінятися в залежності від завантаження мережі. Інтелектуальні адаптери Gigabit Ethernet будуть оцінювати завантаження мережі, щоб визначити, який метод і коли використовувати.

Найперші комутуючі продукти розподіляться по двох очевидних напрямках: деякі з них будуть просто надавати GE-порти, інші - обробляти інтенсивний трафік внутрішніми засобами.

Іншими словами, частина продуктів буде просто поєднувати кілька портів Fast Ethernet у єдиний інтерфейс Gigabit Ethernet і, отже, зажадає пропускної здатності всього в кілька сотень Мбіт/c. До них, в основному, будуть відноситися модернізовані продукти Fast Ehternet, і їх найдоцільніше розвертати на периферії гігабітного ядра. Інші комутуючі продукти будуть призначені для підтримки гігабітної пропускної здатності декількох портів.

Роль комутатора Gigabit Ethernet істотно відрізняється від ролі подібних комутаторів на 10 чи 100 Мбіт/с. Коли по магістралі локальної мережі спрямовуються гігабітні потоки трафіка, що складає із суміші даних, графіки, голосу і відео, магістральні комутатори повинні мати високий рівень функціональності. Керування трафіком, контроль перевантажень і забезпечення якості сервісу (quality-of-service - QoS), що донедавна були долею АТМ, тепер стають турботою Gigabit Ethernet.

У деяких GE-комутаторах смуга пропущення буде распеределяться по дуже простому алгоритмі, за рахунок чого різко знизиться вартість так званих «товстих» каналів і з'явиться можливість реорганізувати мережі з невеликими витратами, щоб задовольнити велику частину вимог з боку трафіка. В інших пристроях будуть реалізовані можливості поліпшення QoS і скорочення обсягу широкомовної передачі на основі запропонованих стандартів Real-time Transfer Protocol і Resource Reservation Protocol.

Перед упровадженням GE-комутаторів буде потрібно провести їхнє додаткове тестування, у результаті якого повинні бути отримані гарантії, що вони сумісні з наявним устаткуванням третього рівня і дозволяють забезпечити простоту конфігурування і керованість мережі. Вибір більш простого підходу до забезпечення широкополосности може стати тактичним ходом. Однак згодом комутатори Gigabitповинні об'єднати в собі технології керування трафіком на основі стандартів і комутацію транспортного рівня, щоб одержати можливість відповідати вимогам, пропонованим до великих мереж.

Різниця між комутаторами Gigabit Ethernet транспортного рівня з функціями QoS і Атм-комутаторами (а також між самими гігабітними комутаторами) буде досить значною. Користувачам прийдеться вибирати, чи оснастити кожен вузол мережі можливістю інтелектуальної обробки трафіка і процесором високої чи продуктивності спроектувати цю мережу так, щоб вирішити велику частину проблем тільки за рахунок збільшення пропускної здатності.

Тому для модернізації мережі до рівня Gigabit Ethernet, нескладної з погляду використання наявних систем Ethernet, потрібно ретельний облік різних аспектів.

Gigabit Ethernet на UTP

На січневій нараді робочої групи був вирішений запросити дозвіл на початок нового проекту, націленого на передачу сигналів з гігабітними швидкостями по неекранованій кручений парі (unshielded twisted pair - UTP). Як середовище передачі даних запропоновано використовувати кабель п'ятої категорії на неекранованій кручений парі (ISO 11801), по якому можна передавати дані на відстані до 100 м.

Неекранований кабель п'ятої категорії, що містить чотири пари проводів, є найбільш розповсюдженим типом кабельної проводки - приблизно в половині встановлених локальних мереж застосовується саме він. Передбачається, що для передачі даних зі швидкістю 1000 Мбіт/c по кабелі, розрахованому на роботу при частотах не вище 100 МГц, будуть використані останні досягнення напівпровідникової технології і цифрової обробки сигналу; це необхідно для кодування сигналу і балансування лінії.

Проблеми Gigabit Ethernet.

Ви напевно наслышаны про наступне поколінні Ethernet, технології Gigabit Ethernet, що обіцяє надвисоку продуктивність для корпоративних мереж. Можливо, ви також у курсі, що мережі Gigabit Ethernet з'являться дуже незабаром, і усі будуть використовувати тільки їхній, що допоможе вирішити більшість ваших основних проблем з мережами.

Як видно, багато виробників хочуть, щоб картина була саме такою. Але насправді технологія Gigabit Ethernet не з'явиться найближчим часом. Інформація про вже існуючі готові продукти сприймається дуже скептично. Та й коло проблем, що технологію треба буде розв'язати, дуже обмежений, принаймні в цьому десятилітті.

Деякі виробники у своїх рекламних проспектах і прес-релізах запевняють, що користатися цією технологією буде легше легені, тому що вона являє собою той же Ethernet, хоча і значно більш могутній. Однак, працюючи в умовах напруженого завантаження мереж майбутнього, Gigabit Ethernet повинний значно перевершувати по своїх функціональних можливостях традиційний Ethernet. Простого кількісного росту недостатньо. Gigabit Ethernet, наприклад, прийдеться працювати з чуттєвим до затримок інформаційним потоком, та й узагалі з такими типами трафіка, що зараз важко собі представити.

Коли ж насправді ми одержимо технологію Gigabit Ethernet? Перші, я підкреслюю, перші стандарти можуть з'явитися не раніш 1998 року. Але зараз ми навіть не знаємо, які правила передачі даних тоді будуть діяти. Ми не знаємо також, які обмеження на відстані будуть актуальні на той час. До того ж востаннє, коли я цікавилася цим питанням, загальноприйняті стандарти на кабельну проводку для локальних мереж не передбачали передачі даних зі швидкістю більшої, ніж 100 Мбіт/с.

Навіть якщо перші технологічні стандарти з'являться до 1998 року, пройде ще багато часу, перш ніж буде вироблений повний комплект стандартів. Уже більш 80 причепливих компаній складається на даний момент у співтоваристві Gigabit Ethernet Alliance. Можете собі представити, як швидко їм удасться прийти до якого-небудь рішення.

Пророкування швидкого поширення технологій зовсім голослівні. В одній заяві, узятій на озброєння ентузіастами всього нового, говориться, що 80% мережних адміністраторів планує перейти на Gigabit Ethernet. Звучить впечатляюще, але треба помітити, що опитування проводилося серед 40 найбільших компаній (інші опитувані представляли мережних інтеграторів). Досвід мені підказує, що лідируючі компанії підтримають будь-яке починання. Це зовсім не означає, що технологія дійсно краще, ніж інші. Це не означає також, що компанія збирається займатися даною технологією.

Які ж проблеми може вирішити Gigabit Ethernet? Імовірно, якщо виникне необхідність об'єднати кілька комутаторів Fast Ethernet, ця технологія буде як не можна до речі. Однак складні проблеми, з якими багатьом організаціям має бути зустрітися в найближчі п'ять років, виходять далеко за рамки забезпечення більш широких каналів при об'єднанні комутаторів Fast Ethernet. У таких нових областях, як корпоративні мережі, а також відео- і голосові локальні мережі, необхідна наявність системи, що вміє звертатися з безліччю типів і непередбачених моделей трафіка.

Уже сьогодні існує технологія ATM (Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронної передачі даних), здатна вирішити подібні проблеми. Навіщо ж чекати, поки застаріваючий Ethernet буде переглянутий, перероблений і перейменований?

Я підозрюю, що виробники, що не можуть похвастатися випуском працюючої продукції для ATM, намагаються попридержать ринок. Важко повірити, що мережні адміністратори призупинять заплановані зміни і будуть терпляче чекати появи технології Gigabit Ethernet.Ethernet не стане життєздатною системою ще як мінімум протягом півтора років, і, крім того, багато роблем цієї технології поки не вирішені.

Звичайно, Gigabit Ethernet зіграє важливу роль в об'єднанні комутаторів Fast Ethernet, але він ніколи не зможе привернути увагу тих мережних адміністраторів, що хочуть знайти рішення основних проблем керування магістральної мережі корпорації.

Деякі вади інфраструктури можуть уплинути на продуктивність. Перевантаження здатні викликати значні проблеми, тому що деякі сервери, мережні плати, шини й інші мережні компоненти можуть не справлятися з гігабітними швидкостями, що приведе до прикрих заторів у мережі.

Недостатня ємність пам'яті і кэша може також мати негативний ефект. Наприклад, системи, у яких ємність кэша менше 1 Мбайт, особливо піддані перевантаженням.

Інший фактор - що блокує чи неблокує архітектура. Очевидно, що неблокує архітектура має переваги в області продуктивності, тому що вона дозволяє уникнути втрати пакетів. Крім того, що неблокує архітектура переважніше при великих обсягах трафіка.

Близьке питання - полнодуплексная чи напівдуплексна система. Більшість комутаторів Gigabit Ethernet працюють у повнодупленсному режимі, і, хоча в двунаправленного каналу є свої переваги, полнодуплексная передача здатна переповнити мережу. Головне, щоб комутатори мали досить внутрішньої ємності для обслуговування трафіка.

Керування потоками має вирішальне значення для запобігання хаосу в мережі. За допомогою протоколу 802.3х приймаючі пристрої можуть «попросити» передавальну станцію призупинити передачу, поки буфер комутатора не звільниться для прийому наступних даних. Ця схема придатна для повнодупленсних каналів Ethernet, Fast Ethernet і Gigabit Ethernet. Але деякі все-таки думають, що цей підхід недостатньо ефективний, тому що в результаті перевантаження переміщається з однієї частини мережі в іншу.Ethernet має відносно примітивні функції QoS, зокрема, у порівнянні з аналогічними функціями ATM. Незважаючи на те що схеми, подібні RSVP і RTP, розглядаються деякими фахівцями як ефективні механізми для забезпечення якості послуг у Gigabit Ethernet, вони, швидше за все, не в змозі гарантувати достатню продуктивність для таких додатків, як відео і мультимедіа, особливо з їхнім ускладненням у майбутньому.

Чернової стандарт IEEE 802.1q описує теги для трафіка у віртуальних локальних мережах (Virtual LAN, VLAN), а 802.1p - ідентифікатори пріоритету, за допомогою яких комутатори можуть передавати запити кінцевих станцій про одержання пріоритету для їхнього трафіка уздовж шляху передачі даних.

Що стосується виробників, їхньої думки щодо того, коли якість послуг буде все-таки реалізовано, як правило, розходяться. «Ми станемо підтримувати RSVP, коли стандарт буде остаточно готів», - говорить Рэнди Каук, системний інженер у Foundry Networks. Однак інші виробники уже включають підтримку RSVP у свої продукти.

ВЕРСТОВІ СТОВПИ

Обмеження на відстань може стати дуже істотним фактором. Специфікація 802.3 передбачає обмеження на відстань між станціями, а це приводить до проблем при використанні таких високошвидкісних технологій, як Gigabit Ethernet. Для рішення цієї проблеми робоча група 802.3z запропонувала трохи видозмінити схему CSMA/CD у Gigabit Ethernet, щоб довжина сегмента при гігабітних швидкостях можна було збільшити до 200 м.

Ця схема передбачає збільшення мінімального розміру пакета з 64 до 512 байт. Пакети розміром менш 512 байт доповнюються до потрібного розміру, завдяки чому передавальна станція може знайти колізію до завершення передачі.

За твердженням Боба Гону, менеджера програми по Gigabit Ethernet у 3Com, «у деяких минулого сумніву щодо того, що некоторые типи оптичного кабелю зможуть підтримувати передачу на відстані, визначені для Gigabit Ethernet». Ці побоювання стосувалися в першу чергу багатомодового оптичного кабелю, а причиною занепокоєння була така потенційна проблема, як розходження в затримці (Differential Mode Delay).

Робоча група Gigabit Ethernet 802.3z запропонувала змінити специфікацію Gigabit Ethernet з метою зм'якшити проблему диференційованої затримки. Ця редакція дозволить організовувати з'єднання Gigabit Ethernet довжиною до 260, 440 чи 550 м, у залежності від діаметра оптичного волокна і типу використовуваного лазера. Малюнок 3 ілюструє два різних сценарії модернізації оптичної мережі.

Незважаючи на побоювання в зв'язку з обмеженнями на довжину багатомодового оптичного кабелю модернізація оптичної магістралі до гігабітних швидкостей не викликає особливих проблем. У випадку магістралі будинку (А) користувачі досить додати комутатор Gigabit Ethernet, а у випадку територіальної магістралі (Б) модернізація здійснюється за допомогою Gigabit Ethernet чи буферного дистрибьютора.

Розмір кадру - дуже неоднозначне питання через його потенційний вплив на продуктивність мережі.

На щастя, Gigabit Ethernet використовує той же формат кадру (від 64 до 1500 байт), що і стандартні Ethernet і Fast Ethernet.

Недавня розробка передбачає збільшення максимального розміру кадру Ethernet з 1500 до 9000 байт.

Називані гига-кадрами (jumbo-frames), вони вже реалізовані в системах Alteon Networks. За словами директора по ринкових зв'язках Дэвида Каллиша, реалізувати цей підхід компанію підштовхнуло, зокрема, то обставину, що багато користувачів поміщають сервери в кільце FDDI. При правильній реалізації гига-кадры дозволяють скоротити число оброблюваних мережною платою кадрів.

Швидкодія мережі Fast Ethernet, інших мереж, що працюють на швидкості в 100 Мбіт/с, у даний час задовольняє вимогам більшості задач, по в ряді випадків навіть його виявляється недостатньо. Особливо це стосується тих ситуації, коли необхідно підключати до мережі сучасні високопродуктивні сервери, будувати мережі з великою кількістю абонентів, що вимагають високої інтенсивності обміну. Наприклад, усе більш широко застосовується мережна обробка тривимірних динамічних зображень. Швидкість компютерів безупинно росте, вони забезпечують усе більш високі темпи обміну з зовнішніми пристроями. У результаті мережа може виявитися найбільш слабким місцем системи, і її пропускна здатність буде основним стримуючим фактором у збільшенні швидкодії.

Роботи з досягнення швидкості передачі в 1 Гбнт/з, чи 1000 Мбіт/c, ведуться в останні роки інтенсивно в декількох напрямках. Однак, швидше за все, найбільш перспективним є Gigabit Etheinet. Це зв'язано насамперед з чим, що перехід на неї є найбільш безболісним, найдешевшим і психологічно прийнятним. Адже мережа Ethernet і її більш швидка версія Fast Ethernet зараз далеко випереджає конкурентів по обсязі продаж і поширеності у світі.

Мережа Gigabit Ethernet - це природний, еволюційний шлях розвитку концепції, закладеної в стандартній мережі Ethernet. Вона успадковує і всі недоліки своїх прямих попередників, наприклад, негарантований час доступу до мережі. Однак величезна пропускна здатність приводить до того, що завантажити мережу до тих пір, коли цей фактор стає визначальним, досить важко. Проте збереження наступності дозволяє легко і просто з'єднувати сегменти Ethernet, Fast Ethernet і Gigabit Ethernet у єдину мережу, і, саме головне, переходити до нових швидкостей поступово, вводячи гігабітні сегменти тільки на самих напружених ділянках мережі. До того ж далеко не скрізь така висока пропускна здатність дійсно необхідна. Якщо ж говорити про конкуруючі гігабітні мережі, то їхнє застосування може зажадати повної заміни мережної апаратури, що відразу ж приведе до величезних витрат засобів.

У мережі Gigabit Ethernet зберігається усе те, що добре зарекомендувало себе в попередніх версіях, метод доступу CSMA/CD, використовуються ті ж формати пакетів (кадрів) і їхні розміри. Ніякого перетворення протоколів у місцях з'єднання із сегментами Ethernet і Fast Ethernet не буде потрібно. Єдино, що потрібно, - це узгодження швидкостей обміну. Тому головною областю застосування Gigabit Ethernet стане в першу чергу з'єднання концентраторів Ethernet і Fast Ethernet між собою.

З появою сверхшвидкодіючих серверів і поширенням найбільш вдосконалених персональних компютерів класу «high-end» переваги Gigabit Ethernet будуть ставати усе більш явними. Відзначимо, що 64-розрядна системна магістраль РСІ, що стала уже фактичним стандартом, цілком досягає необхідної для такої мережі швидкості передачі даних. Роботи в мережі Gigabit Ethernet ведуться з 1995 року. Перший проект мережі був запропонований на початку 1997 року, а прийняття стандарту, що одержав найменування IEEE 802.3z, очікується на початку 1998 року. Розробкою займається спеціально створений альянс (Gigabit Ethernet Alliance), у який, зокрема, входить така відома фірма, що займається мережною апаратурою, як 3Com.

Перехід на таку величезну швидкість передачі не такий простий, як може показатися. Для апаратури Gigabil Ethernet будуть використовуватися ВІСи, виконані по 0,35 - мікронної технології. Тільки вони дозволять домогтися необхідної швидкодії., Що Існують же сьогодні 0,5 - мікронні ВІСи не можуть забезпечити заданої швидкості. Так що вирішувати приходиться не тільки мережеві, але і дуже непрості технологічні задачі. Очікується розробка 32-розрядного контролера, що містить і буферну пам'ять на кристалі, що включає в себе до мільйона логічних елементів. Номенклатура сегментів мережі Gigabit Ethernet у даний час містить у собі наступні типи:

1000BASE-SX - сегмент на мультимодовому оптоволоконному ка6елі з довжиною хвилі світлового сигналу 850 нм.

1000BASE-LX - сегмент на мультимодовому і одномодовому оптоволоконному кабелі з довжиною хвилі світлового сигналу 1300 нм.

1000BASE-CX - сегмент на електричному кабелі (екранована кручена пари).

1000BASE-T - сегмент на електричному кабелі (зчетверена неекранована кручена пари).

Перший варіант мережі Gigabit Ethernet буде виконаний на оптоволоконному кабелі. Приблизно в цей же час очікується поява мережі на екранованому електричному (чи коаксіальному) кабелі. Що стосується найбільше зручного варіанта на неекранованій крученій парі 1000BASE-T (на UTP кабелі категорії 5), то його поява планується не раніш початку 1999 року, тому що воно зажадає спеціальних технологічних розробок і робіт в області цифрової обробки сигналів. Що стосується максимальної довжини мережі на різних сегментах, то передбачається, що вона буде складати 500 метрів для мультимодового оптоволоконного кабелю, 2000 метрів для одномодового оптоволоконного кабелю, 25 метрів для екранованої крученої пари (коаксіального кабелю) і від 25 до 100 метрів для неекранованої крученої пари. Спеціально для мережі Gigabit Ethernet запропонований метод кодування переданої інформації 8В/10В, побудований по тому ж принципі, що і код 4В/5В мережі FDDI. Вісьмом бітам інформації, яку потрібно передати, ставиться у відповідність 10 біт, переданих по мережі. Цей код дозволяє зберегти самосинхронізацію, легко виявляти несучу (факт передачі), але не вимагає подвоєння смуги пропущення, як при застосуванні коду Манчестер-11.

Для збільшення 512-бітного інтервалу мережі Ethernet, що відповідає мінімальному тимчасовому дискрету, що використовується в методі CSMA/CD (51,2 мкс у мережі Ethernet і 5,12 мкс у мережі Fast Ethernet), розроблені спеціальні методи. У противному випадку часовий інтервал 0,512 мкс надмірно обмежував би граничну довжину мережі Gigabit Ethernet.

У ряді випадків Gigabit Ethernet буде витісняти оптоволоконну мережу FDD1, що у даний час усе частіше використовується для об'єднання в єдину мережу декількох локальних мереж, у тому числі і мереж Ethernet. FDDI може зв'язувати абонентів, що знаходяться на набагато більшій відстані друг від друга, але по швидкості Gigabit Ethernet істотно перевершує FDDI.

Так що незабаром нас чекає принципово важливий прорив в область швидкостей передачі, які ще недавно здавалися фантастичними і навіть, більш того, нікому не потрібними. А там, можливо, з'явиться і мережа зі швидкістю 10000 Мбіт/с, адже такі розробки уже ведуться.


3. Принципи побудови складених мереж


Мережевий рівень у першу чергу повинен надавати засоби для рішення наступних задач:

  1. доставки пакетів у мережі з довільною топологією,
  2. структуризації мережі шляхом надійної локалізації трафіка,
  3. узгодження різних протоколів канального рівня.

.1 Локалізація трафіка й ізоляція мереж


Трафік у мережі складається випадковим чином, однак у ньому відбиті і деякої закономірності. Як правило, деякі користувачі, що працюють над загальною задачею, (наприклад, співробітники одного відділу) найчастіше звертаються з запитами або один до одного, або до загального сервера, і тільки іноді вони мають необхідність доступу до ресурсів комп'ютерів іншого відділу. Бажано, щоб структура мережі відповідала структурі інформаційних потоків. У залежності від мережевого трафіка комп'ютери в мережі можуть бути розділені на групи (сегменти мережі). Комп'ютери поєднуються в групу, якщо велика частина породжуваних ними повідомлень, адресована комп'ютерам цієї ж групи.

Для поділу мережі на сегменти використовуються мости і комутатори. Вони екранують локальний трафік усередині сегмента, не передаючи за його межі ніяких кадрів, крім тих, котрі адресовані комп'ютерам, що знаходяться в інших сегментах. Тим самим, мережа розпадається на окремі підмережі. Це дозволяє більш раціонально використовувати пропускну здатність наявних ліній зв'язку, з огляду на інтенсивність трафіка усередині кожної групи, а також активність обміну даними між групами.

Однак локалізація трафіка засобами мостів і комутаторів має істотні обмеження.

З одного боку, логічні сегменти мережі, розташовані між мостами, недостатньо ізольований один від одного, а саме, вони не захищені від, так званих, широкомовних штормів. Якщо яка-небудь станція посилає широкомовне повідомлення, то це повідомлення передається всім станціям усіх логічних сегментів мережі. Захист від широкомовних штормів у мережах, побудованих на основі мостів, має кількісний, а не якісний характер: адміністратор просто обмежує кількість широкомовних пакетів, які дозволяється генерувати деякому вузлу.

З іншого боку, використання механізму віртуальних сегментів, реалізованого в комутаторах локальних мереж, приводить до повної локалізації трафіка - такі сегменти цілком ізольовані один від одного, навіть у відношенні широкомовних кадрів. Тому в мережах, побудованих тільки на мостах і комутаторах, комп'ютери, що належать різним віртуальним сегментам, не утворять єдиної мережі.

Наведені недоліки мостів і комутаторів пов'язані з тим, що вони працюють по протоколах канального рівня, у яких у явному виді не визначається поняття частини мережі (чи підмережі, чи сегмента), яке можна було б використовувати при структуризації великої мережі. Замість того, щоб удосконалити канальний рівень, розроблювачі мережевих технологій вирішили доручити задачу побудови складеної мережі новому рівню - мережевому.


3.2 Узгодження протоколів канального рівня


Сучасні обчислювальні мережі часто будуються з використанням декількох різних базових технологій - Ethernet, Token Ring чи FDDI. Така неоднорідність виникає або при об'єднанні вже існуючих мереж, що використовують у своїх транспортних підсистемах різні протоколи канального рівня, або при переході до нових технологій, такх, як Fast Ethernet чи 100VG-AnyLAN.

Саме для утворення єдиної транспортної системи, що поєднує кілька мереж з різними принципами передачі інформації між кінцевими вузлами, і служить мережевий рівень. Коли дві чи більш мережі організують спільну транспортну службу, то такий режим взаємодії звичайно називають міжмережевою взаємодією (internetworking). Для позначення складеної мережі в англомовній літературі часто також використовується термін інтермережа (internetwork чи internet).

Створення складної структурованої мережі, що інтегрує різні базові технології, може здійснюватися і засобами канального рівня: для цього можуть бути використані деякі типи мостів і комутаторів. Однак можливістю трансляції протоколів канального рівня володіють далеко не всі типи мостів і комутаторів, до того ж можливості ці обмежені. Зокрема, у поєднуваних мережах повинні збігатися максимальні розміри полів даних у кадрах, тому що канальні протоколи, як правило, не підтримують функції фрагментації пакетів.


3.3 Маршрутизація в мережах з довільною топологією


Серед протоколів канального рівня деякі забезпечують доставку даних у мережах з довільною топологією, але тільки між парою сусідніх вузлів (наприклад, протокол PPP), а деякі - між будь-якими вузлами (наприклад, Ethernet), але при цьому мережа повинна мати топологію визначеного і дуже простого типу, наприклад, деревоподібну.

При об'єднанні в мережу декількох сегментів за допомогою мостів чи комутаторів продовжують діяти обмеження на її топологію: у мережі, що вийшла, повинні бути відсутніми петлі. Дійсно, міст чи його функціональний аналог - комутатор - можуть вирішувати задачу доставки пакета адресату тільки тоді, коли між відправником і одержувачем існує єдиний шлях. У той же час наявність надлишкових зв'язків, що і утворюють петлі, часто необхідна для кращого балансування навантаження, а також для підвищення надійності мережі за рахунок існування альтернативного маршруту на додаток до основного.

Мережевий рівень дозволяє передавати дані між будь-якими, довільно зв'язаними вузлами мережі.

Реалізація протоколу мережевого рівня має на увазі наявність у мережі спеціального пристрою - маршрутизатора. Маршрутизатори поєднують окремі мережі в загальну складену мережу (малюнок 1.1). Внутрішня структура кожної мережі не показана, тому що вона не має значення при розгляді мережевого протоколу. До кожного маршрутизатора можуть бути приєднані кілька мереж (принаймні дві).

У складних складених мережах майже завжди існує декілька альтернативних маршрутів для передачі пакетів між двома кінцевими вузлами. Задачу вибору маршрутів з декількох можливих вирішують маршрутизатори, а також кінцеві вузли.

Маршрут - це послідовність маршрутизаторів, яку повинен пройти пакет від відправника до пункту призначення.

Маршрутизатор вибирає маршрут на підставі свого представлення про поточну конфігурації мережі і відповідного критерію вибору маршруту. Звичайно як критерій виступає час проходження маршруту, що у локальних мережах збігається з довжиною маршруту, який вимірюється в кількості пройдених вузлів маршрутизації (у глобальних мережах приймається в розрахунок і час передачі пакета по кожній лінії зв'язку).


3.4 Протоколи передачі даних і протоколи обміну маршрутною інформацією


Для того, щоб мати інформацію про поточну конфігурації мережі, маршрутизатори обмінюються маршрутною інформацією між собою по спеціальному протоколу. Протоколи цього типу називаються протоколами обміну маршрутною інформацією (чи протоколами маршрутизації). Протоколи обміну маршрутною інформацією варто відрізняти від, власне, протоколів мережевого рівня. У той час як перші несуть чисто службову інформацію, другі призначені для передачі користувацьких даних, також, як це роблять протоколи канального рівня.

Для того, щоб доставити віддаленому маршрутизатору пакет протоколу обміну маршрутною інформацією, використовується протокол мережевого рівня, тому що тільки він може передати інформацію між маршрутизаторами, що знаходяться в різних мережах. Пакет протоколу обміну маршрутною інформацією міститься в поле даних пакета мережевого рівня, тому з погляду вкладеності пакетів протоколи маршрутизації варто віднести до більш високого рівня, чим мережевий. Але функціонально вони вирішують загальну задачу з пакетами мережевого рівня - доставляють кадри адресату через різнорідну складену мережу.

За допомогою протоколів обміну маршрутною інформацією маршрутизатори складають карту міжмережевих зв'язків того чи іншого ступеня подробиці і приймають рішення про то, якому наступному маршрутизатору потрібно передати пакет для утворення раціонального шляху.

На мережевому рівні працюють протоколи ще одного типу, що відповідають за відображення адреси вузла, використовуваного на мережевому рівні, у локальна адреса мережі. Такі протоколи часто називають протоколами дозволу адрес - Address Resolution Protocol, ARP. Іноді їх відносять не до мережевого рівня, а до канального, хоча тонкості класифікації не змінюють їхньої суті.


4. Стек протоколів TCP/IP


4.1 Історія і перспективи стека TCP/IP

Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - це промисловий стандарт стека протоколів, розроблений для глобальних мереж.

Стандарти TCP/IP опубліковані в серії документів, названих Request for Comment (RFC). Документи RFC описують внутрішню роботу мережі Internet. Деякі RFC описують мережні сервіси чи протоколи і їхню реалізацію, у той час як інші узагальнюють умови застосування. Стандарти TCP/IP завжди публікуються у виді документів RFC, але не всі RFC визначають стандарти.

Стек був розроблений з ініціативи Міністерства оборони США (Department of Defence, Do) більш 20 років тому для зв'язку експериментальної мережі ARPAnet з іншими сателітними мережами як набір загальних протоколів для різнорідного обчислювального середовища. Мережа ARPA підтримувала розроблювачів і дослідників у військових областях. У мережі ARPA зв'язок між двома комп'ютерами здійснювалася з використанням протоколу Internet Protocol (IP), що і донині є одним з основних у стеку TCP/IP і фігурує в назві стека.

Великий внесок у розвиток стека TCP/IP вніс університет Берклі, реалізувавши протоколи стека у своїй версії ОС UNIX. Широке поширення ОС UNIX привело і до широкого поширення протоколу IP і інших протоколів стека. На цьому ж стеку працює всесвітня інформаційна мережа Internet, чий підрозділ Internet Engineering Task Force (IETF) вносить основний вклад в удосконалювання стандартів стека, які публікуються у формі специфікацій RFC.

Якщо в даний час стек TCP/IP розповсюджений в основному в мережах з ОС UNIX, то реалізація його в останніх версіях мережевих операційних систем для персональних комп'ютерів (Windows NT 3.5, NetWare 4.1, Windows 95) є гарною передумовою для швидкого росту числа установок стека TCP/IP.

Отже, що лідирує роль стека TCP/IP порозумівається наступними його властивостями:

  1. Це найбільш завершений стандартний і в той же час популярний стек мережевих протоколів, що має багаторічну історію.
  2. Майже усі великі мережі передають основну частину свого трафіка за допомогою протоколу TCP/IP.
  3. Це метод одержання доступу до мережі Internet.
  4. Цей стек є основою для створення intranet - корпоративної мережі, що використовує транспортні послуги Internet і гіпертекстову технологію WWW, розроблену в Internet.
  5. Усі сучасні операційні системи підтримують стек TCP/IP.
  6. Це гнучка технологія для з'єднання різнорідних систем як на рівні транспортних підсистем, так і на рівні прикладних сервісів.
  7. Це стійке масштабоване міжплатформене середовище для додатків клієнт-сервер.

.2 Структура стека TCP/IP. Коротка характеристика протоколів


Тому що стек TCP/IP був розроблений до появи моделі взаємодії відкритих систем ISO/OSI, то, хоча він також має багаторівневу структуру, відповідність рівнів стека TCP/IP рівням моделі OSI досить умовно.

Самий нижній (рівень IV) відповідає фізичному і канальному рівням моделі OSI. Цей рівень у протоколах TCP/IP не регламентується, але підтримує всі популярні стандарти фізичного і канального рівня: для локальних мереж це Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальних мереж - протоколи з'єднань «точка-крапка» SLIP і PPP, протоколи територіальних мереж з комутацією пакетів X.25, frame relay. Розроблена також спеціальна специфікація, що визначає використання технології ATM як транспорт канального рівня. Звичайно з появою нової технології локальних чи глобальних мереж вона швидко включається в стек TCP/IP за рахунок розробки відповідного RFC, що визначає метод інкапсуляції пакетів IP у її кадри.

Наступний рівень (рівень III) - це рівень міжмережевої взаємодії, що займається передачею пакетів з використанням різних транспортних технологій локальних мереж, територіальних мереж, ліній спеціального зв'язку і т. п.

Як основний протокол мережевого рівня (у термінах моделі OSI) у стеку використовується протокол IP, що споконвічно проектувався як протокол передачі пакетів у складених мережах, що складаються з великої кількості локальних мереж, об'єднаних як локальними, так і глобальними зв'язками. Тому протокол IP добре працює в мережах зі складною топологією, раціонально використовуючи наявність у них підсистем і ощадливо витрачаючи пропускну здатність низькошвидкісних ліній зв'язку. Протокол IP є дейтаграмним протоколом, тобто він не гарантує доставку пакетів до вузла призначення, але намагається це зробити.

До рівня міжмережевої взаємодії відносяться і всі протоколи, зв'язані зі складанням і модифікацією таблиць маршрутизації, такі як протоколи збору маршрутної інформації RIP (Routing Internet Protocol) і OSPF (Open Shortest Path First), а також протокол міжмережевих керуючих повідомлень ICMP (Internet Control Message Protocol). Останній протокол призначений для обміну інформацією про помилки між маршрутизаторами мережі і вузлом - джерелом пакета. За допомогою спеціальних пакетів ICMP повідомляється про неможливість доставки пакета, про перевищення часу чи життя тривалості зборки пакета з фрагментів, про аномальні величини параметрів, про зміну маршруту пересилання і типу обслуговування, про стан системи і т. п.

Наступний рівень (рівень II) називається основним. На цьому рівні функціонують протокол керування передачею TCP (Transmission Control Protocol) і протокол дейтаграм користувача UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP забезпечує надійну передачу повідомлень між віддаленими прикладними процесами за рахунок утворення віртуальних з'єднань. Протокол UDP забезпечує передачу прикладних пакетів дейтаграмним способом, як і IP, і виконує тільки функції сполучного ланки між мережним протоколом і численними прикладними процесами.

Верхній рівень (рівень I) називається прикладним. За довгі роки використання в мережах різних країн і організацій стек TCP/IP нагромадив велику кількість протоколів і сервісів прикладного рівня. До них відносяться такі широко використовувані протоколи, як протокол копіювання файлів FTP, протокол емуляції термінала telnet, поштовий протокол SMTP, використовуваний в електронній пошті мережі Internet, гіпертекстові сервіси доступу до віддаленої інформації, такі як WWW і багато хто інші. Зупинимося декілька докладніше на деякі з них.

Протокол пересилання файлів FTP (File Transfer Protocol) реалізує віддалений доступ до файлу. Для того, щоб забезпечити надійну передачу, FTP використовує як транспорт протокол із установленням з'єднань - TCP. Крім пересилання файлів протокол FTP пропонує й інші послуги. Так, користувачу надається можливість інтерактивної роботи з віддаленою машиною, наприклад, він може роздрукувати вміст її каталогів. Нарешті, FTP виконує аутентифікацію користувачів. Перш, ніж одержати доступ до файлу, відповідно до протоколу користувачі повинні повідомити своє ім'я і пароль. Для доступу до публічних каталогів FTP-архівів Internet парольна аутентифікація не потрібна, і її обходять за рахунок використання для такого доступу визначеного імені користувача Anonymous.

У стеку TCP/IP протокол FTP пропонує найбільш широкий набір послуг для роботи з файлами, однак він є і самим складної для програмування. Додатка, яким не вимагаються всі можливості FTP, можуть використовувати іншої, більш економічний протокол - найпростіший протокол пересилання файлів TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Цей протокол реалізує тільки передачу файлів, причому як транспорт використовується більш простій, чим TCP, протокол без установлення з'єднання - UDP.

Протокол telnet забезпечує передачу потоку байтів між процесами, а також між процесом і терміналом. Найбільше часто цей протокол використовується для емуляції термінала віддаленого комп'ютера. При використанні сервісу telnet користувач фактично керує віддаленим комп'ютером так само, як і локальний користувач, тому такий вид доступу вимагає гарного захисту. Тому сервери telnet завжди використовують як мінімум аутентифікацію по паролі, а іноді і більш могутні засоби захисту, наприклад, систему Kerberos.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) використовується для організації мережевого керування. Споконвічно протокол SNMP був розроблений для віддаленого контролю і керування маршрутизаторами Internet, що традиційно часто називають також шлюзами. З ростом популярності протокол SNMP стали застосовувати і для керування будь-яким комунікаційним устаткуванням - концентраторами, мостами, мережними адаптерами і т.д. і т. п. Проблема керування в протоколі SNMP розділяється на двох задач.

Перша задача зв'язана з передачею інформації. Протоколи передачі керуючої інформації визначають процедуру взаємодії SNMP-агента, що працює в керованому устаткуванні, і SNMP-монітора, що працює на комп'ютері адміністратора, що часто називають також консоллю керування. Протоколи передачі визначають формати повідомлень, якими обмінюються агенти і монітор.

Друга задача зв'язана з контрольованими перемінними, що характеризують стан керованого пристрою. Стандарти регламентують, які дані повинні зберігатися і накопичуватися в пристроях, імена цих даних і синтаксис цих імен. У стандарті SNMP визначена специфікація інформаційної бази дані керування мережею. Ця специфікація, відома як база даних MIB (Management Information Base), визначає ті елементи даних, що керований пристрій повинен зберігати, і припустимі операції над ними.


.3 Адресація в IP-мережах


Типи адрес: фізична (MAC-адреса), мережева (IP-адреса) і символьна (DNS-ім'я)

Кожен комп'ютер у мережі TCP/IP має адреси трьох рівнів:

  1. Локальна адреса вузла, обумовлена технологією, за допомогою якої побудована окрема мережа, d котру входить даний вузол. Для вузлів, що входять у локальні мережі - це Мас-адреса мережевого адаптера чи порту маршрутизатора, наприклад, 11-А0-17-3D-BC-01. Ці адреси призначаються виробниками устаткування і є унікальними, тому що керуються централізовано. Для всіх існуючих технологій локальних мереж Мас-адреса має формат 6 байтів: старші 3 байти - ідентифікатор фірми виробника, а молодші 3 байти призначаються унікальним чином самим виробником. Для вузлів, що входять у глобальні мережі, такі як Х.25 чи frame relay, локальна адреса призначається адміністратором глобальної мережі.
  2. IP-адреса, що складається з 4 байт, наприклад, 109.26.17.100. Ця адреса використовується на мережевому рівні. Він призначається адміністратором під час конфігурівання комп'ютерів і маршрутизаторів. IP-адреса складається з двох частин: номера мережі і номери вузла. Номер мережі може бути обраний адміністратором довільно, або призначений за рекомендацією спеціального підрозділу Internet (Network Information Center, NIC), якщо мережа повинна працювати як складова частина Internet. Звичайно провайдери послуг Internet одержують діапазони адрес у підрозділів NIC, а потім розподіляють їх між своїми абонентами.

Номер вузла в протоколі IP призначається незалежно від локальної адреси вузла. Розподіл IP-адреси на поле номера мережі і номери вузла - гнучке, і границя між цими полями може встановлюватися дуже довільно. Вузол може входити в кілька IP-мереж. У цьому випадку вузол повинен мати кілька IP-адрес, по числу мережевих зв'язків. У такий спосіб IP-адреса характеризує не окремий чи комп'ютер маршрутизатор, а одне мережне з'єднання.

  1. Символьний ідентифікатор-ім'я, наприклад, SERV1.IBM.COM. Ця адреса призначається адміністратором і складається з декількох частин, наприклад, імені машини, імені організації, імені домена. Така адреса, називана також DNS-ім'ям, використовується на прикладному рівні, наприклад, у протоколах FTP чи telnet.

.3.1 Три основні класи IP-адрес

IP-адреса має довжину 4 байти і звичайно записується у виді чотирьох чисел, що представляють значення кожного байта в десятковій формі, і розділених крапками, наприклад:

.10.2.30 - традиційна десяткова форма представлення адреси,

00001010 00000010 00011110 - двійкова форма представлення цієї ж адреси.

Адреса складається з двох логічних частин - номера мережі і номери вузла в мережі. Яка частина адреси відноситься до номера мережі, а яка до номера вузла, визначається значеннями перших бітів адреси:

  1. Якщо адреса починається з 0, то мережу відносять до класу А, і номер мережі займає один байт, інші 3 байти інтерпретуються як номер вузла в мережі. Мережі класу А мають номера в діапазоні від 1 до 126. (Номер 0 не використовується, а номер 127 зарезервований для спеціальних цілей, про що буде сказано нижче.) У мережах класу А кількість вузлів повинна бути більше 216, але не перевищувати 224.
  2. Якщо перші два біти адреси рівні 10, то мережа відноситься до класу В и є мережею середніх розмірів з числом вузлів 28 - 216. У мережах класу В під адресу мережі і під адресу вузла приділяється по 16 бітів, тобто по 2 байти.
  3. Якщо адреса починається з послідовності 110, то це мережа класу С с числом вузлів не більше 28. Під адресу мережі приділяється 24 битка, а під адресу вузла - 8 бітів.
  4. Якщо адреса починається з послідовності 1110, то він є адресою класу D і позначає особливу, групову адресу - multicast. Якщо в пакеті як адресу призначення зазначена адреса класу D, то такий пакет повинні одержати усі вузли, яким привласнений дана адреса.
  5. Якщо адреса починається з послідовності 11110, то це адреса класу Е, вона зарезервований для майбутніх застосувань.

.3.2 Угоди про спеціальні адреси: broadcast, multicast, loopback

У протоколі IP існує кілька угод про особливу інтерпретацію IP-адрес:

  1. якщо IР-адреса складається тільки з двійкових нулів, то він позначає адресу того вузла, що згенерував цей пакет;
  2. якщо в полі номера мережі міститься 0, то за замовчуванням вважається, що цей вузол належить тієї ж самої мережі, що і вузол, що відправив пакет;
  3. якщо всі двійкові розряди IP-адреси рівні 1, то пакет з такою адресою призначення повинен розсилатися всім вузлам, що знаходяться в тій же мережі, що і джерело цього пакета. Таке розсилання називається обмеженим широкомовним повідомленням (limited broadcast);
  4. якщо в поле адреси призначення коштують суцільні 1, то пакет, що має така адреса розсилається всім вузлам мережі з заданим номером. Таке розсилання називається широкомовним повідомленням (broadcast);
  5. адреса 127.0.0.1 зарезервований для організації зворотного зв'язку при тестуванні роботи програмного забезпечення вузла без реального відправлення пакета по мережі. Ця адреса має назва loopback.

Уже згадувана форма групової IP-адреси - multicast - означає, що даний пакет повинен бути доставлений відразу декільком вузлам, що утворять групу з номером, зазначеним у поле адреси. Вузли самі ідентифікують себе, тобто визначають, до якій із груп вони відносяться. Той самий вузол може входити в кілька груп. Такі повідомлення на відміну від широкомовних називаються мультивіщательні. Групова адреса не поділяється на поле номера мережі і вузла й обробляється маршрутизатором особливим чином.

У протоколі IP немає поняття широкомовності в тому змісті, у якому воно використовується в протоколах канального рівня локальних мереж, коли дані повинні бути доставлені абсолютно всім вузлам. Як обмежена широкомовна IP-адреса, так і широкомовна IP-адреса має межі поширення в інтермережі - вони обмежені або мережею, до якої належить вузол - джерело пакета, або мережею, номер якої зазначений в адресі призначення. Тому розподіл мережі за допомогою маршрутизаторів на частині локалізує широкомовний шторм межами однієї зі складових загальну мережу частин просто тому, що немає способу адресувати пакет одночасно всім вузлам усіх мереж складеної мережі.


4.4 Структура зв'язків протокольних модулів


Логічна структура мережевого програмного забезпечення, що реалізує протоколи сімейства TCP/IP у кожнім вузлі мережі internet, зображена на малюнку. Прямокутники позначають обробку даних, а лінії, що з'єднують прямокутники, - шляху передачі даних. Горизонтальна лінія внизу малюнка позначає кабель мережі Ethernet, що використовується як приклад фізичного середовища; «o» - це трансивер. Знак «*» - позначає IP-адреса, а «@» - адреса вузла в мережі Ethernet (Ethernet-адреса). Розуміння цієї логічної структури є основою для розуміння всієї технології internet. Надалі ми будемо часто посилатися на цю схему.

Машина може бути підключена одночасно до декількох середовищ передачі даних. На мал. 3 показана машина з двома мережними інтерфейсами Ethernet. Помітимо, що вона має 2 Ethernet-адреси і 2 IP-адреси.

Таким чином, він здійснює мультиплексування вхідних і вихідних даних в обох напрямках. Модуль IP у даному випадку складніше, ніж у першому прикладі, тому що може передавати дані між мережами. Дані можуть надходити через будь-який мережевий інтерфейс і бути ретранслированы через будь-який інший мережевий інтерфейс. Процес передачі пакета в іншу мережу називається ретрансляцією IP-пакета. Машина, що виконує ретрансляцію, називається шлюзом. [1]


.5 Відображення фізичних адрес на IP-адреси: протоколи ARP і RARP


У протоколі IP-адреса вузла, тобто адреса чи комп'ютера порту маршрутизатора, призначається довільно адміністратором мережі і прямо не зв'язаний з його локальною адресою, як це зроблено, наприклад, у протоколі IPX. Підхід, використовуваний у IP, зручно використовувати у великих мережах і через його незалежність від формату локальної адреси, і через стабільність, тому що в противному випадку, при зміні на комп'ютері мережевого адаптера ця зміна повинні б були враховувати всі адресати всесвітньої мережі Internet (у тому випадку, звичайно, якщо мережа підключена до Internet'у).

Локальна адреса використовується в протоколі IP тільки в межах локальної мережі при обміні даними між маршрутизатором і вузлом цієї мережі. Маршрутизатор, одержавши пакет для вузла однієї з мереж, безпосередньо підключених до його портів, повинен для передачі пакета сформувати кадр відповідно до вимог прийнятої в цій мережі технології і вказати в ньому локальна адреса вузла, наприклад його Мас-адреса. У пакеті, що прийшов, ця адреса не зазначена, тому перед маршрутизатором устає задача пошуку його по відомій IP-адресі, що зазначена в пакеті як адресу призначення. З аналогічною задачею зіштовхується і кінцевий вузол, коли він хоче відправити пакет у віддалену мережу через маршрутизатор, підключений до тієї ж локальної мережі, що і даний вузол.

Для визначення локальної адреси по IP-адресі використовується протокол дозволу адреси Address Resolution Protocol, ARP. Протокол ARP працює різним чином у залежності від того, який протокол канального рівня працює в даній мережі - протокол локальної мережі (Ethernet, Token Ring, FDDI) з можливістю широкомовного доступу одночасно до усіх вузлів мережі, чи ж протокол глобальної мережі (X.25, frame relay), як правило не підтримуючий широкомовний доступ. Існує також протокол, що вирішує зворотну задачу - перебування IP-адреси по відомій локальній адресі. Він називається реверсивний ARP - RARP (Reverse Address Resolution Protocol) і використовується при старті бездискових станцій, що не знають у початковий момент своєї IP-адреси, але знаючих адресу свого мережевого адаптера.

У локальних мережах протокол ARP використовує широкомовні кадри протоколу канального рівня для пошуку в мережі вузла з заданою IP-адресою.

Вузол, якому потрібно виконати відображення IP-адреси на локальну адресу, формує ARP запит, вкладає його в кадр протоколу канального рівня, вказуючи в ньому відома IP-адреса, і розсилає запит широкомовно. Усі вузли локальної мережі одержують ARP запит і порівнюють зазначений там IP-адреса з власним. У випадку їхнього збігу вузол формує ARP-відповідь, у якому указує своя IP-адреса і своя локальна адреса і відправляє його вже направлено, тому що в ARP запиті відправник указує свою локальну адресу. ARP-запити і відповіді використовують той самий формат пакета. Тому що локальні адреси можуть у різних типах мереж мати різну довжину, то формат пакета протоколу ARP залежить від типу мережі.

У поле типу мережі для мереж Ethernet указується значення 1. Поле типу протоколу дозволяє використовувати пакети ARP не тільки для протоколу IP, але і для інших мережевих протоколів. Для IP значення цього поля дорівнює 080016.

Довжина локальної адреси для протоколу Ethernet дорівнює 6 байтам, а довжина IP-адреси - 4 байтам. У поле операції для ARP запитів указується значення 1 для протоколу ARP і 2 для протоколу RARP.

Вузол, що відправляє ARP-запит, заповнює в пакеті всі поля, крім поля шуканої локальної адреси (для RARP-запиту не вказується шукана IP-адреса). Значення цього поля заповнюється вузлом, що пізнав свою IP-адресу.

У глобальних мережах адміністратору мережі найчастіше доводиться вручну формувати ARP-таблиці, у яких він задає, наприклад, відповідність IP-адреси адресі вузла мережі X.25, що має смисл локальної адреси. Останнім часом намітилася тенденція автоматизації роботи протоколу ARP і в глобальних мережах. Для цієї мети серед усіх маршрутизаторів, підключених до якої-небудь глобальної мережі, виділяється спеціальний маршрутизатор, що веде ARP-таблицю для всіх інших вузлів і маршрутизаторів цієї мережі. При такому централізованому підході для усіх вузлів і маршрутизаторів вручну потрібно задати тільки IP-адреса і локальна адреса виділеного маршрутизатора. Потім кожен вузол і маршрутизатор реєструє свої адреси у виділеному маршрутизаторі, а при необхідності установлення відповідності між IP-адресою і локальною адресою вузол звертається до виділеного маршрутизатора з запитом і автоматично одержує відповідь без участі адміністратора.

мультиплексування комутація мережа трафік


1. Методи комутації Будь-які мережі зв'язку підтримують деякий спосіб комутації своїх абонентів між собою. Цими абонентами можуть бути віддалені комп'юте

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ